基于水文学方法的黑河中游最小生态流量研究

赵亚军 陈庆伟 乔西现

(1.华北电力大学环境科学与工程学院，北京 102206；2.水利部水资源管理中心，北京 100038；3.水利部黄河水利委员会，河南 郑州 450004)

保障生态流量是落实创新、协调、绿色、开放、共享五大发展理念，推进生态文明建设，保障国家水安全的基本要求。根据河流生态需水要求的不同，生态流量可划分为多种类型。最小生态流量是为了维持河流、湖泊等水生态系统功能，需要保留的底线流量。据相关统计，目前国内外关于生态流量的计算方法超过200种，主要可分为水文学方法、水力学方法、生境模拟法和综合评价法[1]。水文学方法基于历史流量数据计算得到生态流量(包括QP法、Tennant法、7Q10法、Texas法、NGPRP法、最小月平均流量法等)；水力学方法基于水力学基础(如深度、宽度)来确定生态流量(包括湿周法、R2CROSS法、CASIMIR法和生态水力半径法等)；生境模拟法基于生物学基础，计算出适宜水生物种生境的生态流量；综合评价法基于河流生态系统整体性理论，综合考虑各个因素确定生态流量，包括澳大利亚的整体评价法(Holistic Approach)、南非的BBM(Building Block Methodology)等[2]。由于不同河流的水文、生物及生境情况不同，每种生态流量计算方法各有其适用范围。

1 研究区概况

黑河中游地区农业发达，集中了黑河流域95%的人口[3]，研究黑河中游的最小生态流量有助于为黑河流域水资源的合理配置提供科学依据，本文以黑河中游作为研究对象，结合控制断面的选取原则，选取莺落峡水文站和正义峡水文站监测断面作为控制断面，进行黑河中游最小生态流量的计算。

1.1 黑河中游流域

黑河发源于祁连山北麓中段，位于河西走廊中部，地跨青海省、甘肃省和内蒙古自治区。黑河干流全长928km，流域总面积14.29万km2，是我国第二大内陆河，多年平均径流量16.8亿m3(莺落峡站)，黑河干流出山口莺落峡以上为上游，莺落峡至正义峡为中游，正义峡以下为下游，最终向北注入内蒙古自治区境内的东西居延海。流域内有35条支流，形成了东、中、西3个水系。本文研究区为黑河干流中游，属于东部子水系。其中，中游干流全长204km，主要支流有山丹河、梨园河、洪水河及大都麻河等，其流域范围包括张掖市内的甘州、林泽、高台、山丹、民乐等区县，流域面积2.56万km2。中游地区地势平坦，光热资源充足，气候干旱，属温带大陆性荒漠气候，年平均温度6～8℃，年降水量110～370mm，蒸发量1200～2200mm，水生态功能区分为农耕区、牧业区和荒漠生态区[4]。中游地区人口众多，有许多绿洲，盛产水稻、小麦、油菜等作物，是我国西北地区重要的粮食生产基地。

由于人类对黑河流域不合理的开发利用活动，再加上自然因素，黑河中游生态环境出现了一些问题，主要表现为：ⓐ流域气候干旱、地面蒸发作用强烈、农业灌溉方式不合理，使得水资源总量缺乏，河道断流加剧，地下水位下降，水生态系统严重恶化；ⓑ黑河中游河段由于人类农业、工业活动，污染较为严重，水质为Ⅲ、Ⅳ类，水质相对较差；ⓒ流域范围内草地逐步退化，森林面积大幅度减少，土地沙漠化、盐碱化严重，生态环境脆弱[5-6]。

1.2 黑河控制断面的选取

最小生态流量主要控制断面的选取原则：ⓐ断面的位置临近省界，选取的水文站具有该处完整的多年月径流资料；ⓑ对于干流和较长的河流，选取多个断面进行计算，同时要求断面的数量满足研究要求即可；ⓒ控制断面形态稳定，能真实反映河流水文特征的变化，以确保生态流量计算结果可靠。

选取莺落峡水文站和正义峡水文站监测断面作为黑河中游最小生态流量主要控制断面。

2 计算方法与结果评价

水文学法常应用于河流规划层次的最小生态流量的估算，具有操作简单、计算精确、不需要现场测量的优点，在生态资料和水力数据(如湿周、流速、深度、宽度等)缺乏的地区有较高的可行性[7]。水文学方法中QP法和最枯月平均流量法常用来计算河流最小生态流量[8]。QP法计算时以长系列水文资料为依据确定最小生态流量，适用于径流量较小、开发利用程度较高的河流；最枯月平均流量法应用广泛，计算时需要长系列水文资料。基于《河湖生态环境需水计算规范》(SL/T 712—2021)的要求，本文采用QP法和最枯月平均流量法计算黑河中游主要控制断面的最小生态流量。

