内陆河流黑河生态环境需水量计算方法研究

2018-04-24程建民陈永娟

水利规划与设计 2018年3期

程建民,陈永娟

(甘肃省张掖市甘兰水利水电建筑设计院，甘肃张掖 734000)

生态环境是人类生存和发展的基本条件，是经济和社会发展的基础。随着经济的发展，水资源过度开发利用，出现了河流断流、水质恶化、湿地消退、生物多样性减少、水土流失严重等一系列生态环境问题，生态环境需水越来越受到了各级政府及其相关部门的重视，2013年9月7日，习近平总书记在哈萨克斯坦纳扎尔巴耶夫大学发表演讲时指出：“我们既要绿水青山，也要金山银山，宁要绿水青山，不要金山银山，而且绿水青山就是金山银山。”生动形象地表达了我们党和政府大力推进生态建设的鲜明态度和坚定决心，要按照绿色发展理念，树立大局观、长远观、整体观，坚持保护优先，坚持节约资源和保护环境的基本国策，把生态文明建设融入经济建设、政治建设、文化建设、社会建设各方面和全过程，建设美丽中国，努力开创社会主义生态文明新时代。

黑河是我国西北地区的第二大内陆河流，上世纪后期，随着社会经济的发展、人口的增加，黑河流域用水量加大，进入下游额济纳的水量减少，居延海干涸，生态环境受到影响，引起了党中央、国务院的高度重视，决定从2001年开始实施黑河水量调度，十几年以来，平均每年向居延海注水10亿m3，黑河下游生态得到有效恢复和改善。尽管如此，黑河上游兴建的水力发电工程，部分企业为了追求效益，不按规定下泄生态基流。2016年习总书记对祁连山自然保护区生态环境保护工作做出两次重要批示，相关省、市、县区政府高度重视，加大对祁连山自然保护区和黑河生态环境整治力度，对黑河干流水电站来水，一项极为重要的任务是合理确定电站下泄生态基流量，严格落实生态基流下泄措施，确保生态流量下泄到位，维护好减水河段水生态环境质量。

1 黑河流域概况

黑河位于河西走廊中部，发源于青藏高原北部的祁连山中段，范围介于东径96°40′～102°04′，北纬37°45′～42°40′之间。上游海拔介于1700～5000m之间，4000m以上发育有现代冰川，最高峰团结峰海拔5826.8m，山峰终年积雪。黑河干流从祁连山发源地到尾闾居延海，全长约928km，总流域面积11.6万km2，其中干流莺落峡以上为上游，河道长313km，流域面积10009km2，河床平均比降1%，天然落差约3000m，是黑河流域的产流区。上游又分东西两岔，西岔野牛沟发源于海拔4145m的铁里干山主峰南坡，自北西向南东流经约208km至祁连县黄藏寺村；东岔八宝河发源于祁连县俄博滩东的景阳岭，海拔4200m，自东向西北流经106km至黄藏寺村。东西两岔在黄藏寺村汇合后，折向北流经95km至莺落峡称甘州河，出山后进入张掖盆地称黑河。

莺落峡至正义峡为中游，河道长204km，流域面积2.56万km2，河床比降1/100～1/1000，海拔高程介于1300～1700m之间。中游地区绿洲、荒漠、戈壁、沙漠断续分布，地势平坦，是河西走廊的重要组成部分，这里光热资源充足，昼夜温差大，是甘肃省重要的农业灌溉区。中游为黑河径流的利用区，该河段河道的突出特点表现为地表水、地下水的多次转换和重复利用。

表1 黑河莺落峡、正义峡站多年平均流量年内分配表单位：m3/s

正义峡以下为下游，河道长411km，流域面积8.04万km2，海拔高程介于900～1300m。穿越北山，流经金塔鼎新盆地，改称额济纳河(也称弱水)，向北流注入内蒙古额济纳旗境内的居延海。黑河流域水系图如图1所示。

