阿什河西泉眼水庫下游河道生態需水量計算淺析

代立博

(哈爾濱市江北水城調度中心，哈爾濱 150001)

河流健康問題是我國目前面臨的重要生態問題，而保證河流生態需水量是實現河流水資源合理配置和可持續利用的基礎工作。目前，對于河道生態需水量概念和計算方法尚無統一認識，國內學者通常認為河流生態需水量是維護河流生態環境天然結構和功能的水量。河道生態需水量主要的研究方法有歷史水文數據法、水文循環過程法、模型法等。

阿什河作為松花江重要的支流，隨著近年來生態環境問題不斷加劇，導致水資源供需矛盾突出。本文選取西泉眼水庫壩址處為控制斷面，利用“蒙大拿法”和“近10年最枯月平均流量法”計算生態需水量，并與西泉眼水庫現狀運行工況進行復核，從而判斷西泉眼水庫下泄流量是否符合阿什河下游生態需水量。

1 研究區概況

阿什河是松花江上游右岸的一級支流，發源于尚志市蜜蜂山，共流經尚志、五常、阿城、香坊、道外5個區縣(市)，于哈爾濱水泥廠附近匯入松花江。干流河道長213 km，流域面積3 581 km2。屬中溫帶大陸性季風氣候，春季干燥多風，夏季空氣濕潤溫和，雨水集中，秋季降霜較早，降溫幅度大，冬季寒冷干旱且持續時間較長。阿什河由東南向西北方向延伸，與地勢降低方向一致。阿什河干流由南向北流經阿城市區，西泉眼水庫上游有帽兒山水文站，中游有馬鞍山水位站，干流下游有阿城水文站。多年平均徑流量為4.59×108m3，最大年徑流量為9.01×108m3，最小年徑流量為1.10×108m3；最大流量為824 m3/s。阿什河流域一年有兩個汛期，即春汛和夏汛，春汛以融雪為主，夏汛主要由暴雨形成。夏汛多大于春汛，極個別年份出現春汛大于夏汛。夏汛主要發生在7-8月份，由于阿什河地理位置偏南，暴雨天氣系統多受南來和西來系統影響。據不完全統計，洪水多發生5-9月份，占全年發生次數的91%，其中7-8月份占全年的75%，春汛4月份僅占9%。據實測大洪水年分析，洪水過程有單峰型(1960年)和雙峰型(1985、1994年)，單峰型洪水過程7 d左右，雙峰型洪水一次洪水過程15 d左右。

阿什河干流建有西泉眼水庫，是以灌溉、防洪、除澇為主，兼顧養魚、發電等綜合利用的大(Ⅱ)型水庫。西泉眼水庫的修建對阿什河洪水起到很好的調節作用，汛期大洪水經過西泉眼水庫的消峰，下游洪峰流量有所減小，對阿什河下游防洪起到積極的作用。見圖1。

圖1 阿什河流域范圍圖

2 計算方法選擇

河道生態需水量因涉及到的因素復雜多變，并涉及水力學、生態學、環境學、水文學等多個學科領域，故尚未有統一的計算方法和判斷標準。對于不同地形、不同條件下的河流，也往往采用不同方法進行計算，并經常選擇多種計算方法，對成果進行對比分析，最終選擇適合的計算成果。目前，計算生態需水量涉及到規范主要有兩個，分別為《水電工程生態流量計算規范》(NB/T 35091-2016)和《河湖生態環境需水計算規范》(SL/Z 712-2014)。

生態流量=max(水生生態需水，水環境需水，景觀需水，入海河口生態需水)+河流濕地需水+河道地下水補給需水

該規范計算考慮的是水庫電站對河流有影響的河段，按照以往實例，將研究斷面布設在西泉眼水庫壩址處與下游第一個典型支流斷面之間。根據目前的監測資料，西泉眼水庫壩址下游水質達標，滿足功能區要求，故不需計算水環境需水；該斷面與水庫間無景觀保護目標，故不需計算景觀需水；此斷面不位于入海處，故不需計算入海河口生態需水；該斷面與水庫間無濕地保護目標，故不需計算河流濕地需水；根據已有監測結果，斷面地下水位在以水生生態基流對應的水位邊界以上，故不需計算河道地下水補給需水。綜上分析，本研究采用的計算公式簡化為：

