木垒水文站控制断面以下河道生态水量计算探讨

吕小愚

(新疆昌吉水文勘测局，新疆 昌吉 831100)

1 前言

木垒河发源于天山山脉博格达山北坡，源头与奇台开垦河相隔分水岭，与开垦河源头直线距离不到14 km。随着龙王庙水库和三眼泉水库的建成以及灌区灌溉工程的不断修建完善，一般平水年份河水几乎全部引入灌区，龙王庙水库以下河道，除汛期短暂泄洪外，河道常年处于干涸状态。近几年来受人类活动的影响，水资源开发利用程度较高，天然径流大部分被拦河蓄水工程人工控制。

为实施水生态红线管理，建立系统完整的水生态文明制度体系，从源头保护水资源和水生态；控制用水总量，逐步退还挤占的河道生态环境用水，确定河道主要控制断面的生态水量标准，加强“河长制”的落实，保护水资源，防治水污染，维护水生态，保障河道基流量。

2 木垒水文站控制断面以下河道生态水量的计算

木垒水文站是木垒河流域上游唯一的水量控制站，本次计算河道生态水量时，采用木垒水文站年径流资料采用多种方法计算河道生态水量。

本次尝试采用多种生态水量的计算方法对各个计算断面的生态水量进行计算，包括多年平均径流量的百分率法、90%保证率的最小月径流量法、7Q10法和湿周法。木垒河只有木垒水文站有实测流量资料，故只有木垒水文站测验断面满足建立湿周和流量关系的条件，但由于木垒水文站上游植被覆盖情况较差，河流含沙量大，低水时，河流主流摆动不定，高水时断面冲淤变化显著，无法建立系统完整的湿周与断面流量关系，综上所述，木垒河流域不适合采用湿周法推求生态水量。

经分析比选后选用适合本流域生态水量的计算方法只有三种，即多年平均径流量的百分率法、90%保证率的最小月径流量法和7Q10法。

2.1 多年平均径流量的百分率法(Tennant法)

Tennant法为水文学算法，其以流域多年流量均值的10%～30%为生态水量考虑，此方法对于水文资料系列较长且流量较大的流域较为适用。按照《“一河(湖)一策”方案编制指南(实行)》(水利部2017年9月)要求，将流域综合规划、水资源综合规划中确定的重要控制断面生态水量成果纳入本方案。木垒河流域水资源综合规划中重要水利工程为三眼泉水库、龙王庙水库。按照《水利水电建设项目水资源论证导则》规定，应按多年流量均值的10%～20%确定重要水利工程计算节点河道的生态水量[1]。

相关文献、学术论文中不同程度约定，北方河流的生态水量应分为汛期和非汛期分别进行计算，在条件允许的情况下，尽量采用多种方法。河道最小生态水量是以水文站的多年平均天然径流量百分率表示，本次河道最小生态水量采用木垒水文站实测径流量来计算。

2.1.1 实测径流量计算

木垒水文站实测年径流量计算采用该站实测连续系列1963年～2019年57年径流量资料，计算其多年年径流量均值为0.4839×108m3，生态水量按多年平均年径流量的15%计算，推算得木垒水文站生态水量为0.0726亿m3。河道最小生态水量采用如下计算公式：

(1)

式中：Wr为河道最小生态水量；Wi为第i年的河川径流量；K为选取的百分数，取K=15%；n为统计年数。

2.1.2 汛期和非汛期实测径流量计算

根据木垒水文站汛期5月～9月其多年平均径流量为0.3783亿m3，非汛期10月～次年4月多年平均径流量为0.1056亿m3，生态水量年内汛期按多年平均的20%计算结果为0.0757亿m3，年内非汛期按多年平均的10%计算结果为0.0106亿m3，木垒水文站生态水量为0.0862亿m3。木垒控制站河道最小生态水量计算结果见表1。

表1 木垒控制站河道最小生态水量计算表

2.2 90%保证率的最小月径流量法

保证率法通常以90%保证率下最枯月流量均值为所在流域生态流量。该法对于水量小、开发利用程度高的河道较为适用，且对较长序列(一般不低于20年)水文观测资料有较高要求。

