基于Texas(HEFR)法倭肯河流域中下游段河道生態(tài)基流量計算

阿金寰

(黑龍江省水文水資源中心佳木斯分中心，黑龍江 佳木斯)

倭肯河是松花江右岸的重要支流，地處黑龍江省東部，三江平原西南部，地跨七臺河市、勃利縣、佳木斯市郊區(qū)、樺南縣和依蘭縣五個市縣。地理坐標為E45°36′29″-46°12′58″,N129°33′17″-131°37′16″。隨著水資源開發(fā)利用程度越來愈高，由于人類生活生產(chǎn)需水量不斷提升，隨之河流維持原有生態(tài)用水量不斷被擠壓導(dǎo)致當(dāng)?shù)睾恿魃鷳B(tài)環(huán)境呈下降趨勢，而保持維護河流生態(tài)的最小流量也就是河流維持淡水系統(tǒng)所需水量的必要條件，如何在保證河流生態(tài)環(huán)境不退化，并且能持續(xù)保持良好發(fā)展已成為急需解決的重要問題，要解決倭肯河流域的生態(tài)問題，必須對現(xiàn)有水文數(shù)據(jù)進行整理分析，這里引入河流生態(tài)基本流量這一概念，河流生態(tài)基流量即保證河流生態(tài)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)完整或主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)正常發(fā)揮所需的最小流量，在東北，河流具有明顯的年際變化，因此我們所需要計算的河流基流量應(yīng)具有時空特征。文章以倭肯河中游倭肯水文站水文數(shù)據(jù)為例，通過Tennat法和Texas法對倭肯河流域生態(tài)基流量進行成果分析，以探求出Texas方法在東北地區(qū)河流的適用程度。

1 生態(tài)基流量計算方法

1.1 Texas法(HEFR)

2007年，美國德克薩斯州環(huán)境質(zhì)量委員會制定一套在全州范圍內(nèi)實施的環(huán)境流量標準計劃，根據(jù)(HEFR)方法將不同階段的生態(tài)基流量與水文統(tǒng)計數(shù)據(jù)相結(jié)合，將河流流量過程劃分為生存流、低基流、中基流、高基流、脈沖流及漫灘流，通過這種劃分方法，很好地體現(xiàn)河流的季節(jié)性和年際變化，通過此種方法來平衡水權(quán)用戶的環(huán)境流量標準。

Texas法基本原理就是基于水文學(xué)的環(huán)境流態(tài)(HEFR)進行分別計算生態(tài)基流量，美國國家研究委員會(NRC)將生態(tài)流量劃分為四個部分由低到高分別為生存流、基流、脈沖流和漫灘流，此外NRC認為該方法特別適用于水利開發(fā)程度較高的河流，這種類似于金字塔分層結(jié)構(gòu)適用于在充分了解生態(tài)流量系統(tǒng)需求下逐步實現(xiàn)生態(tài)管理目標(即分層分階段逐步實施最優(yōu)目標)，Texas法考慮了水文季節(jié)變化因素，通過對將長系列徑流量資料進行頻率計算，取25%、50%和75%保證率下月流量的特定百分率作為生態(tài)基流量[1]。在國內(nèi)文獻中，大多采用50%對應(yīng)的中基流作為生態(tài)基流量。

1)生存流：月度或者季度流量值計算的Q95。

2)基流：月均流量第25、50和75百分位的基流值分別分類為高、中和低基流。

3)短期高流量和漫灘流：使用頻率法確定。

1.2 Tennant法

Tennant法又稱蒙大拿法，其原理為基于水文站觀測的河流流量數(shù)據(jù)，探求河流生態(tài)環(huán)境與水文數(shù)據(jù)的經(jīng)驗關(guān)系，利用已有的長系列歷史流量資料，通過經(jīng)驗系數(shù)來確定一年中不同時期(主要是豐水期、枯水期)的生態(tài)需水量，優(yōu)點是使用方便，在許多地方都有廣泛的應(yīng)用，同時還可以做河流的生態(tài)評價標準，詳見表1[2]。