生態流量=水生生態需水

在計算水生生態需水時，可采用水力學法、生態水力學法、生境分析法、水文學法共4類方法，考慮河流水文特征和水生生態保護目標，受現有資料所限，目前僅有2004-2016年全年出入庫流量可用，僅能采用水文學法。在水文學方法中，有蒙大拿法、7Q10法可選，但目前無水庫下游斷面逐日流量資料，故僅可采用蒙大拿法進行壩址處生態流量的初步計算。

對于《河湖生態環境需水計算規范》(SL/Z 712-2014)，河湖生態環境需水分為河道內生態環境需水和河道外生態環境需水，本次研究主要考慮西泉眼水庫對阿什河的水量補給，不考慮對城鄉建設的人工供給，故僅針對河道內生態環境需水進行計算。河道內生態環境需水量又分為基本生態環境需水量和目標生態環境需水量。根據阿什河流量現狀，主要目的是為測算阿什河河道生態需水量，保證阿什河基本生態功能和環境狀況，不是為控制河道外供水，也無確切生態保護目標，汛期水量已滿足相關要求，故阿什河基本生態環境需水量符合任務需要。

基本生態環境需水量包括最小值、年內不同時段值和全年值，主要采用水文綜合法。最小值是指年內生態環境需水過程中的下限值，有“Qp法”、“流量歷時曲線法”、“7Q10法”、“近10年最枯月平均流量法”等多種方法；年內不同時段值是按汛期、非汛期或逐月計算基本生態環境需水量，可采用“Tennant法”和“頻率曲線法”；全年值用河流控制斷面基本生態環境需水量的年內不同時段值之和計算。

在臺灣，傳統的陣頭是民間祭祀、廟會喜慶不可或缺的民俗之一。分為文陣和武陣，文陣有車鼓、桃花過渡、牛犁、布馬、大鼓陣、病囝歌、十八摸等，武陣有宋江陣、八家將、舞龍、舞獅、七爺八爺等[2]。

對于基本生態環境需水量最小值的計算，有長系列水文資料的河流控制斷面，可采用“Qp法”、“流量歷時曲線法”、“7Q10法”；缺乏長系列水文資料的河流控制斷面，可采用“近10年最枯月平均流量法”。根據目前資料掌握情況，近年數據目前僅有壩址處2004-2016年的全年值，達不到該規范中“Qp法”、“流量歷時曲線法”、“7Q10法”、“頻率曲線法”等方法的數據要求，故選用“近10年最枯月平均流量法”，即近10年最枯月平均流量的最小值，近10年最枯月平均流量近似于90%保證率年最枯月流量。對于基本生態環境需水量年內不同時段值，采用“Tennant法”，此方法也稱蒙大拿法。

目前現有資料為西泉眼水庫部分時段出入庫流量、設計報告資料，不滿足規范計算的要求，僅能利用“蒙大拿法”和“近10年最枯月平均流量法”，對阿什河生態需水量進行初步分析。

3 計算分析

3.1 生態需水量計算

以西泉眼水庫壩址作為控制斷面，目前現有資料為西泉眼水庫2004-2016年全年出入庫流量。由于缺乏相關水文站和斷面的長系列逐日流量資料，本次研究主要對生態需水量進行初步計算。

3.1.1 蒙大拿法

蒙大拿法依據觀測資料，建立的河道流量和水生生物棲息地狀況之間的經驗關系，通過歷史流量資料確定年內不同時段的生態需水，可采用水庫壩址多年平均流量的百分值作為指標，評估下游河段的流量情況，標準見表1。

表1 蒙大拿法評估標準

根據現有資料，西泉眼水庫1950-1988年壩址處年平均流量為8.39 m3/s。根據西泉眼水庫各月平均流量情況(圖2)，10月份-次年3月份為年內較枯時段，4-9月份為年內較豐時段。在西泉眼水庫下游河道達到不同狀態時，其生態需水計算結果見表2。

