甘肃党河中下游生态基流下泄目标的研究及应用

杨 杰，刘艳霞，厍永慧

(1.酒泉市水利水电勘测设计院，甘肃 酒泉 735000;2.酒泉市水利工程质量与安全监督管理站，甘肃 酒泉 735000)

党河养育了敦煌绿洲，是敦煌的水利命脉和重要的灌溉水源，是敦煌人民的母亲河。但随着流域内社会经济的快速发展，对水资源需求量的增加，致使工农业生产用水及生活用水进一步挤压生态用水。生态用水的紧缺，导致了敦煌西湖国家级自然保护区生态系统萎缩、月牙泉的枯萎、敦煌灌区外绿洲与湿地退化等一系列生态环境问题。

党河中、下游是敦煌区域99.6%以上的人口居住区和生产活动区，如何保障党河中、下游最小生态基流下泄，已成为当前急需解决的问题。

1 流域概况

党河位于我国河西走廊西端，发源地位于肃北蒙古族自治县盐池湾自然保护区，祁连山北坡的冰川融水是党河的主要水源。党河流经甘肃省肃北蒙古族自治县和敦煌两县市，是疏勒河的一级支流，也是中国唯一一条由南向北流向的地渗河流，干流全长390km。

党河流域地貌可分为上游祁连山脉、中游沙漠戈壁和下游平原绿洲区，党河水峡口以上为上游，为径流形成区。水峡口至党河水库段为中游沙漠戈壁区。党河水库以下至哈拉诺尔为下游平原绿洲区，为径流消耗区，也是党河灌区绿洲。

2 水资源开发利用现状

(1)党河流域水利工程建设、运行现状及规划建设情况

党河流域已建的水利工程主要包括蓄水、引水、防洪、灌溉、发电及生态等六类，其中已建调蓄水库8座，防洪堤86.09km，引水工程1项，取水口4处，水电站21座，已建成月牙泉恢复补水工程、党河风情线、党河河道恢复与归束等生态工程，在建的水电站6座，正在筹备建设敦煌市城市地下水源地置换工程。

(2)现状年党河(干流)水资源开发利用情况

党城湾水文站断面以上党城湾党青总干渠渠首自党河干流引水总量1590万m3，党城湾水文站断面年下泄水量36322万m3；敦煌市自党河水库引水28305万m3用于农业灌溉，党河水库下泄水量12139万m3。敦煌市对党河地表水资源开发利用程度接近90%。

3 生态水资源现状

经过对2010—2015年历年各月党城湾干渠渠首向肃北县和阿克塞县供水情况、党河水库向敦煌供水及生态下泄情况的统计分析，如图1—2所示，肃北、阿克塞两县近6年来自党河的引水量基本保持不变，且占河道内水量的比例很小，介于4.4%～6.3%之间，断面下泄水量比较充足；敦煌市自党河水库的引水量基本稳定在3亿m3左右，占水库天然来水量的66%～87%，水库下泄生态水量占水库天然来水量的13%～34%，但年内部分月份水库下泄生态水量为0，河道断流现象连年发生。

图1 党城湾断面来水-生态水量下泄变化曲线图

图2 党河水库来水-用水-生态水量下泄变化曲线图

4 最小生态流量分析研究

4.1 生态流量计算方法选择

关于河流生态径流量的计算，国内外已提出了很多方法。国家环保总局、水利部先后推荐了多年平均流量法、多年平均枯水时段法、Tennant法、生态基流Q95法等近10余种计算方法，但目前尚无统一的办法和标准，多数计算方法是经验的和半经验的。总体上可分为3类，即水文水力学法、生态环境法和整体法。

生态环境法主要考虑水生物对水深、流速、水温、溶解氧、总碱度、浊度、透光度等水力要素的需求。认为天然生态系统有可能得到改善。该方法是定量的而且使基于生态原理的，适用于有明确管理目标的地区。

整体分析法是建立在尽量维持河流水生态系统天然功能的原则上，整个生态系统的需水，包括发源地、河道、河岸地带、洪积平原、地下水、湿地和河口都需要评价，相对比较复杂，可操作性不高。

水力学法相对来说比较简单，容易操作，研究生态系统与河道规模之间的关系，并倾向于维持河流的规模方面的“特征”，比较常用的水力学法有①田纳特法(Tennant Method)，又称为蒙大拿法，是美国目前用来确定河道生态环境用水量的一种方法，其分析计算原理是以流量的历史资料而不是现场测量数据来推导河流生态流量推荐阈值，即河流生态流量推荐阈值是以预先确定的年平均流量的百分数为基础，该法主要用于干旱河流生态系统。主要优点是使用简单，操作方便，一旦建立了流量与水生生态系统之间的关系，需要的数据就相对较少，也不需要大量的野外工作。②Qp法，在考虑水质因素的前提下，采用90%保证率最枯连续7天的平均水量作为河流生态流量设计值。③流量历时曲线法，利用历史流量资料构建各月流量历时曲线，使用某个频率来确定生态流量，这种方法需要至少20年的日均流量资料，计算每个月的生态流量。④可变范围法(Range of Variability Approach，RVA)，主要用于确定保护天然生态系统和生物多样性的河道天然流量的目标流量。RVA法需要至少20年的流量数据资料。⑤最小月平均径流量法，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。⑥逐月最小生态径流量法，考虑在天热状态下水生生物所能容忍的干旱地极限。此方法所计算出来的生态需水量能保证在自然条件最不利情况下河流生态系统不致受到较大破坏，只适用于水流和水质条件改变较小的河流。

党河为西北干旱区内陆小型河流，考虑西北地区内陆季节性断流小河流地理、气候，水资源特点，分析认为采用水文学方法中的Qp法、Tennant法和频率曲线法作为主要方法确定河流生态流量及枯水期生态流量较为切合实际。

