利用气象探空资料开展河道生态流量的研究

陈蕾 张珏 冯亚耐 蒋旭涛

利用气象探空资料开展河道生态流量的研究

陈蕾 张珏 冯亚耐 蒋旭涛

水电开发中引水式电站大坝与厂房之间往往会形成一定的减脱水段，如何确定大坝最小下泄流量，满足下游生态环境需水要求，国内外有许多学者提出了各种生态环境需水量计算方法。由于历史原因，新疆部分地区水文监测站点匮乏且基础资料严重不足，难以取得有效的径流成果。以新疆塔什库尔干河齐热哈塔尔水电站为例，探讨利用气象探空资料对最大洪峰流量等水文资料进行差补延长，结合洪峰流量和探空资料分析成果之间较好的相关性，进而推算河道生态流量，为同类水电工程生态下泄流量的计算分析提供借鉴和参考。

气象探空 水文数据 河道 生态流量

1　生态流量的确定原则及方法

生态需水量指特定区域内生态系统需水量的总称，包括生物体自身的需水量和生物体赖以生存的环境需水量，是维持生态系统生物群落和栖息环境动态稳定所需的用水量。广义的生态环境用水是指维持全球生物地理生态系统水分平衡所需用的水，包括水热平衡、水沙平衡、水盐平衡等；狭义的生态环境用水是指为维护生态环境不再恶化并逐渐改善所需要消耗的水资源总量，主要包括保护和恢复内陆河流下游的天然植被及生态环境、水土保持及水保范围之外的林草植被建设、维持河流水沙平衡及湿地、水域等生态环境的基流等方面。

目前，关于河流最小生态环境需水量的研究尚不充分。在有限的研究成果中，河流水污染防治用水临界值可用以水质目标为约束的方法求得，或按照简单的10年最枯月平均流量法估算。前者需要知道上游来流中的污染物浓度、河段内污染物产生量、河段内污染物治理程度、河段内污废水资源化程度、河段内城市污废水产生总量和污染物削减等详细信息，在不易获得准确信息时可以近似采用后一种方法。

《水工程规划设计生态指标体系与应用指导意见》（2010）提出，生态基流是指为维持河流基本形态和基本生态功能的河道内最小流量。河流基本生态功能主要为防止河道断流、避免河流水生生物群落遭受到无法恢复的破坏等。在水电开发建设过程中，过去考虑较多的是对区域经济的发展和发电效益，而对保护生态水环境考虑的较少，如不考虑电站大坝最小下泄流量而引起下游河段水环境恶化等问题，已越来越引起社会各界的关注。特别是引水式电站，由于其大坝与厂房之间往往会形成一定的脱水段，脱水段的形成必然会给下游生态环境造成一定的影响。如何确定大坝最小下泄流量，满足下游生态环境需水要求，国内外有许多学者提出了各种生态环境需水量计算方法，如湿周法、Tennant法、最枯月平均流量法等等。目前，我国有水文学法、水力学法、生境模拟法和整体法等多种生态基流分析计算方法，水文学法和水力学法运用较为普遍。生态基流计算方法的表达及适用条件见表1。

2　气象探空资料与水文数据的关系

2.1气象探空资料概述

气象探空是利用现代科学方法与手段，观测高空大气中任意高度上气象要素的瞬时分布。气象站探空观测业务主要是每天早晚2次定时施放气象探空气球，搭载无线电探空仪对高空平流层的气象要素进行观测，探空仪在飞行过程中感应周围空气的温、压、湿状况等，并将气象要素转换为无线电讯号，连续不断地发送给地面接收系统，接收人员对无线电讯号加以整理，获得不同高度层大气的气温、气压、湿度、风向和风速等数据。气象探空资料一般有不同高空气压如850、700、500、200 hPa等的湿度、温度、风速和风向等气象要素。

