吉林省伊通河生态需水量计算及分析

李忠平

(吉林大学 a.地下水资源与环境教育部重点实验室;b.水资源与环境研究所，长春 130021)

目前全球关于生态需水量的计算方法有200多种，然而由于生态系统的复杂性和人类对生态系统认识的局限性，现在还没有一种计算方法能够适用于所有的计算［1］。生态需水的计算方法研究归纳起来主要涵盖2个方面:一方面，河流生态需水，即河道内生态需水，主要计算方法有水文学法、水力学法、生物栖息地法和整体分析法;另一方面，陆地生态需水，即河道外生态需水，主要计算方法有面积定额法、改进后的彭曼公式法、基于遥感的生态需水量计算方法和潜水蒸发法［2］。

本文通过对伊通河上2个河道站(农安站和伊通站)断面河道生态需水量进行计算，提出河流生态需水量的科学数据，为伊通河水资源的优化配置和水环境改善提供技术支持，并以此提出符合实际情况的控制措施，在今后的河流开发利用中最大限度满足河流自身生态需水量需要。其中伊通站位于伊通河发源地即伊通县，农安站位于伊通河与饮马河交汇处附近，2站地理位置对于研究伊通河最小生态需水量具有典型的意义。

1 研究区域

伊通河发源于吉林省伊通县境内哈达岭山脉青顶山子岭北侧，由南向北贯穿于市区东部，流经伊通县、长春市、德惠市、农安县，是松花江二级支流，饮马河左岸最大支流。伊通河全长342.50 km，流域面积约为8 713 km2，流域平均宽度22.7 km，河道坡度0.000 3，河床宽度15～30 m，多年平均流量为6.25 m3/s，最大流量 256 m3/s，最小流量为0，平水期最大水深2.5 m，最小水深＜1 m［3］。流域内控制性水利工程为新立城水库，水库以上流域面积1 970 km2［4］。伊通河为季节性河流，丰水年、枯水年流量相差悬殊，流域内地势低平、土壤肥沃。

伊通河是长春境内唯一的纳污河流，也是当地居民饮用水、工业用水、灌溉用水主要取水来源。伊通河原本河水清澈，大量野生鱼类生存其中。随着工业的发展，越来越多的生活污水、工业废水、农业污水排入伊通河，使伊通河水质逐渐变差，并开始恶化。人类为了满足日益增加的水量需求，不断在伊通河上建水库及大坝，导致伊通河河道内流量出现不能满足河流自净能力和生态需水的情况。为了保护伊通河和恢复伊通河水质，对伊通河生态需水量进行研究势在必行。同时，对伊通河河道生态需水量进行研究，也是伊通河流域水资源合理利用和有效进行流域水污染控制管理的重要环节之一。

伊通站位于伊通河的发源地伊通满族自治县，农安站位于伊通河中下游农安县。伊通站接近伊通河源头，流量受两岸居民生产生活用水影响较小，实际流量分配接近于天然。而农安站实际流量分配过程与天然流量分配过程不符，故应用相同方法计算2站生态需水量，效果会有所差异。

2 研究方法

本文采用流量历时曲线法，采用农安、伊通2个河道站的实测流量数据，包括农安站和伊通站1969—2000年共32 a的逐日平均流量数据，对伊通河最小生态需水量进行年内分配计算。首先分别绘制2河道断面的总流量历时曲线、同期流量历时曲线和月流量历时曲线，并计算其最小生态需水量。然后采用Tennant法和最小月流量平均法对伊通河河道内生态需水量进行估算。最后，基于伊通河的实际情况，对计算结果进行一定的分析和总结。

2.1 流量历时曲线法

流量历时曲线法以历史流量资料为数据源，构建各月流量历时曲线，将某个累积频率相对应的流量Qp作为生态流量［5］。Qp的频率 P可取90%或95%，也可根据实际需要做适当调整。通常采用Q90作为枯水流量指数;采用Q95作为低流量指数即极端低流量条件指标。

该法首先对历史流量系列从大到小进行排序，如:

