代立博

(哈爾濱市江北水城調(diào)度中心，哈爾濱 150001)

河流健康問題是我國目前面臨的重要生態(tài)問題，而保證河流生態(tài)需水量是實現(xiàn)河流水資源合理配置和可持續(xù)利用的基礎(chǔ)工作。目前，對于河道生態(tài)需水量概念和計算方法尚無統(tǒng)一認(rèn)識，國內(nèi)學(xué)者通常認(rèn)為河流生態(tài)需水量是維護(hù)河流生態(tài)環(huán)境天然結(jié)構(gòu)和功能的水量。河道生態(tài)需水量主要的研究方法有歷史水文數(shù)據(jù)法、水文循環(huán)過程法、模型法等。

阿什河作為松花江重要的支流，隨著近年來生態(tài)環(huán)境問題不斷加劇，導(dǎo)致水資源供需矛盾突出。本文選取西泉眼水庫壩址處為控制斷面，利用“蒙大拿法”和“近10年最枯月平均流量法”計算生態(tài)需水量，并與西泉眼水庫現(xiàn)狀運行工況進(jìn)行復(fù)核，從而判斷西泉眼水庫下泄流量是否符合阿什河下游生態(tài)需水量。

1 研究區(qū)概況

阿什河是松花江上游右岸的一級支流，發(fā)源于尚志市蜜蜂山，共流經(jīng)尚志、五常、阿城、香坊、道外5個區(qū)縣(市)，于哈爾濱水泥廠附近匯入松花江。干流河道長213 km，流域面積3 581 km2。屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季干燥多風(fēng)，夏季空氣濕潤溫和，雨水集中，秋季降霜較早，降溫幅度大，冬季寒冷干旱且持續(xù)時間較長。阿什河由東南向西北方向延伸，與地勢降低方向一致。阿什河干流由南向北流經(jīng)阿城市區(qū)，西泉眼水庫上游有帽兒山水文站，中游有馬鞍山水位站，干流下游有阿城水文站。多年平均徑流量為4.59×108m3，最大年徑流量為9.01×108m3，最小年徑流量為1.10×108m3；最大流量為824 m3/s。阿什河流域一年有兩個汛期，即春汛和夏汛，春汛以融雪為主，夏汛主要由暴雨形成。夏汛多大于春汛，極個別年份出現(xiàn)春汛大于夏汛。夏汛主要發(fā)生在7-8月份，由于阿什河地理位置偏南，暴雨天氣系統(tǒng)多受南來和西來系統(tǒng)影響。據(jù)不完全統(tǒng)計，洪水多發(fā)生5-9月份，占全年發(fā)生次數(shù)的91%，其中7-8月份占全年的75%，春汛4月份僅占9%。據(jù)實測大洪水年分析，洪水過程有單峰型(1960年)和雙峰型(1985、1994年)，單峰型洪水過程7 d左右，雙峰型洪水一次洪水過程15 d左右。

阿什河干流建有西泉眼水庫，是以灌溉、防洪、除澇為主，兼顧養(yǎng)魚、發(fā)電等綜合利用的大(Ⅱ)型水庫。西泉眼水庫的修建對阿什河洪水起到很好的調(diào)節(jié)作用，汛期大洪水經(jīng)過西泉眼水庫的消峰，下游洪峰流量有所減小，對阿什河下游防洪起到積極的作用。見圖1。

圖1 阿什河流域范圍圖

2 計算方法選擇

河道生態(tài)需水量因涉及到的因素復(fù)雜多變，并涉及水力學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)、水文學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域，故尚未有統(tǒng)一的計算方法和判斷標(biāo)準(zhǔn)。對于不同地形、不同條件下的河流，也往往采用不同方法進(jìn)行計算，并經(jīng)常選擇多種計算方法，對成果進(jìn)行對比分析，最終選擇適合的計算成果。目前，計算生態(tài)需水量涉及到規(guī)范主要有兩個，分別為《水電工程生態(tài)流量計算規(guī)范》(NB/T 35091-2016)和《河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》(SL/Z 712-2014)。

生態(tài)流量=max(水生生態(tài)需水，水環(huán)境需水，景觀需水，入海河口生態(tài)需水)+河流濕地需水+河道地下水補給需水

該規(guī)范計算考慮的是水庫電站對河流有影響的河段，按照以往實例，將研究斷面布設(shè)在西泉眼水庫壩址處與下游第一個典型支流斷面之間。根據(jù)目前的監(jiān)測資料，西泉眼水庫壩址下游水質(zhì)達(dá)標(biāo)，滿足功能區(qū)要求，故不需計算水環(huán)境需水；該斷面與水庫間無景觀保護(hù)目標(biāo)，故不需計算景觀需水；此斷面不位于入海處，故不需計算入海河口生態(tài)需水；該斷面與水庫間無濕地保護(hù)目標(biāo)，故不需計算河流濕地需水；根據(jù)已有監(jiān)測結(jié)果，斷面地下水位在以水生生態(tài)基流對應(yīng)的水位邊界以上，故不需計算河道地下水補給需水。綜上分析，本研究采用的計算公式簡化為：

