松花江支流西北河生態(tài)流量分析研究

田肖冉，姜 寧，劉 巖，王鑫鑫

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080； 2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080)

河流生態(tài)流量在流域生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，是事關(guān)生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水的重要指標(biāo)，也是維持河流生態(tài)功能的基礎(chǔ)因素[1]。因此，河流生態(tài)流量的確定和保障，對于確保河流生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文參考水文學(xué)方法中的頻率曲線法、Tennant法、Qp法3種方法[2]，對西北河的生態(tài)流量進(jìn)行研究計算，為西北河生態(tài)用水的開發(fā)利用、配置、節(jié)約保護(hù)等提供參考[3]。

1 研究區(qū)概況

西北河是松花江下游左岸一級支流，發(fā)源于通河縣東南部祥順鎮(zhèn)北部山區(qū)，自西北向東南流經(jīng)橫山林業(yè)站、青山經(jīng)營所、太平山村、魏璽村、新豐村、通河種畜場匯入松花江。河道全長74 km，流域面積880 km2。西北河是洪水多發(fā)性河流，洪澇災(zāi)害是該流域的主要自然災(zāi)害，春汛洪水主要由冰融雪組成，洪水的大小主要取決于冬季降水量和春季氣溫回升的速度，發(fā)生時間主要是4月下旬至5月上旬，夏汛洪水主要來源于集中降雨，一般發(fā)生在7、8月份之間。

西北河流域地處中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，大陸性氣候特點十分明顯，春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季降溫急劇，冬季嚴(yán)寒漫長，常有凍害發(fā)生。流域降水主要受季風(fēng)影響，降水多集中在夏季，年內(nèi)分配不均，6-9月份降水量占年降水量的75%，其中7、8兩月降水量占年降水總量的54%左右，降水的年際變化較大。年內(nèi)氣溫變化較大，多年平均氣溫在4.5℃左右，7月份最熱，絕對最高氣溫在39℃以上；1月份最冷，極端最低氣溫-40.4℃。流域內(nèi)水面蒸發(fā)一般在700～750 mm。多年平均封凍天數(shù)為141 d左右，平均冰上雪深0.15 m左右。西北河流域水系圖見圖1。

圖1 西北河流域水系示意圖

2 資料來源

2.1 資料選取

西北河流域內(nèi)只有西北河站一處水文站，1958年5月設(shè)站，集水面積531 km2。本次以西北河水文站作為設(shè)計代表站，選用西北河1956-2016年共61年實測水文數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。

2.2 水文資料代表性分析

對西北河水文站1956-2016年共61年的徑流系列資料進(jìn)行分析計算，得到西北河水文站徑流的年際變化過程線，見圖2。

由圖2可以看出，西北河流域 1956-1967年為豐水期，1975-1980年進(jìn)入枯水期，1981-1988年為豐水期，1989-2008 進(jìn)入枯水期，2009-2010年為豐水期，2011-2012年進(jìn)入枯水期，2013年為豐水期，2014-2016 年進(jìn)入枯水期，年際豐枯變化劇烈，說明該站1956-2016年61年徑流系列豐、平、枯水年周期代表性好。

圖2 西北河水文站徑流年際變化過程線

3 研究方法

依據(jù)《河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》(SL/Z 712-2014)[4]推薦計算方法和確定原則，本次選擇頻率曲線法、Tennant法、Qp法3種方法進(jìn)行計算。由于西北河冰凍期來水量較小，因此冰凍期生態(tài)流量下泄原則為來多少泄多少，其他時段按汛期、非汛期計算。

3.1 頻率曲線法

將長系列的水文資料按照月份分別歸類整理[5]，按照月份分為汛期、非汛期、冰凍期3個時間段，對汛期和非汛期時間段的所有徑流量分別進(jìn)行逐日排頻，構(gòu)建各時間段的水文頻率曲線，采用90%頻率相應(yīng)的月平均流量作為對應(yīng)月份的節(jié)點基本生態(tài)環(huán)境需水量，將年內(nèi)汛期、非汛期時段各月基本生態(tài)需水量的平均值作為汛期、非汛期的生態(tài)基流[6]。

3.2 Qp法

選用此方法時，依舊將年內(nèi)徑流量按照月份劃分為汛期、非汛期、冰凍期3個時間段，對汛期和非汛期兩個時間段分別進(jìn)行計算[5]。在計算時，選用長系列水文資料中各年的汛期、非汛期時間段內(nèi)的最枯月天然平均流量作為基礎(chǔ)資料，用最枯月天然平均流量資料以及排頻計算得到的結(jié)果構(gòu)建各時期的水文頻率曲線，選擇90%或95%頻率下的最枯月平均徑流量作為控制斷面生態(tài)基流[7-9]，本文將90%頻率相應(yīng)的月平均徑流量作為汛期、非汛期生態(tài)流量。

3.3 Tennant法

在運用Tennant法進(jìn)行計算時，選用時段法和全年法兩種方法分別計算。全年法，即使用已有的長系列資料計算12個月的各月徑流量的平均值，再對各月平均徑流量進(jìn)行加和處理，得到年徑平均流量后，再分為汛期和非汛期來進(jìn)行計算。時段法，即同樣先使用已有的長系列資料計算12個月的各月徑流量的平均值，然后再劃分為汛期和非汛期，利用其各時段內(nèi)各月平均徑流量的加和進(jìn)行計算[8，10-19]。本次生態(tài)流量計算汛期選取時段多年平均流量的20%作為生態(tài)流量，非汛期選取多年平均流量的10%作為生態(tài)流量[6，9]。