表1 河流棲息地狀況和河道生態(tài)基流標準

2 研究區(qū)概況

倭肯河流域?qū)儆谒苫ń杏斡野吨Я鳌０l(fā)源于完達山脈西北麓冷寒宮西南側(cè)。干流自東南流向西北，沿途流經(jīng)紅興隆管理局北興農(nóng)場31、22、21、26、17、16、24、10和4作業(yè)站，桃山水庫，七臺河市茄子河區(qū)的中心河鄉(xiāng)和茄子河鎮(zhèn)、桃山區(qū)的萬寶河鎮(zhèn)、新興區(qū)的紅旗鎮(zhèn)和長興鄉(xiāng)，勃利縣青山鄉(xiāng)、搶墾鄉(xiāng)、杏樹鄉(xiāng)、倭肯鎮(zhèn)、吉興鄉(xiāng)、雙河鎮(zhèn)和永恒鄉(xiāng)、樺南縣的大八浪鄉(xiāng)、閆家鎮(zhèn)和土龍山鎮(zhèn)，紅興隆管理局曙光農(nóng)場第十作業(yè)站、依蘭縣三道崗鎮(zhèn)、道臺橋鎮(zhèn)、團山子鄉(xiāng)、愚公鄉(xiāng)、宏克力鎮(zhèn)和依蘭鎮(zhèn)等市縣(區(qū)，農(nóng)場)，在依蘭縣依蘭鎮(zhèn)東側(cè)1km處匯入松花江。

倭肯河水生生物的種群和數(shù)量較少，魚類組成主要為哲羅魚、細鱗魚、鯰魚、鯉、鯽、鲇、狗、黑魚、馬口魚、老頭魚、鰱魚、鳙魚、狗魚、雅羅魚、麥穗魚等，其中細鱗魚為國家二級野生保護動物。倭肯河魚類主要分布在桃山水庫壩址以上河段，壩下河段魚類較少，且無魚類“三場一通道”(即魚類產(chǎn)卵場、索餌場、越冬場和洄游通道)。同時倭肯河干流下游依蘭、樺南段分布許多糧食生產(chǎn)區(qū)，人類活動與農(nóng)業(yè)灌溉用水使得倭肯河干流水文形勢發(fā)生變化，水量水質(zhì)變化直接影響下游河流魚類棲息場所，為了保障魚類能在下游河段正常生存、產(chǎn)卵、繁殖，需考慮到生態(tài)流量的滿足情況。

3 具體實例分析

根據(jù)上文提供的水文學(xué)計算方法，選用倭肯水文站，以倭肯水文站1956年-2016年逐月天然徑流量成果基礎(chǔ)，計算生態(tài)基流。見表2。

本次Tennant法采用將河流多年平均流量10%-30%作為生態(tài)基流，其中劃分6-9月份為豐水期，采用多年平均流量的20%作為豐水期生態(tài)基流量，其他月份為枯水期，采用多年平均流量的10%作為枯水期生態(tài)基流量，最后結(jié)果見表3。Texas計算結(jié)果見表3。

通過水力學(xué)方法簡易濕周法計算倭肯河流域倭肯水文站斷面的生態(tài)基流量為37m3/s，與Texas漫灘流1年1遇結(jié)果相近。其原理為利用河流橫斷面的水力學(xué)因素濕周作為棲息地的質(zhì)量指標來估算目標河流的流量值，通過圖1倭肯水文站測流橫斷面圖進行幾何分析，從而建立濕周-流量關(guān)系曲線，在曲線拐點處所對應(yīng)的流量作為河流的生態(tài)基流量，文章利用此種方法對Texas漫灘流進行判定是否合理[3]。

圖1 倭肯站測流斷面橫斷面圖

圖2 Tennant法與Texas法比較

由圖2可知Texas方法的高基流是目前生態(tài)基流計算方法結(jié)果的外包線，內(nèi)包線是生存流法計算結(jié)果。倭肯河是以降水作為主要補給方式的河流，Texas法的中基流可以作為生態(tài)改善的最好目標，可以從生存流開始逐步滿足，最終提高至中基流參考。

表2 倭肯河多年平均流量年內(nèi)分配表 m3/s

表3 Tennant法生態(tài)基流量 m3/s

表4 Texas法(HEFR)生態(tài)基流量 m3/s

表5 倭肯站不同方法生態(tài)基流匯總表 m3/s

4 結(jié) 論

通過對豐枯水年滿足程度計算，Texas高基流方法生態(tài)基流目標設(shè)置過高，在豐水年都很難完全滿足，而在封凍期各種方法都出現(xiàn)了不滿足的情況，這是由于倭肯河屬于東北寒區(qū)河流，年內(nèi)徑流變幅較大，雖然多年平均流量屬于豐水年份，封凍期出現(xiàn)流量過小情況，由于生存流和低基流封凍期流量都為0，但是考慮到實際封凍期河流對水質(zhì)的自我凈化水量和過冬魚類需要維持河流低洼處一定的水深及保持河道持續(xù)的水流條件(低流量)，因此建議在封凍期保留一個相對較合理的生態(tài)基流量目標值。Tennant法是考慮到綜合人類生產(chǎn)生活用水的滿足程度和河流生態(tài)狀態(tài)評價后的結(jié)果，而Texas中基流、高基流都是充分考慮到河流的能夠保持不斷優(yōu)化基本生態(tài)特性的，都能夠加強河流生態(tài)修復(fù)功能，而Tennant法趨向于生態(tài)維持。