無資料河流生態(tài)流量確定方法初探

王智林，熊北鋒

2017年6月印發(fā)的《商洛市全面推進(jìn)河長制實(shí)施方案》中提出保證河流基本生態(tài)流量。商洛河流眾多，全境內(nèi)分布大小河流及山溝約725800余條，其中流域面積在10 km2以上的河流就有499條，流域面積在100 km2以上的河流有65條。河網(wǎng)密度為每km2平均達(dá)1.3 km以上。商洛市在“十三五”提出工業(yè)強(qiáng)市和旅游城市目標(biāo)。打造生態(tài)商洛，必須從確保河流生態(tài)流量的基本要求抓起。商洛的各條河流的徑流補(bǔ)給來源為大氣降水，降雨量充沛，則徑流量大，干旱少雨，河道則干枯，河道內(nèi)的涓流來源為山坡地下水補(bǔ)給。徑流量的年際變化與降水量的變化趨向基本一致，相比降水量的變化幅度更大一些。徑流的年內(nèi)分配很不均勻，其中7～10月徑流量占全年徑流量的60%以上。

商洛市群山里礦產(chǎn)資源豐富，且多數(shù)分布在中小流域。礦山開采離不開取用水，產(chǎn)品加工萃取多為就地進(jìn)行，取用水一般情況也是就近解決取水問題。按照商洛市“十三五”提出的建設(shè)生態(tài)商洛，必須解決好河流的生態(tài)流量問題，減少企業(yè)的生產(chǎn)取水，確保生態(tài)流量，還河道的綠水長流。本文結(jié)合武關(guān)河實(shí)測水文資料進(jìn)行生態(tài)流量分析計算，并通過方法選用為無水文實(shí)測資料的丹江中下游中小河流以及支溝在生態(tài)流量確定方面提出自己的見解。

1 武關(guān)河概況

武關(guān)河是丹江上游左岸較大的一條支流，發(fā)源于海拔1744 m的蟒嶺主脊南側(cè)，向東南流經(jīng)丹鳳縣的庾家河、石門塬、巒莊、武關(guān)、毛坪，入商南縣的畢家灣村匯入丹江。武關(guān)河支流眾多，較大支流有峽河、桃坪河、趙川河、鐵河、白陽關(guān)河等。兩側(cè)大小支流基本對稱狀分布，流域平均寬度7.7 km，是一條比較明顯的樹枝狀水系。流域面積900.0 km2，河道長度116.0 km，平均比降8.1‰。

域內(nèi)有石梯子水庫一處，位于支流馬家坪河，控制流域面積12.6 km2，總庫容24萬 m3，有效庫容20萬 m3。無其它引水和水力設(shè)施工程。占武關(guān)水文站集水面積的1.74%。

2 武關(guān)水文站情況

2.1 水文站設(shè)立情況

武關(guān)水文站設(shè)立于1959年1月，位于丹鳳縣武關(guān)鎮(zhèn)。為國家基本水文站，控制流域面積724 km2。

截至2016年，累積資料系列58年，資料觀測完整，系列連續(xù)。資料經(jīng)過在站整編，商洛局審查，省水文局復(fù)審，流域匯編。資料可靠。流域內(nèi)人類活動影響小，系列一致性好。經(jīng)分析系列Cv值，隨著系列的增長，Cv趨于穩(wěn)定，說明系列具有代表性。

圖1 武關(guān)水文站系列Cv圖

2.2 年徑流分配

表1 武關(guān)水文站年徑流分配比例

春季3～5月，徑流量占年徑流18.9%；夏季6～8月，徑流量占年徑流40.7%；秋季9～11月，徑流量占年徑流35.5%；冬季12、1～2月，徑流量占年徑流4.9%。汛期5～10月，徑流量占年徑流量79.4%，非汛期11～12月、1～4月，徑流量占年徑流量20.6%。徑流分配極為不均勻。

3 武關(guān)站生態(tài)流量分析

3.1 河道內(nèi)生態(tài)流量計算方法

主要方法有：歷史水文資料法、水力學(xué)計算法、生境研究法和綜合法等四類。本文采用歷史流量法進(jìn)行分析。歷史流量法應(yīng)用于無特定生態(tài)需水目標(biāo)的水域生態(tài)需水量的計算，其強(qiáng)調(diào)的是借助歷史水文資料而開展生態(tài)水的分析方法[1]。

