楊琳琳，劉 瑩，劉 巖

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080；2.黑龍江水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150000)

0 前 言

河湖生態(tài)流量是指為了維系河流、湖泊等水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，需要保留在河湖內(nèi)符合水量要求的流量(水量、水位)及其過(guò)程[1]。由此可見(jiàn)生態(tài)流量既需保障水資源的可持續(xù)利用，又需維護(hù)河流的健康生命。生態(tài)流量的理論不斷豐富，其計(jì)算方法主要包括水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地評(píng)價(jià)法、整體分析法等。不同計(jì)算方法的適用范圍及其適用條件存在一定差異[2]。因此以木蘭達(dá)河為例，通過(guò)合理確定木蘭達(dá)河流域生態(tài)流量保障目標(biāo)，摸清木蘭達(dá)河生態(tài)流量保障情況，解決目前流域生態(tài)流量監(jiān)管在評(píng)估、監(jiān)測(cè)、考核、保障等方面存在的突出問(wèn)題，為流域組織開(kāi)展生態(tài)流量保障工作提供技術(shù)支撐。

1 流域概況

1.1 自然地理

木蘭達(dá)河位于黑龍江省哈爾濱市木蘭縣境內(nèi)，是木蘭縣境內(nèi)最大河流，為松花江左岸一級(jí)支流，該河共有154條支流。河出兩源，一處為青峰嶺南麓，一處為摩云頂子，匯合后西流，南折流入松花江。西北部與呼蘭河分界，東鄰岔林河及白楊木河。木蘭達(dá)河流域面積1635km2，河流長(zhǎng)度110km。木蘭達(dá)河水系圖，見(jiàn)圖1。

1.2 氣候特征

木蘭達(dá)河流域地處中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，風(fēng)大少雨，蒸發(fā)量大，易發(fā)生干旱；夏季暖空氣活動(dòng)旺盛，低氣壓往來(lái)頻繁，受西風(fēng)帶影響顯著，溫濕多雨，易發(fā)生洪澇災(zāi)害；秋季雨雪交替，降溫快，多早霜；冬季漫長(zhǎng)，天氣寒冷干燥，大風(fēng)多，降水少。

1.3 徑流特征

木蘭達(dá)河流域夏汛洪水主要由暴雨形成，以7、8月居多。一次洪水過(guò)程約為3d，漲水歷時(shí)約為1d。1d洪量約占3d洪量46%，洪水過(guò)程基本為單峰型，約占90%，雙峰型只占10%，而且多為不完整的雙峰。春汛洪水主要由融雪徑流 形成，發(fā)生時(shí)間為4-5月，當(dāng)春汛發(fā)生遲而降雨提前時(shí)，在4、5月份也能產(chǎn)生中等級(jí)洪水。木蘭達(dá)河支流有石門(mén)子河、姑子奄河、劉忠溝河、西北河、馬鹿河、太平河、王守開(kāi)河、青陽(yáng)河、同玉福河、朝陽(yáng)河等支流長(zhǎng)208.3km，流域面積960.5km2。水系較密，水量充沛。

2 主要方法

2.1 Qp 法

Qp法，又稱不同頻率最枯月平均值法，以節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)系列天然月平均流量、月平均水位、或徑流量(Q)為基礎(chǔ)，用每年的最枯月排頻，選擇不同頻率下的最枯月平均流量、月平均水位或徑流量作為節(jié)點(diǎn)基本生態(tài)環(huán)境需水量的最小值。頻率P根據(jù)河湖水資源開(kāi)發(fā)利用程度、規(guī)模、來(lái)水情況等實(shí)際情況確定，取90%或95%[3]。由于木蘭達(dá)河汛期和非汛期流量差異較大，從而分別對(duì)汛期、非汛期進(jìn)行Qp法分析。

圖1 木蘭達(dá)河水系圖

2.2 Tennant 法

Tennant法目前廣泛用于我國(guó)河流生態(tài)徑流的研究，在計(jì)算時(shí)根據(jù)流域?qū)嶋H徑流特征將統(tǒng)計(jì)時(shí)段分為汛期和非汛期2部分，構(gòu)建河道年內(nèi)不同時(shí)段河道流量與生態(tài)質(zhì)量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，并且按照汛期、非汛期2個(gè)時(shí)段來(lái)統(tǒng)計(jì)。依據(jù)觀測(cè)資料建立的流量和河流生態(tài)環(huán)境狀況之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系[4]，用歷史流量資料就可以確定年內(nèi)不同時(shí)段的生態(tài)環(huán)境需水量，使用簡(jiǎn)單、方便。該方法主要適用于北溫帶較大的、常年性河流，作為河流規(guī)劃目標(biāo)管理、戰(zhàn)略性管理方法[5]。

