基于水文學方法的黑河中游最小生態流量研究

趙亞軍 陳慶偉 喬西現

(1.華北電力大學環境科學與工程學院，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，河南 鄭州 450004)

保障生態流量是落實創新、協調、綠色、開放、共享五大發展理念，推進生態文明建設，保障國家水安全的基本要求。根據河流生態需水要求的不同，生態流量可劃分為多種類型。最小生態流量是為了維持河流、湖泊等水生態系統功能，需要保留的底線流量。據相關統計，目前國內外關于生態流量的計算方法超過200種，主要可分為水文學方法、水力學方法、生境模擬法和綜合評價法[1]。水文學方法基于歷史流量數據計算得到生態流量(包括QP法、Tennant法、7Q10法、Texas法、NGPRP法、最小月平均流量法等)；水力學方法基于水力學基礎(如深度、寬度)來確定生態流量(包括濕周法、R2CROSS法、CASIMIR法和生態水力半徑法等)；生境模擬法基于生物學基礎，計算出適宜水生物種生境的生態流量；綜合評價法基于河流生態系統整體性理論，綜合考慮各個因素確定生態流量，包括澳大利亞的整體評價法(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，每種生態流量計算方法各有其適用范圍。

1 研究區概況

黑河中游地區農業發達，集中了黑河流域95%的人口[3]，研究黑河中游的最小生態流量有助于為黑河流域水資源的合理配置提供科學依據，本文以黑河中游作為研究對象，結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測斷面作為控制斷面，進行黑河中游最小生態流量的計算。

1.1 黑河中游流域

黑河發源于祁連山北麓中段，位于河西走廊中部，地跨青海省、甘肅省和內蒙古自治區。黑河干流全長928km，流域總面積14.29萬km2，是我國第二大內陸河，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，最終向北注入內蒙古自治區境內的東西居延海。流域內有35條支流，形成了東、中、西3個水系。本文研究區為黑河干流中游，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的甘州、林澤、高臺、山丹、民樂等區縣，流域面積2.56萬km2。中游地區地勢平坦，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，蒸發量1200～2200mm，水生態功能區分為農耕區、牧業區和荒漠生態區[4]。中游地區人口眾多，有許多綠洲，盛產水稻、小麥、油菜等作物，是我國西北地區重要的糧食生產基地。

由于人類對黑河流域不合理的開發利用活動，再加上自然因素，黑河中游生態環境出現了一些問題，主要表現為：?流域氣候干旱、地面蒸發作用強烈、農業灌溉方式不合理，使得水資源總量缺乏，河道斷流加劇，地下水位下降，水生態系統嚴重惡化；?黑河中游河段由于人類農業、工業活動，污染較為嚴重，水質為Ⅲ、Ⅳ類，水質相對較差；?流域范圍內草地逐步退化，森林面積大幅度減少，土地沙漠化、鹽堿化嚴重，生態環境脆弱[5-6]。

1.2 黑河控制斷面的選取

最小生態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；?對于干流和較長的河流，選取多個斷面進行計算，同時要求斷面的數量滿足研究要求即可；?控制斷面形態穩定，能真實反映河流水文特征的變化，以確保生態流量計算結果可靠。

選取鶯落峽水文站和正義峽水文站監測斷面作為黑河中游最小生態流量主要控制斷面。

2 計算方法與結果評價

水文學法常應用于河流規劃層次的最小生態流量的估算，具有操作簡單、計算精確、不需要現場測量的優點，在生態資料和水力數據(如濕周、流速、深度、寬度等)缺乏的地區有較高的可行性[7]。水文學方法中QP法和最枯月平均流量法常用來計算河流最小生態流量[8]。QP法計算時以長系列水文資料為依據確定最小生態流量，適用于徑流量較小、開發利用程度較高的河流；最枯月平均流量法應用廣泛，計算時需要長系列水文資料。基于《河湖生態環境需水計算規范》(SL/T 712—2021)的要求，本文采用QP法和最枯月平均流量法計算黑河中游主要控制斷面的最小生態流量。