（1）7Q10法

將90%保證率最枯連續(xù)7天的平均水量作為河流生態(tài)水量的極限流量條件[1]。

圖2 武關(guān)水文站年平均流量頻率曲線圖

90%保證率流量為1.71 m3/s。連續(xù)7天的平均流量為1.56 m3/s。

（2）10年最枯月平均流量法

采用近10年最枯月平均流量或90%保證率最枯月的平均流量作為生態(tài)流量[1]。

①近10年最枯月平均流量法

武關(guān)站2007～2016年的10年月最枯流量見表2。

表2 武關(guān)站2007～2016年的10年月最枯流量 單位：m3/s

連續(xù)10年最枯月平均流量為0.56 m3/s。

②90%保證率最枯月的平均流量法

圖3 武關(guān)站年最小月平均流量頻率曲線

90%保證率月最枯流量為0.20 m3/s。

（3）蒙大拿法

蒙大拿法是美國常用的方法，采用年平均流量的10%為退化的或貧瘠的棲息地條件，年平均流量的20%提供保護(hù)水生棲息地條件。

2011年頒布的SL525-2011《水利水電建設(shè)項目水資源論證導(dǎo)則》規(guī)定：河流生態(tài)環(huán)境需水量原則上不應(yīng)小于多年平均流量的10%～20%確定。水資源年內(nèi)豐枯變化較大，且實(shí)測最小流量小于工程控制斷面多年平均流量的10%的河流，可以工程控制斷面按實(shí)測最小流量作為最小生態(tài)需水量控制。武關(guān)站多年平均流量為4.84m3/s，10%流量為0.48m3/s，15%流量為0.73m3/s，20%流量為0.97%。

（4）Texas和NGPRP法

①Texas法

Texas法是將50%保證率下的月流量作為各月生態(tài)水量的計算基礎(chǔ)。見表3。

表3 武關(guān)站各月不同保證率徑流量

②NGPRP法

NGPRP法主要是將已有的系列水文資料劃分為干旱、濕潤和標(biāo)準(zhǔn)年狀態(tài)，以標(biāo)準(zhǔn)年年均90%保證率流量作為最小流量的基礎(chǔ)值。主要考慮河流水生物（尤其是魚類）棲息環(huán)境的生態(tài)水量計算的方法。保證率大于25%為豐水年，25%～75%為標(biāo)準(zhǔn)年，小于75%為枯水年。

武關(guān)站標(biāo)準(zhǔn)年年平均流量介于2.54～6.28 m3/s之間，標(biāo)準(zhǔn)年90%保證率流量為2.69 m3/s。

圖4 武關(guān)站標(biāo)準(zhǔn)年流量頻率曲線

3.2 成果的采用

表4 武關(guān)站不同方法計算生態(tài)流量結(jié)果一覽表

以上這些方法的適應(yīng)性特點(diǎn)：

1）7Q10法的適應(yīng)特點(diǎn)：對于商洛山區(qū)受降水影響的河流，降雨充沛，則徑流量大；干旱少于雨，則徑流補(bǔ)給為地下水。由于土壤、巖性滲透系數(shù)的不同，山體容納滲入水量則不同，地下徑流也不同。故此，最枯連續(xù)7天的平均水量作為生態(tài)水量不適應(yīng)于商洛山區(qū)河流。

（2）近10年最枯月平均流量法的適應(yīng)特點(diǎn)：對于商洛各中小河流，盡管受人類活動影響較小，但是局部災(zāi)害發(fā)生頻繁，降水的10年的周期性不明顯，從分析的系列Cv來看，系列必須在30年以上，才能反映出系列的豐、平、枯變化，故采用近10年最枯月平均流量作為生態(tài)流量也不適應(yīng)于商洛的中小河流。

