內陸河流黑河生態環境需水量計算方法研究

程建民,陳永娟

(甘肅省張掖市甘蘭水利水電建筑設計院，甘肅 張掖 734000)

生態環境是人類生存和發展的基本條件，是經濟和社會發展的基礎。隨著經濟的發展，水資源過度開發利用，出現了河流斷流、水質惡化、濕地消退、生物多樣性減少、水土流失嚴重等一系列生態環境問題，生態環境需水越來越受到了各級政府及其相關部門的重視，2013年9月7日，習近平總書記在哈薩克斯坦納扎爾巴耶夫大學發表演講時指出：“我們既要綠水青山，也要金山銀山，寧要綠水青山，不要金山銀山，而且綠水青山就是金山銀山。”生動形象地表達了我們黨和政府大力推進生態建設的鮮明態度和堅定決心，要按照綠色發展理念，樹立大局觀、長遠觀、整體觀，堅持保護優先，堅持節約資源和保護環境的基本國策，把生態文明建設融入經濟建設、政治建設、文化建設、社會建設各方面和全過程，建設美麗中國，努力開創社會主義生態文明新時代。

黑河是我國西北地區的第二大內陸河流，上世紀后期，隨著社會經濟的發展、人口的增加，黑河流域用水量加大，進入下游額濟納的水量減少，居延海干涸，生態環境受到影響，引起了黨中央、國務院的高度重視，決定從2001年開始實施黑河水量調度，十幾年以來，平均每年向居延海注水10億m3，黑河下游生態得到有效恢復和改善。盡管如此，黑河上游興建的水力發電工程，部分企業為了追求效益，不按規定下泄生態基流。2016年習總書記對祁連山自然保護區生態環境保護工作做出兩次重要批示，相關省、市、縣區政府高度重視，加大對祁連山自然保護區和黑河生態環境整治力度，對黑河干流水電站來水，一項極為重要的任務是合理確定電站下泄生態基流量，嚴格落實生態基流下泄措施，確保生態流量下泄到位，維護好減水河段水生態環境質量。

1 黑河流域概況

黑河位于河西走廊中部，發源于青藏高原北部的祁連山中段，范圍介于東徑96°40′～102°04′，北緯37°45′～42°40′之間。上游海拔介于1700～5000m之間，4000m以上發育有現代冰川，最高峰團結峰海拔5826.8m，山峰終年積雪。黑河干流從祁連山發源地到尾閭居延海，全長約928km，總流域面積11.6萬km2，其中干流鶯落峽以上為上游，河道長313km，流域面積10009km2，河床平均比降1%，天然落差約3000m，是黑河流域的產流區。上游又分東西兩岔，西岔野牛溝發源于海拔4145m的鐵里干山主峰南坡，自北西向南東流經約208km至祁連縣黃藏寺村；東岔八寶河發源于祁連縣俄博灘東的景陽嶺，海拔4200m，自東向西北流經106km至黃藏寺村。東西兩岔在黃藏寺村匯合后，折向北流經95km至鶯落峽稱甘州河，出山后進入張掖盆地稱黑河。

鶯落峽至正義峽為中游，河道長204km，流域面積2.56萬km2，河床比降1/100～1/1000，海拔高程介于1300～1700m之間。中游地區綠洲、荒漠、戈壁、沙漠斷續分布，地勢平坦，是河西走廊的重要組成部分，這里光熱資源充足，晝夜溫差大，是甘肅省重要的農業灌溉區。中游為黑河徑流的利用區，該河段河道的突出特點表現為地表水、地下水的多次轉換和重復利用。

表1 黑河鶯落峽、正義峽站多年平均流量年內分配表 單位：m3/s

正義峽以下為下游，河道長411km，流域面積8.04萬km2，海拔高程介于900～1300m。穿越北山，流經金塔鼎新盆地，改稱額濟納河(也稱弱水)，向北流注入內蒙古額濟納旗境內的居延海。黑河流域水系圖如圖1所示。