4 結(jié)果與分析

選用西北河水文站1956-2016年61年的天然月年徑流量資料進(jìn)行分析計算，年內(nèi)分6-9月份為汛期、4-5和10-11月份為非汛期、12月份至翌年3月份為冰凍期3個時段[2]，不同方法下西北河水文站考核斷面生態(tài)流量計算結(jié)果如下。

4.1 頻率曲線法

在運用頻率曲線法計算生態(tài)徑流量時，先把河道多年平均徑流量的數(shù)據(jù)按照月份進(jìn)行歸類，對每個月份的平均徑流量數(shù)據(jù)按從大到小的順序進(jìn)行排序[5，20]，然后采用P-Ⅲ型曲線對汛期和非汛期進(jìn)行分別排頻，得到最好擬合效果下的生態(tài)基流值，見表1。

表1 頻率曲線法生態(tài)流量計算結(jié)果表 /m3·s-1

4.2 Qp法

運用Qp法進(jìn)行計算時，采用P-Ⅲ型曲線(圖3、圖4)對汛期(6-9月份)和非汛期(4-5和10-11月份)兩個時段分別進(jìn)行配線。首先通過計算，確定斷面徑流量均值、Cv值、Cs/Cv值，然后對曲線進(jìn)行多次擬合，得到擬合效果最好條件下的生態(tài)基流值。生態(tài)基流由月徑流量除以時長所得到的月平均流量獲得，90%頻率下[21]生態(tài)基流成果見表2。

圖3 西北河水文站汛期Qp流量頻率曲線

圖4 西北河水文站非汛期Qp流量頻率曲線

表2 Qp法生態(tài)基流計算成果表

4.3 Tennant法

本次運用Tennant法計算生態(tài)流量時，選用全年法和時段法分別進(jìn)行計算。其中，汛期選取時段多年平均流量的20%作為生態(tài)流量，非汛期選取多年平均流量的10%作為生態(tài)流量。生態(tài)流量目標(biāo)見表3。

表3 Tennant法生態(tài)流量目標(biāo) /m3·s-1

4.4 不同方法分析評價

通過以上3種方法進(jìn)行計算，得到不同方法下西北河水文站考核斷面生態(tài)流量計算結(jié)果，見表4。

表4 西北河水文站考核斷面生態(tài)流量計算結(jié)果表 /m3·s-1

通過對比頻率曲線法、Qp法、Tennant法(時段法)以及Tennant法(全年法)得到的計算結(jié)果可知，不同計算方法下的生態(tài)流量值存在一定的差異，汛期(6-9月份)Tennant法(時段法)計算的結(jié)果為2.31m3/s，可以說是其他計算結(jié)果下生態(tài)流量的的2倍，而非汛期時段內(nèi)頻率曲線法和Tennant法計算得到的生態(tài)流量結(jié)果相對較小。一般情況下，北方河流的生態(tài)流量在條件允許的情況下，非汛期生態(tài)流量不能低于多年平均天然流量的10%，汛期生態(tài)流量應(yīng)達(dá)到多年平均天然流量的20%～30%為宜[5，22]。

依據(jù)水總研二〔2019〕328號文《關(guān)于印發(fā)2019年重點河湖生態(tài)流量(水量)保障實施方案編制及實施有關(guān)技術(shù)要求的通知》及2020年重點河湖生態(tài)流量管理工作視頻會議精神，要遵循河流自然水文節(jié)律[3]，對于豐枯變化大、工程調(diào)控能力較弱的斷面，生態(tài)流量計算可以采用Qp法(P取90或95)。由于西北河降水主要集中在5-9月份，且豐、平、枯3個水期差異明顯，汛期、非汛期季節(jié)性變化較大，并結(jié)合多年平均天然流量進(jìn)行分析，Qp法最為適合西北河生態(tài)流量的計算。因此，本次生態(tài)流量選取Q90%法計算成果作為本流域生態(tài)流量保障目標(biāo)。西北河干流考核斷面生態(tài)流量目標(biāo)值見表5。

表5 西北河考核斷面生態(tài)流量目標(biāo)值

5 結(jié) 論

采用1956-2016年61年系列逐日流量資料進(jìn)行評價，保障程度為各分期61年逐日實測流量達(dá)到或超過生態(tài)流量目標(biāo)值的天數(shù)與各分期實測總天數(shù)的比值。西北河水文站考核斷面生態(tài)流量及水量保障情況見表6。

表6 西北河水文站考核斷面生態(tài)流量保障情況表

1) 根據(jù)西北河水文站1956-2016年逐日流量成果分析，采用Qp法計算得到的西北河水文站考核斷面汛期生態(tài)流量保障程度為94.7%，非汛期生態(tài)流量保障程度為95.5%，均達(dá)到90%以上，該方案較為合理。

2) 根據(jù)西北河水文站1956-2016年逐年水量成果分析，西北河水文站考核斷面汛期生態(tài)水量保障程度為96.7%，非汛期生態(tài)水量保障程度為100%，保障程度為優(yōu)。

3) 雖然保證程度為優(yōu)，但仍需加強生態(tài)水量調(diào)度，加強控制斷面實時流量監(jiān)測和預(yù)警，加強監(jiān)督考核保障，以保障西北河流域內(nèi)考核斷面生態(tài)流量目標(biāo)要求，維護(hù)河流健康和良好生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)水資源可持續(xù)利用。