新疆瑪納斯河生態流量管控目標確定研究

蘇志強

（新疆瑪納斯河流域管理局水利管理中心,新疆 石河子 832061）

1 流域概況

瑪納斯河為新疆區級河流,發源于天山北麓,河流全長459.2 km,瑪納斯河是天山北坡最大的河流,多年平均徑流量13.41億m3。

瑪納斯河為季節性河流,以紅山嘴引水樞紐為出山口斷面,紅山嘴引水樞紐以上為山區河段,常年有水；紅山嘴引水樞紐以下為平原河段,季節性有水；此外瑪納斯湖是瑪納斯河的尾閭。將其河段劃分為山區常流水河段、灌區季節性河段以及下游季節性天然河段3段。本次選取瑪納斯河生態水量（流量）控制斷面共計3個,自上而下分別為肯斯瓦特水庫斷面、一級電站引水渠首斷面、紅山嘴引水樞紐斷面。

2 資料及方法

2.1 數據來源

選取肯斯瓦特站、紅山嘴站設計65年（1956年～2020年）實測水文資料進行分析。各站均值一律采用算術平均值,年徑流量變差系數CV值和偏態系數CS值在矩法估算的基礎上,采用P型頻率曲線配線確定。根據計算與適線,肯斯瓦特站、紅山嘴站多年平均徑流量及不同保證率下的設計年徑流量見表1。

表1 肯斯瓦特站、紅山嘴站設計年徑流成果 單位：108m3

2.2 目標指標

結合瑪納斯河實際情況,其生態水量（流量）分河段制定不同的目標指標要求：

（1）肯斯瓦特水庫斷面位于山地產水區,天然狀態下歷史上未發生過斷流的河段,目標指標采用生態基流,按流量控制。

（2）一級電站引水渠渠首位于山地產水區,天然狀態下歷史上未發生過斷流的河段,目標指標采用生態基流,按流量控制。

（3）紅山嘴引水樞紐：該斷面為山地產水區和灌區季節性河段的分界斷面部分月份發生斷流。綜合考慮,該斷面目標指標采用生態水量,按水量控制。

2.3 生態流量計算方法

目前,我國多采用水文學法和水力學法計算生態流量,但主要是通過水文歷史資料分析河流流量,仍以水文學方法為主[1]。根據控制斷面選擇符合瑪納斯河實際的方法計算生態流量。常用計算方法的特點及具體適用條件如下：

（1）Tennant法

Tennant法由Don Tennant于1976年首次提出,是非現場測定類型的標準設定法,其利用觀測數據建立河寬、河深及流速等棲息地生態參數與多年平均徑流量的關系。該法計算步驟簡潔,但缺乏對水文參數的探究,也忽略了各類水生生物的環境需求。該法對于流量較小河段計算有一定的局限。其公式為：

式中：Qi為第j個月的生態流量；n為統計年數；k為徑流比例；Qij為第i年j月的平均流量。

（2）流量歷時曲線法

流量歷時曲線法通過整理、統計20年以上的水文數據資料,基于逐月流量歷時曲線,將90%保證率的流量作為生態基流。

（3）Qp法（不同頻率最枯月平均值法）

Qp法基于長系列月平均流量、水位或徑流量,使用年度最枯月作排頻計算得不同頻率下最枯月流量、水位或徑流量作為生態環境需水量最小值。頻率依據河湖規模、來水情況和取用水現狀綜合分析確定,通常取90%或95%。此法計算出的生態流量維持了河湖水質標準,更適宜于生態環境需水要求。公式為：

式中：Qb為河道最小生態流量；n為統計年數；Qij為第i年j月的平均流量。

（4）最枯月流量法

最枯月流量法一般采用10年最枯月平均流量作為生態流量,由于要求的資料系列短,其適用范圍、優缺點和局限性與保證率法相似,但是在河流納污能力計算方面具有優勢。

（5）7Q10法

7Q10法是將90%保證率的年內7天最枯流量作為生態環境需水量最小值。該法是以維持河流水質標準為目的,但往往低估了河道流量需求,致使河流生態功能無法滿足。該法適用于水量較小,開發利用程度較高,同時具有長系列水文資料的河流。由于未考慮生物學因素,常用于水環境容量的分析。公式為：

式中：Qj為河道地j個月的生態流量；n為統計年數；Qij為第i年j月的平均流量。

3 生態流量確定

3.1 控制斷面計算結果

根據瑪納斯河肯斯瓦特水文站、紅山嘴引水樞紐斷面長系列徑流資料,以上述計算方法的具體要求進行分析、計算,得本河段生態基流成果見表2。

表2 不同水文學計算方法計算各節點生態基流成果表單位：m3/s

3.2 肯斯瓦特至紅山嘴引水樞紐河段生態流量確定

通過上述不同方法計算成果來看,流量歷時曲線法計算的成果最大,最枯月流量法計算的成果最小。從不同計算方法特點及適用條件來看,Tennant法、流量歷時曲線法和7Q10法相對較適應于瑪納斯河流域。北方河流尤其是新疆相似流域近年已建工程Tennant法運用的較為普遍,因此確定采用Tennant法。