4.2 最小生态流量分析

采用Qp法、Tennant法和频率曲线法分别对党城湾1966—2009年和沙枣园水文站1964—2015年年内12个月的水文资料分析计算得出党河两个控制断面年内各月最小生态流量，见表1。

经比较分析，党河党城湾断面Qp法和Tennant法分析成果接近，而党河水库断面Qp法和Tennant法分析成果相差较大，主要原因为：Qp法基于最枯月径流量，而党河水库断面最枯月径流年际、年内变化更为剧烈，Cv值达到0.8，党城湾断面Cv值仅为0.157。频率曲线法分析成果在三者中明显较大。

因此，选择Tennant法分析成果作为党河党城湾断面的最小生态流量，即党城湾断面枯水期1—3月、11—12月最小生态流量1.52m3/s，丰水期4—10月最小生态流量5.48m3/s。

依照Tennant法的经验，当党河水库断面枯水期最小生态流量按1.35m3/s控制，丰水期最小生态流量按5.08m3/s控制可使水库下游的河道生态系统恢复至“好”的状态。但基于党河水库所承载的经济社会供水任务较重的现实，考虑现实的可操作性和所期望的生态系统状况，将水库兴利供水和生态调度进行平衡。在水库实际调度中部分难以满足Tennant法分析的生态流量的时段，以河流断面多年平均流量的10%作为下限控制。因此，党河水库断面枯水期最小生态流量1.04～1.35m3/s，丰水期最小生态流量1.04～5.08m3/s。

5 生态基流下泄目标及措施

由于肃北、阿克塞两县经济社会发展规模较小，对水资源的开发利用程度较低，党河党城湾控制断面现状年下泄的生态水量占该断面多年平均流量的86%，生态流量保障程度较高，正常情况下该区段党河生态流量下泄比较充足。因此，该段河道按照枯水期1—3月、11—12月最小生态流量按1.52m3/s，丰水期4—10月最小生态流量按5.48m3/s下泄生态流量。为保证该段呈梯级分布的引水式电站严格执行生态基流分成方案，在电站引水枢纽的冲砂、泄水闸闸门底槛处永久焊接一定高度的型钢，限制闸门的关闭，形成无障碍下泄通道。同时，在引水枢纽下游侧安装流量监测设备和视频监控系统，以便将实时监测的下泄生态流量数据和视频通过电信固定IP实时上传至监管部门。从工程及制度监管上保证生态流量常年下放。

由于现状党河水库以兴利为主的运行调度方式，水库断面以下连续多年均出现不同程度的河道断流，不利于河道生态系统的持续健康恢复。因此，党河水库的调度运行方式必须以兴利和生态为双目标进行调度，平水年份保障全年最小生态流量下泄，尽量减少河道断流天数，最大程度恢复河道连续性和生态系统。

考虑拟实施的《敦煌水资源合理利用与生态保护综合规划(2011—2020年)》中的引哈济党工程调水项目，以按期实施和暂缓实施为前提，分别对党河水库进行了调节计算。经调节结算后，引哈济党工程实施后党河水库断面生态水量可按枯水期1—3月、11—12月最小生态流量按1.35m3/s下泄，丰水期4—10月最小生态流量按5.08m3/s下泄，平水年份党河水库全年下泄生态水量14127万m3，占党河水库多年平均径流量的43%，可使河道生态系统恢复到好的状态；引哈济党工程若暂缓实施，党河水库断面枯水期1—3月、11—12月最小生态流量只能按1.04～1.35m3/s下泄，丰水期4—10月最小生态流量按1.04～5.08m3/s下泄，平水年份党河水库全年下泄生态水量6234万m3，占党河水库多年平均径流量的19%，可使河道生态系统恢复到中等状态。考虑党河水库还兼有向月牙泉和西湖自然保护区输水的任务，若按以上计算生态基流下泄生态流量，下泄水量未至西湖实地将消耗殆尽，无法满足月牙泉及西湖生态恢复水量，对下游河道生态恢复意义不大。因此，考虑可在生态流量保证率相对较低的情况下增加下泄量的方案。如图3—4所示。

图3 党河水库—黄芭公路桥河道输水效率图

图4 黄芭公路桥—玉门关段河道输水效率图

根据党河水库的运行方式、生态下泄水量的要求进行复核计算，确定：

2015年引哈济党工程实施前，全年向西湖输水4525万m3(党河水库下泄断面，以下同)，即每年2月11—20日、3月1—5日、9月1—9日、11月21—23日4段共27d为生态输水期，下泄水量分别为1673、798、1516、538万m3；输水流量分别为19.4、18.5、19.5、20.7m3/s。2020年引哈济党工程实施后，全年向西湖输水8037万m3，每年3月1—10日、5月1—10日、8月1—3日、8月21—31日、10月1—3日、11月21—23日6段共40d为生态输水期，下泄水量分别为2332.8、1900.8、622.1、2090.9、570.2、519.9万m3。输水流量分别为27、22、24、22、22、20.1m3/s。

6 结语

随着党河水库按照规划确定的生态流量下泄生态水量，敦煌党河湿地面积逐年恢复。党河水库以上水电站通过建设无障碍下泄通道，保证了生态流量下泄，河道植被逐年恢复。

虽然集中短时间内下泄生态用水，河道断流时间较长，无法满足生态基流最小流量连续下泄的要求，但在满足10%以上的生态流量的条件下，河道生态恢复任然有效。因此，在确定河道生态基流时，应充分考虑河道水资源开发程度、调蓄设施、生态流量的保证度、河道输水效率等因素，按照不同河段的影响因素合理确定生态基流的下泄方式和流量，才能保证河道生态的持续健康。