松花江支流梧桐河流域河流生態(tài)徑流研究

周 光 濤

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

隨著城鎮(zhèn)化的迅速推進(jìn)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，人民生活質(zhì)量大幅提升，人類社會(huì)用水需求也急劇增長(zhǎng)[1]。目前，人類社會(huì)用水大幅擠占河流生態(tài)用水，如何實(shí)現(xiàn)兩者平衡已成為21世紀(jì)人類社會(huì)面臨的重大挑戰(zhàn)[2,3]。因此，科學(xué)、合理地確定河流生態(tài)徑流已成為生態(tài)水文學(xué)研究的熱點(diǎn)之一[3-5]。

梧桐河位于黑龍江省三江平原西北部，是國(guó)家糧食的主產(chǎn)區(qū)，是鶴崗市重要水源地之一。目前，關(guān)于流域水資源方面的研究相對(duì)較少：張巖等[6]分析了寶泉嶺站斷面以上的梧桐河干流洪水地區(qū)組成；李杰等[7]經(jīng)水量還原計(jì)算，確定了寶泉嶺站天然徑流量；曹越[8]從補(bǔ)水規(guī)模、防洪任務(wù)等方面論證了寶泉嶺站以上規(guī)劃的關(guān)門嘴子水庫(kù)的工程規(guī)模；李全玉等[9]基于梧桐河流域水資源開發(fā)利用實(shí)際情況，提出了該流域水資源統(tǒng)一優(yōu)化配置的相關(guān)對(duì)策；周連梅等[10]詳細(xì)論述了梧桐河中上游2005年7月普降大到暴雨及其形成的洪水情況。盡管上述研究?jī)?nèi)容已相對(duì)全面，但依然缺少河流生態(tài)徑流方面的相關(guān)研究。同時(shí)，考慮到未來將進(jìn)一步加大流域水資源開發(fā)力度，還可能會(huì)給河流生態(tài)帶來一定的不利影響。鑒于此，本文嘗試采用多種水文學(xué)方法計(jì)算該流域河流生態(tài)徑流，探討河流生態(tài)徑流滿足情況，以期為維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康與穩(wěn)定及開展河流相關(guān)保護(hù)工作提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況

梧桐河為松花江下游左岸最大支流，源頭為小興安嶺東麓的邵家店北溝，由西北向東南流，河流全長(zhǎng)498 km，在梧桐河農(nóng)場(chǎng)南屯入松花江[6,10]。該流域地理范圍為E129°35′～130°48′，N47°13′～48°05′，地勢(shì)東南低、西北高，山丘及山前過渡到平原地帶流域面積4 516 km2，其中山丘區(qū)、平原區(qū)面積分別占全流域的80.5%和19.5%[7]。

梧桐河水系呈羽毛狀(見圖1)，右岸支流較大且發(fā)達(dá)。其中，鶴立河為最大支流，流域面積879 km2，細(xì)鱗河為第二大支流，河長(zhǎng)48 km，地貌以山區(qū)林地為主，流域面積633 km2，于1987年建成細(xì)鱗河水庫(kù)；面積100～500 km2的支流有老梧桐河、東梧桐河、西梧桐河和嘎拉基河等[10]。流域降水年內(nèi)分配極不均勻，七八月降水量約占全年的50%。

圖1 梧桐河流域水系示意圖Fig.1 Watershed diagram of the Wutong river basin

2 基本資料及計(jì)算方法

2.1 基本資料

梧桐河干流設(shè)有梧桐鎮(zhèn)、寶泉嶺站，其中梧桐鎮(zhèn)站設(shè)于1951年1月，集水面積為2 548 km2，于1972年向下遷移20 km至鶴崗市寶泉嶺鎮(zhèn)，始稱寶泉嶺站，一直觀測(cè)至今。兩站基本情況，見表1。

表1 梧桐河流域水文站基本情況表Tab.1 Basical situation table for the hydrological stations in the Wutong river basin

經(jīng)還原計(jì)算得到梧桐河主要控制站-寶泉嶺站1951-2013年逐月天然徑流數(shù)據(jù)，該成果滿足區(qū)域水文演變規(guī)律，并已應(yīng)用于《梧桐河流域綜合規(guī)劃報(bào)告(2016-2030年)》。因此，本次直接用于計(jì)算河流生態(tài)徑流及開展相關(guān)分析工作。

