高雅琪，戴長雷，高宇，陳 末

(1.黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

生態(tài)流量是保持河湖等水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的重要指標(biāo)[1]，也是加強(qiáng)水資源開發(fā)利用管理和控制、促進(jìn)河湖生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)的基本要求。計(jì)算生態(tài)流量常用的方法包括水文學(xué)法、水力-棲息地法和整體法等，不同計(jì)算方法的適用條件和范圍不同[2]，參照已有研究基礎(chǔ)，基于中和水文站多年天然徑流數(shù)據(jù)采用Qp法、Tennant法來推求生態(tài)流量，確定生態(tài)流量保障目標(biāo)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

東亮珠河是松花江右岸的二級支流，曾經(jīng)是珍珠的主要產(chǎn)地之一，因此被命名東亮珠河，起源于哈爾濱市尚志市亮河鎮(zhèn)內(nèi)東部大禿頂子山與東山的九道和七道溝之間[3]，經(jīng)尚志市躍進(jìn)林場、華山林場、亮河鎮(zhèn)慶陽鎮(zhèn)、延壽縣中和鎮(zhèn)、慶陽農(nóng)場、加信鎮(zhèn)和方正縣永建鄉(xiāng)、寶興鄉(xiāng)，從延壽縣的加信鎮(zhèn)利民屯匯入螞蟻河，河長138km，河寬25～60m，水深0.5～1.3m。東亮珠河流域面積為2608km2，其中尚志1972km2，延壽586km2、方正50km2。河流上游比降2.2%，河源到河口平均比降4.2%。主要支流有東南岔河、老母漠河、西亮珠河、小西河、小黃泥河、撫安河、細(xì)鱗河等。流域地勢由南、北向中部傾斜，最低處海拔110m。

1.2 氣象水文

東亮珠河流域的冬季漫長并且寒冷，春季干旱并且風(fēng)大，夏季偏短，同時(shí)暴雨洪水期集中并且易澇，秋季降雨多急驟，所在地區(qū)位于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。東亮珠河流域多年平均水資源總量為8.29億m3，其中地下水資源量為2.91億m3，地表水資源量為7.98億m3，重復(fù)計(jì)算量2.6億m3。多年降水量在620mm上下浮動，年際和年內(nèi)分配不均，在5—9月的徑流量較多，占全年徑流的73.39%。河流的封凍時(shí)間為135～165d，河心最大冰厚1.4m。年平均風(fēng)速為4.4m/s，最大風(fēng)速為30m/s。

1.3 水資源開發(fā)利用

根據(jù)《2019年哈爾濱市水資源公報(bào)》，東亮珠河流域內(nèi)尚志市、延壽縣、方正縣2019年水資源開發(fā)利用程度分析，見表1。

表1 東亮珠河流域水資源開發(fā)利用程度分析 單位：億m3

2 數(shù)據(jù)來源與計(jì)算方法

2.1 控制斷面選擇

生態(tài)流量是指維持河流最基本生態(tài)功能而不枯竭所需要的流量[4]。東亮珠河的水生態(tài)安全正面臨較大壓力，山水林田湖草缺乏全面、系統(tǒng)的保護(hù)，影響了資源可持續(xù)利用和經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。保障東亮珠河河道內(nèi)生態(tài)需水、維持水系的通暢循環(huán)和良好的水質(zhì)是保持河流生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的關(guān)鍵。生態(tài)流量(水量)保障的目標(biāo)是控制水資源的開發(fā)強(qiáng)度，協(xié)調(diào)生活用水、生產(chǎn)用水和生態(tài)用水，維護(hù)東亮珠河河流的廊道功能，維持河流基本形態(tài)、基本生態(tài)廊道、基本自凈能力等[5]。

圖1 東亮珠河流域圖

東亮珠河流域內(nèi)涉及尚志市、延壽縣和方正縣，均以農(nóng)業(yè)用水為主。東亮珠河流域面積較小，利用現(xiàn)有水文站作為控制斷面，對下泄水量和流量進(jìn)行監(jiān)測和考核，與重要生態(tài)敏感的區(qū)域和保護(hù)對象的分布所結(jié)合，考慮生態(tài)問題和生態(tài)良好2方面的斷面情況，綜合考慮東亮珠河流域水資源、開發(fā)利用、水資源調(diào)度和管理等情況，確定方正縣中和水文站做為東亮珠河流域生態(tài)流量控制斷面。徑流系列選擇中和水文站1956—2016年徑流量數(shù)據(jù)，分析斷面豐水年、平水年、枯水年來水情況。

