木壘水文站控制斷面以下河道生態水量計算探討

呂小愚

(新疆昌吉水文勘測局，新疆 昌吉 831100)

1 前言

木壘河發源于天山山脈博格達山北坡，源頭與奇臺開墾河相隔分水嶺，與開墾河源頭直線距離不到14 km。隨著龍王廟水庫和三眼泉水庫的建成以及灌區灌溉工程的不斷修建完善，一般平水年份河水幾乎全部引入灌區，龍王廟水庫以下河道，除汛期短暫泄洪外，河道常年處于干涸狀態。近幾年來受人類活動的影響，水資源開發利用程度較高，天然徑流大部分被攔河蓄水工程人工控制。

為實施水生態紅線管理，建立系統完整的水生態文明制度體系，從源頭保護水資源和水生態；控制用水總量，逐步退還擠占的河道生態環境用水，確定河道主要控制斷面的生態水量標準，加強“河長制”的落實，保護水資源，防治水污染，維護水生態，保障河道基流量。

2 木壘水文站控制斷面以下河道生態水量的計算

木壘水文站是木壘河流域上游唯一的水量控制站，本次計算河道生態水量時，采用木壘水文站年徑流資料采用多種方法計算河道生態水量。

本次嘗試采用多種生態水量的計算方法對各個計算斷面的生態水量進行計算，包括多年平均徑流量的百分率法、90%保證率的最小月徑流量法、7Q10法和濕周法。木壘河只有木壘水文站有實測流量資料，故只有木壘水文站測驗斷面滿足建立濕周和流量關系的條件，但由于木壘水文站上游植被覆蓋情況較差，河流含沙量大，低水時，河流主流擺動不定，高水時斷面沖淤變化顯著，無法建立系統完整的濕周與斷面流量關系，綜上所述，木壘河流域不適合采用濕周法推求生態水量。

經分析比選后選用適合本流域生態水量的計算方法只有三種，即多年平均徑流量的百分率法、90%保證率的最小月徑流量法和7Q10法。

2.1 多年平均徑流量的百分率法(Tennant法)

Tennant法為水文學算法，其以流域多年流量均值的10%～30%為生態水量考慮，此方法對于水文資料系列較長且流量較大的流域較為適用。按照《“一河(湖)一策”方案編制指南(實行)》(水利部2017年9月)要求，將流域綜合規劃、水資源綜合規劃中確定的重要控制斷面生態水量成果納入本方案。木壘河流域水資源綜合規劃中重要水利工程為三眼泉水庫、龍王廟水庫。按照《水利水電建設項目水資源論證導則》規定，應按多年流量均值的10%～20%確定重要水利工程計算節點河道的生態水量[1]。

相關文獻、學術論文中不同程度約定，北方河流的生態水量應分為汛期和非汛期分別進行計算，在條件允許的情況下，盡量采用多種方法。河道最小生態水量是以水文站的多年平均天然徑流量百分率表示，本次河道最小生態水量采用木壘水文站實測徑流量來計算。

2.1.1 實測徑流量計算

木壘水文站實測年徑流量計算采用該站實測連續系列1963年～2019年57年徑流量資料，計算其多年年徑流量均值為0.4839×108m3，生態水量按多年平均年徑流量的15%計算，推算得木壘水文站生態水量為0.0726億m3。河道最小生態水量采用如下計算公式：

(1)

式中：Wr為河道最小生態水量；Wi為第i年的河川徑流量；K為選取的百分數，取K=15%；n為統計年數。

2.1.2 汛期和非汛期實測徑流量計算

根據木壘水文站汛期5月～9月其多年平均徑流量為0.3783億m3，非汛期10月～次年4月多年平均徑流量為0.1056億m3，生態水量年內汛期按多年平均的20%計算結果為0.0757億m3，年內非汛期按多年平均的10%計算結果為0.0106億m3，木壘水文站生態水量為0.0862億m3。木壘控制站河道最小生態水量計算結果見表1。

表1 木壘控制站河道最小生態水量計算表

2.2 90%保證率的最小月徑流量法

保證率法通常以90%保證率下最枯月流量均值為所在流域生態流量。該法對于水量小、開發利用程度高的河道較為適用，且對較長序列(一般不低于20年)水文觀測資料有較高要求。