（3）90%保證率最枯月的平均流量法的適應(yīng)特點(diǎn)：商洛是洪澇災(zāi)害與干旱交替發(fā)生的地區(qū)，干旱在年內(nèi)任何時間段都可能發(fā)生。基本情況是40天不出現(xiàn)明顯降水，山澗就會斷流。故采用90%保證率最枯月的平均流量法作為生態(tài)流量也不適應(yīng)于商洛的中小河流。

（4）蒙大拿法的適應(yīng)特點(diǎn)：從分析的結(jié)果來看，采用年平均流量的10%為退化的或貧瘠的棲息地條件作為生態(tài)水量，對于商洛這樣四季分明的氣候條件來說，用此法確定生態(tài)流量對中小河流要求明顯偏低；采用年平均流量的20%提供保護(hù)水生棲息地條件，主要是考慮保護(hù)水生魚類資源的條件，對于武關(guān)河來說屬于國家級大鯢自然保護(hù)區(qū)，保護(hù)區(qū)內(nèi)不得取水用水，河道的水量不受人為影響，生態(tài)流量的大小受大氣降水影響。商洛境內(nèi)其余中小河流，無水生棲息地保護(hù)要求，采用年平均流量的15%作為生態(tài)水量較為合理，即武關(guān)河按多年平均流量15%等于0.73 m3/s作為生態(tài)流量。

（5）exas法的適應(yīng)特點(diǎn)：Texas法是將50%保證率下的月流量作為各月生態(tài)水量的計算基礎(chǔ)。經(jīng)對武關(guān)站各月平均流量進(jìn)行頻率分析，見表3。從表3可以看出，由于年內(nèi)分配的不均，對流量影響很大，50%保證率月中只有1月份的流量最小，以最小值作為生態(tài)流量滿足全年的水量保證，科學(xué)可行。

（6）NGPRP法的適應(yīng)特點(diǎn)：此法主要考慮河流水生物（尤其是魚類）棲息環(huán)境的生態(tài)水量計算的方法。商洛境內(nèi)除武關(guān)河外，其余中小河流無水生物（尤其是魚類）棲息環(huán)境保護(hù)，不推薦此法。

從以上的分析看，蒙大拿法的15%水量和exas法適用于商洛境內(nèi)有實(shí)測水文資料的中小河流生態(tài)水量的確定。

4 無實(shí)測水文資料的中小河流生態(tài)流量的確定

（1）面積在3%～15%范圍內(nèi)采用水文比擬法確定生態(tài)流量。根據(jù)《工程水文學(xué)》教材，采用水文比擬法。丹江流域中下游，處在同一個氣候區(qū)，流域下墊面情況相似，采用與武關(guān)水文站的面積比修正的方法進(jìn)行比擬。使用比擬法須符合以下條件：①與武關(guān)水文站流域面積在15%以內(nèi)；②丹江中下游的支流。

（2）面積大于15%或不在同一氣候區(qū)的生態(tài)流量確定方法：從武關(guān)水文站采用蒙大拿法和Texas法的結(jié)果來看，按年徑流量15%確定生態(tài)流量符合商洛中小河流實(shí)際。因此，推薦對無實(shí)測水文資料的河流在確定生態(tài)流量時，按年徑流量的15%確定生態(tài)流量數(shù)值。

5 結(jié)論和建議

通過采用各種方法對武關(guān)水文站生態(tài)流量進(jìn)行計算，經(jīng)過比較分析得出和確定了武關(guān)河的生態(tài)流量數(shù)值。從長期的水文工作和對武關(guān)河的駐守監(jiān)測情況分析，基本符合武關(guān)站斷面流量實(shí)際，該生態(tài)流量值大于年最枯月50%保證率流量。推薦武關(guān)河在”河長制”管理中采用此值。

對于無實(shí)測水文資料的中小河流，今后在“河長制”和水資源管理中，建議按照年徑流量的15%確定生態(tài)流量，不得小于此標(biāo)準(zhǔn)。否則，河道生態(tài)流量得不到保證，流量過小，將造成河道生態(tài)失衡、惡化，直接影響建設(shè)生態(tài)商洛、綠水長流目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

[1]水利部水資源管理司、水利部水資源管理中心編著.建設(shè)項目水資源論證培訓(xùn)教材[M]，中國水利水電出版社，2005年。