穆棱河流域河流最小生态径流研究

韩 松，赵 越

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

最小生态径流是生态环境用水的重要组成之一[1]，其数值大小及其年内分配过程对于维持河流健康、构建生态系统与水资源可持续利用之间的动态平衡具有重要意义。

最小生态径流是指在人类活动影响下，为保证水生生物基本生存，在水体中所需保持的水量[1-3]，或者是为满足现状生态系统要求，河流中必须予以保留的最小径流量，同时该最小径流量对应的水质、水量和持续时间都必须满足要求[1]。随经济社会的快速发展，人类社会不断从河流中攫取水量，在一定程度上抢占了河流生态水量，因而水资源可持续利用与河流生态保护越来越成为关注焦点，特别是农牧交界带、森林交界带的东北地区，农业十分发达，水资源大量消耗于农田灌溉，区域生态链较为薄弱，破坏后恢复难度极大。

目前，关于穆棱河流域，相关学者已有一些水资源方面的研究[4-8]，但涉及生态径流，尤其是最小生态径流的成果依然鲜见。鉴于此，以穆棱河流域为例，引入频率比例法对含零值径流序列进行频率计算，借助7Q10法、非零值次最小值法、频率排位法、改进年内展布计算法、Tennant法确定了穆棱河流域中游的梨树镇水文站测验断面的最小生态径流，并进一步分析了河流最小生态径流满足情况及流域上游水利工程建设带来的可能影响，以期为科学制定及有效落实穆棱河未来的河流保护工作计划提供一定的借鉴。

1 流域概况

穆棱河地处黑龙江省东部，为乌苏里江左岸最大的一条支流，河道总长834 km，流域面积18 427 km2，流域范围为E130°15′～133°30′、N45°13′～45°55′[4]；穆棱河发源于穆棱市窝集岭，由南向北流，经穆棱、鸡东等地，在虎林市湖北闸处分为两支：一支沿原河道东流，于虎头镇南入乌苏里江，另一支沿穆兴水路汇入兴凯湖。

穆棱河毗邻松阿察河、牡丹江、绥芬河、兴凯湖、倭肯河、七虎林河，形状总体呈长茄形；流域由西向东倾斜，地貌以山地为主，兼有丘陵、平原和湖泊，占比依次为51.0%、26.3%、22.0%和0.7%[5]；流域地处中温带大陆性季风气候区，多年平均降水量552.9 mm，主要集中在6-9月，约占全年的70%；多年平均气温3.2 ℃，最高气温37.6 ℃，最低气温-44.1 ℃；结冰期150～160 d[6]。

2 资料及方法

2.1 基本资料

梨树镇站为国家重要水文站，位于黑龙江省鸡西市梨树区境内、穆棱河中游，1962年扩建为水文站，观测至今，测验项目有水位、流量、降水、冰情、水温等；梨树镇站距离河源、河口依次为211.8、447.6 km，测验断面以上流域面积为6 443 km2[5]。

梨树镇站以上已建成1座多年调节水库—团结水库，水库位于穆棱市共和乡境内，坝址以上集水面积445 km2，总库容8 630 万m3，主要任务为灌溉，兼顾防洪、发电、养鱼等综合利用，工程于1985年投入运行；本次收集到梨树镇水文站1963-2017年逐月天然、实测径流资料。

2.2 计算方法

最小生态径流计算方法主要有：水文学法、水力定额法、栖息地法等，其中水文学法仅利用径流资料，不需要现场测定，受到广大学者青睐[9-14]。因此，本文选用水文学法中的7Q10法[10-13]、非零次最小值法[7,11]、频率排位法[7]、年内展布计算法[14]计算梨树镇站最小生态径流。

2.2.1 7Q10法

7Q10法起源于美国，主要用于分析污废水在干旱季满足河流水质要求时所需水量，并以90%保证率最枯连续7 d平均水量作为最小径流设计值[10]。该方法设定的标准要求高，在实际应用时，一般河流以90%保证率最枯月平均径流量或近10 a最枯月平均径流量作为替代[10-12]。

