松花江支流西北河生态流量分析研究

2022-09-22田肖冉王鑫鑫

水利科技与经济 2022年9期

田肖冉，姜宁，刘岩，王鑫鑫

(1.黑龙江大学水利电力学院，哈尔滨 150080； 2.黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080)

河流生态流量在流域生态系统中发挥着重要的作用，是事关生产、生活、生态用水的重要指标，也是维持河流生态功能的基础因素[1]。因此，河流生态流量的确定和保障，对于确保河流生态系统的可持续发展具有重要意义。本文参考水文学方法中的频率曲线法、Tennant法、Qp法3种方法[2]，对西北河的生态流量进行研究计算，为西北河生态用水的开发利用、配置、节约保护等提供参考[3]。

1 研究区概况

西北河是松花江下游左岸一级支流，发源于通河县东南部祥顺镇北部山区，自西北向东南流经横山林业站、青山经营所、太平山村、魏玺村、新丰村、通河种畜场汇入松花江。河道全长74 km，流域面积880 km2。西北河是洪水多发性河流，洪涝灾害是该流域的主要自然灾害，春汛洪水主要由冰融雪组成，洪水的大小主要取决于冬季降水量和春季气温回升的速度，发生时间主要是4月下旬至5月上旬，夏汛洪水主要来源于集中降雨，一般发生在7、8月份之间。

西北河流域地处中温带大陆性季风气候区，大陆性气候特点十分明显，春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季降温急剧，冬季严寒漫长，常有冻害发生。流域降水主要受季风影响，降水多集中在夏季，年内分配不均，6-9月份降水量占年降水量的75%，其中7、8两月降水量占年降水总量的54%左右，降水的年际变化较大。年内气温变化较大，多年平均气温在4.5℃左右，7月份最热，绝对最高气温在39℃以上；1月份最冷，极端最低气温-40.4℃。流域内水面蒸发一般在700～750 mm。多年平均封冻天数为141 d左右，平均冰上雪深0.15 m左右。西北河流域水系图见图1。

图1 西北河流域水系示意图

2 资料来源

2.1 资料选取

西北河流域内只有西北河站一处水文站，1958年5月设站，集水面积531 km2。本次以西北河水文站作为设计代表站，选用西北河1956-2016年共61年实测水文数据作为基础数据资料。

2.2 水文资料代表性分析

对西北河水文站1956-2016年共61年的径流系列资料进行分析计算，得到西北河水文站径流的年际变化过程线，见图2。

由图2可以看出，西北河流域 1956-1967年为丰水期，1975-1980年进入枯水期，1981-1988年为丰水期，1989-2008 进入枯水期，2009-2010年为丰水期，2011-2012年进入枯水期，2013年为丰水期，2014-2016 年进入枯水期，年际丰枯变化剧烈，说明该站1956-2016年61年径流系列丰、平、枯水年周期代表性好。

图2 西北河水文站径流年际变化过程线

3 研究方法

依据《河湖生态环境需水计算规范》(SL/Z 712-2014)[4]推荐计算方法和确定原则，本次选择频率曲线法、Tennant法、Qp法3种方法进行计算。由于西北河冰冻期来水量较小，因此冰冻期生态流量下泄原则为来多少泄多少，其他时段按汛期、非汛期计算。

3.1 频率曲线法

将长系列的水文资料按照月份分别归类整理[5]，按照月份分为汛期、非汛期、冰冻期3个时间段，对汛期和非汛期时间段的所有径流量分别进行逐日排频，构建各时间段的水文频率曲线，采用90%频率相应的月平均流量作为对应月份的节点基本生态环境需水量，将年内汛期、非汛期时段各月基本生态需水量的平均值作为汛期、非汛期的生态基流[6]。

3.2 Qp法

选用此方法时，依旧将年内径流量按照月份划分为汛期、非汛期、冰冻期3个时间段，对汛期和非汛期两个时间段分别进行计算[5]。在计算时，选用长系列水文资料中各年的汛期、非汛期时间段内的最枯月天然平均流量作为基础资料，用最枯月天然平均流量资料以及排频计算得到的结果构建各时期的水文频率曲线，选择90%或95%频率下的最枯月平均径流量作为控制断面生态基流[7-9]，本文将90%频率相应的月平均径流量作为汛期、非汛期生态流量。

