松花江支流西北河生態流量分析研究

田肖冉，姜 寧，劉 巖，王鑫鑫

(1.黑龍江大學 水利電力學院，哈爾濱 150080； 2.黑龍江省水利科學研究院，哈爾濱 150080)

河流生態流量在流域生態系統中發揮著重要的作用，是事關生產、生活、生態用水的重要指標，也是維持河流生態功能的基礎因素[1]。因此，河流生態流量的確定和保障，對于確保河流生態系統的可持續發展具有重要意義。本文參考水文學方法中的頻率曲線法、Tennant法、Qp法3種方法[2]，對西北河的生態流量進行研究計算，為西北河生態用水的開發利用、配置、節約保護等提供參考[3]。

1 研究區概況

西北河是松花江下游左岸一級支流，發源于通河縣東南部祥順鎮北部山區，自西北向東南流經橫山林業站、青山經營所、太平山村、魏璽村、新豐村、通河種畜場匯入松花江。河道全長74 km，流域面積880 km2。西北河是洪水多發性河流，洪澇災害是該流域的主要自然災害，春汛洪水主要由冰融雪組成，洪水的大小主要取決于冬季降水量和春季氣溫回升的速度，發生時間主要是4月下旬至5月上旬，夏汛洪水主要來源于集中降雨，一般發生在7、8月份之間。

西北河流域地處中溫帶大陸性季風氣候區，大陸性氣候特點十分明顯，春季干燥多風，夏季炎熱多雨，秋季降溫急劇，冬季嚴寒漫長，常有凍害發生。流域降水主要受季風影響，降水多集中在夏季，年內分配不均，6-9月份降水量占年降水量的75%，其中7、8兩月降水量占年降水總量的54%左右，降水的年際變化較大。年內氣溫變化較大，多年平均氣溫在4.5℃左右，7月份最熱，絕對最高氣溫在39℃以上；1月份最冷，極端最低氣溫-40.4℃。流域內水面蒸發一般在700～750 mm。多年平均封凍天數為141 d左右，平均冰上雪深0.15 m左右。西北河流域水系圖見圖1。

圖1 西北河流域水系示意圖

2 資料來源

2.1 資料選取

西北河流域內只有西北河站一處水文站，1958年5月設站，集水面積531 km2。本次以西北河水文站作為設計代表站，選用西北河1956-2016年共61年實測水文數據作為基礎數據資料。

2.2 水文資料代表性分析

對西北河水文站1956-2016年共61年的徑流系列資料進行分析計算，得到西北河水文站徑流的年際變化過程線，見圖2。

由圖2可以看出，西北河流域 1956-1967年為豐水期，1975-1980年進入枯水期，1981-1988年為豐水期，1989-2008 進入枯水期，2009-2010年為豐水期，2011-2012年進入枯水期，2013年為豐水期，2014-2016 年進入枯水期，年際豐枯變化劇烈，說明該站1956-2016年61年徑流系列豐、平、枯水年周期代表性好。

圖2 西北河水文站徑流年際變化過程線

3 研究方法

依據《河湖生態環境需水計算規范》(SL/Z 712-2014)[4]推薦計算方法和確定原則，本次選擇頻率曲線法、Tennant法、Qp法3種方法進行計算。由于西北河冰凍期來水量較小，因此冰凍期生態流量下泄原則為來多少泄多少，其他時段按汛期、非汛期計算。

3.1 頻率曲線法

將長系列的水文資料按照月份分別歸類整理[5]，按照月份分為汛期、非汛期、冰凍期3個時間段，對汛期和非汛期時間段的所有徑流量分別進行逐日排頻，構建各時間段的水文頻率曲線，采用90%頻率相應的月平均流量作為對應月份的節點基本生態環境需水量，將年內汛期、非汛期時段各月基本生態需水量的平均值作為汛期、非汛期的生態基流[6]。

3.2 Qp法

選用此方法時，依舊將年內徑流量按照月份劃分為汛期、非汛期、冰凍期3個時間段，對汛期和非汛期兩個時間段分別進行計算[5]。在計算時，選用長系列水文資料中各年的汛期、非汛期時間段內的最枯月天然平均流量作為基礎資料，用最枯月天然平均流量資料以及排頻計算得到的結果構建各時期的水文頻率曲線，選擇90%或95%頻率下的最枯月平均徑流量作為控制斷面生態基流[7-9]，本文將90%頻率相應的月平均徑流量作為汛期、非汛期生態流量。

