木壘水文站控制斷面以下河道生態(tài)水量計算探討

呂小愚

(新疆昌吉水文勘測局，新疆 昌吉 831100)

1 前言

木壘河發(fā)源于天山山脈博格達山北坡，源頭與奇臺開墾河相隔分水嶺，與開墾河源頭直線距離不到14 km。隨著龍王廟水庫和三眼泉水庫的建成以及灌區(qū)灌溉工程的不斷修建完善，一般平水年份河水幾乎全部引入灌區(qū)，龍王廟水庫以下河道，除汛期短暫泄洪外，河道常年處于干涸狀態(tài)。近幾年來受人類活動的影響，水資源開發(fā)利用程度較高，天然徑流大部分被攔河蓄水工程人工控制。

為實施水生態(tài)紅線管理，建立系統(tǒng)完整的水生態(tài)文明制度體系，從源頭保護水資源和水生態(tài)；控制用水總量，逐步退還擠占的河道生態(tài)環(huán)境用水，確定河道主要控制斷面的生態(tài)水量標(biāo)準(zhǔn)，加強“河長制”的落實，保護水資源，防治水污染，維護水生態(tài)，保障河道基流量。

2 木壘水文站控制斷面以下河道生態(tài)水量的計算

木壘水文站是木壘河流域上游唯一的水量控制站，本次計算河道生態(tài)水量時，采用木壘水文站年徑流資料采用多種方法計算河道生態(tài)水量。

本次嘗試采用多種生態(tài)水量的計算方法對各個計算斷面的生態(tài)水量進行計算，包括多年平均徑流量的百分率法、90%保證率的最小月徑流量法、7Q10法和濕周法。木壘河只有木壘水文站有實測流量資料，故只有木壘水文站測驗斷面滿足建立濕周和流量關(guān)系的條件，但由于木壘水文站上游植被覆蓋情況較差，河流含沙量大，低水時，河流主流擺動不定，高水時斷面沖淤變化顯著，無法建立系統(tǒng)完整的濕周與斷面流量關(guān)系，綜上所述，木壘河流域不適合采用濕周法推求生態(tài)水量。

經(jīng)分析比選后選用適合本流域生態(tài)水量的計算方法只有三種，即多年平均徑流量的百分率法、90%保證率的最小月徑流量法和7Q10法。

2.1 多年平均徑流量的百分率法(Tennant法)

Tennant法為水文學(xué)算法，其以流域多年流量均值的10%～30%為生態(tài)水量考慮，此方法對于水文資料系列較長且流量較大的流域較為適用。按照《“一河(湖)一策”方案編制指南(實行)》(水利部2017年9月)要求，將流域綜合規(guī)劃、水資源綜合規(guī)劃中確定的重要控制斷面生態(tài)水量成果納入本方案。木壘河流域水資源綜合規(guī)劃中重要水利工程為三眼泉水庫、龍王廟水庫。按照《水利水電建設(shè)項目水資源論證導(dǎo)則》規(guī)定，應(yīng)按多年流量均值的10%～20%確定重要水利工程計算節(jié)點河道的生態(tài)水量[1]。

相關(guān)文獻、學(xué)術(shù)論文中不同程度約定，北方河流的生態(tài)水量應(yīng)分為汛期和非汛期分別進行計算，在條件允許的情況下，盡量采用多種方法。河道最小生態(tài)水量是以水文站的多年平均天然徑流量百分率表示，本次河道最小生態(tài)水量采用木壘水文站實測徑流量來計算。

2.1.1 實測徑流量計算

木壘水文站實測年徑流量計算采用該站實測連續(xù)系列1963年～2019年57年徑流量資料，計算其多年年徑流量均值為0.4839×108m3，生態(tài)水量按多年平均年徑流量的15%計算，推算得木壘水文站生態(tài)水量為0.0726億m3。河道最小生態(tài)水量采用如下計算公式：

(1)

式中：Wr為河道最小生態(tài)水量；Wi為第i年的河川徑流量；K為選取的百分?jǐn)?shù)，取K=15%；n為統(tǒng)計年數(shù)。

2.1.2 汛期和非汛期實測徑流量計算

根據(jù)木壘水文站汛期5月～9月其多年平均徑流量為0.3783億m3，非汛期10月～次年4月多年平均徑流量為0.1056億m3，生態(tài)水量年內(nèi)汛期按多年平均的20%計算結(jié)果為0.0757億m3，年內(nèi)非汛期按多年平均的10%計算結(jié)果為0.0106億m3，木壘水文站生態(tài)水量為0.0862億m3。木壘控制站河道最小生態(tài)水量計算結(jié)果見表1。

表1 木壘控制站河道最小生態(tài)水量計算表

2.2 90%保證率的最小月徑流量法

保證率法通常以90%保證率下最枯月流量均值為所在流域生態(tài)流量。該法對于水量小、開發(fā)利用程度高的河道較為適用，且對較長序列(一般不低于20年)水文觀測資料有較高要求。