圖1

2 河道生態環境需水量計算方法

河道內生態需水量是保證維持河道內基本功能和河道生態環境所需的水量。即防止河道斷流，保持水體一定的自凈能力，保持河道水流泥沙沖淤平衡和維持河流水生生物生存的最小流量。河道生態環境需水量的計算方法主要有水文學法、水力學法、生境模擬法和整體分析法等。水文學法以歷史流量為基礎，根據簡單的水文指標確定河道內生態需水，水文學法簡單易行，但要求有長系列水文資料(一般應為30年及以上)，常用的代表方法有Tennant法、最枯時段平均流量法(包括90%保證率最枯月平均流量法、近10年最枯月流量法、月年保證率法和7Q10法等)。水力學法是根據水力學參數提出的濕周法和R2-Cross法。生境模擬法主要采用生態學和生物學方法，對特定生態保護目標的需水規律和特點進行分析，代表性方法有河道內流量增加法(IFM)和生態、生理需水觀測法等。整體分析法是以流域為單元，全面分析河流生態需水的方法，代表方法主要有南非的建筑堆塊法(BBM)。根據黑河的特點和實際情況，本文采用Tennant法、90%保證率最枯月平均流量法、近10年最枯月流量法、月年保證率法來計算黑河生態需水量。

3 黑河生態環境需水量計算

根據黑河鶯落峽站和正義峽站1945～2009年實測流量資料計算，鶯落峽站多年平均流量為51.6m3/s，正義峽站多年平均流量為32.2m3/s，見表1。

3.1 Tennant法

Tennant法又稱蒙大拿法。Tennant法認為，多年平均流量的10%是保持大多數水生生物短時間生存所需的最低短時徑流量；多年平均流量的30%是保持大多數水生生物有良好棲息條件所需的基本徑流量；多年平均流量的60%是為大多數水生生物在主要生長期提供優良至極好棲息條件所需的基本徑流量。該法是將全年分為汛期(4～9月)和非汛期(10～3月)兩個時段，根據多年平均流量百分比計算維持河道一定功能的生態需水量。河道內不同生態環境狀況和與之對應的百分比見表2。

表2 在河道內不同生境狀況下推薦的河道流量百分比

計算公式如下：

式中，Wb—生態環境需水量，m3/s；Qi—第i個月多年平均流量，m3/s；Bi—相應第i個月推薦的基流百分比，%。

一般情況下，非汛期生態基流應不低于多年平均天然徑流量的10%；汛期生態基流可按多年平均天然徑流量20%～30%確定。該法適用于流量較大的河流，一般作為河流最初目標管理、戰略性管理方法使用，要求擁有長序列水文資料，具有方法簡單、快速、便于宏觀管理的特點。計算結果見表3。

表3 Tennant法計算成果 單位：m3/s

3.2 90%保證率最枯月平均流量法

90%保證率最枯月平均流量法是從長系列資料中每年挑選一個最枯月平均流量，然后進行頻率計算，取保證率90%的最枯月平均流量作為最小生態環境需水量。適合水資源量小、開發利用程度較高的河流，要求擁有長序列水文資料。計算公式如下：

Wb=Min(Wij)P=90%

式中，Wb—河流最小生態環境需水量，m3/s；Min(Wij)P=90%—90%保證率最枯月徑流量，m3/s。

根據1945～2009年65年最枯月平均流量計算，結果見表4。

表4 最枯時段平均流量法生態流量計算結果 單位:m3/s

3.3 近10年最枯月平均流量法

近10年最枯月平均流量法以河流近10年最枯月平均流量的多年平均值作為河流的基本需水量。該方法采用實測徑流量作為計算依據。計算公式為：

式中，Wb—河流最小生態環境需水量，m3/s；Qmin—第i年實測最枯月平均流量，m3/s；n—統計年數。

計算結果見表4。

3.4 月年保證率法

月年保證率法根據系列水文統計資料，在不同的月保證率前提下，以不同天然徑流量百分比作為河道環境需水量的等級，分別計算不同保證率、不同等級下的月年河道基本環境需水量。計算步驟：

