基于水文學(xué)方法的黑河中游最小生態(tài)流量研究

趙亞軍 陳慶偉 喬西現(xiàn)

(1.華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206；2.水利部水資源管理中心，北京 100038；3.水利部黃河水利委員會(huì)，河南 鄭州 450004)

保障生態(tài)流量是落實(shí)創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享五大發(fā)展理念，推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，保障國家水安全的基本要求。根據(jù)河流生態(tài)需水要求的不同，生態(tài)流量可劃分為多種類型。最小生態(tài)流量是為了維持河流、湖泊等水生態(tài)系統(tǒng)功能，需要保留的底線流量。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，目前國內(nèi)外關(guān)于生態(tài)流量的計(jì)算方法超過200種，主要可分為水文學(xué)方法、水力學(xué)方法、生境模擬法和綜合評(píng)價(jià)法[1]。水文學(xué)方法基于歷史流量數(shù)據(jù)計(jì)算得到生態(tài)流量(包括QP法、Tennant法、7Q10法、Texas法、NGPRP法、最小月平均流量法等)；水力學(xué)方法基于水力學(xué)基礎(chǔ)(如深度、寬度)來確定生態(tài)流量(包括濕周法、R2CROSS法、CASIMIR法和生態(tài)水力半徑法等)；生境模擬法基于生物學(xué)基礎(chǔ)，計(jì)算出適宜水生物種生境的生態(tài)流量；綜合評(píng)價(jià)法基于河流生態(tài)系統(tǒng)整體性理論，綜合考慮各個(gè)因素確定生態(tài)流量，包括澳大利亞的整體評(píng)價(jià)法(Holistic Approach)、南非的BBM(Building Block Methodology)等[2]。由于不同河流的水文、生物及生境情況不同，每種生態(tài)流量計(jì)算方法各有其適用范圍。

1 研究區(qū)概況

黑河中游地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，集中了黑河流域95%的人口[3]，研究黑河中游的最小生態(tài)流量有助于為黑河流域水資源的合理配置提供科學(xué)依據(jù)，本文以黑河中游作為研究對(duì)象，結(jié)合控制斷面的選取原則，選取鶯落峽水文站和正義峽水文站監(jiān)測(cè)斷面作為控制斷面，進(jìn)行黑河中游最小生態(tài)流量的計(jì)算。

1.1 黑河中游流域

黑河發(fā)源于祁連山北麓中段，位于河西走廊中部，地跨青海省、甘肅省和內(nèi)蒙古自治區(qū)。黑河干流全長928km，流域總面積14.29萬km2，是我國第二大內(nèi)陸河，多年平均徑流量16.8億m3(鶯落峽站)，黑河干流出山口鶯落峽以上為上游，鶯落峽至正義峽為中游，正義峽以下為下游，最終向北注入內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)的東西居延海。流域內(nèi)有35條支流，形成了東、中、西3個(gè)水系。本文研究區(qū)為黑河干流中游，屬于東部子水系。其中，中游干流全長204km，主要支流有山丹河、梨園河、洪水河及大都麻河等，其流域范圍包括張掖市內(nèi)的甘州、林澤、高臺(tái)、山丹、民樂等區(qū)縣，流域面積2.56萬km2。中游地區(qū)地勢(shì)平坦，光熱資源充足，氣候干旱，屬溫帶大陸性荒漠氣候，年平均溫度6～8℃，年降水量110～370mm，蒸發(fā)量1200～2200mm，水生態(tài)功能區(qū)分為農(nóng)耕區(qū)、牧業(yè)區(qū)和荒漠生態(tài)區(qū)[4]。中游地區(qū)人口眾多，有許多綠洲，盛產(chǎn)水稻、小麥、油菜等作物，是我國西北地區(qū)重要的糧食生產(chǎn)基地。

由于人類對(duì)黑河流域不合理的開發(fā)利用活動(dòng)，再加上自然因素，黑河中游生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)了一些問題，主要表現(xiàn)為：?流域氣候干旱、地面蒸發(fā)作用強(qiáng)烈、農(nóng)業(yè)灌溉方式不合理，使得水資源總量缺乏，河道斷流加劇，地下水位下降，水生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重惡化；?黑河中游河段由于人類農(nóng)業(yè)、工業(yè)活動(dòng)，污染較為嚴(yán)重，水質(zhì)為Ⅲ、Ⅳ類，水質(zhì)相對(duì)較差；?流域范圍內(nèi)草地逐步退化，森林面積大幅度減少，土地沙漠化、鹽堿化嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱[5-6]。