2.2生态流量确定过程中存在的问题

近年来，中央加大了新疆基础设施的投入力度，大力发展民生水利。塔什库尔干河是新疆塔里木河水系叶尔羌河的主要支流之一，其流域水电开发规划为“一库四级”，其中下坂地、齐热哈塔尔水利枢纽已建成。水电工程使河流水生生态系统受大坝阻隔、河道水文情势变化等影响，导致生境破碎化程度提高，鱼类的觅食、繁殖等生存空间缩小，特别对于电站工程下游如涉及特有或保护鱼类，为加强珍稀鱼类保护，需确定坝下河道生态流量。

表1　生态基流指标主要计算方法及适用条件表

由于历史原因，新疆南疆地区由于水利设施较少、水文监测站点匮乏，仅有的几个水文站监测连续性较差，基础资料严重不足，对于预测水电站坝下游生态流量带来较大困难。

2.3气象探空资料与水文数据的关系分析

塔什库尔干河的水电开发河段河水以融雪性洪水为主，年降水量很小。融雪性洪水指由积雪融化形成的洪水，一般在春、夏两季发生在中高纬地区和高山地区。南疆帕米尔高原和昆仑山北坡，冬季漫长而严寒，积雪较深，来年春、夏季气温升高超过零摄氏度，积雪融化形成融雪性洪水。当夏季气温较高且持续时间较长时，永久积雪和冰川发生融化并形成夏汛，它与冬季积雪融水洪水相比，涨落较缓，洪水总量则受控于消融范围。塔什库尔干河汛期易形成二者的混合洪水，而该类洪水较难把握和准确预测。

结合气象探空方法特点，考虑利用流域附近气象站的500 hPa左右的气象探空资料，可推断出汛期塔什库尔干河上游冰雪融水造成的洪峰流量，进而计算塔什库尔干河多年平均径流量。

3　气象探空资料对于推算生态流量的应用

3.1基础资料分析

3.1.1水文站点和水文资料概况

塔什库尔干河流域内人口稀少，水利水保设施较少。流域水文资料短缺。1959年在塔什库尔干县附近设立过塔什库尔干水文站，1960年8月下迁改名伊尔烈黑水文站，1968年停测，2000年为修建下坂地水利枢纽恢复观测。伊尔烈黑站有1960—1967年和2001—2011年共19年完整的实测流量资料，原塔什库尔干站有1959—1960年1年资料，实测径流资料共有20年。本研究以伊尔烈黑水文站为设计代表站，资料采用至2011年。

此外，叶尔羌河干流和提兹那甫河山口以上20世纪50年代设立了卡群、库鲁克栏干和玉孜门勒克水文站作为控制站。在邻近流域的盖孜河上设有克勒克水文站。这些站点作为参证站。

下坂地枢纽2009年10月建成，具有多年调节能力，其坝址径流由伊尔烈黑站径流与伊尔烈黑站—下坂地坝址区间径流组成。伊尔烈黑站—下坂地坝址区间属中低山区，其径流量可依据卡群—库鲁克栏干—伊尔烈黑区间的径流模数计算。卡群—库鲁克栏干—伊尔烈黑区间径流由卡群站、库鲁克栏干站、伊尔烈黑站的月径流对应相减推求，区间1954—2011年多年平均径流量为0.81亿m3。

伊尔烈黑站径流、伊尔烈黑站—下坂地坝址区间径流叠加，组成下坂地坝址1954—2011年共58年的径流系列，其多年平均流量为34.6 m3/s，多年平均径流量为10.91亿m3。

3.1.2气象站点和气象探空资料概况

塔什库尔干河流域设有塔什库尔干县气象站、喀什探空站。塔什库尔干县气象站，位于东经77° 16'、北纬28°26'，海拔3 091 m，气象资料统计年限1957—2014年。观测项目为基本气象要素。喀什探空站位于喀什市，位于东经75°19'、北纬39°28'，海拔1 291 m，有1957年至今的完整探空资料。