图1

2 河道生态环境需水量计算方法

河道内生态需水量是保证维持河道内基本功能和河道生态环境所需的水量。即防止河道断流，保持水体一定的自净能力，保持河道水流泥沙冲淤平衡和维持河流水生生物生存的最小流量。河道生态环境需水量的计算方法主要有水文学法、水力学法、生境模拟法和整体分析法等。水文学法以历史流量为基础，根据简单的水文指标确定河道内生态需水，水文学法简单易行，但要求有长系列水文资料(一般应为30年及以上)，常用的代表方法有Tennant法、最枯时段平均流量法(包括90%保证率最枯月平均流量法、近10年最枯月流量法、月年保证率法和7Q10法等)。水力学法是根据水力学参数提出的湿周法和R2-Cross法。生境模拟法主要采用生态学和生物学方法，对特定生态保护目标的需水规律和特点进行分析，代表性方法有河道内流量增加法(IFM)和生态、生理需水观测法等。整体分析法是以流域为单元，全面分析河流生态需水的方法，代表方法主要有南非的建筑堆块法(BBM)。根据黑河的特点和实际情况，本文采用Tennant法、90%保证率最枯月平均流量法、近10年最枯月流量法、月年保证率法来计算黑河生态需水量。

3 黑河生态环境需水量计算

根据黑河莺落峡站和正义峡站1945～2009年实测流量资料计算，莺落峡站多年平均流量为51.6m3/s，正义峡站多年平均流量为32.2m3/s，见表1。

3.1 Tennant法

Tennant法又称蒙大拿法。Tennant法认为，多年平均流量的10%是保持大多数水生生物短时间生存所需的最低短时径流量；多年平均流量的30%是保持大多数水生生物有良好栖息条件所需的基本径流量；多年平均流量的60%是为大多数水生生物在主要生长期提供优良至极好栖息条件所需的基本径流量。该法是将全年分为汛期(4～9月)和非汛期(10～3月)两个时段，根据多年平均流量百分比计算维持河道一定功能的生态需水量。河道内不同生态环境状况和与之对应的百分比见表2。

表2 在河道内不同生境状况下推荐的河道流量百分比

计算公式如下：

式中，Wb—生态环境需水量，m3/s；Qi—第i个月多年平均流量，m3/s；Bi—相应第i个月推荐的基流百分比，%。

一般情况下，非汛期生态基流应不低于多年平均天然径流量的10%；汛期生态基流可按多年平均天然径流量20%～30%确定。该法适用于流量较大的河流，一般作为河流最初目标管理、战略性管理方法使用，要求拥有长序列水文资料，具有方法简单、快速、便于宏观管理的特点。计算结果见表3。

表3 Tennant法计算成果单位：m3/s

3.2 90%保证率最枯月平均流量法

90%保证率最枯月平均流量法是从长系列资料中每年挑选一个最枯月平均流量，然后进行频率计算，取保证率90%的最枯月平均流量作为最小生态环境需水量。适合水资源量小、开发利用程度较高的河流，要求拥有长序列水文资料。计算公式如下：

Wb=Min(Wij)P=90%

式中，Wb—河流最小生态环境需水量，m3/s；Min(Wij)P=90%—90%保证率最枯月径流量，m3/s。

根据1945～2009年65年最枯月平均流量计算，结果见表4。

表4 最枯时段平均流量法生态流量计算结果单位:m3/s

3.3 近10年最枯月平均流量法

近10年最枯月平均流量法以河流近10年最枯月平均流量的多年平均值作为河流的基本需水量。该方法采用实测径流量作为计算依据。计算公式为：

式中，Wb—河流最小生态环境需水量，m3/s；Qmin—第i年实测最枯月平均流量，m3/s；n—统计年数。

计算结果见表4。

3.4 月年保证率法

月年保证率法根据系列水文统计资料，在不同的月保证率前提下，以不同天然径流量百分比作为河道环境需水量的等级，分别计算不同保证率、不同等级下的月年河道基本环境需水量。计算步骤：