表2 西泉眼水庫下游生態需水量 /m3·s-1

圖2 水庫壩址處月平均流量(單位：m3/s)

同時，蒙大拿法所得結果可作為基本生態環境需水量年內不同時段值，也是計算全年值的依據。

基本生態環境需水量全年值可采用下式計算：

式中：Qba為基本生態環境需水量的全年值，以水量計為m3；Qbi為基本生態環境需水量年內不同時段值，以水量計為m3。

取表2中最小生態需水量計算全年值，即年內較枯和較豐時段最小生態需水量均為0.84 m3/s。則壩址處生態需水量全年值為：

Qba=0.84×365×24×3 600=26 490 240 m3

=0.26×108m3

如用流量表示，則全年值為0.84 m3/s。

3.1.2 近10年最枯月平均流量法

該方法主要用來計算西泉眼水庫壩址處基本生態環境需水量最小值。根據目前現有西泉眼水庫壩址處2007-2016年逐月平均流量，取10年中的最小值，壩址每年最枯月平均流量，得出壩址近10年最枯月流量的最小值為0.10 m3/s，出現在2009年2月。同時，近10年最枯月平均流量近似于90%保證率年最枯月流量，可取西泉眼水庫壩址90%保證率年最枯月流量0.09 m3/s作為基本生態環境需水量最小值。因90%保證率年最枯月流量所用水文系列資料時間較長，認為結果相對可靠，作為最終結果，即壩址處基本生態環境需水量最小值為0.09 m3/s。

3.2 結果與分析

西泉眼水庫工程任務定位為“以農田灌溉和防洪除澇為主，兼顧水力發電、水產養殖、城市供水水源”，經批復的各類西泉眼水庫設計文件中環境用水量為0.1×108～0.2×108m3。西泉眼水庫工程下泄流量為1.18 m3/s。

根據上述計算和水庫批復文件，壩址處河道生態需水量結果比較見表3。

表3 生態需水量結果比較 /m3·s-1

通過上述對比可以得出如下結果：

1) 蒙大拿法計算得到的最小生態流量0.84 m3/s，與設計批復要求流量0.32～0.63 m3/s略大。根據水庫運行情況，其下泄流量1.18 m3/s已經滿足最小生態流量的要求。

2) 生態需水量最小值，西泉眼水庫壩址處為0.09 m3/s，小于設計批復的流量數值(0.32～0.63 m3/s)，滿足生態基流；時段年內不同時段值同蒙大拿法計算結果；全年值為0.84 m3/s，略大于設計批復要求的流量。根據水庫運行情況，其下泄流量1.18 m3/s已滿足壩址處生態需水量的要求。

3) 由于缺乏阿什河流域相關水文站和控制斷面的長系列逐日流量、流域雨量站長系列數據等資料，無法選擇多種方法計算，不能進行橫向比較，也不能分析比較后合理取值，僅能進行初步計算分析。

4) 《水電工程生態流量計算規范》(NB/T 35091-2016)主要考慮的是電站建設，對下游有影響的單一河段的生態流量計算；《河湖生態環境需水計算規范》(SL/Z 712-2014)是從流域角度考慮河流的生態需水問題，空間尺度更大。

4 結 語

阿什河是松花江重要支流，對阿什河河道生態需水量的研究具有重要意義。我國對于河道生態需水量的研究起步較晚，對于水生生物、河道生態、河流環境、水資源的合理分配等方面研究相對較少。隨著社會經濟的較快發展，水生態環境的重要性逐步提高，河道生態需水量是河流生態系統維持的重要指標之一。

本研究采用“蒙大拿法”和“近10年最枯月平均流量法”初步分析阿什河西泉眼水庫下游河道生態需水量，受資料限制，僅為初步計算結果。蒙大拿法計算得到最小生態需水量為0.84 m3/s。西泉眼水庫壩址處生態需水量最小值為0.09 m3/s，時段年內不同時段值同蒙大拿法計算結果，壩址處全年值為0.84 m3/s。西泉眼水庫現狀運行工況(最小下泄流量1.18 m3/s)已滿足規范計算、設計及批復要求。