2.2 計(jì)算方法

針對東亮珠河流域封凍期較長的特點(diǎn)，確定生態(tài)基流分期為汛期(6—9月)、非汛期(4—5月、10—11月)、和冰凍期(1—3月、12月)進(jìn)行計(jì)算。本次選用Qp法和Tennant法計(jì)算考核斷面生態(tài)流量。由于東亮珠河冰凍期來水量較小，且冰凍期東亮珠河干流沿線基本無取用水戶，因此，冰凍期生態(tài)流量下泄原則為來多少泄多少，其他時(shí)段按汛期、非汛期計(jì)算。

(1)Qp法

Qp法又稱不同頻率下最枯月平均值法，此方法利用30年及以上的天然月平均流量或其徑流量數(shù)據(jù)資料，計(jì)算不同頻率下的最枯月平均流量或徑流量，即為生態(tài)環(huán)境所需水量的最小值[6- 7]。頻率p一般取為90%或95%。

本次選取汛期、非汛期時(shí)段內(nèi)最枯月天然平均流量，用各時(shí)段內(nèi)最枯月排頻，選取95%頻率下最枯月平均流量作為汛期、非汛期生態(tài)流量。

(2)Tennant法

Tennant法[6- 7]屬于標(biāo)準(zhǔn)測定法，也稱Montana法。它是以事先明確的多年平均流量百分比作為基礎(chǔ)，根據(jù)所觀測數(shù)據(jù)，確定一年內(nèi)不同時(shí)期的生態(tài)環(huán)境需水量，并建立河流生態(tài)環(huán)境狀況與其流量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。

本次生態(tài)流量(水量)計(jì)算中，選取多年平均流量的20%作為汛期生態(tài)流量，選取多年平均流量的10%作為非汛期生態(tài)流量。

3 生態(tài)流量結(jié)果與分析

3.1 水文資料代表性分析

(1)年際變化

變差系數(shù)Cv，年極值比ρ和不均勻系數(shù)Cu這3個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)常用來表示徑流系列的年際變化特征。不均勻系數(shù)Cu反映的是徑流系列年際變化的不均勻性，它是由徑流系列的多年平均值與最大觀測值的比值計(jì)算得出，Cu值越趨近于1，說明該徑流系列年際變化均勻性越好[8- 14]。根據(jù)中和水文站1956—2016年共61年的徑流系列資料進(jìn)行分析計(jì)算，中和水文站斷面的多年平均徑流量為55079.71萬m3，徑流系列的極值比、變差系數(shù)比以及不均勻系數(shù)這3個(gè)參數(shù)分別為6.38、0.35、0.39。從3個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)(變差系數(shù)、不均勻系數(shù)、徑流極值比)的計(jì)算結(jié)果來看，可以表明中和水文站斷面徑流系列年際間豐枯變化幅度較大，年際變化不均勻且十分劇烈。中和水文站斷面徑流的年際變化過程線，如圖2所示。

圖2 中和水文站斷面徑流年際變化過程線

(2)年內(nèi)分配

東亮珠河流域徑流的來源主要在于降水補(bǔ)給，流域內(nèi)徑流的年內(nèi)分配不均勻，使得在5—9月份徑流量較為集中，占全年徑流的73.39%。中和水文站斷面徑流量年內(nèi)分配情況，年內(nèi)各月徑流變化如圖3所示。

圖3 中和水文站斷面年多年平均徑流量年內(nèi)變化

3.2 斷面生態(tài)流量

通過Qp法、Tennant法分析計(jì)算各期生態(tài)流量，中和水文站斷面生態(tài)流量目標(biāo)，見表2。

表2 中和水文站斷面年生態(tài)流量目標(biāo)計(jì)算結(jié)果匯總表 單位：m3/s

3.3 生態(tài)流量保障結(jié)果評定

遵循河流自然水文節(jié)律，對于豐枯變化大、工程調(diào)控能力弱的斷面，生態(tài)流量計(jì)算可以采用Qp法(p取90或95)[15- 16]。東亮珠河降水主要集中在6—9月，豐、平、枯3個(gè)水期差異明顯，汛期、非汛期季節(jié)性變化較大，因此本次生態(tài)流量(水量)選取Q95%法計(jì)算成果，作為本流域生態(tài)流量保障目標(biāo)，評價(jià)時(shí)長為日。