式中:q1为该序列中的最大流量值(m3/s);qN为该序列中的最小流量值(m3/s);N为样本个数。

然后按式(2)计算累积频率，并绘制流量历时曲线。最后根据流量历时曲线，将某个累积频率相对应的流量作为计算生态需水量的参考流量［6］。

式中:Pi为第i个样本的累计频率;N为样本个数。

2.2 Tennant法

Tennant法将年均流量的10%作为河流生态环境得以维持的最小流量，并以预先确定的年平均流量百分比将河流生态环境划分为不同的等级［7］。Tennant法将全年分为2个计算时段(一般用水期，即10月至翌年3月;鱼类产卵育幼期，即4月至9月)［8］。在实际应用中，需要结合河流的地理位置、气候条件及生态保护目标对Tennant法划分的时段在本地区的适用性进行检验与调整［9］。一般鱼类产卵适宜温度为17℃以上，而长春为大陆性半湿润季风气候，最低气温出现在1月，1月平均气温为－28.5℃;最高气温出现在 7月，平均气温为24.3℃。据此将Tennant法的一般用水期修正为9月至翌年5月，鱼类产卵育幼期修正为6月至8月。修正后的Tennant法中不同流量百分比对应的河道内生态环境状况如表1所示。

表1 Tennant法中不同流量百分比对应的河道内生态环境状况Table 1 Eco-environment situations according to different percentages of flow when using Tennant method

根据Tennant法，维持河道一定功能需水量计算公式如下:

式中:WR为多年平均条件下维持河道一定功能的需水量(m3);Mi为第i月天数(d);Qi为第i月的多年平均流量(m3/s);Ki为第i月生态环境需水百分比。

2.3 最小月流量平均法

最小月流量法又称河流基本生态环境需水量计算法［10］，是以河流最小月平均实测径流量的多年平均值作为河流的基本生态环境需水量，该方法属于统计方法，具体计算公式为

式中:WEb为河流基本生态流量(m3);Qimin为第i年实测最小月平均流量(m3/s);T为换算系数，其值为31.54×106;n为统计年数。

3 结果与讨论

3.1 总流量历时曲线

本文流量历时曲线法均采用保证率95%所对应的流量Q95作为计算最小生态需水量的参考流量。农安站、伊通站总流量历时曲线见图1。2站多年平均最小生态需水量计算结果见表2。其中Qov为河道平均流量，Qwd为最小生态需水量。

图1 农安、伊通站总流量历时曲线Fig.1 Total flow duration curves of Nong’an station and Yitong station

表2 多年平均最小生态需水量Table 2 Calculated result of average minimum ecological water demand over years

虽然农安站和伊通站均位于伊通河上，但2者生态需水量相差很大，这是因为伊通河发源于伊通县境内，从伊通县到营城子区间，河流穿行于山谷间;经过营城子后，伊通河开始接纳干沟子河、双庙子河等支流，河道进入平原地带，河谷宽阔，流量渐增。伊通河流至农安段，已接纳众多支流，即将汇入饮马河，河道内流量必定多于伊通段，生态需水量亦必多于伊通段。

3.2 同期流量历时曲线

同期流量历时曲线按分类方法的不同可以分为2类:按水量多少分为丰水期(7—9月)和枯水期(10—次年6月);按自然季节分为春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12—次年2月)4个时期。以下分别按这2种分类方式，对农安站和伊通站的生态需水量进行分配计算。计算结果分别见表3、表 4。

表3 丰水期、枯水期流量历时曲线计算成果Table 3 Calculation result of ecological water demand distribution in high flow and low flow periods

表4 季节流量历时曲线Table 4 Calculation result of ecological water demand distribution in four seasons

3.3 月流量历时曲线

对某一自然月，将所有计算期内该月的所有逐日平均流量数据作为数据来源，得到该月的流量历时曲线。具体计算结果见表5。

表5 月流量历时曲线计算成果Table 5 Calculation results of monthly flow duration curve

伊通站各月多年平均流量和多年平均生态需水量月分配过程见图2。

图2 伊通站各月多年平均流量及多年平均生态需水量月分配过程Fig.2 Monthly average flow and monthly distribution process of average ecological water demand overyears at Yitong station