(1)根據系列水文資料，計算50%、75%、90%保證率下所對應的水文年及多年平均情況下的各月天然流量。

(2)以多年平均所對應的各月天然徑流量作為原始數據，進行各月河道環境需水量計算，具體方法是分5個推薦流量等級：很好(100%)、好(60%)、較好(40%)、中(30%)、最小(10%)，分別對應下面的假設條件(以很好流量等級為例)：假設年天然徑流量的100%作為河道內用水，則將年天然徑流量的平均值作為河道環境需水的最高上限，認為只有高于天然平均流量的月份可作為河道外引水。這時河道環境需水的計算，高于年均值的月份，選取年均值計算，低于年均值的月份，選取該月的天然徑流量計算。按照類似的假設條件，采用同樣的方法，可以計算年天然徑流量的60%、40%、30%、10%作為河道環境需水量。

(3)在上述40%、30%、10%的假設情況下，可能會出現月河道環境流量占年均值的百分比小于10%的情況，如果出現這種情況，這時河道環境需水的計算分兩種情況進行：一是該月天然徑流量大于多年平均流量的10%，選取多年平均10%計算；二是該月天然徑流量小于多年平均流量的10%的，選取該月平均流量計算。國外研究表明，10%的河道流量是最低下限，如果河道流量低于10%，則河流生態系統健康得不到保障，河流的生態環境就會遭到破壞。計算結果見表5。

表5 月年保證率法生態需水量計算成果 單位：m3/s

4 計算結果分析

根據上述分析計算，鶯落峽近十年最枯月流量、90%保證率最枯月平均流量、Tennant法和月年保證率法(P=90%)中等(30%)情況的生態需水量接近，約占多年平均流量的19.3%～36.6%，平均26.5%。而正義峽近10年最枯月平均流量、90%保證率最枯月平均流量和最小生態需水量計算結果相差較大。月年保證率法鶯落峽和正義峽不同頻率的生態需水量基本接近。非汛期生態需水量鶯落峽占多年平均流量的10%，正義峽達到18.1%，汛期鶯落峽為47.4%，正義峽為22.8%%。根據SL525- 2011《水利水電建設項目水資源論證導則》和SL/Z479- 2010《河湖生態需水量評估導則》(試行)，對于河道生態需水量的確定，原則上按多年平均流量的10%～20%確定。黑河非汛期生態需水量最小滿足多年平均流量的10%，汛期生態需水量最小滿足多年平均流量的30%以上，全年生態需水量最小滿足多年平均流量的25%。四種方法計算結果對比見表6。

5 結論

(1)河道最小生態環境需水量對于維持河道生態環境意義重大，尤其是西北生態脆弱地區的河流，更應該重視河道生態流量的作用，電站建設形成的減水河段，一定要預留足夠的生態流量，并采取強有力的監管措施，確保生態流量足額下泄到位。

(2)水文學法是計算河道生態流量最為基礎、常用的方案，具有方法簡單、思路清晰、計算簡便、資料易獲取等特點，對具有長系列水文資料河流尤為實用，在黑河流域的水利水電項目設計中被廣泛使用。

(3)90%保證率最枯月平均流量法、近十年最枯月流量法、Tennant法和月年保證率法(P=90%)四種計算河道生態流量的水文學方法，在同等生態保護等級條件下，計算的河道生態流量具有依次增大的變化規律，90%保證率最枯月平均流量法計算結果相對保守，月年保證率法(P=90%)偏于安全。

(4)黑河作為西北內陸河流，生態相對脆弱，從生態偏于安全角度考慮，綜合四種河道生態流量水文學方法計算成果，建議黑河非汛期生態需水量最小滿足多年平均流量的10%，汛期生態需水量最小滿足多年平均流量的30%以上，全年生態需水量最小滿足多年平均流量的25%。通過足額下泄河道生態流量，維持減水河段生態環境質量。

表6 不同方法計算生態需水量占多年平均流量的比例 單位：m3/s

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