受河流季节性封冻影响，穆棱河部分年份最枯月径流量为零，本次引入频率比例法[8]对含零值的最枯月天然径流序列进行频率计算，求得梨树镇站90%频率最枯月径流量为0.806 万m3；基于2008-2017年最枯月天然径流序列，求得梨树镇站近10年最枯月径流量为340 万m3。

2.2.2 非零次最小值法

一般地，依次取1-12月各月历年径流量的最小值、次最小值，获取全年各月最小生态径流[7,11]；穆棱河位于东北地区，部分年份月径流量可能为0。因此，本次取各月历年径流量的次最小值，即得梨树镇站1-12月最小生态径流，见图1。

图1 梨树镇水文站最小生态径流(非零次最小值法)Fig.1 Minimum ecological runoff in Lishuzhen hydrological station(by non-zero second minimum value method)

2.2.3 频率排位法

频率排位法取一定保证率下的1-12月各月径流作为河流生态径流，该方法可在一定程度上降低极端径流值影响，能够考虑各月生态径流伴随各月径流变化而变化[7]；在计算最小生态径流时，各月保证率可取90%、95%。本次引入频率比例法对含零值径流序列进行频率计算，取90%保证率下的各月历年天然径流量，即得梨树镇站1-12月最小生态径流，见图2。

图2 梨树镇水文站最小生态径流(频率排位法)Fig.2 Minimum ecological runoff in Lishuzhen hydrological station(by frequency ranking method)

2.2.4 改进年内展布计算法

年内展布计算法在时段最小年均径流量、时段多年年均径流量及两者的时段同期均值比基础上，以1-12月时段多年平均径流量为基准，计算河道最小生态径流的年内展布过程[14]，该方法能够较好的反应天然径流的丰枯变化特征，有一定的普遍适用性，该方法的基本原理及计算公式见文献[14]。本次基于梨树镇站1963-2017年逐月天然径流资料，将年内划分为4-9月、10-翌年3月两个时段，对年内展布计算法进行改进，计算其最小生态径流，见图3。

图3 梨树镇水文站最小生态径流(改进年内展布计算法)Fig.3 Minimum ecological runoff in Lishuzhen hydrological station(by Improved dynamic calculation method)

2.2.5 Tennant法

Tennant法是目前应用最为广泛的一种生态径流计算及评价方法，该方法基于长系列的天然径流资料，结合多年平均流量百分比及流量对生态的有利程度，可直接确定河流维持一定功能所应保持的生态径流[7,9-13]。本次依据Tennant法分析评价不同方法计算的最小生态径流过程。

表1 不同流量等级对应的河流生态状况评价结果(Tennant法) %

3 结果分析与讨论

3.1 径流年内分配情况

穆棱河中游主要控制站—梨树镇站径流各月多年平均值、近10年多年平均值，见图4。从图4中可以看出：

(1)穆棱河年内有两次汛期，即春汛、夏汛，春汛峰值多缘于融冰融雪，夏汛降水比较集中，年内各月径流分布呈“双峰”型；与1963-2017年径流系列相比，近10年多年平均值中1-5月、7月径流量明显增大，6月、8-12月径流量明显减少。

(2)1963-2017年径流系列中连续最大3个月径流量出现在6-8月，时段径流量约占全年的50.4%，近10年径流系列中的出现在5～7月，约占全年的54.1%；1963-2017年径流系列连续最小3个月径流量出现在1-3月，时段径流量约占全年的1.7%，近10年径流系列中出现在1-3月，约占全年的3.9%。

(3)1963-2017年系列中，最大月径流量出现在8月，约占全年的19.4%，近10年径流系列中，最大月径流量出现在5月，约占全年的23.9%。

图4 梨树镇水文站天然径流年内分配过程Fig.4 Distribution processes of natural intra-annual runoff in Lishuzhen hydrological station

3.2 最小生态径流的确定

为进一步分析多种方法计算的梨树镇水文站最小生态径流的合理性，本次将上述几种方法的计算成果汇总，结合Tennant法，以多年平均条件下的“同期均值比”代替“年均值比”[9]，评价穆棱河在某一径流过程内的河流生态状况。多种方法计算的梨树镇站最小生态径流及Tennant法评价结果，见表2。