根据90%保证率的最小月径流量，计算河道最小生态水量，采用如下计算公式：

Wr=12×Min(Wij)p=90%

(2)

式中：Min(Wij)p=90%为90%保证率的最小月径流量。

由于2011年起木垒水文站上游修建三眼泉水库，对木垒水文站径流量年内分配产生影响，为计算出天然状态下不受工程影响情况下的河道生态水量，本次采用木垒水文站1963年～2010年的实测径流量资料，选取每年最小月平均流量值，做频率曲线，理论频率曲线采用P-Ⅲ型曲线，频率计算的均值采用48年最小月平均流量的算术平均值，Cv、Cs值采用适线法确定。在适线时，主要依据理论频率与经验点据拟合较好为原则(见图1)，同时兼顾到统计参数的合理性[2]。推求出90%保证率的最小月平均流量。再将90%保证率的最小月平均流量换算成90%保证率的最小月径流量，通过式(2)计算，得到河道生态水量。计算成果见表2。

图1 木垒水文站1963～2010年90%保证率的最小月平均流量频率曲线图

表2 木垒水文站频率计算统计参数及90%保证率的最小月平均流量成果表

按式(2)计算求得河道最小生态水量，计算结果见表3。

表3 木垒水文站控制断面河道最小生态水量计算表

2.3 7Q10法

7Q10法以90%保证率下连续最枯7 d流量均值为生态需水量最小值。该法对水量小、开发利用程度高的河道较为适用，而且对较长序列水文观测资料有较高要求。

由于2011年起木垒水文站上游修建三眼泉水库，对木垒水文站径流量年内分配产生影响，对年最枯流量影响较大，为计算出天然状态下不受工程影响情况下的河道生态水量，本次挑选天然状态下木垒水文站1963年～2010年的实测径流量资料，通过统计分析计算，得到90%保证率下连续最枯7 d流量为1969年2月3日～9日逐日平均流量，连续最枯7 d的平均流量为0.049 m3/s，最小生态水量计算成果见表4。

表4 7Q10法河道最小生态水量成果表

3 木垒水文站控制断面以下河道生态水量合理性分析

考虑到木垒河中下游水资源开发利用程度比较高，下游有景观带需水要求，本次以繁荣经济为原则，以符合木垒县经济可持续发展的用水思路为指导，选取适合木垒水文站控制断面河道最小生态水量的计算方法。本次选取多年平均径流量的百分率法、90%保证率的最小月径流量法和7Q10法三种方法计算木垒水文站控制断面河道最小生态水量，计算成果见表5。

表5 木垒水文站控制断面河道最小生态水量成果表

分析以上三种方法，多年平均径流量的百分率法(Tennant法)是采用年径流量系列的平均值乘以生态流量百分数得到的，生态流量按多年平均径流量的15%计算，或者年内丰水期按多年平均的20%计算，年内枯水期按多年平均的10%计算。计算结果较实际明显偏大，故不予推荐。

90%保证率的最小月径流量计算方法是直接以计算得到的90%保证率的最小月径流量为河道最小生态水量。并未与河道实际生态需水情况紧密结合，该方法计算成果比木垒河河道内生态需水要求略微偏大，故不予推荐。

7Q10法计算方法是将90%保证率下，连续最枯7 d的平均流量作为生态流量。该法计算出来的生态流量能够维持河道不发生断流，在此基础上又充分考量了水环境容量，计算结果较为合理。故本次推荐7Q10法计算结果，推荐结果见表6。

表6 木垒水文站控制断面河道最小生态水量推荐成果表

4 结论

本文对木垒水文站控制断面以下河道生态水量的计算分析结果能为河道水量水质监测报告制度的建立及水生态系统的修复改善提供基本依据，根据本文分析结果，通过跨流域生态调水以增加木垒河河道水量，扩大河道水环境容量，有效解决河道生态用水被经济用水挤占的局面，促进长期以来水资源供需矛盾的解决和水生态环境的改善。