基于水文學法的郭蘇河生態流量研究

王 鑫

（河北省水利水電勘測設計研究院集團有限公司，河北 石家莊 050000）

按照《關于全面推行河長制的意見》的相關要求，為進一步推動河湖健康評價工作，平山縣水利局選取郭蘇河作為河湖健康評價工作試點。生態流量滿足程度是河流健康評價重要的必選指標，郭蘇河無已批復的生態水量保障實施方案。按照《河湖健康評價指南》以及《河北省河湖健康評價技術大綱》的要求，依據《河湖生態環境需水量計算規范》（SL/Z 712-2021）中的計算方法，計算了郭蘇河生態流量目標值，并對不同計算方法進行了分析。

1 概況

郭蘇河屬海河流域的子牙河水系，為滹沱河的支流。河流源頭位于河北省石家莊平山縣兩界峰，經宅北鄉、蘇家莊鄉，于東峪村匯入崗南水庫，河道全長24.7 km。郭蘇河河流源頭高程1 040 m，河流出口高程200 m，流域匯流面積140.0 km2，平均寬度約5.7 km，河底平均縱坡為16.97‰。郭蘇河流向由北向南，上游于宅北鄉會口村有北向與西向兩支流交匯，中游納滾龍溝、十里溝等小河溝，下游臨近出口處與由西北向東南流向的緱家莊溝匯合后，于蘇家莊鄉東峪村附近注入崗南水庫。郭蘇河流域地勢北高南低，起伏較大，上游無水庫等控制性工程，河道兩岸堤防工程很少，大部分河段仍處于自然狀態。郭蘇河水系示意，如圖1所示。

圖1 郭蘇河水系

2 生態流量計算

2.1 計算依據

本次依據《河湖生態環境需水量計算規范》（SL/Z 712-2021），計算郭蘇河生態流量目標值。郭蘇河沒有流量觀測資料，相鄰柳林河劉家坪水文站有30 a以上的流量觀測資料，劉家坪水文站集水流域與郭蘇河流域距離較近、下墊面條件相似、流域面積接近，因此本次計算通過劉家坪水文站流量資料，采取水文比擬法推求郭蘇河的生態流量目標值。

2.2 計算方法及結果

2.2.1 計算方法選取生態流量主要有水文學、整體分析、棲息地模擬、水力學等類型的計算方法。整體分析法、棲息地模擬法需要大量的流域生態數據，我國大部分河流沒有相關的文獻記載，郭蘇河也缺少相關的生態資料支撐。水力學法需要投入大量的人力、時間來獲取河流完整的地形資料，人力、時間成本較高。水文學法僅需歷史流量資料，計算簡單快捷，準確度較高，非常適合應用于中小河流的生態流量計算[1-4]。

水文學法常用方法有Qp法、近10 a最枯月平均流量法、經驗公式法和頻率曲線法等[5]。

2.2.2Qp法

Qp法也被稱為不同頻率最枯月平均值法，以斷面天然月平均流量數據為計算基礎，需要大于30 a的較長數據系列[6]。首先統計每年月平均流量最小值，構成水文系列，然后排頻，使用P-Ⅲ頻率曲線配線，以90%保證率的流量為生態流量。郭蘇河每年月平均流量最小值水文系列的P-Ⅲ頻率曲線如圖2所示，適線參數及結果詳見表1，Qp法計算的生態流量為0.015 m3/s。

表1 Qp法適線參數及結果m3/s

圖2 Qp法P-Ⅲ頻率曲線

2.2.3 經驗公式法

經驗公式法又稱為蒙大拿法、Tennant 法，依據多年的歷史觀測流量、生態狀況資料建立流量與生態的對應關系[7]，經不斷總結完善而得出的經驗公式。以汛期、非汛期多年平均流量為基礎，通過不同的閾值，來確定汛期、非汛期生態流量。不同地區、等級、開發利用程度的河流生態流量閾值取值范圍也不相同。郭蘇河屬于北方中小河流，水資源開發利用程度低，生態流量取系列數據多年平均流量的20%。郭蘇河汛期、非汛期各年份流量均值分布，如圖3 所示。經計算，郭蘇河多年平均流量汛期為1.164 m3/s，非汛期為0.274 m3/s；生態流量汛期為0.233 m3/s，非汛期為0.055 m3/s。

圖3 汛期、非汛期流量均值分布

2.2.4 近10 a最枯月平均流量法

該方法以近10 a每年的月平均流量最小值為計算基礎，取系列數據中的最小值（非零）為生態流量。經統計，郭蘇河近10 a 每年月平均流量最小值分布如圖4 所示，其中最小值為0.028 m3/s，計算生態流量為0.028 m3/s。

圖4 近10 a最枯月平均流量分布

2.2.5 頻率曲線法

頻率曲線法以30 a以上長系列的各月平均流量為計算基礎，將每個月系列數據排頻、P-Ⅲ頻率曲線配線，得到年內每個月的頻率曲線，取90%保證率流量為對應月份生態流量。以魚類產卵育幼期（4—9月）、一般用水期（10—次年3月）各月生態流量的平均值作為對應時段的生態流量[8]。經排頻、P-Ⅲ頻率曲線適線計算，郭蘇河生態流量魚類產卵育幼期（4—9月）為0.205 m3/s，一般用水期（10—次年3 月）為0.141 m3/s。頻率曲線法適線參數及結果，詳見表2。

表2 頻率曲線法適線參數及結果m3/s

2.3 計算結果匯總

以上各種方法計算的生態流量，詳見表3。

表3 不同方法計算的生態流量m3/s

3 計算結果分析

Qp法計算數據基礎為每年月平均流量中的最小值，取排頻適線后90%保證率的設計值，該方法考慮了低保證率的枯水月份[9]，但代表性不足，計算結果偏小。近10 a最枯月平均流量法適用于系列資料較短的情況，如果能收集到30 a 及以上的系列數據，一般不使用該方法。Tennant法采用汛期、非汛期多年平均流量的20%，考慮了汛期、非汛期流量差異。頻率曲線法使用月平均流量構建水文系列，然后進行排頻、適線，取90%保證率的流量為生態流量。

綜上，Tennant 法和頻率曲線法代表性較好。Tennant法時段劃分為汛期與非汛期，頻率曲線法時段劃分為魚類產卵育幼期和一般用水期，相比較而言，頻率曲線法時段劃分能夠更好地反映生態需求，計算的生態流量也更能滿足生態環境要求。

4 結語

生態流量滿足程度是河流健康評價重要的必選指標，科學地計算生態流量對河道綜合管理意義重大。本文計算分析了郭蘇河生態流量，為郭蘇河生態保護、河道健康評價提供數據支撐，也可為其他河道生態流量計算提供參考。