2.2 計(jì)算方法

2.2.1 最小生態(tài)徑流

最小生態(tài)徑流是指在人類活動(dòng)影響下，為滿足水生生物基本的生存條件，河流中應(yīng)保留的最小水量[11]，其計(jì)算常借助逐月最小值法、最小連續(xù)30 d平均流量法和Tennant法等。為降低特殊年份中的各別極端徑流值的影響，采用逐月次最小值法計(jì)算最小生態(tài)徑流。同時(shí)，引入頻率排位法[12]，以90%保證率下的各月徑流值作為河流最小生態(tài)徑流，其計(jì)算結(jié)果不僅可減少極端徑流值影響，滿足各月生態(tài)徑流隨年內(nèi)各月徑流變化而變化的動(dòng)態(tài)需求，還能在一定程度上考慮河流稀釋突發(fā)性污染物的用水需求。

2.2.2 最大生態(tài)徑流

最大生態(tài)徑流是指為滿足河流生態(tài)系統(tǒng)健康、穩(wěn)定，河流中能夠保持的最大水量[11]，若長(zhǎng)期超過此水量，河流將遭受不可恢復(fù)的生態(tài)災(zāi)害，水生生物也將滅亡，其計(jì)算多采用逐月最大值法和Tennant法。為削弱特殊年份各別極端徑流值的影響，采用逐月次最大值法計(jì)算最大生態(tài)徑流。同時(shí)，引入頻率排位法，以10%保證率下的各月徑流值作為河流最大生態(tài)徑流，其計(jì)算結(jié)果不僅可以剔除極端徑流值影響，滿足各月生態(tài)徑流隨年內(nèi)各月徑流變化而變化的動(dòng)態(tài)需求，還能在一定程度上降低河流水生生物處于超限流量范圍的生存風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.3 適宜生態(tài)徑流閾值

適宜生態(tài)徑流是指確保河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性及生物多樣性處于最佳狀態(tài)下的水量，其計(jì)算常借助逐月頻率法[11]。因河流水文過程有一定的隨機(jī)性特點(diǎn)，適宜生態(tài)徑流也常伴有顯著的統(tǒng)計(jì)特征，并存在一個(gè)合適的變動(dòng)區(qū)間，即適宜生態(tài)徑流閾值[13]。在Richter等[13]建立的RVA法基礎(chǔ)上，采用逐月頻率計(jì)算法，以25%、75%保證率分別計(jì)算各月徑流量，并以此作為適宜生態(tài)徑流閾值的上限和下限，即天然河流生態(tài)系統(tǒng)可以承受的流量變化范圍[14]。

2.2.4 計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)

(1)Tennant法。Tennant法[15]是由Tennant率先提出的，是一種非現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定類型的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定法，主要作為河流生態(tài)徑流的常規(guī)計(jì)算方法和分析評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，目前已廣泛應(yīng)用于相關(guān)研究[12,14-16]。該法依據(jù)預(yù)先設(shè)定的多年平均流量百分比，將流量對(duì)生態(tài)的有利程度依次劃分為“差”到“最大”的8級(jí)，其評(píng)價(jià)結(jié)果及對(duì)應(yīng)的平均流量百分比，見表2。

表2 Tennant法對(duì)應(yīng)的河流生態(tài)徑流評(píng)價(jià)結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn) %

(2)生態(tài)徑流滿足程度。生態(tài)徑流滿足程度可在一定程度上反映現(xiàn)狀條件下河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況[14]，依據(jù)最小、最大生態(tài)徑流和適宜生態(tài)徑流閾值將寶泉嶺站天然徑流過程劃分在5個(gè)區(qū)間，分別計(jì)算其生態(tài)徑流滿足程度。各區(qū)間內(nèi)河流生態(tài)徑流滿足程度計(jì)算表達(dá)式如下：

θi=nij/ni×100

(1)

式中：θi為第i月的生態(tài)徑流滿足程度，%；nij為處于第i月第j區(qū)間內(nèi)的年數(shù)；ni為第i月對(duì)應(yīng)的總年數(shù)。

