木蘭達(dá)河生態(tài)流量確定分析研究

楊琳琳，劉 瑩，劉 巖

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080；2.黑龍江水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150000)

0 前 言

河湖生態(tài)流量是指為了維系河流、湖泊等水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，需要保留在河湖內(nèi)符合水量要求的流量(水量、水位)及其過程[1]。由此可見生態(tài)流量既需保障水資源的可持續(xù)利用，又需維護(hù)河流的健康生命。生態(tài)流量的理論不斷豐富，其計算方法主要包括水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地評價法、整體分析法等。不同計算方法的適用范圍及其適用條件存在一定差異[2]。因此以木蘭達(dá)河為例，通過合理確定木蘭達(dá)河流域生態(tài)流量保障目標(biāo)，摸清木蘭達(dá)河生態(tài)流量保障情況，解決目前流域生態(tài)流量監(jiān)管在評估、監(jiān)測、考核、保障等方面存在的突出問題，為流域組織開展生態(tài)流量保障工作提供技術(shù)支撐。

1 流域概況

1.1 自然地理

木蘭達(dá)河位于黑龍江省哈爾濱市木蘭縣境內(nèi)，是木蘭縣境內(nèi)最大河流，為松花江左岸一級支流，該河共有154條支流。河出兩源，一處為青峰嶺南麓，一處為摩云頂子，匯合后西流，南折流入松花江。西北部與呼蘭河分界，東鄰岔林河及白楊木河。木蘭達(dá)河流域面積1635km2，河流長度110km。木蘭達(dá)河水系圖，見圖1。

1.2 氣候特征

木蘭達(dá)河流域地處中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，風(fēng)大少雨，蒸發(fā)量大，易發(fā)生干旱；夏季暖空氣活動旺盛，低氣壓往來頻繁，受西風(fēng)帶影響顯著，溫濕多雨，易發(fā)生洪澇災(zāi)害；秋季雨雪交替，降溫快，多早霜；冬季漫長，天氣寒冷干燥，大風(fēng)多，降水少。

1.3 徑流特征

木蘭達(dá)河流域夏汛洪水主要由暴雨形成，以7、8月居多。一次洪水過程約為3d，漲水歷時約為1d。1d洪量約占3d洪量46%，洪水過程基本為單峰型，約占90%，雙峰型只占10%，而且多為不完整的雙峰。春汛洪水主要由融雪徑流 形成，發(fā)生時間為4-5月，當(dāng)春汛發(fā)生遲而降雨提前時，在4、5月份也能產(chǎn)生中等級洪水。木蘭達(dá)河支流有石門子河、姑子奄河、劉忠溝河、西北河、馬鹿河、太平河、王守開河、青陽河、同玉福河、朝陽河等支流長208.3km，流域面積960.5km2。水系較密，水量充沛。

2 主要方法

2.1 Qp 法

Qp法，又稱不同頻率最枯月平均值法，以節(jié)點長系列天然月平均流量、月平均水位、或徑流量(Q)為基礎(chǔ)，用每年的最枯月排頻，選擇不同頻率下的最枯月平均流量、月平均水位或徑流量作為節(jié)點基本生態(tài)環(huán)境需水量的最小值。頻率P根據(jù)河湖水資源開發(fā)利用程度、規(guī)模、來水情況等實際情況確定，取90%或95%[3]。由于木蘭達(dá)河汛期和非汛期流量差異較大，從而分別對汛期、非汛期進(jìn)行Qp法分析。

圖1 木蘭達(dá)河水系圖

2.2 Tennant 法

Tennant法目前廣泛用于我國河流生態(tài)徑流的研究，在計算時根據(jù)流域?qū)嶋H徑流特征將統(tǒng)計時段分為汛期和非汛期2部分，構(gòu)建河道年內(nèi)不同時段河道流量與生態(tài)質(zhì)量之間的經(jīng)驗關(guān)系，并且按照汛期、非汛期2個時段來統(tǒng)計。依據(jù)觀測資料建立的流量和河流生態(tài)環(huán)境狀況之間的經(jīng)驗關(guān)系[4]，用歷史流量資料就可以確定年內(nèi)不同時段的生態(tài)環(huán)境需水量，使用簡單、方便。該方法主要適用于北溫帶較大的、常年性河流，作為河流規(guī)劃目標(biāo)管理、戰(zhàn)略性管理方法[5]。