根据表2，可以看出：

(1)对于7Q10法，近10 a最枯月径流量基本能保证河流在枯水期月份内处于“中”以上适宜流量环境中，但河流在丰水期健康状况较差；尽管考虑了季节性封河下的径流零值，引入频率比例法对含零值径流序列进行频率计算，但90%保证率最枯月径流仍使河流全年处于“极差”流量状态。

(2)在剔除年各月径流量零值的基础上，非零次最小值法取各月历年径流量的次最小值，可在一定程度上避免极端径流值带来的影响，但年内部分月份河流生境依然堪忧，尤其是1-3月、12月河流流量条件“极差”。

表2 梨树镇水文站最小生态径流及评价结果Tab.2 Evaluation results and minimum ecological runoff in Lishuzhen hydrological station

(3)频率排位法基于频率比例法对含零值径流序列进行频率计算，给予各月径流以一定的保证率，但1-3月流量生境条件依然不容乐观。

(4)年内展布计算法对应的最小生态径流过程能使河流在丰水期处于“中”、枯水期处于“好”流量状态内，该方法以河流生态系统与径流过程的响应关系为出发点，可同时兼顾河流天然水文过程、生态水文过程对径流年内动态需求，对维持河流基本生态环境功能是最有利的，有助于区域水资源“蓄丰补枯”式的优化配置及综合开发利用。综上，推荐年内展布法成果作为梨树镇站最小生态径流是合适的。

3.3 最小生态径流满足情况

本次分别从多年平均情况、不同典型年份情况入手，分析梨树镇站测验断面天然径流、实测径流条件下的最小生态径流满足情况。

3.3.1 多年平均情况

梨树镇水文站以上的团结水库于1985年投入运行，本次以团结水库投入运行年份为节点，将梨树镇站天然、实测径流资料划分为两段，即1963-1984年、1985-2017年。最小生态径流满足情况分析结果，见表3。

表3 梨树镇水文站最小生态径流满足情况 %

在天然来水条件下，梨树镇站1963-1984年时段内的最小生态径流满足情况较好，3-12月基本维持在72.7%～100%，其中4-7月、10-11月的最好(100%)；相较而言，1985-2017时段内的最小生态径流满足情况有所降低，2月的最低，保证率仅为42.4%；在实测来水条件下，1985-2017年时段内的最小生态径流满足情况较前一时段有所提升，尤其是在枯水期的1-3月、12月。

3.3.2 典型年情况

梨树镇水文站P=50%来水年(2010)、P=75%来水年(1970)及P=95%来水年(1979)的天然及实测径流月过程，见表4。由表4可看出：

(1)天然来水条件下，P=50%来水年，最小生态径流均能满足；P=75%来水年，1-2月的最小生态径流不能满足；P=95%来水年，1-3月、8-9月、12月的最小生态径流长期不能满足。

(2)实测来水条件下，P=50%来水年，梨树镇站2-3月的最小生态径流不能满足；P=75%来水年，1-2月的最小生态径流不能满足；P=95%来水年，1-3月、7-12月的河流径流长期小于最小生态径流，水生生物生境条件存在较大的缺水风险。

表4 梨树镇水文站典型年天然及实测来水情况 万m3

总体上，多年平均情况下，梨树镇站最小生态径流保证情况较乐观，受上游已有工程的“蓄丰补枯”调蓄影响，实测来水条件下的枯水期最小生态径流满足情况明显好于天然的，河流生境条件及健康状况整体好转；不同典型年来水条件下，保证枯水期的最小生态径流有一定的压力，且P=95%来水年，河流径流长期小于最小生态径流，对河流生境及水生生物生存不利，需要流域水行政主管部门予以特别重视。

3.4 上游水利工程建设带来的可能影响

3.4.1 现状工程影响分析

穆棱河为半山区性河流，上游属于山区，是黑龙江省年降水和年径流的中值区，水资源较为丰富；穆棱河流域现有水库31座，其中大型水库分别是位于穆棱河干流的团结水库和支流裵德里河上的青年水库、小兴凯湖，中型水库5座，小型水库23座[13]。