2.1 最小生態流量計算方法

2.1.1QP法

QP法也叫保證率法，屬于水文學方法，分析計算時需要斷面30年以上長系列的水文實測資料，選取某一保證率下的流量作為最小生態流量[9]。本文計算了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行排頻，選用皮爾遜Ⅲ型頻率曲線適線，選取90%頻率對應的月平均流量作為最小生態流量。

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

對長序列最枯月實測流量取均值作為河流最小生態流量，其計算公式為

式中：Q為河流最小生態流量，m3/s；Qij為第i年第j月實測平均流量，m3/s；n為統計年數。

采用1983—2012年鶯落峽斷面和正義峽斷面的月徑流量數據進行最小生態流量的計算，分別得到黑河鶯落峽斷面最小生態流量為13.26m3/s，正義峽斷面最小生態流量為1.63m3/s。

2.2 結果評價

為了進一步研究上述計算結果是否滿足黑河中游河道逐月生態需水要求，本文采用Tennant法對計算結果進行評價。Tennant法又稱為蒙大拿法，適用于季節性變化的河流，以河流某時段生態流量占多年平均流量的百分數為基礎，將河流生態環境狀況從高到低分為最佳、優秀、很好、良好、一般或較差、差、極差7個等級，并依據水生生物發育繁殖的季節要求不同，將一年劃分為汛期(6—9月)和非汛期兩個時段[10]。對大多數河流而言，生態流量占同時段多年平均流量的60%～100%時，河寬、水深和流速可以為水生生物提供優良的生長環境；生態流量占同時段多年平均流量的30%～60%時，大部分淺灘被淹沒；生態流量占同時段多年平均流量的10%～30%時，是保持水生生物棲息地適宜的生態流量；生態流量占同時段多年平均流量10%時，是保持河流生態系統健康的最小瞬時流量[11]。

鑒于最小生態流量在非汛期的重要性和影響程度，本文在對最小生態流量進行評估時，只考慮了各控制斷面非汛期能否達到合理性要求，根據1983—2012年黑河鶯落峽斷面和正義峽斷面逐月平均流量數據，計算最小生態流量分別占逐月平均流量的百分比P，再結合生態環境評價等級對上述兩種方法得到的計算結果進行檢驗和對比，最終得到最小生態流量的評價結果[12]，見表1、表2。

表1 鶯落峽斷面比值N的計算結果及對應的生態環境狀況

表2 正義峽斷面比值N的計算結果及對應的生態環境狀況

由表1、表2可知，用最枯月平均流量法計算的結果相對于用QP法計算的結果較高，但總體而言，用兩種方法計算得到的黑河中游的最小生態流量值都比較合理。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，水生態環境狀況明顯下降。在鶯落峽水文站斷面處，最小生態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算得到的河流評價等級相同且均在“良好”以上，說明一年中大部分時段河道內水量充足，可以為水生生物提供優良的生長環境，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流量占月平均流量百分比為28.9%，達到非汛期最高，生態環境評價等級為“良好”，說明5月正義峽河段有足夠的水深、流量，具備基本的水生態環境功能，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流量要求。

3 結 語

本次研究選取黑河中游1983—2012年的水文站資料，計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流量，其中采用QP法得到的計算結果分別是11.06m3/s和0.37m3/s，采用最枯月平均流量法得到的計算結果分別是13.26m3/s和1.63m3/s。

采用Tennant法對上述兩種方法計算結果的合理性進行了評價，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算的最小生態流量值在生態環境狀況評價等級上完全一致；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流量值在生態環境狀況評價等級上相差較小，基本一致。研究結果表明鶯落峽站一年內最小生態流量可以滿足生物棲息地需水要求。

由于每種計算方法對應的實際條件不同，生態流量計算時還需要充分考慮河流實際情況，對所選計算方法進行適應性分析，對不同情況的斷面選擇合適的計算方法，以期得到更準確的生態流量值。