根據(jù)90%保證率的最小月徑流量，計算河道最小生態(tài)水量，采用如下計算公式：

Wr=12×Min(Wij)p=90%

(2)

式中：Min(Wij)p=90%為90%保證率的最小月徑流量。

由于2011年起木壘水文站上游修建三眼泉水庫，對木壘水文站徑流量年內(nèi)分配產(chǎn)生影響，為計算出天然狀態(tài)下不受工程影響情況下的河道生態(tài)水量，本次采用木壘水文站1963年～2010年的實測徑流量資料，選取每年最小月平均流量值，做頻率曲線，理論頻率曲線采用P-Ⅲ型曲線，頻率計算的均值采用48年最小月平均流量的算術(shù)平均值，Cv、Cs值采用適線法確定。在適線時，主要依據(jù)理論頻率與經(jīng)驗點據(jù)擬合較好為原則(見圖1)，同時兼顧到統(tǒng)計參數(shù)的合理性[2]。推求出90%保證率的最小月平均流量。再將90%保證率的最小月平均流量換算成90%保證率的最小月徑流量，通過式(2)計算，得到河道生態(tài)水量。計算成果見表2。

圖1 木壘水文站1963～2010年90%保證率的最小月平均流量頻率曲線圖

表2 木壘水文站頻率計算統(tǒng)計參數(shù)及90%保證率的最小月平均流量成果表

按式(2)計算求得河道最小生態(tài)水量，計算結(jié)果見表3。

表3 木壘水文站控制斷面河道最小生態(tài)水量計算表

2.3 7Q10法

7Q10法以90%保證率下連續(xù)最枯7 d流量均值為生態(tài)需水量最小值。該法對水量小、開發(fā)利用程度高的河道較為適用，而且對較長序列水文觀測資料有較高要求。

由于2011年起木壘水文站上游修建三眼泉水庫，對木壘水文站徑流量年內(nèi)分配產(chǎn)生影響，對年最枯流量影響較大，為計算出天然狀態(tài)下不受工程影響情況下的河道生態(tài)水量，本次挑選天然狀態(tài)下木壘水文站1963年～2010年的實測徑流量資料，通過統(tǒng)計分析計算，得到90%保證率下連續(xù)最枯7 d流量為1969年2月3日～9日逐日平均流量，連續(xù)最枯7 d的平均流量為0.049 m3/s，最小生態(tài)水量計算成果見表4。

表4 7Q10法河道最小生態(tài)水量成果表

3 木壘水文站控制斷面以下河道生態(tài)水量合理性分析

考慮到木壘河中下游水資源開發(fā)利用程度比較高，下游有景觀帶需水要求，本次以繁榮經(jīng)濟為原則，以符合木壘縣經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的用水思路為指導(dǎo)，選取適合木壘水文站控制斷面河道最小生態(tài)水量的計算方法。本次選取多年平均徑流量的百分率法、90%保證率的最小月徑流量法和7Q10法三種方法計算木壘水文站控制斷面河道最小生態(tài)水量，計算成果見表5。

表5 木壘水文站控制斷面河道最小生態(tài)水量成果表

分析以上三種方法，多年平均徑流量的百分率法(Tennant法)是采用年徑流量系列的平均值乘以生態(tài)流量百分?jǐn)?shù)得到的，生態(tài)流量按多年平均徑流量的15%計算，或者年內(nèi)豐水期按多年平均的20%計算，年內(nèi)枯水期按多年平均的10%計算。計算結(jié)果較實際明顯偏大，故不予推薦。

90%保證率的最小月徑流量計算方法是直接以計算得到的90%保證率的最小月徑流量為河道最小生態(tài)水量。并未與河道實際生態(tài)需水情況緊密結(jié)合，該方法計算成果比木壘河河道內(nèi)生態(tài)需水要求略微偏大，故不予推薦。

7Q10法計算方法是將90%保證率下，連續(xù)最枯7 d的平均流量作為生態(tài)流量。該法計算出來的生態(tài)流量能夠維持河道不發(fā)生斷流，在此基礎(chǔ)上又充分考量了水環(huán)境容量，計算結(jié)果較為合理。故本次推薦7Q10法計算結(jié)果，推薦結(jié)果見表6。

表6 木壘水文站控制斷面河道最小生態(tài)水量推薦成果表

4 結(jié)論

本文對木壘水文站控制斷面以下河道生態(tài)水量的計算分析結(jié)果能為河道水量水質(zhì)監(jiān)測報告制度的建立及水生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)改善提供基本依據(jù)，根據(jù)本文分析結(jié)果，通過跨流域生態(tài)調(diào)水以增加木壘河河道水量，擴大河道水環(huán)境容量，有效解決河道生態(tài)用水被經(jīng)濟用水?dāng)D占的局面，促進長期以來水資源供需矛盾的解決和水生態(tài)環(huán)境的改善。