1.2 黑河控制斷面的選取

最小生態(tài)流量主要控制斷面的選取原則：?斷面的位置臨近省界，選取的水文站具有該處完整的多年月徑流資料；?對(duì)于干流和較長的河流，選取多個(gè)斷面進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)要求斷面的數(shù)量滿足研究要求即可；?控制斷面形態(tài)穩(wěn)定，能真實(shí)反映河流水文特征的變化，以確保生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果可靠。

選取鶯落峽水文站和正義峽水文站監(jiān)測(cè)斷面作為黑河中游最小生態(tài)流量主要控制斷面。

2 計(jì)算方法與結(jié)果評(píng)價(jià)

水文學(xué)法常應(yīng)用于河流規(guī)劃層次的最小生態(tài)流量的估算，具有操作簡單、計(jì)算精確、不需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，在生態(tài)資料和水力數(shù)據(jù)(如濕周、流速、深度、寬度等)缺乏的地區(qū)有較高的可行性[7]。水文學(xué)方法中QP法和最枯月平均流量法常用來計(jì)算河流最小生態(tài)流量[8]。QP法計(jì)算時(shí)以長系列水文資料為依據(jù)確定最小生態(tài)流量，適用于徑流量較小、開發(fā)利用程度較高的河流；最枯月平均流量法應(yīng)用廣泛，計(jì)算時(shí)需要長系列水文資料。基于《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范》(SL/T 712—2021)的要求，本文采用QP法和最枯月平均流量法計(jì)算黑河中游主要控制斷面的最小生態(tài)流量。

2.1 最小生態(tài)流量計(jì)算方法

2.1.1QP法

QP法也叫保證率法，屬于水文學(xué)方法，分析計(jì)算時(shí)需要斷面30年以上長系列的水文實(shí)測(cè)資料，選取某一保證率下的流量作為最小生態(tài)流量[9]。本文計(jì)算了1983—2012年鶯落峽和正義峽水文站每年的最枯月平均流量并進(jìn)行排頻，選用皮爾遜Ⅲ型頻率曲線適線，選取90%頻率對(duì)應(yīng)的月平均流量作為最小生態(tài)流量。

圖1、圖2中顯示的黑河鶯落峽斷面最小生態(tài)流量為11.06m3/s，正義峽斷面最小生態(tài)流量為0.37m3/s。

圖1 鶯落峽斷面頻率曲線

圖2 正義峽斷面頻率曲線

2.1.2 最枯月平均流量法

對(duì)長序列最枯月實(shí)測(cè)流量取均值作為河流最小生態(tài)流量，其計(jì)算公式為

式中：Q為河流最小生態(tài)流量，m3/s；Qij為第i年第j月實(shí)測(cè)平均流量，m3/s；n為統(tǒng)計(jì)年數(shù)。

采用1983—2012年鶯落峽斷面和正義峽斷面的月徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行最小生態(tài)流量的計(jì)算，分別得到黑河鶯落峽斷面最小生態(tài)流量為13.26m3/s，正義峽斷面最小生態(tài)流量為1.63m3/s。

2.2 結(jié)果評(píng)價(jià)

為了進(jìn)一步研究上述計(jì)算結(jié)果是否滿足黑河中游河道逐月生態(tài)需水要求，本文采用Tennant法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。Tennant法又稱為蒙大拿法，適用于季節(jié)性變化的河流，以河流某時(shí)段生態(tài)流量占多年平均流量的百分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ)，將河流生態(tài)環(huán)境狀況從高到低分為最佳、優(yōu)秀、很好、良好、一般或較差、差、極差7個(gè)等級(jí)，并依據(jù)水生生物發(fā)育繁殖的季節(jié)要求不同，將一年劃分為汛期(6—9月)和非汛期兩個(gè)時(shí)段[10]。對(duì)大多數(shù)河流而言，生態(tài)流量占同時(shí)段多年平均流量的60%～100%時(shí)，河寬、水深和流速可以為水生生物提供優(yōu)良的生長環(huán)境；生態(tài)流量占同時(shí)段多年平均流量的30%～60%時(shí)，大部分淺灘被淹沒；生態(tài)流量占同時(shí)段多年平均流量的10%～30%時(shí)，是保持水生生物棲息地適宜的生態(tài)流量；生態(tài)流量占同時(shí)段多年平均流量10%時(shí)，是保持河流生態(tài)系統(tǒng)健康的最小瞬時(shí)流量[11]。