生態(tài)流量=水生生態(tài)需水

在計算水生生態(tài)需水時，可采用水力學(xué)法、生態(tài)水力學(xué)法、生境分析法、水文學(xué)法共4類方法，考慮河流水文特征和水生生態(tài)保護(hù)目標(biāo)，受現(xiàn)有資料所限，目前僅有2004-2016年全年出入庫流量可用，僅能采用水文學(xué)法。在水文學(xué)方法中，有蒙大拿法、7Q10法可選，但目前無水庫下游斷面逐日流量資料，故僅可采用蒙大拿法進(jìn)行壩址處生態(tài)流量的初步計算。

對于《河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》(SL/Z 712-2014)，河湖生態(tài)環(huán)境需水分為河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水和河道外生態(tài)環(huán)境需水，本次研究主要考慮西泉眼水庫對阿什河的水量補給，不考慮對城鄉(xiāng)建設(shè)的人工供給，故僅針對河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水進(jìn)行計算。河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量又分為基本生態(tài)環(huán)境需水量和目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量。根據(jù)阿什河流量現(xiàn)狀，主要目的是為測算阿什河河道生態(tài)需水量，保證阿什河基本生態(tài)功能和環(huán)境狀況，不是為控制河道外供水，也無確切生態(tài)保護(hù)目標(biāo)，汛期水量已滿足相關(guān)要求，故阿什河基本生態(tài)環(huán)境需水量符合任務(wù)需要。

基本生態(tài)環(huán)境需水量包括最小值、年內(nèi)不同時段值和全年值，主要采用水文綜合法。最小值是指年內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水過程中的下限值，有“Qp法”、“流量歷時曲線法”、“7Q10法”、“近10年最枯月平均流量法”等多種方法；年內(nèi)不同時段值是按汛期、非汛期或逐月計算基本生態(tài)環(huán)境需水量，可采用“Tennant法”和“頻率曲線法”；全年值用河流控制斷面基本生態(tài)環(huán)境需水量的年內(nèi)不同時段值之和計算。

在臺灣，傳統(tǒng)的陣頭是民間祭祀、廟會喜慶不可或缺的民俗之一。分為文陣和武陣，文陣有車鼓、桃花過渡、牛犁、布馬、大鼓陣、病囝歌、十八摸等，武陣有宋江陣、八家將、舞龍、舞獅、七爺八爺?shù)萚2]。

對于基本生態(tài)環(huán)境需水量最小值的計算，有長系列水文資料的河流控制斷面，可采用“Qp法”、“流量歷時曲線法”、“7Q10法”；缺乏長系列水文資料的河流控制斷面，可采用“近10年最枯月平均流量法”。根據(jù)目前資料掌握情況，近年數(shù)據(jù)目前僅有壩址處2004-2016年的全年值，達(dá)不到該規(guī)范中“Qp法”、“流量歷時曲線法”、“7Q10法”、“頻率曲線法”等方法的數(shù)據(jù)要求，故選用“近10年最枯月平均流量法”，即近10年最枯月平均流量的最小值，近10年最枯月平均流量近似于90%保證率年最枯月流量。對于基本生態(tài)環(huán)境需水量年內(nèi)不同時段值，采用“Tennant法”，此方法也稱蒙大拿法。

目前現(xiàn)有資料為西泉眼水庫部分時段出入庫流量、設(shè)計報告資料，不滿足規(guī)范計算的要求，僅能利用“蒙大拿法”和“近10年最枯月平均流量法”，對阿什河生態(tài)需水量進(jìn)行初步分析。

3 計算分析

3.1 生態(tài)需水量計算

以西泉眼水庫壩址作為控制斷面，目前現(xiàn)有資料為西泉眼水庫2004-2016年全年出入庫流量。由于缺乏相關(guān)水文站和斷面的長系列逐日流量資料，本次研究主要對生態(tài)需水量進(jìn)行初步計算。

3.1.1 蒙大拿法

蒙大拿法依據(jù)觀測資料，建立的河道流量和水生生物棲息地狀況之間的經(jīng)驗關(guān)系，通過歷史流量資料確定年內(nèi)不同時段的生態(tài)需水，可采用水庫壩址多年平均流量的百分值作為指標(biāo)，評估下游河段的流量情況，標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 蒙大拿法評估標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)現(xiàn)有資料，西泉眼水庫1950-1988年壩址處年平均流量為8.39 m3/s。根據(jù)西泉眼水庫各月平均流量情況(圖2)，10月份-次年3月份為年內(nèi)較枯時段，4-9月份為年內(nèi)較豐時段。在西泉眼水庫下游河道達(dá)到不同狀態(tài)時，其生態(tài)需水計算結(jié)果見表2。

表2 西泉眼水庫下游生態(tài)需水量 /m3·s-1

圖2 水庫壩址處月平均流量(單位：m3/s)