2.1 最小生态流量计算方法

2.1.1QP法

QP法也叫保证率法，属于水文学方法，分析计算时需要断面30年以上长系列的水文实测资料，选取某一保证率下的流量作为最小生态流量[9]。本文计算了1983—2012年莺落峡和正义峡水文站每年的最枯月平均流量并进行排频，选用皮尔逊Ⅲ型频率曲线适线，选取90%频率对应的月平均流量作为最小生态流量。

图1、图2中显示的黑河莺落峡断面最小生态流量为11.06m3/s，正义峡断面最小生态流量为0.37m3/s。

图1 莺落峡断面频率曲线

图2 正义峡断面频率曲线

2.1.2 最枯月平均流量法

对长序列最枯月实测流量取均值作为河流最小生态流量，其计算公式为

式中：Q为河流最小生态流量，m3/s；Qij为第i年第j月实测平均流量，m3/s；n为统计年数。

采用1983—2012年莺落峡断面和正义峡断面的月径流量数据进行最小生态流量的计算，分别得到黑河莺落峡断面最小生态流量为13.26m3/s，正义峡断面最小生态流量为1.63m3/s。

2.2 结果评价

为了进一步研究上述计算结果是否满足黑河中游河道逐月生态需水要求，本文采用Tennant法对计算结果进行评价。Tennant法又称为蒙大拿法，适用于季节性变化的河流，以河流某时段生态流量占多年平均流量的百分数为基础，将河流生态环境状况从高到低分为最佳、优秀、很好、良好、一般或较差、差、极差7个等级，并依据水生生物发育繁殖的季节要求不同，将一年划分为汛期(6—9月)和非汛期两个时段[10]。对大多数河流而言，生态流量占同时段多年平均流量的60%～100%时，河宽、水深和流速可以为水生生物提供优良的生长环境；生态流量占同时段多年平均流量的30%～60%时，大部分浅滩被淹没；生态流量占同时段多年平均流量的10%～30%时，是保持水生生物栖息地适宜的生态流量；生态流量占同时段多年平均流量10%时，是保持河流生态系统健康的最小瞬时流量[11]。

鉴于最小生态流量在非汛期的重要性和影响程度，本文在对最小生态流量进行评估时，只考虑了各控制断面非汛期能否达到合理性要求，根据1983—2012年黑河莺落峡断面和正义峡断面逐月平均流量数据，计算最小生态流量分别占逐月平均流量的百分比P，再结合生态环境评价等级对上述两种方法得到的计算结果进行检验和对比，最终得到最小生态流量的评价结果[12]，见表1、表2。

表1 莺落峡断面比值N的计算结果及对应的生态环境状况

表2 正义峡断面比值N的计算结果及对应的生态环境状况

由表1、表2可知，用最枯月平均流量法计算的结果相对于用QP法计算的结果较高，但总体而言，用两种方法计算得到的黑河中游的最小生态流量值都比较合理。在非汛期，黑河中游河段从莺落峡水文站断面到正义峡水文站断面水量大幅减少，水生态环境状况明显下降。在莺落峡水文站断面处，最小生态流量占月平均流量的变化范围为23.8%～94.0%，QP法和最枯月平均流量法计算得到的河流评价等级相同且均在“良好”以上，说明一年中大部分时段河道内水量充足，可以为水生生物提供优良的生长环境，满足作为旅游景观的需求。正义峡水文站断面5月最枯月平均流量法得到的最小生态流量占月平均流量百分比为28.9%，达到非汛期最高，生态环境评价等级为“良好”，说明5月正义峡河段有足够的水深、流量，具备基本的水生态环境功能，能够支撑大部分水生生物的生存栖息地，而非汛期其他月份河段流量较难满足最小生态流量要求。

3 结 语

本次研究选取黑河中游1983—2012年的水文站资料，计算了黑河莺落峡水文站断面和正义峡水文站断面的最小生态流量，其中采用QP法得到的计算结果分别是11.06m3/s和0.37m3/s，采用最枯月平均流量法得到的计算结果分别是13.26m3/s和1.63m3/s。

采用Tennant法对上述两种方法计算结果的合理性进行了评价，得出在莺落峡水文站断面处，采用QP法和最枯月平均流量法计算的最小生态流量值在生态环境状况评价等级上完全一致；在正义峡水文站断面处，QP法和最枯月平均流量法的最小生态流量值在生态环境状况评价等级上相差较小，基本一致。研究结果表明莺落峡站一年内最小生态流量可以满足生物栖息地需水要求。

由于每种计算方法对应的实际条件不同，生态流量计算时还需要充分考虑河流实际情况，对所选计算方法进行适应性分析，对不同情况的断面选择合适的计算方法，以期得到更准确的生态流量值。