3 結(jié)果計(jì)算與分析

3.1 最小生態(tài)徑流

基于逐月次最小值法、頻率排位法(90%)及Tennant法(10%)計(jì)算得到的寶泉嶺站最小生態(tài)徑流過程，見圖2和表3。

圖2 梧桐河流域最小生態(tài)徑流過程Fig.2 Processes for the minimum ecological flow in the Wutong river basin

表3 梧桐河流域最小生態(tài)徑流量 萬m3

3.2 最大生態(tài)徑流

基于逐月次最大值法、頻率排位法(10%)計(jì)算及Tennant法(200%)得到的寶泉嶺站最大生態(tài)徑流過程，見圖3和表4。

圖3 梧桐河流域最大生態(tài)徑流過程Fig.3 Processes for the maximum ecological Lflow in the Wutong river basin

3.3 適宜生態(tài)徑流閾值

參考RVA法基本原理，采用逐月頻率計(jì)算法，將各月徑流指標(biāo)發(fā)生概率的25%、75%分別作為各指標(biāo)的上下限，即寶泉嶺站適宜生態(tài)徑流閾值，見圖4和表5。

圖4 梧桐河流域適宜生態(tài)徑流閾值過程Fig.4 Thresholds for the optimal ecological flow in the Wutong river basin

表4 梧桐河流域最大生態(tài)徑流量 萬m3

表5 梧桐河流域適宜生態(tài)徑流閾值對(duì)應(yīng)的徑流量 萬m3

3.4 Tennant法評(píng)價(jià)與比較

基于傳統(tǒng)的水文學(xué)法中的Tennant法，評(píng)價(jià)與比較上述方法計(jì)算的寶泉嶺站最小、最大生態(tài)徑流和適宜生態(tài)徑流閾值的計(jì)算值結(jié)果的合理性，見表6。

表6 梧桐河流域河流生態(tài)徑流的Tennant法評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.6 Assessments of the ecological flow by the Tennant method in the Wutong river basin

結(jié)合圖2～圖4以及Tennant法評(píng)價(jià)結(jié)果(表6)可知：①對(duì)于最小生態(tài)徑流，相較于逐月次最小值法，頻率排位法(90%)的計(jì)算值明及評(píng)價(jià)結(jié)果均是相對(duì)較優(yōu)的，其計(jì)算值不僅可顯著提高維持河流生態(tài)健康及水生生物基本生命特征所需最小水量的底限，賦予了各月生態(tài)徑流一定的保證率，還使得枯水期水量稍大于其月次最小值，這也在一定程度增強(qiáng)了枯水期河湖自凈和稀釋污染物的能力，對(duì)維持河流健康和穩(wěn)定是更為有利的；②對(duì)于最大生態(tài)徑流，相較于逐月次最大值法，頻率排位法(10%)的計(jì)算值明顯偏小，并接近Tennant法中對(duì)生態(tài)有利程度為“最大”對(duì)應(yīng)的徑流過程(多年平均值的200%)，這可在一定程度上降低采用極端年份的極端值作為最大生態(tài)徑流給河流生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及水生生物安全生長(zhǎng)的不利風(fēng)險(xiǎn)；③適宜生態(tài)徑流閾值基本處于Tennant法中對(duì)生態(tài)有利程度為“好”至“最大”的流量范圍內(nèi)，尤其枯水期的適宜生態(tài)徑流下限對(duì)生態(tài)有利程度為“極好”，這更有利于維持與保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能，采用該計(jì)算過程也是較為合適的。

3.5 河流生態(tài)徑流滿足程度

科學(xué)地度量河流生態(tài)徑流滿足程度，是合理制定和實(shí)施區(qū)域水資源開發(fā)活動(dòng)的基礎(chǔ)。以最小、最大生態(tài)徑流及適宜生態(tài)徑流閾值為基礎(chǔ)，將生態(tài)徑流過程劃分為多個(gè)區(qū)間，其中區(qū)間Ⅰ表示天然徑流大于最大生態(tài)徑流情況，區(qū)間Ⅱ?yàn)樘烊粡搅魈幱谶m宜生態(tài)徑流上限、最大生態(tài)徑流徑流情況，依次類推，區(qū)間Ⅴ表示天然徑流小于最小生態(tài)徑流情況。