3 數(shù)據(jù)來(lái)源

木蘭達(dá)河流域內(nèi)先后主要有六合屯、香磨山水庫(kù)壩下、尖山子、丹東和新北五處水文站，此外流域上游有雨量站三處，即二合營(yíng)雨量站、劉忠溝雨量站、石門(mén)子雨量站，木蘭達(dá)河流域水系圖，見(jiàn)圖2，木蘭達(dá)河流域內(nèi)測(cè)站分布表，見(jiàn)表1。

表1 木蘭達(dá)河流域內(nèi)測(cè)站分布表

六合屯水文站位于香磨山水庫(kù)上游，1970年設(shè)立，集水面積146km2，觀測(cè)項(xiàng)目有水位、流量、降水，資料年限為1970-2010年共計(jì)41a，該站2011年撤銷。香磨山水庫(kù)1958年5月建站，同年水庫(kù)開(kāi)始修建。1959年初測(cè)流斷面由鞠家店遷往水庫(kù)臨時(shí)溢洪道，并于左測(cè)渠道同時(shí)測(cè)流。1962年7月19日水庫(kù)臨時(shí)溢洪道決口，8月份測(cè)流斷面改于決口下游附近。1970年水庫(kù)續(xù)建后改為水庫(kù)站，觀測(cè)壩上水位，壩下流量、雨量、蒸發(fā)等資料，集水面積 388km2，本站至今有59a不連續(xù)資料。

尖山子水文站位于木蘭達(dá)河中游尖山子山口處，集水面積1080km2，1957年1月開(kāi)始建站，1992年該站撤消。丹東水文站位于黑龍江省木蘭縣利東鎮(zhèn)，位于木蘭達(dá)河中游，E127°50′35.4″，N46°04′40.7″。流域兩面環(huán)山，一面瀕松花江，北部和西部為山區(qū)，東部為丘陵，大體成北高南低的地勢(shì)走向，河流總的走向東北流向西南，地處半山區(qū)[7]，森林面積占總面積的40.0%，植被良好。主槽寬86.5m，河床由砂石、淤泥組成，兩岸均為農(nóng)田，由沙土和腐植土組成。上游支流、溝子和彎道較多。下游大約50km處匯入松花江下。斷面以上河長(zhǎng)50km，至河口距離為50km，集水面積1527.8km2為省級(jí)專用水文站，屬國(guó)家三類精度水文站，目前仍在監(jiān)測(cè)。 新北水文站位于黑龍江省木蘭縣新民鎮(zhèn)，位于木蘭達(dá)河中上游，E127°46′19.5″，N46°18′58.7″。流域兩面環(huán)山，一面瀕松花江，北部和西部為山區(qū)，東部為丘陵，大體成北高南低的地勢(shì)走向，河流總的走向東北流向西南，地處半山區(qū)，斷面以上長(zhǎng)25km。至河口距離為80km，集水面積494.5km2為省級(jí)專用水文站，屬國(guó)家三類精度水文站，目前仍在監(jiān)測(cè)。

4 生態(tài)流量目標(biāo)及確定

4.1 天然徑流系列分析

木蘭達(dá)河上香磨山水庫(kù)壩下站資料系列完整可靠，可作為本次計(jì)算參證站，香磨山水庫(kù)壩下站天然徑流還原量采用第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)的成果。尖山子水文站有還原后的1956-2000年天然徑流系列，采用還原后年徑流深成果與同期香磨山水庫(kù)壩下還原后的年徑流深建立R香-R尖相關(guān)關(guān)系，插補(bǔ)延長(zhǎng)尖山子水文站2001-2016年年徑流深系列，徑流月旬分配采用香磨山水庫(kù)壩下徑流年內(nèi)分配情況，進(jìn)而得到完整的1956-2016年尖山子水文站天然徑流系列。香磨山水庫(kù)壩下與尖山子水文站年徑流深相關(guān)關(guān)系曲線R香-R尖，香磨山水庫(kù)壩下站與尖山子水文站年徑流深相關(guān)關(guān)系曲線，見(jiàn)圖3。

新北水文站與香磨山水庫(kù)站利用面積比擬法，然后根據(jù)等值線修正得出新北水文站 1956-2016年年徑流系列。丹東水文站與尖山子水文站利用面積比擬法，然后根據(jù)等值線修正得出丹東水文站1956-2016年徑流系列。根據(jù)香磨山水庫(kù)站的各年年內(nèi)分配推算新北水文站的1956-2016年各年逐月徑流量。根據(jù)尖山子水文站的各年年內(nèi)分配推算丹東水文站的1956-2016年各年逐月徑流量。