3.3 Tennant法

在運用Tennant法進行計算時，選用時段法和全年法兩種方法分別計算。全年法，即使用已有的長系列資料計算12個月的各月徑流量的平均值，再對各月平均徑流量進行加和處理，得到年徑平均流量后，再分為汛期和非汛期來進行計算。時段法，即同樣先使用已有的長系列資料計算12個月的各月徑流量的平均值，然后再劃分為汛期和非汛期，利用其各時段內各月平均徑流量的加和進行計算[8，10-19]。本次生態流量計算汛期選取時段多年平均流量的20%作為生態流量，非汛期選取多年平均流量的10%作為生態流量[6，9]。

4 結果與分析

選用西北河水文站1956-2016年61年的天然月年徑流量資料進行分析計算，年內分6-9月份為汛期、4-5和10-11月份為非汛期、12月份至翌年3月份為冰凍期3個時段[2]，不同方法下西北河水文站考核斷面生態流量計算結果如下。

4.1 頻率曲線法

在運用頻率曲線法計算生態徑流量時，先把河道多年平均徑流量的數據按照月份進行歸類，對每個月份的平均徑流量數據按從大到小的順序進行排序[5，20]，然后采用P-Ⅲ型曲線對汛期和非汛期進行分別排頻，得到最好擬合效果下的生態基流值，見表1。

表1 頻率曲線法生態流量計算結果表 /m3·s-1

4.2 Qp法

運用Qp法進行計算時，采用P-Ⅲ型曲線(圖3、圖4)對汛期(6-9月份)和非汛期(4-5和10-11月份)兩個時段分別進行配線。首先通過計算，確定斷面徑流量均值、Cv值、Cs/Cv值，然后對曲線進行多次擬合，得到擬合效果最好條件下的生態基流值。生態基流由月徑流量除以時長所得到的月平均流量獲得，90%頻率下[21]生態基流成果見表2。

圖3 西北河水文站汛期Qp流量頻率曲線

圖4 西北河水文站非汛期Qp流量頻率曲線

表2 Qp法生態基流計算成果表

4.3 Tennant法

本次運用Tennant法計算生態流量時，選用全年法和時段法分別進行計算。其中，汛期選取時段多年平均流量的20%作為生態流量，非汛期選取多年平均流量的10%作為生態流量。生態流量目標見表3。

表3 Tennant法生態流量目標 /m3·s-1

4.4 不同方法分析評價

通過以上3種方法進行計算，得到不同方法下西北河水文站考核斷面生態流量計算結果，見表4。

表4 西北河水文站考核斷面生態流量計算結果表 /m3·s-1

通過對比頻率曲線法、Qp法、Tennant法(時段法)以及Tennant法(全年法)得到的計算結果可知，不同計算方法下的生態流量值存在一定的差異，汛期(6-9月份)Tennant法(時段法)計算的結果為2.31m3/s，可以說是其他計算結果下生態流量的的2倍，而非汛期時段內頻率曲線法和Tennant法計算得到的生態流量結果相對較小。一般情況下，北方河流的生態流量在條件允許的情況下，非汛期生態流量不能低于多年平均天然流量的10%，汛期生態流量應達到多年平均天然流量的20%～30%為宜[5，22]。

依據水總研二〔2019〕328號文《關于印發2019年重點河湖生態流量(水量)保障實施方案編制及實施有關技術要求的通知》及2020年重點河湖生態流量管理工作視頻會議精神，要遵循河流自然水文節律[3]，對于豐枯變化大、工程調控能力較弱的斷面，生態流量計算可以采用Qp法(P取90或95)。由于西北河降水主要集中在5-9月份，且豐、平、枯3個水期差異明顯，汛期、非汛期季節性變化較大，并結合多年平均天然流量進行分析，Qp法最為適合西北河生態流量的計算。因此，本次生態流量選取Q90%法計算成果作為本流域生態流量保障目標。西北河干流考核斷面生態流量目標值見表5。

表5 西北河考核斷面生態流量目標值

5 結 論

采用1956-2016年61年系列逐日流量資料進行評價，保障程度為各分期61年逐日實測流量達到或超過生態流量目標值的天數與各分期實測總天數的比值。西北河水文站考核斷面生態流量及水量保障情況見表6。

表6 西北河水文站考核斷面生態流量保障情況表

1) 根據西北河水文站1956-2016年逐日流量成果分析，采用Qp法計算得到的西北河水文站考核斷面汛期生態流量保障程度為94.7%，非汛期生態流量保障程度為95.5%，均達到90%以上，該方案較為合理。

2) 根據西北河水文站1956-2016年逐年水量成果分析，西北河水文站考核斷面汛期生態水量保障程度為96.7%，非汛期生態水量保障程度為100%，保障程度為優。

3) 雖然保證程度為優，但仍需加強生態水量調度，加強控制斷面實時流量監測和預警，加強監督考核保障，以保障西北河流域內考核斷面生態流量目標要求，維護河流健康和良好生態環境，促進水資源可持續利用。