寶泉嶺站1951-2013年天然徑流情形下的河流生態(tài)徑流滿足程度評(píng)價(jià)結(jié)果(見表7)顯示：①1951-2013年時(shí)段內(nèi)，僅有7.4%月份天然徑流小于最小生態(tài)徑流，10.2%月份天然徑流大于最大生態(tài)徑流，可見大部分月份內(nèi)河流生境和水生生物都處在一個(gè)相對(duì)有利的流量條件下；②非汛期(10-5月)[17]各月中，1月、2月和12月天然徑流低于最小生態(tài)徑流以及高于最大生態(tài)徑流的比例最高，可見在枯水期的上述月份中河流生態(tài)系統(tǒng)健康和水生生物生物容易受到極端流量影響。總體上，大部分時(shí)段內(nèi)河流都處在一個(gè)相對(duì)較為有利的環(huán)境條件內(nèi)。

表7 梧桐河流域河流生態(tài)徑流滿足程度 %

3.6 流域現(xiàn)狀及未來發(fā)展的影響

(1)現(xiàn)狀水資源開發(fā)情況。根據(jù)《梧桐河流域綜合規(guī)劃》(2016-2030年)[18]，梧桐河流域水資源總量12.42 億m3，其中多年平均地表水資源量11.35 億m3，地下水資源量3.30 億m3，地下水可開采量2.35 億m3。2014年流域總用水量4.43 億m3，地表水供水量2.13 億m3，地下水供水量1.98 億m3，礦井水和污水處理回用量0.32 億m3。2014年流域地表水開發(fā)利用率18.8%，扣除深層承壓水開采量0.19 億m3，地下水開發(fā)利用程度76.3%。梧桐河流域主要以農(nóng)業(yè)用水為主，農(nóng)業(yè)用水占總用水量的72%；工業(yè)發(fā)展水平落后，主要是鶴崗市工業(yè)主要以煤炭開采為主，結(jié)構(gòu)單一，近年來受國(guó)內(nèi)國(guó)際大氣候影響較重，第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度慢，工業(yè)節(jié)水潛力較大。

(2)流域未來水資源配置規(guī)劃。根據(jù)《梧桐河流域綜合規(guī)劃》(2016-2030年)：①關(guān)門嘴子水庫(kù)以上為上游山岳地區(qū)，水力資源豐富，以林、牧業(yè)及水能資源開發(fā)為主；②關(guān)門嘴子水庫(kù)-寶泉嶺站為中游丘陵至平原過渡區(qū)，人口少，河谷漸開闊，土地肥沃，為主要糧食產(chǎn)區(qū)，耕地以水旱田為主，未來規(guī)劃在寶泉嶺站以上建設(shè)關(guān)門嘴子水庫(kù)及關(guān)門嘴子灌區(qū)；③寶泉嶺站以下為中下游丘陵平原區(qū)，河谷開闊，地勢(shì)平坦，土地肥沃，為主要糧食產(chǎn)區(qū)，以水田種植為主。

流域水資源供需平衡分析顯示，考慮關(guān)門嘴子水庫(kù)和松花江引水工程以及三江連通工程后，可滿足流域發(fā)展對(duì)水資源的需求。經(jīng)水資源優(yōu)化配置后，2030年流域可供水量7.52 億m3，其中地表水可供水量5.47 億m3，地下水供水量1.61 億m3，其他類型水源供水量0.43 億m3?？鄢苫ń腿B通調(diào)水后，流域地表水資源開發(fā)利用程度21.5%，平原區(qū)地下水開發(fā)利用程度68.5%，水資源開發(fā)利用程度為32.7%。

(3)河流生態(tài)徑流影響。《梧桐河流域綜合規(guī)劃》(2016-2030年)中，根據(jù)梧桐河水資源條件、水生態(tài)特點(diǎn)和保護(hù)需求等，采用Tennant法，確定了梧桐河干流斷面生態(tài)需水保障目標(biāo)。其中，關(guān)門嘴子水庫(kù)壩址生態(tài)基流、敏感期生態(tài)需水量分別為1.76和3.51 m3/s，梧桐河匯入松花江口處的生態(tài)基流、敏感期生態(tài)需水量分別為3.76和7.53 m3/s。