3.3 Tennant法

在运用Tennant法进行计算时，选用时段法和全年法两种方法分别计算。全年法，即使用已有的长系列资料计算12个月的各月径流量的平均值，再对各月平均径流量进行加和处理，得到年径平均流量后，再分为汛期和非汛期来进行计算。时段法，即同样先使用已有的长系列资料计算12个月的各月径流量的平均值，然后再划分为汛期和非汛期，利用其各时段内各月平均径流量的加和进行计算[8，10-19]。本次生态流量计算汛期选取时段多年平均流量的20%作为生态流量，非汛期选取多年平均流量的10%作为生态流量[6，9]。

4 结果与分析

选用西北河水文站1956-2016年61年的天然月年径流量资料进行分析计算，年内分6-9月份为汛期、4-5和10-11月份为非汛期、12月份至翌年3月份为冰冻期3个时段[2]，不同方法下西北河水文站考核断面生态流量计算结果如下。

4.1 频率曲线法

在运用频率曲线法计算生态径流量时，先把河道多年平均径流量的数据按照月份进行归类，对每个月份的平均径流量数据按从大到小的顺序进行排序[5，20]，然后采用P-Ⅲ型曲线对汛期和非汛期进行分别排频，得到最好拟合效果下的生态基流值，见表1。

表1 频率曲线法生态流量计算结果表 /m3·s-1

4.2 Qp法

运用Qp法进行计算时，采用P-Ⅲ型曲线(图3、图4)对汛期(6-9月份)和非汛期(4-5和10-11月份)两个时段分别进行配线。首先通过计算，确定断面径流量均值、Cv值、Cs/Cv值，然后对曲线进行多次拟合，得到拟合效果最好条件下的生态基流值。生态基流由月径流量除以时长所得到的月平均流量获得，90%频率下[21]生态基流成果见表2。

图3 西北河水文站汛期Qp流量频率曲线

图4 西北河水文站非汛期Qp流量频率曲线

表2 Qp法生态基流计算成果表

4.3 Tennant法

本次运用Tennant法计算生态流量时，选用全年法和时段法分别进行计算。其中，汛期选取时段多年平均流量的20%作为生态流量，非汛期选取多年平均流量的10%作为生态流量。生态流量目标见表3。

表3 Tennant法生态流量目标 /m3·s-1

4.4 不同方法分析评价

通过以上3种方法进行计算，得到不同方法下西北河水文站考核断面生态流量计算结果，见表4。

表4 西北河水文站考核断面生态流量计算结果表 /m3·s-1

通过对比频率曲线法、Qp法、Tennant法(时段法)以及Tennant法(全年法)得到的计算结果可知，不同计算方法下的生态流量值存在一定的差异，汛期(6-9月份)Tennant法(时段法)计算的结果为2.31m3/s，可以说是其他计算结果下生态流量的的2倍，而非汛期时段内频率曲线法和Tennant法计算得到的生态流量结果相对较小。一般情况下，北方河流的生态流量在条件允许的情况下，非汛期生态流量不能低于多年平均天然流量的10%，汛期生态流量应达到多年平均天然流量的20%～30%为宜[5，22]。

依据水总研二〔2019〕328号文《关于印发2019年重点河湖生态流量(水量)保障实施方案编制及实施有关技术要求的通知》及2020年重点河湖生态流量管理工作视频会议精神，要遵循河流自然水文节律[3]，对于丰枯变化大、工程调控能力较弱的断面，生态流量计算可以采用Qp法(P取90或95)。由于西北河降水主要集中在5-9月份，且丰、平、枯3个水期差异明显，汛期、非汛期季节性变化较大，并结合多年平均天然流量进行分析，Qp法最为适合西北河生态流量的计算。因此，本次生态流量选取Q90%法计算成果作为本流域生态流量保障目标。西北河干流考核断面生态流量目标值见表5。