圖3 香磨山水庫(kù)壩下站與尖山子水文站年徑流深相關(guān)關(guān)系曲線

對(duì)比分析香磨山水庫(kù)壩下、新北水文站、丹東水文站斷面徑流1980-2016年(短系列)與 1956-2000年(長(zhǎng)系列)多年平均徑流量，1980-2016年與1956-2000年多年平均徑流量相比，香磨山水庫(kù)壩下、新北水文站、丹東水文站斷面多年平均徑流量分別減少了9.1%、9.0%、8.4%，變化幅度均<10%，誤差均較小，故本次選取1956-2016年徑流系列進(jìn)行計(jì)算。香磨山水庫(kù)壩下、新北水文站、丹東水文站斷面不同系列多年平均徑流量對(duì)比情況，木蘭達(dá)河考核斷面不同系列多年平均徑流量對(duì)比表，見(jiàn)表2。

表2 木蘭達(dá)河考核斷面不同系列多年平均徑流量對(duì)比表

4.2 水資源演變情勢(shì)分析

4.2.1 年際變化

對(duì)香磨山水庫(kù)壩下、新北水文站、丹東水文站斷面1957-2016年共61a的徑流系列資料進(jìn)行分析計(jì)算，得到香磨山水庫(kù)壩下、新北水文站、丹東水文站斷面徑流的年際變化特征，木蘭達(dá)河考核斷面徑流年際變化特征值表，見(jiàn)表3。

表3 木蘭達(dá)河考核斷面徑流年際變化特征值表

香磨山水庫(kù)壩下、新北水文站、丹東水文站斷面的多年平均徑流量分別為11364萬(wàn)m3、14483萬(wàn)m3、29275萬(wàn)m3，徑流系列的變差系數(shù)分別為0.46、0.46、0.43，極值比分別為7.76、7.76、6.91，不均勻系數(shù)分別為3.19、3.19、3.09。從變差系數(shù)、徑流極值比和不均勻系數(shù)的計(jì)算結(jié)果表明香磨山水庫(kù)壩下、新北水文站、丹東水文站斷面徑流系列年際間豐枯變化劇烈，年際變化幅度較大且不均勻。

4.2.2 年內(nèi)分配

木蘭達(dá)河流域徑流以降水補(bǔ)給為主，受降水影響，徑流的年內(nèi)分配不均勻，主要集中在汛期6-9月份，約占全年徑流的75%，最大徑流量一般出現(xiàn)在8月，7-8月徑流約占全年的50%。香磨山水庫(kù)壩下斷面多年平均徑流量年內(nèi)分配情況表，見(jiàn)表4；新北水文站斷面多年平均徑流量年內(nèi)分配情況表，見(jiàn)表5；丹東水文站斷面多年平均徑流量年內(nèi)分配情況表，見(jiàn)表6。

表4 香磨山水庫(kù)壩下斷面多年平均徑流量年內(nèi)分配情況表

表5 新北水文站斷面多年平均徑流量年內(nèi)分配情況表

表6 丹東水文站斷面多年平均徑流量年內(nèi)分配情況表

5 生態(tài)流量目標(biāo)計(jì)算

針對(duì)木蘭達(dá)河流域冰凍期較長(zhǎng)的特點(diǎn)，確定本方案生態(tài)流量分期為汛期(6-9月)、非汛期(4-5月、10-11月)進(jìn)行計(jì)算。

5.1 Qp法

用汛期、非汛期時(shí)段內(nèi)最枯月天然平均流量排頻，選取90%頻率下的流量作為生態(tài)流量目標(biāo)值。

5.2 Tennant 法

汛期(6-9月)選取多年平均流量的20%作為生態(tài)流量，非汛期(4-5月、10-11月)選取多年平均流量的10%作為生態(tài)流量。木蘭達(dá)河干流主要控制斷面生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表7[6]。

表7 木蘭達(dá)河干流主要控制斷面生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果

5.3 計(jì)算結(jié)果

木蘭達(dá)河干流主要控制斷面生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表8。

表8 木蘭達(dá)河干流主要控制斷面生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果

6 結(jié)論及建議

1)經(jīng)過(guò)上述分析計(jì)算，冰凍期的生態(tài)基流量極小，不易監(jiān)測(cè)監(jiān)管，為此，冰凍期不規(guī)定生態(tài)基流量。非汛期、汛期：根據(jù)木蘭達(dá)河水文特征和河流自然節(jié)律特征及流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求，降水主要集中在6-9月，豐、平、枯三個(gè)時(shí)期差異明顯，汛期、非汛期季節(jié)性變化較大，因此采用 Qp法計(jì)算結(jié)果作為本次生態(tài)流量目標(biāo)。

2)計(jì)算得到非汛期生態(tài)流量目標(biāo)分別為0.25m3/s、0.33m3/s、0.39m3/s；汛期生態(tài)流量目標(biāo)分別為0.42m3/s、0.7m3/s、1.88m3/s。

3)文章使用的生態(tài)流量計(jì)算方法均屬于水文學(xué)方法，未來(lái)還需用水力學(xué)法、棲息地法等多種研究方法深入研究。