(1)根据系列水文资料，计算50%、75%、90%保证率下所对应的水文年及多年平均情况下的各月天然流量。

(2)以多年平均所对应的各月天然径流量作为原始数据，进行各月河道环境需水量计算，具体方法是分5个推荐流量等级：很好(100%)、好(60%)、较好(40%)、中(30%)、最小(10%)，分别对应下面的假设条件(以很好流量等级为例)：假设年天然径流量的100%作为河道内用水，则将年天然径流量的平均值作为河道环境需水的最高上限，认为只有高于天然平均流量的月份可作为河道外引水。这时河道环境需水的计算，高于年均值的月份，选取年均值计算，低于年均值的月份，选取该月的天然径流量计算。按照类似的假设条件，采用同样的方法，可以计算年天然径流量的60%、40%、30%、10%作为河道环境需水量。

(3)在上述40%、30%、10%的假设情况下，可能会出现月河道环境流量占年均值的百分比小于10%的情况，如果出现这种情况，这时河道环境需水的计算分两种情况进行：一是该月天然径流量大于多年平均流量的10%，选取多年平均10%计算；二是该月天然径流量小于多年平均流量的10%的，选取该月平均流量计算。国外研究表明，10%的河道流量是最低下限，如果河道流量低于10%，则河流生态系统健康得不到保障，河流的生态环境就会遭到破坏。计算结果见表5。

表5 月年保证率法生态需水量计算成果单位：m3/s

4 计算结果分析

根据上述分析计算，莺落峡近十年最枯月流量、90%保证率最枯月平均流量、Tennant法和月年保证率法(P=90%)中等(30%)情况的生态需水量接近，约占多年平均流量的19.3%～36.6%，平均26.5%。而正义峡近10年最枯月平均流量、90%保证率最枯月平均流量和最小生态需水量计算结果相差较大。月年保证率法莺落峡和正义峡不同频率的生态需水量基本接近。非汛期生态需水量莺落峡占多年平均流量的10%，正义峡达到18.1%，汛期莺落峡为47.4%，正义峡为22.8%%。根据SL525- 2011《水利水电建设项目水资源论证导则》和SL/Z479- 2010《河湖生态需水量评估导则》(试行)，对于河道生态需水量的确定，原则上按多年平均流量的10%～20%确定。黑河非汛期生态需水量最小满足多年平均流量的10%，汛期生态需水量最小满足多年平均流量的30%以上，全年生态需水量最小满足多年平均流量的25%。四种方法计算结果对比见表6。

5 结论

(1)河道最小生态环境需水量对于维持河道生态环境意义重大，尤其是西北生态脆弱地区的河流，更应该重视河道生态流量的作用，电站建设形成的减水河段，一定要预留足够的生态流量，并采取强有力的监管措施，确保生态流量足额下泄到位。

(2)水文学法是计算河道生态流量最为基础、常用的方案，具有方法简单、思路清晰、计算简便、资料易获取等特点，对具有长系列水文资料河流尤为实用，在黑河流域的水利水电项目设计中被广泛使用。

(3)90%保证率最枯月平均流量法、近十年最枯月流量法、Tennant法和月年保证率法(P=90%)四种计算河道生态流量的水文学方法，在同等生态保护等级条件下，计算的河道生态流量具有依次增大的变化规律，90%保证率最枯月平均流量法计算结果相对保守，月年保证率法(P=90%)偏于安全。

(4)黑河作为西北内陆河流，生态相对脆弱，从生态偏于安全角度考虑，综合四种河道生态流量水文学方法计算成果，建议黑河非汛期生态需水量最小满足多年平均流量的10%，汛期生态需水量最小满足多年平均流量的30%以上，全年生态需水量最小满足多年平均流量的25%。通过足额下泄河道生态流量，维持减水河段生态环境质量。