同時，蒙大拿法所得結(jié)果可作為基本生態(tài)環(huán)境需水量年內(nèi)不同時段值，也是計算全年值的依據(jù)。

基本生態(tài)環(huán)境需水量全年值可采用下式計算：

式中：Qba為基本生態(tài)環(huán)境需水量的全年值，以水量計為m3；Qbi為基本生態(tài)環(huán)境需水量年內(nèi)不同時段值，以水量計為m3。

取表2中最小生態(tài)需水量計算全年值，即年內(nèi)較枯和較豐時段最小生態(tài)需水量均為0.84 m3/s。則壩址處生態(tài)需水量全年值為：

Qba=0.84×365×24×3 600=26 490 240 m3

=0.26×108m3

如用流量表示，則全年值為0.84 m3/s。

3.1.2 近10年最枯月平均流量法

該方法主要用來計算西泉眼水庫壩址處基本生態(tài)環(huán)境需水量最小值。根據(jù)目前現(xiàn)有西泉眼水庫壩址處2007-2016年逐月平均流量，取10年中的最小值，壩址每年最枯月平均流量，得出壩址近10年最枯月流量的最小值為0.10 m3/s，出現(xiàn)在2009年2月。同時，近10年最枯月平均流量近似于90%保證率年最枯月流量，可取西泉眼水庫壩址90%保證率年最枯月流量0.09 m3/s作為基本生態(tài)環(huán)境需水量最小值。因90%保證率年最枯月流量所用水文系列資料時間較長，認(rèn)為結(jié)果相對可靠，作為最終結(jié)果，即壩址處基本生態(tài)環(huán)境需水量最小值為0.09 m3/s。

3.2 結(jié)果與分析

西泉眼水庫工程任務(wù)定位為“以農(nóng)田灌溉和防洪除澇為主，兼顧水力發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖、城市供水水源”，經(jīng)批復(fù)的各類西泉眼水庫設(shè)計文件中環(huán)境用水量為0.1×108～0.2×108m3。西泉眼水庫工程下泄流量為1.18 m3/s。

根據(jù)上述計算和水庫批復(fù)文件，壩址處河道生態(tài)需水量結(jié)果比較見表3。

表3 生態(tài)需水量結(jié)果比較 /m3·s-1

通過上述對比可以得出如下結(jié)果：

1) 蒙大拿法計算得到的最小生態(tài)流量0.84 m3/s，與設(shè)計批復(fù)要求流量0.32～0.63 m3/s略大。根據(jù)水庫運行情況，其下泄流量1.18 m3/s已經(jīng)滿足最小生態(tài)流量的要求。

2) 生態(tài)需水量最小值，西泉眼水庫壩址處為0.09 m3/s，小于設(shè)計批復(fù)的流量數(shù)值(0.32～0.63 m3/s)，滿足生態(tài)基流；時段年內(nèi)不同時段值同蒙大拿法計算結(jié)果；全年值為0.84 m3/s，略大于設(shè)計批復(fù)要求的流量。根據(jù)水庫運行情況，其下泄流量1.18 m3/s已滿足壩址處生態(tài)需水量的要求。

3) 由于缺乏阿什河流域相關(guān)水文站和控制斷面的長系列逐日流量、流域雨量站長系列數(shù)據(jù)等資料，無法選擇多種方法計算，不能進(jìn)行橫向比較，也不能分析比較后合理取值，僅能進(jìn)行初步計算分析。

4) 《水電工程生態(tài)流量計算規(guī)范》(NB/T 35091-2016)主要考慮的是電站建設(shè)，對下游有影響的單一河段的生態(tài)流量計算；《河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》(SL/Z 712-2014)是從流域角度考慮河流的生態(tài)需水問題，空間尺度更大。

4 結(jié) 語

阿什河是松花江重要支流，對阿什河河道生態(tài)需水量的研究具有重要意義。我國對于河道生態(tài)需水量的研究起步較晚，對于水生生物、河道生態(tài)、河流環(huán)境、水資源的合理分配等方面研究相對較少。隨著社會經(jīng)濟(jì)的較快發(fā)展，水生態(tài)環(huán)境的重要性逐步提高，河道生態(tài)需水量是河流生態(tài)系統(tǒng)維持的重要指標(biāo)之一。

本研究采用“蒙大拿法”和“近10年最枯月平均流量法”初步分析阿什河西泉眼水庫下游河道生態(tài)需水量，受資料限制，僅為初步計算結(jié)果。蒙大拿法計算得到最小生態(tài)需水量為0.84 m3/s。西泉眼水庫壩址處生態(tài)需水量最小值為0.09 m3/s，時段年內(nèi)不同時段值同蒙大拿法計算結(jié)果，壩址處全年值為0.84 m3/s。西泉眼水庫現(xiàn)狀運行工況(最小下泄流量1.18 m3/s)已滿足規(guī)范計算、設(shè)計及批復(fù)要求。