塔什库尔干河水利工程规划河段位于塔河下游，规划工程场址均无气象站点，从地理位置、距离、高程等因素综合考虑，气象资料主要参考塔什库尔干县气象站资料。塔什库尔干县为高原寒带干旱气候，其河谷地周围高山环绕，流域气候差异较大，只有冷暖两季，冷季寒冷漫长，暖季气候温和。气温的年、日变化显著，日温差高达20℃。降水稀少，时空分布不均匀，蒸发强烈，空气干燥，日照时间长。塔什库尔干县气象站实测气象资料，多年平均气温3.6℃，极端最高气温32.5℃，最低气温－39.1℃。多年平均降水量68.9 mm。降水主要集中在夏季，其中5～9月降水占全年降水量的75%。

3.2气象探空资料与水文站洪峰量相关性分析

塔什库尔干河的洪水是由于气温升高并有所持续时冰雪消融形成的。通过采用气象探空手段，对伊尔列黑水文站实测最大洪峰流量和高空600 hPa气温进行分析，发现伊尔列黑年最大洪峰流量和喀什探空站日600 hPa的07时、19时气温之和大于5℃的年积温具有较好的相关性，相关关系式：

相关系数r=0.80。

洪峰流量的插补延长除采用喀什探空站大于5℃的年积温资料插补延长外，还可用伊尔烈黑站汛期（7～9月）的径流资料插补延长，2种方法得到洪峰流量均值基本接近。为满足设计需要，对伊尔烈黑站径流系列进行了插补延长。其中，1954—1958年径流采用卡群站实测资料插补延长，1959年径流采用伊尔烈黑站实测资料插补，其余1968—2000年的主汛期采用喀什600 hPa的07时气温插补延长，春汛期3～5月和汛后期9月采用盖孜河克勒克站月平均流量插补延长，枯水期10月—翌年2月采用本站相关插补。

由喀什探空站日600 hPa的07时、19时气温之和大于5℃的年积温，计算得到伊尔列黑水文站1957—1958年和1968—2003年最大洪峰流量。经插补延长后，得到伊尔烈黑站1954—2011年共58年的月、年径流系列，其多年平均流量为32.0 m3/ s，多年平均径流量为10.10亿m3。

3.3气象探空资料成果的应用

齐热哈塔尔水电站建成后，将造成从发电引水口至电站厂房之间约22 km的河流减脱水段，根据环保部相关规定要求，河流生态流量应不小于河道控制断面多年平均流量的10%。为了维护该段河道的生态环境，水电站规划由下坂地电站尾水渠控制闸向河流减水段下泄最小生态流量3.2 m3/s，以满足下游鱼类最基本的生态需水要求，减免因水电站建设带来的下游河段减脱水段生态环境影响。

长期以来，我国一直使用人工释放探空气球的方法进行高空综合探测。高空气象观测是气象业务的基础，是天气预报、气候分析、科学研究和国际交换的气象情报和资料的主要来源。在我国西部地区地表河流水文基础设施落后、水文系列资料不足等情况下，可采用气象探空资料进行反演推算洪峰流量，研究与径流流量的相关性分析。同时，也可作为已有径流成果的参考和补充验证。

4　结语

针对水电开发建设过程中，电站坝下游河段受引水后带来的水生态及水环境恶化等问题，需下泄生态水量以减缓不利影响。本文以塔什库尔干河齐热哈塔尔水电站为例，考虑到部分地区水文监测等基础资料不足的特点，利用气象探空资料反演水文数据对最大洪峰流量等水文资料进行差补延长，在确定月、年径流系列的基础上推算河道生态流量。该方法综合考虑了气象资料与河流径流及洪峰流量的相关性，进而确立了气象探空成果与生态水量及水生生态系统的关系，运用较为便利，节省了大量的野外工作，为水文资料匮乏地区的同类水利水电工程生态流量的确定提供了借鉴和参考。

[1]陈宝根,何建新,贾秀芳.河流生态环境需水量计算方法的研究初探[J].南水北调与水利科技，2012,10(1):86-87.

[2]朱学思.生态需水与生态水文格局相关性研究进展[J].南水北调与水利科技，2011,9（1）：36-38.

陈蕾 女 工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

张珏 女 高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

冯亚耐 女 高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

蒋旭涛 男 助理工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

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（2016-09-16）