从表3至表5可看出，伊通河农安段生态需水量年内分配过程与实际水量分配有较大偏差，这与农安站上游新立城、两家子等众多水库对河流流量的调节作用有关。在7—8月份多水期储存水量到少水期使用，导致多水期流量变小，少水期流量变大。在计算过程中未对实测数据进行还原计算，造成该误差的产生。

作为接近伊通河源头的伊通站，由于没有水库对流量的调节作用，生态需水量的年内分配过程较符合规律。如图2所示，在6—9月份多水期生态需水量较大，在少水期则需水量较小。表3至表5中计算结果也体现了这一点:在丰水期有较大的需水量，在枯水期有较小的需水量;夏季需水量量大，冬季需水量相对较小。

3.4 Tennant法

运用式(3)进行计算，需水百分比Qi均取10%。具体计算结果见表6。

表6 Tennant法估算结果Table 6 Ecological water demand estimated by Tennant Method

按照年径流量的10%计算伊通河最小生态需水量，计算结果是生态系统需水临界值，实际生态需水量是阈值。若实际生态需水低于该临界值，则表示应采取适当措施对该生态系统进行保护。

从表6可看出伊通河7—9月份生态需水量相比其他月份要大。

3.5 最小月流量平均法

运用式(4)进行计算。得到农安站 WEb=8 480.51 万 m3，伊通站 WEb=126.07 万 m3。

3.6 讨 论

通过表7可知:在农安站，流量历时曲线法计算最小生态需水量结果是Tennant法计算结果的1.55倍，是最小月流量平均法计算结果的0.55倍:在伊通站，流量历时曲线法计算最小生态需水量的结果是Tennant法计算结果的0.49倍，是最小月流量平均法计算结果的2.41倍。

表7 河道内生态需水量计算结果Table 7 Calculated results of ecological water demand by different methods

最小月流量平均法计算结果与流量历史曲线法和Tennant法均有较大差距。分析其主要原因:最小月流量平均法计算要求数据即是本文实例计算中采用的实测数据，而流量历时曲线法与Tennant法在进行计算时所要求的流量数据均为天然流量数据。此2种方法在计算时需要对实测数据进行还原，方可进行相应计算。但在计算实例中，由于缺乏必要数据，还原计算难度较大，故采用未经还原的数据进行计算导致结果与最小月流量平均法差距较大。

从表8可看出，伊通河农安段生态需水量占该段年径流量的百分比介于10%与20%之间，伊通段生态需水量占该段年径流量的百分比则介于5%与10%之间。依照表1中关于不同流量百分比对应的河道内生态环境状况的描述，比较分析可知:农安段生态需水量可以有限地保护水生生物栖息地;而伊通段水生生物栖息地已经退化或贫瘠，需要采取措施对其进行保护治理。

表8 流量历时曲线法与Tennant法比较Table 8 Comparison of eco-water demands estimated by flow duration curve method and Tennant method

通过本文计算可以看出，使用实测数据运用流量历时曲线法对生态需水量进行分配计算与实际水量分配过程不符，但仍然对水资源规划有参考价值。最小月流量平均法计算结果会由于选用资料年中存在特大干旱年而过于极端，适用于精度要求不高的计算，故本文不考虑其计算结果。Tennant法为分析计算结果的标尺，一般应用该方法对研究地区水资源状况进行评价分析。

4 结论

本文分别以农安站和伊通站为例，采用流量历时曲线法对伊通河河道内最小生态需水量进行分配计算，并按照流量的历史历时情况将最小生态需水量从年尺度降到月尺度进行分配，便于在水资源配置管理中进行参考和应用。

通过对伊通河生态需水量的分析计算，得到以下结论:

(1)2个站最小生态需水量分别为4 693.66万m3和303.52万 m3，分别占其年实测径流量的15.46%和 4.80%。

(2)在天然情况下，生态需水量的年内分配过程符合于实际水量分配过程，即多水时需水量多，少水时需水量少。

(3)在分配计算过程中，使用未经还原的实测数据，农安站的生态需水量分配过程与实际水量分配过程相差较大。

(4)近几年来，生态需水量的计算方法开始在我国得到应用，今后随着生态环境的日益恶化，人们会越来越注意到生态需水的重要性，生态需水量相关的研究计算会逐渐得到更加广泛的发展与关注。

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