根據90%保證率的最小月徑流量，計算河道最小生態水量，采用如下計算公式：

Wr=12×Min(Wij)p=90%

(2)

式中：Min(Wij)p=90%為90%保證率的最小月徑流量。

由于2011年起木壘水文站上游修建三眼泉水庫，對木壘水文站徑流量年內分配產生影響，為計算出天然狀態下不受工程影響情況下的河道生態水量，本次采用木壘水文站1963年～2010年的實測徑流量資料，選取每年最小月平均流量值，做頻率曲線，理論頻率曲線采用P-Ⅲ型曲線，頻率計算的均值采用48年最小月平均流量的算術平均值，Cv、Cs值采用適線法確定。在適線時，主要依據理論頻率與經驗點據擬合較好為原則(見圖1)，同時兼顧到統計參數的合理性[2]。推求出90%保證率的最小月平均流量。再將90%保證率的最小月平均流量換算成90%保證率的最小月徑流量，通過式(2)計算，得到河道生態水量。計算成果見表2。

圖1 木壘水文站1963～2010年90%保證率的最小月平均流量頻率曲線圖

表2 木壘水文站頻率計算統計參數及90%保證率的最小月平均流量成果表

按式(2)計算求得河道最小生態水量，計算結果見表3。

表3 木壘水文站控制斷面河道最小生態水量計算表

2.3 7Q10法

7Q10法以90%保證率下連續最枯7 d流量均值為生態需水量最小值。該法對水量小、開發利用程度高的河道較為適用，而且對較長序列水文觀測資料有較高要求。

由于2011年起木壘水文站上游修建三眼泉水庫，對木壘水文站徑流量年內分配產生影響，對年最枯流量影響較大，為計算出天然狀態下不受工程影響情況下的河道生態水量，本次挑選天然狀態下木壘水文站1963年～2010年的實測徑流量資料，通過統計分析計算，得到90%保證率下連續最枯7 d流量為1969年2月3日～9日逐日平均流量，連續最枯7 d的平均流量為0.049 m3/s，最小生態水量計算成果見表4。

表4 7Q10法河道最小生態水量成果表

3 木壘水文站控制斷面以下河道生態水量合理性分析

考慮到木壘河中下游水資源開發利用程度比較高，下游有景觀帶需水要求，本次以繁榮經濟為原則，以符合木壘縣經濟可持續發展的用水思路為指導，選取適合木壘水文站控制斷面河道最小生態水量的計算方法。本次選取多年平均徑流量的百分率法、90%保證率的最小月徑流量法和7Q10法三種方法計算木壘水文站控制斷面河道最小生態水量，計算成果見表5。

表5 木壘水文站控制斷面河道最小生態水量成果表

分析以上三種方法，多年平均徑流量的百分率法(Tennant法)是采用年徑流量系列的平均值乘以生態流量百分數得到的，生態流量按多年平均徑流量的15%計算，或者年內豐水期按多年平均的20%計算，年內枯水期按多年平均的10%計算。計算結果較實際明顯偏大，故不予推薦。

90%保證率的最小月徑流量計算方法是直接以計算得到的90%保證率的最小月徑流量為河道最小生態水量。并未與河道實際生態需水情況緊密結合，該方法計算成果比木壘河河道內生態需水要求略微偏大，故不予推薦。

7Q10法計算方法是將90%保證率下，連續最枯7 d的平均流量作為生態流量。該法計算出來的生態流量能夠維持河道不發生斷流，在此基礎上又充分考量了水環境容量，計算結果較為合理。故本次推薦7Q10法計算結果，推薦結果見表6。

表6 木壘水文站控制斷面河道最小生態水量推薦成果表

4 結論

本文對木壘水文站控制斷面以下河道生態水量的計算分析結果能為河道水量水質監測報告制度的建立及水生態系統的修復改善提供基本依據，根據本文分析結果，通過跨流域生態調水以增加木壘河河道水量，擴大河道水環境容量，有效解決河道生態用水被經濟用水擠占的局面，促進長期以來水資源供需矛盾的解決和水生態環境的改善。