鑒于最小生態(tài)流量在非汛期的重要性和影響程度，本文在對(duì)最小生態(tài)流量進(jìn)行評(píng)估時(shí)，只考慮了各控制斷面非汛期能否達(dá)到合理性要求，根據(jù)1983—2012年黑河鶯落峽斷面和正義峽斷面逐月平均流量數(shù)據(jù)，計(jì)算最小生態(tài)流量分別占逐月平均流量的百分比P，再結(jié)合生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)對(duì)上述兩種方法得到的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)和對(duì)比，最終得到最小生態(tài)流量的評(píng)價(jià)結(jié)果[12]，見表1、表2。

表1 鶯落峽斷面比值N的計(jì)算結(jié)果及對(duì)應(yīng)的生態(tài)環(huán)境狀況

表2 正義峽斷面比值N的計(jì)算結(jié)果及對(duì)應(yīng)的生態(tài)環(huán)境狀況

由表1、表2可知，用最枯月平均流量法計(jì)算的結(jié)果相對(duì)于用QP法計(jì)算的結(jié)果較高，但總體而言，用兩種方法計(jì)算得到的黑河中游的最小生態(tài)流量值都比較合理。在非汛期，黑河中游河段從鶯落峽水文站斷面到正義峽水文站斷面水量大幅減少，水生態(tài)環(huán)境狀況明顯下降。在鶯落峽水文站斷面處，最小生態(tài)流量占月平均流量的變化范圍為23.8%～94.0%，QP法和最枯月平均流量法計(jì)算得到的河流評(píng)價(jià)等級(jí)相同且均在“良好”以上，說明一年中大部分時(shí)段河道內(nèi)水量充足，可以為水生生物提供優(yōu)良的生長環(huán)境，滿足作為旅游景觀的需求。正義峽水文站斷面5月最枯月平均流量法得到的最小生態(tài)流量占月平均流量百分比為28.9%，達(dá)到非汛期最高，生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)為“良好”，說明5月正義峽河段有足夠的水深、流量，具備基本的水生態(tài)環(huán)境功能，能夠支撐大部分水生生物的生存棲息地，而非汛期其他月份河段流量較難滿足最小生態(tài)流量要求。

3 結(jié) 語

本次研究選取黑河中游1983—2012年的水文站資料，計(jì)算了黑河鶯落峽水文站斷面和正義峽水文站斷面的最小生態(tài)流量，其中采用QP法得到的計(jì)算結(jié)果分別是11.06m3/s和0.37m3/s，采用最枯月平均流量法得到的計(jì)算結(jié)果分別是13.26m3/s和1.63m3/s。

采用Tennant法對(duì)上述兩種方法計(jì)算結(jié)果的合理性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得出在鶯落峽水文站斷面處，采用QP法和最枯月平均流量法計(jì)算的最小生態(tài)流量值在生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)等級(jí)上完全一致；在正義峽水文站斷面處，QP法和最枯月平均流量法的最小生態(tài)流量值在生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)等級(jí)上相差較小，基本一致。研究結(jié)果表明鶯落峽站一年內(nèi)最小生態(tài)流量可以滿足生物棲息地需水要求。

由于每種計(jì)算方法對(duì)應(yīng)的實(shí)際條件不同，生態(tài)流量計(jì)算時(shí)還需要充分考慮河流實(shí)際情況，對(duì)所選計(jì)算方法進(jìn)行適應(yīng)性分析，對(duì)不同情況的斷面選擇合適的計(jì)算方法，以期得到更準(zhǔn)確的生態(tài)流量值。