新疆昌吉市三屯河生態(tài)水量計(jì)算方法研究

王彥國

(新疆昌吉水文勘測(cè)局，新疆 昌吉 831100)

恢復(fù)河流生態(tài)功能、維持河流生態(tài)健康、打造河流生態(tài)廊道的主要因素就是做好生態(tài)需水量的保障工作。三屯河流域是主要的產(chǎn)匯流區(qū)，地理位置顯得非常重要，合理確定山區(qū)河流生態(tài)需水量，并對(duì)生態(tài)水量進(jìn)行分析計(jì)算，提出保障河道生態(tài)用水的合理建議，對(duì)于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保護(hù)環(huán)境及生態(tài)安全有非常重要的意義。

1 三屯河流域水系

三屯河主要起源于天山北坡中段的天格爾峰，三屯河橫跨三種不同的山帶，由南向北進(jìn)行流動(dòng)，最終形成三屯河的主流，最終進(jìn)入到平原中。三屯河在天然的狀態(tài)下會(huì)流到很多地方，例如：北部的沙漠邊緣、或消失在沙漠中、或注入到白家海子中。隨著山區(qū)水庫和灌溉工程的不斷完善，很多河水在流入的過程中最終都會(huì)被引入到灌區(qū)中，除了必須汛期短暫匯洪以外，剩下的河道，基本上都處于干涸的狀態(tài)。

三屯河的支流主要在努爾加牧業(yè)附近匯合，在下游的時(shí)候很多的支流匯合之后就形成了三屯河的主流，這些支流包括：頭道水、二道水、廟爾溝等。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)：碾盤裝水文站在匯合口上的集水面積為：1 636 km2，河長103 km，河道縱坡17.3%。

2 三屯河生態(tài)水量分析計(jì)算

2.1 計(jì)算方法

2.1.1 Tennant法

水文學(xué)計(jì)算法中最常用的一種方法就是Tennant法，Tennant法一般在水文資料系列較長的河流中使用，在計(jì)算的時(shí)候會(huì)以河流多年平均流量的10%～30%為主，作為需要的生態(tài)基流。

Wr=1n(∑i=1nWi)×KWr=1n(∑i=1nWi)×K

(1)

式中：Wr為河道最小生態(tài)基流量；Wr=12×Min(Wij)p=90%Wr=12×Min(Wij)p=90%表示第i年的河川徑流量；Wr=12×Min(Wij)p=90%Wr=12×Min(Wij)p=90%為選取的百分?jǐn)?shù)；Wr=12×Min(Wij)p=90%Wr=12×Min(Wij)p=90%為統(tǒng)計(jì)年數(shù)。依據(jù)《水利水電建設(shè)項(xiàng)目水資源論證導(dǎo)則(SL525-2011)》、《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范》，K值選取范圍為10%～30%。對(duì)于重要水利工程計(jì)算節(jié)點(diǎn)河道生態(tài)基流的確定，原則上，一般根據(jù)多年平均流量的10%～20%確定。

本項(xiàng)目綜合考慮了各季節(jié)環(huán)境因素的影響，K值的選取也有所不同?？紤]到三屯河流域及河道的相關(guān)特性，包括在建水利工程的影響因素，插補(bǔ)后徑流量計(jì)算及實(shí)測(cè)徑流量計(jì)算中論證選取K值為15%；考慮到三屯河流域及河道兩岸的動(dòng)植物在豐水期(4-9月)需水量處于全年的高峰階段，同時(shí)此時(shí)間段也是相關(guān)應(yīng)急防汛工作的關(guān)鍵時(shí)期，大量下泄水有利于下游河道及兩岸生態(tài)向好發(fā)展和保障下游防汛安全，論證選取此期間K值為20%。三屯河流域及河道兩岸的動(dòng)植物在枯水期(10月-來年3月)需水量處于全年的最低階段，兩岸的植物生長基本停滯，因此論證選取此期間K值為10%。

2.1.2 90%保證率的最小月徑流量法

保證率法一般是在含水量很小的河流中使用，在使用的時(shí)候?qū)λ挠^測(cè)資料有比較高的要求，一般需要高于20 a。他是以90%保證率下的最枯月平均流量作為生態(tài)的基流。

本次實(shí)測(cè)流量資料采用碾盤莊水文站1973-2017年的相關(guān)數(shù)據(jù)，將每一年的最小月平均流量值換算成月徑流量，計(jì)算出各個(gè)月份的平均徑流量，主要以P-Ⅲ型曲線為主做頻率曲線，取此期間段年徑流量的算術(shù)平均值為主，在計(jì)算的時(shí)候要先確定好Cv、Cs的數(shù)值，需要注意的是：在計(jì)算時(shí)主要考慮理論頻率與經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)擬合較好為原則，同時(shí)也兼顧到統(tǒng)計(jì)參數(shù)的確定和推求最小月徑流量是否合理[1]。

2.1.3 7Q10法

水文計(jì)算法還有一種方法叫做7Q10法，7Q10法就是以連續(xù)最枯7日的平均流量為主作為生態(tài)基流，保證率需要控制在90%以下，一般7Q10法主要應(yīng)用在一些開發(fā)利用率比較高的河流中使用，對(duì)水文觀測(cè)資料的要求也需要在20 a以上。