由于瑪納斯河流域地處北方干旱區,屬缺水地區,而多年平均天然徑流量的10%是保持河流生態系統健康的最小流量,故本方案將肯斯瓦特水庫壩址、一級電站引水渠首斷面多年平均天然徑流量的10%作為生態基流的基值。各主要斷面原生態流量成果見表3。

表3 河段主要工程斷面生態基流成果表

因此,肯斯瓦特水庫壩址和一級渠首斷面生態流量為全年不低于3.87 m3/s。綜合分析流域水資源條件和開發利用程度生態流量保證率確定為90%。

3.3 紅山嘴引水樞紐斷面生態水量的確定

由于河流現狀下泄水量不夠集中,河道損失水量較大等因素,少水期下泄的水量容易滲漏至河道,無法到達下游的夾河子水庫,不能滿足此河段生態用水的基本要求。為彌補瑪納斯河下泄河道水量不集中的問題,根據現有攔河的肯斯瓦特水庫、紅山嘴引水樞紐工程實際情況,相應調整工程年內調度運行方式,集中加大下泄力度,有效保障下游河段生態水量的下泄。

根據前述分析瑪河河道來水特性,將全年劃分為平水期（4月～5月、10月～11月）和汛期（6月～9月）2個時段,分別制定月平均生態水量目標。

（1）平水期生態水量確定

綜合考慮河段生態需水要求、流域供用水實際及瑪河河道特性,結合近年瑪河河道實際輸水效果及該河段不同斷面流量監測結果,綜合確定平水期（4年～5年、10年～11月）生態水量。瑪納斯河肯斯瓦特至夾河子水庫河段流量在30 m3/s～40 m3/s時輸水效率較高,也不易對河道沿岸工程產生影響,因此平水期生態輸水水量分別擬定為不低于30 m3/s連續集中下泄不少于一次,單次下泄總量以2160萬m3控制。

因紅山嘴引水樞紐不具備調蓄功能,每年的4月至5月間、10月至11月間集中下泄生態水量時,上游的肯斯瓦特水利樞紐工程需配合調度,保障紅山嘴引水樞紐斷面按確定的水量要求及泄放方式下泄河道生態水量。紅山嘴引水樞紐斷面平水期下泄河道生態水量及泄放方式見表4。

表4 紅山嘴引水樞紐斷面平水期下泄生態水量目標值單位：億m3

（2）關于汛期生態水量下泄目標

根據瑪納斯河紅山嘴引水樞紐斷面1980年～2021年連續42年實測汛期河道下泄水量統計,紅山嘴多年平均6月～9月下泄河道水量達到3.78億m3,其中6月、7月、8月、9月年均分別為 0.378億m3、1.747億m3、1.478億m3和0.179億m3。其中6月50%、75%和90%保證率條件下河道下泄水量分別為0.215億m3、0.098億m3和0.006億m3；7月50%、75%和90%保證率條件下河道下泄水量分別為1.6092億m3、1.034億m3和0.775億m3；8月50%、75%和90%保證率條件下河道下泄水量分別為1.4062億m3、1.047億m3和0.367億m3；9月50%、75%和90%保證率條件下河道下泄水量分別為0.084億m3、0.030億m3和0億m3。

根據上述分析,7、8月份紅山嘴引水樞紐每年均有水量下泄河道,且下泄水量較大,下泄水量保障程度較高,6月、9月分別有3年和4年紅山嘴引水樞紐未有水量下泄河道,且這兩個月份下泄河道水量較小。本次汛期生態水量確定,綜合考慮歷年下泄水量實際統計分析,以90%保證率的各月實際下泄河道水量作為生態水量目標。

因此,紅山嘴引水樞紐斷面汛期6月、7月、8月和9月下泄河道的生態水量目標值分別為1080萬m3、7751萬m3、3672萬m3和1080萬m3,見表5。汛期的泄放方式及泄放流量,考慮到歷年7月、8月來水量較大,基本不受工程調度影響,因此7月、8月下泄生態水量不做專門規定,依據汛期河道洪水情況和紅山嘴渠首運行調度下泄即可；6月、9月生態水量較小,參照4月～5月和10月～11月的生態水量下泄形式,即每次以不低于30 m3/s的流量連續集中下泄不少于一次,保障下泄總量符合要求。

表5 紅山嘴引水樞紐斷面汛期（6月～9月）下泄生態水量目標值

4 結論

基于瑪納斯河流域多年徑流資料,運用多種方法計算生態流量,分析確定適宜的生態流量范圍和保障程度,得出以下主要結論：

（1）由于瑪納斯河流域地處北方干旱區,屬缺水地區,而多年平均天然徑流量的10%是保持河流生態系統健康的最小流量,故將肯斯瓦特水庫壩址、一級電站引水渠首斷面按照Tennant法確實是適宜的。

（2）結合紅山嘴樞紐控制河段實際,以生態水量作為控制目標,分別確定汛期和平水期下水生態水量,同時規定生態水量下泄形式,即每次以不低于30 m3/s的流量連續集中下泄不少于一次,保障下泄總量符合要求。