3 數(shù)據(jù)來源

木蘭達(dá)河流域內(nèi)先后主要有六合屯、香磨山水庫壩下、尖山子、丹東和新北五處水文站，此外流域上游有雨量站三處，即二合營雨量站、劉忠溝雨量站、石門子雨量站，木蘭達(dá)河流域水系圖，見圖2，木蘭達(dá)河流域內(nèi)測站分布表，見表1。

表1 木蘭達(dá)河流域內(nèi)測站分布表

六合屯水文站位于香磨山水庫上游，1970年設(shè)立，集水面積146km2，觀測項目有水位、流量、降水，資料年限為1970-2010年共計41a，該站2011年撤銷。香磨山水庫1958年5月建站，同年水庫開始修建。1959年初測流斷面由鞠家店遷往水庫臨時溢洪道，并于左測渠道同時測流。1962年7月19日水庫臨時溢洪道決口，8月份測流斷面改于決口下游附近。1970年水庫續(xù)建后改為水庫站，觀測壩上水位，壩下流量、雨量、蒸發(fā)等資料，集水面積 388km2，本站至今有59a不連續(xù)資料。

尖山子水文站位于木蘭達(dá)河中游尖山子山口處，集水面積1080km2，1957年1月開始建站，1992年該站撤消。丹東水文站位于黑龍江省木蘭縣利東鎮(zhèn)，位于木蘭達(dá)河中游，E127°50′35.4″，N46°04′40.7″。流域兩面環(huán)山，一面瀕松花江，北部和西部為山區(qū)，東部為丘陵，大體成北高南低的地勢走向，河流總的走向東北流向西南，地處半山區(qū)[7]，森林面積占總面積的40.0%，植被良好。主槽寬86.5m，河床由砂石、淤泥組成，兩岸均為農(nóng)田，由沙土和腐植土組成。上游支流、溝子和彎道較多。下游大約50km處匯入松花江下。斷面以上河長50km，至河口距離為50km，集水面積1527.8km2為省級專用水文站，屬國家三類精度水文站，目前仍在監(jiān)測。 新北水文站位于黑龍江省木蘭縣新民鎮(zhèn)，位于木蘭達(dá)河中上游，E127°46′19.5″，N46°18′58.7″。流域兩面環(huán)山，一面瀕松花江，北部和西部為山區(qū)，東部為丘陵，大體成北高南低的地勢走向，河流總的走向東北流向西南，地處半山區(qū)，斷面以上長25km。至河口距離為80km，集水面積494.5km2為省級專用水文站，屬國家三類精度水文站，目前仍在監(jiān)測。

4 生態(tài)流量目標(biāo)及確定

4.1 天然徑流系列分析

木蘭達(dá)河上香磨山水庫壩下站資料系列完整可靠，可作為本次計算參證站，香磨山水庫壩下站天然徑流還原量采用第三次水資源調(diào)查評價的成果。尖山子水文站有還原后的1956-2000年天然徑流系列，采用還原后年徑流深成果與同期香磨山水庫壩下還原后的年徑流深建立R香-R尖相關(guān)關(guān)系，插補(bǔ)延長尖山子水文站2001-2016年年徑流深系列，徑流月旬分配采用香磨山水庫壩下徑流年內(nèi)分配情況，進(jìn)而得到完整的1956-2016年尖山子水文站天然徑流系列。香磨山水庫壩下與尖山子水文站年徑流深相關(guān)關(guān)系曲線R香-R尖，香磨山水庫壩下站與尖山子水文站年徑流深相關(guān)關(guān)系曲線，見圖3。

新北水文站與香磨山水庫站利用面積比擬法，然后根據(jù)等值線修正得出新北水文站 1956-2016年年徑流系列。丹東水文站與尖山子水文站利用面積比擬法，然后根據(jù)等值線修正得出丹東水文站1956-2016年徑流系列。根據(jù)香磨山水庫站的各年年內(nèi)分配推算新北水文站的1956-2016年各年逐月徑流量。根據(jù)尖山子水文站的各年年內(nèi)分配推算丹東水文站的1956-2016年各年逐月徑流量。