評價(jià)方法采用1956—2016年61年系列逐日實(shí)測流量資料進(jìn)行評價(jià)，保障程度為各分期61年逐日流量達(dá)到或超過生態(tài)流量目標(biāo)值的天數(shù)與各分期總天數(shù)的比值。經(jīng)計(jì)算，滿足程度見表3。

圖4 中和水文站斷面汛期Qp流量頻率曲線圖

圖5 中和水文站斷面非汛期Qp流量頻率曲線圖

表3 中和水文站斷面生態(tài)流量滿足情況表 單位：%

從計(jì)算結(jié)果上看，中和水文站斷面非汛期(4—5月、10—11月)生態(tài)流量滿足程度為92.4%，汛期(6—9月)生態(tài)流量滿足程度為95.8%，滿足90%保證率的目標(biāo)要求。

3.4 生態(tài)流量保障措施

(1)建立監(jiān)管組織機(jī)構(gòu)

為了保障東亮珠河的生態(tài)流量，可以組建水量調(diào)度管理協(xié)調(diào)小組，小組主體由哈爾濱市水務(wù)局、方正縣水務(wù)局、延壽縣水務(wù)局和尚志市水務(wù)局組成，地理優(yōu)勢明顯并且對情況相對了解，可做出準(zhǔn)確的判斷。調(diào)查小組要把工作重點(diǎn)落實(shí)到負(fù)責(zé)實(shí)施流量調(diào)度的具體工作，其中包括生態(tài)流量調(diào)度方案的執(zhí)行、監(jiān)測、評估等，并對工作中存在的具體問題和有關(guān)事項(xiàng)進(jìn)行商討和確定。同時(shí)加強(qiáng)水資源的統(tǒng)一化管理也是迫在眉睫，可以將東亮珠河生態(tài)流量保障納入相關(guān)市(縣)年度重點(diǎn)工作目標(biāo)任務(wù)，并且完善考核監(jiān)督問責(zé)，同時(shí)做好組織實(shí)施和監(jiān)督管理工作，有利于工作落實(shí)到位。

(2)完善監(jiān)測體系和監(jiān)測手段

對東亮珠河主要控制斷面的流量以及沿河主要取水口進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測工作，并結(jié)合取用水專項(xiàng)整治行動核查系統(tǒng)平臺和生態(tài)流量監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，通過集考核評估、監(jiān)測預(yù)警、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等功能于一體的生態(tài)流量管控信息平臺來進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和程序調(diào)用。有利于解決目前東亮珠河流域生態(tài)流量監(jiān)管在評存在的突出問題，為所在流域內(nèi)的各地組織開展生態(tài)流量的保障工作以及提供技術(shù)支撐。

4 結(jié)論

基于中和水文站1956—2016年徑流量數(shù)據(jù)，依據(jù)Qp法、Tennant法評價(jià)，確定東亮珠河流域生態(tài)流量目標(biāo)，分析河流生態(tài)流量保障程度不滿足原因，得出5條結(jié)論。

(1)根據(jù)中和水文站1956—2016年徑流量數(shù)據(jù)計(jì)算，中和水文站斷面生態(tài)流量目標(biāo)方法采用Qp法(p=95%)；此計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果滿足河流生態(tài)目標(biāo)的需求，計(jì)算結(jié)果較合理。

(2)計(jì)算得到東亮珠河汛期最小生態(tài)流量為3.74m3/s，出現(xiàn)在6—9月；非汛期最小生態(tài)流量為1.58m3/s，出現(xiàn)在4—5月、10—11月。

(3)本文生態(tài)流量計(jì)算方法均屬于水文學(xué)方法，以后還需用水力-棲息地法和整體分析法等方法對東亮珠河生態(tài)流量做深入的研究與分析。

(4)流域內(nèi)的地表水資源較為豐富，利用程度卻偏低。但是由于灌區(qū)內(nèi)渠道工程不配套，缺少控制性蓄水工程，造成灌溉面積不穩(wěn)定，灌區(qū)面積遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)面積。

(5)地下水超載嚴(yán)重，流域現(xiàn)狀年地下水供水量2.1億m3，而地下水可開采量為1.14億m3，由于過多地開采地下水造成了水源供水能力不足，引起局部地下水資源超載，也制約了經(jīng)濟(jì)社會穩(wěn)定發(fā)展。