为分析上游现状水利工程建设对梨树镇水文站最小生态径流的影响程度，本次进一步统计梨树镇站天然来水、实测来水条件下的各月多年平均径流量、近10年月次最小径流量，见图5。从图表中看出：

图5 梨树镇水文站多年平均、近10年月次最小值径流量Fig.5 Average annual and nearly 10 years-monthly second minimum runoff in Lishuzhen hydrological station

(1)天然来水条件下：各月多年平均径流量均大于梨树镇站的最小生态径流；近10年次最小月径流中，仅8月径流量小于梨树镇站的最小生态径流。

(2)实测来水条件下，各月多年平均径流量均大于梨树镇站的最小生态径流；近10年次最小月径流中，仅3月、8月径流量小于梨树镇站的最小生态径流。综上，多年平均情况下，穆棱河最小生态径流可以保证，且近10年实测来水条件下的河流生境条件较好，河流生态系统及水生生物基本处于适宜的流量环境中。

3.4.2 规划工程影响分析

规划的大型水利水电工程—奋斗水库坝址位于穆棱河干流上游、穆棱镇东南14.1 km处，坝址地理坐标为E130°16′、N44°28′，坝址以上流域面积1 740 km2，是穆棱河干流上的第二座控制性工程；奋斗水库总库容1.91 亿m3，正常蓄水位相应库容1.45 亿m3，以城镇供水为主要任务，结合防洪，兼顾灌溉和发电等；建成后，可为下游城镇供水5 312 万m3、灌溉补偿供水989 万m3，年发电1 287 万kWh，满足下游“七镇二局一区”的用水需求。

根据《黑龙江省穆棱市奋斗水库工程可行性报告》[13]，考虑上游区间来水、生活取水、农业取水及相应退水等，奋斗水库建成后，P=75%、P=95%来水年梨树镇站断面月余水量变化，见图6。由图6可知：在P=75%来水年的8月、P=95%来水年的7-8月，梨树镇站最小生态径流不能保证，但缺水量相对较少，其余时段的最小生态径流均可满足，尤其是枯水期的1-3月、10-12月；穆棱河流域未来年径流量将不显著减少，且非汛期来水比例降低，汛期来水比例增加，这将会在一定程度上增加流域水资源开发利用难度[5]；奋斗水库坝址多年平均天然径流量为2.63 亿m3，占到梨树镇站多年平均天然径流量的25.0%。结合流域规划实施情况，未来可尝试研究通过流域上游的团结水库、奋斗水库的联合调度以及在上游支流规划新建大中型的调蓄工程，以保障梨树镇站及下游河流生态系统及水生生物在各来水年的各月份内均能长期处于较适宜的流量环境中。

图6 奋斗水库建库后梨树镇站断面余水量变化Fig.6 Remaining water in Lishuzhen hydrological station after the construction of the Fendou Reservoir

4 小 结

(1)依据多种计算方法，在考虑对含零值径流序列处理的基础上，计算了穆棱河中游主要控制性站点—梨树镇水文站测验断面的最小生态径流，Tennant法评价结果显示，本次推荐的年内展布计算法计算的最小生态径流过程使河流在丰水期处于“中”、枯水期处于“好”流量状态内，对维持穆棱河河流生态系统稳定及水生生物生存更为有利；

(2)多年平均情况下，穆棱河最小生态径流保证情况较乐观，实测来水条件下的枯水期最小生态径流满足情况明显好于天然的，近10年实测来水条件下的河流生境条件较好；不同典型年来水条件下，保证枯水期最小生态径流有一定的压力，且P=95%来水年，河流径流长期小于最小生态径流，对河流生境及水生生物生存十分不利；

(3)考虑上游来水、用水及退水等，奋斗水库建成后在P=75%来水年的8月、P=95%来水年的7-8月，梨树镇站最小生态径流不能保证、但缺水量相对较少，其余时段的最小生态径流均可满足；未来年径流量将不显著减少，且非汛期来水比例降低，汛期来水比例增加，这将会在一定程度上增加流域水资源开发利用难度；未来可尝试研究通过流域上游水库联合调度以及上游支流规划新建大中型的调蓄工程，以保障流域河流生境的健康与稳定。

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