圖3 香磨山水庫壩下站與尖山子水文站年徑流深相關(guān)關(guān)系曲線

對比分析香磨山水庫壩下、新北水文站、丹東水文站斷面徑流1980-2016年(短系列)與 1956-2000年(長系列)多年平均徑流量，1980-2016年與1956-2000年多年平均徑流量相比，香磨山水庫壩下、新北水文站、丹東水文站斷面多年平均徑流量分別減少了9.1%、9.0%、8.4%，變化幅度均<10%，誤差均較小，故本次選取1956-2016年徑流系列進(jìn)行計算。香磨山水庫壩下、新北水文站、丹東水文站斷面不同系列多年平均徑流量對比情況，木蘭達(dá)河考核斷面不同系列多年平均徑流量對比表，見表2。

表2 木蘭達(dá)河考核斷面不同系列多年平均徑流量對比表

4.2 水資源演變情勢分析

4.2.1 年際變化

對香磨山水庫壩下、新北水文站、丹東水文站斷面1957-2016年共61a的徑流系列資料進(jìn)行分析計算，得到香磨山水庫壩下、新北水文站、丹東水文站斷面徑流的年際變化特征，木蘭達(dá)河考核斷面徑流年際變化特征值表，見表3。

表3 木蘭達(dá)河考核斷面徑流年際變化特征值表

香磨山水庫壩下、新北水文站、丹東水文站斷面的多年平均徑流量分別為11364萬m3、14483萬m3、29275萬m3，徑流系列的變差系數(shù)分別為0.46、0.46、0.43，極值比分別為7.76、7.76、6.91，不均勻系數(shù)分別為3.19、3.19、3.09。從變差系數(shù)、徑流極值比和不均勻系數(shù)的計算結(jié)果表明香磨山水庫壩下、新北水文站、丹東水文站斷面徑流系列年際間豐枯變化劇烈，年際變化幅度較大且不均勻。

4.2.2 年內(nèi)分配

木蘭達(dá)河流域徑流以降水補(bǔ)給為主，受降水影響，徑流的年內(nèi)分配不均勻，主要集中在汛期6-9月份，約占全年徑流的75%，最大徑流量一般出現(xiàn)在8月，7-8月徑流約占全年的50%。香磨山水庫壩下斷面多年平均徑流量年內(nèi)分配情況表，見表4；新北水文站斷面多年平均徑流量年內(nèi)分配情況表，見表5；丹東水文站斷面多年平均徑流量年內(nèi)分配情況表，見表6。

表4 香磨山水庫壩下斷面多年平均徑流量年內(nèi)分配情況表

表5 新北水文站斷面多年平均徑流量年內(nèi)分配情況表

表6 丹東水文站斷面多年平均徑流量年內(nèi)分配情況表

5 生態(tài)流量目標(biāo)計算

針對木蘭達(dá)河流域冰凍期較長的特點，確定本方案生態(tài)流量分期為汛期(6-9月)、非汛期(4-5月、10-11月)進(jìn)行計算。

5.1 Qp法

用汛期、非汛期時段內(nèi)最枯月天然平均流量排頻，選取90%頻率下的流量作為生態(tài)流量目標(biāo)值。

5.2 Tennant 法

汛期(6-9月)選取多年平均流量的20%作為生態(tài)流量，非汛期(4-5月、10-11月)選取多年平均流量的10%作為生態(tài)流量。木蘭達(dá)河干流主要控制斷面生態(tài)流量計算結(jié)果，見表7[6]。

表7 木蘭達(dá)河干流主要控制斷面生態(tài)流量計算結(jié)果

5.3 計算結(jié)果

木蘭達(dá)河干流主要控制斷面生態(tài)流量計算結(jié)果，見表8。

表8 木蘭達(dá)河干流主要控制斷面生態(tài)流量計算結(jié)果

6 結(jié)論及建議

1)經(jīng)過上述分析計算，冰凍期的生態(tài)基流量極小，不易監(jiān)測監(jiān)管，為此，冰凍期不規(guī)定生態(tài)基流量。非汛期、汛期：根據(jù)木蘭達(dá)河水文特征和河流自然節(jié)律特征及流域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需求，降水主要集中在6-9月，豐、平、枯三個時期差異明顯，汛期、非汛期季節(jié)性變化較大，因此采用 Qp法計算結(jié)果作為本次生態(tài)流量目標(biāo)。

2)計算得到非汛期生態(tài)流量目標(biāo)分別為0.25m3/s、0.33m3/s、0.39m3/s；汛期生態(tài)流量目標(biāo)分別為0.42m3/s、0.7m3/s、1.88m3/s。

3)文章使用的生態(tài)流量計算方法均屬于水文學(xué)方法，未來還需用水力學(xué)法、棲息地法等多種研究方法深入研究。