寶泉嶺站斷面最小生態(tài)徑流、適宜生態(tài)徑流下限及關(guān)門嘴子水庫(kù)壩址生態(tài)基流、敏感期生態(tài)徑流比較，見圖5。由圖5可知：①對(duì)年內(nèi)各月，關(guān)門嘴子水庫(kù)建成運(yùn)行后，壩址處按規(guī)劃的預(yù)定目標(biāo)下泄生態(tài)基流，寶泉嶺站斷面1-3月和12月的最小生態(tài)徑流均可以滿足，4-11月關(guān)門嘴子水庫(kù)壩址生態(tài)基流均小于寶泉嶺站斷面最小生態(tài)徑流；②在敏感期(4-8月)，關(guān)門嘴子壩址下泄的生態(tài)徑流均小于寶泉嶺站斷面的最小生態(tài)徑流，可見河湖生態(tài)敏感區(qū)正常生態(tài)功能區(qū)的需水量及過程可能得不到滿足?？傮w看來，未來寶泉嶺站斷面枯水期河流生態(tài)徑流條件較好，豐水期則可能因關(guān)門嘴子水庫(kù)建設(shè)，造成斷面來水的大幅減少，進(jìn)而河流生態(tài)遭受到很大程度的影響。

圖5 梧桐河流域?qū)毴獛X站生態(tài)徑流與規(guī)劃報(bào)告比較Fig.5 Comparison for the ecological flow between the results from the planning report and the Baoquanling station in the Wutong river basin

關(guān)門嘴子水庫(kù)壩址以上流域面積1 846 km2，多年平均徑流量5.54 億m3，寶泉嶺站以上流域面積2 750 km2，多年平均徑流量7.98 億m3，關(guān)門嘴子水庫(kù)壩址來水占寶泉嶺站斷面的69.4%，是寶泉嶺斷面主要來水渠道。同時(shí)，寶泉嶺站斷面以上的細(xì)鱗河已建有細(xì)鱗河水庫(kù)，未來可嘗試研究關(guān)門嘴子水庫(kù)及細(xì)鱗河水庫(kù)的綜合調(diào)度，力求在充分利用兩水庫(kù)壩址與寶泉嶺站斷面之間的區(qū)間來水及豐水期雨洪資源的同時(shí)，再通過流域上游多座水庫(kù)的聯(lián)合調(diào)度，促使下游河流生境盡可能地處在一個(gè)較為有利的流量條件下。

4 結(jié) 語

基于梧桐河主要控制站-寶泉嶺站天然徑流數(shù)據(jù)，采用多種水文學(xué)法計(jì)算了寶泉嶺站斷面的最小、最大生態(tài)徑流及適宜生態(tài)徑流閾值，研究了河流生態(tài)徑流滿足程度以及未來流域發(fā)展對(duì)河流生態(tài)徑流的影響，主要結(jié)論如下。

(1)相較于逐月次最小(大)值法，頻率排位法更適合于計(jì)算梧桐河流域最小、最大生態(tài)徑流，該方法不僅賦予了各月生態(tài)徑流以一定的保證率，還使得生態(tài)徑流過程隨年內(nèi)來水呈現(xiàn)波動(dòng)變化，其計(jì)算結(jié)果比較符合北方季節(jié)性特征明顯的河流生態(tài)用水需求。盡管枯水期部分月份的河流生態(tài)系統(tǒng)和水生生物容易遭受極端流量條件，但大部分月份河流生境和水生生物都處在一個(gè)相對(duì)有利的流量條件下。

(2)關(guān)門嘴子水庫(kù)建成運(yùn)行后，未來流域地表水開發(fā)利用率將由現(xiàn)狀2014年的18.8%提高到2030年的21.5%，關(guān)門嘴子水庫(kù)下泄生態(tài)基流不能滿足寶泉嶺站斷面4-11月最小生態(tài)徑流，關(guān)門嘴子水庫(kù)在敏感期(4-8月)下泄的生態(tài)徑流也均小于寶泉嶺站斷面的最小生態(tài)徑流，因而河湖生態(tài)敏感區(qū)正常生態(tài)功能區(qū)的需水量及過程可能也得不到滿足。未來可通過關(guān)門嘴子水庫(kù)及已建水庫(kù)的綜合調(diào)度，對(duì)河流相機(jī)適度補(bǔ)水，以最大限度地保障河流生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。

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