2.2 計(jì)算成果

Tennant法、90%保證率的最小月徑流量法和7Q10法三種方法計(jì)算碾盤莊水文站控制斷面河道最小生態(tài)水量詳見表1。

表1 碾盤莊水文站控制斷面河道最小生態(tài)水量成果表

2.3 碾盤莊水文站控制斷面以下河道生態(tài)水量的合理性分析

通過以上三種計(jì)算方法進(jìn)行分析，第一種方法是采用年徑流量系列的平均值乘以生態(tài)流量百分?jǐn)?shù)得到的，生態(tài)流量年內(nèi)枯水期按多年平均的10%計(jì)算，豐水期按多年平均的20%計(jì)算，計(jì)算結(jié)果較實(shí)際明顯偏大，故不予推薦。第二種計(jì)算方法是直接采用1973-2017年的相關(guān)實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)，通過相關(guān)計(jì)算后，得到90%保證率的最小月徑流量作為河道最小生態(tài)水量。通過分析三屯河河道內(nèi)生態(tài)需水要求，該方法計(jì)算成果明顯偏大，因此不推薦。因?yàn)?Q10法在使用的時(shí)候必須以最枯7日的平均流量作為主要的生態(tài)流量，所以該法計(jì)算出來的生態(tài)流量能夠維持河道不發(fā)生斷流，在此基礎(chǔ)上又充分考量了水環(huán)境容量，計(jì)算結(jié)果較為合理[2]。

3 國內(nèi)外研究水平及趨勢(shì)

生態(tài)基流的研究是河流生態(tài)課題中一個(gè)新的熱點(diǎn)領(lǐng)域。近年，國內(nèi)外對(duì)河流生態(tài)流量方面的學(xué)術(shù)研究成果不斷探索創(chuàng)新。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)：目前河道內(nèi)生態(tài)需水量有近200余種的計(jì)算方法，主要以水文學(xué)法、綜合法、水力學(xué)法、水文生物分析法等內(nèi)容為主，每種方法在使用的時(shí)候都需要計(jì)算以下信息：水位信息、生境資料、長序列實(shí)測(cè)流量信息等，這些信息對(duì)計(jì)算有非常重要的幫助，可以提高計(jì)算的準(zhǔn)確率。

水力學(xué)法中常用濕周法計(jì)算生態(tài)需水量，用濕周法計(jì)算生態(tài)需水量時(shí)要滿足臨界點(diǎn)的流量要求，這樣才能提高生境需求對(duì)流量變化的靈敏度。要想更好的保證河流流動(dòng)過程中正常的生態(tài)功能的使用，必須要在流動(dòng)的過程中保持好河道生態(tài)需水量的流動(dòng)工作。對(duì)新疆天山北坡中小河流而言尋求濕周-流量關(guān)系曲線中的臨界點(diǎn)存在較大誤差，適用性不強(qiáng)。出現(xiàn)這種情況的主要原因就是河流主流的擺動(dòng)不穩(wěn)定，引發(fā)高水時(shí)斷面沖域發(fā)生變化，最終沒有辦法真正建立出符合實(shí)際情況的濕周和斷面的關(guān)系。

實(shí)踐證明由于河流特性的不同，適用于有實(shí)測(cè)流量資料的新疆多數(shù)河流采用的計(jì)算方法多為水文學(xué)方法，本項(xiàng)目針對(duì)水庫,水利工程建設(shè)對(duì)下游河道生態(tài)環(huán)境的影響等問題,以滿足河流最基本的稀釋自凈功能,維持河道穩(wěn)定及生物多樣性為目的，綜合國內(nèi)外現(xiàn)有多種生態(tài)流量計(jì)算方法,對(duì)本項(xiàng)目典型河道斷面的生態(tài)基流進(jìn)行了計(jì)算分析。本項(xiàng)目主要采用“Tennant法”、Q90法、7Q10法進(jìn)行分析計(jì)算，通過分析不同方法的計(jì)算結(jié)果優(yōu)劣與適用性條件，最終合理確定三屯河河道各斷面生態(tài)水量[3]。

4 結(jié)語

三屯河生態(tài)水量分析研究，為了更好的利用好水資源和河道上、下游聯(lián)合調(diào)度的資源和利用，要先做好生態(tài)保護(hù)工作，把“河長制”工作內(nèi)容更好的落到實(shí)處，最終達(dá)到可持續(xù)利用的目的，更好的為整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和河道生態(tài)水量奠定更多科學(xué)依據(jù)的基礎(chǔ)；項(xiàng)目提出了水行政部門應(yīng)充分通過河流水系自然連通與人工連通相結(jié)合、水利攔(調(diào))蓄工程相連通等措施，構(gòu)建生態(tài)水網(wǎng)體系，增加三屯河河流生態(tài)基流量，保障河道生態(tài)用水的合理建議，進(jìn)一步增強(qiáng)了管理部門對(duì)生態(tài)基流量調(diào)度的可操作性。按照維護(hù)河流健康、促進(jìn)兩岸水資源合理利用和有效保護(hù)的要求，對(duì)流域水資源開發(fā)利用不合理的方面，研究提出水資源配置調(diào)整、控制利用與河道生態(tài)保護(hù)的管理指導(dǎo)意見，以及加強(qiáng)河道生態(tài)保護(hù)管理的政策制度合理建議和保障河道生態(tài)用水的合理建議。