阿什河西泉眼水库下游河道生态需水量计算浅析

代立博

(哈尔滨市江北水城调度中心，哈尔滨 150001)

河流健康问题是我国目前面临的重要生态问题，而保证河流生态需水量是实现河流水资源合理配置和可持续利用的基础工作。目前，对于河道生态需水量概念和计算方法尚无统一认识，国内学者通常认为河流生态需水量是维护河流生态环境天然结构和功能的水量。河道生态需水量主要的研究方法有历史水文数据法、水文循环过程法、模型法等。

阿什河作为松花江重要的支流，随着近年来生态环境问题不断加剧，导致水资源供需矛盾突出。本文选取西泉眼水库坝址处为控制断面，利用“蒙大拿法”和“近10年最枯月平均流量法”计算生态需水量，并与西泉眼水库现状运行工况进行复核，从而判断西泉眼水库下泄流量是否符合阿什河下游生态需水量。

1 研究区概况

阿什河是松花江上游右岸的一级支流，发源于尚志市蜜蜂山，共流经尚志、五常、阿城、香坊、道外5个区县(市)，于哈尔滨水泥厂附近汇入松花江。干流河道长213 km，流域面积3 581 km2。属中温带大陆性季风气候，春季干燥多风，夏季空气湿润温和，雨水集中，秋季降霜较早，降温幅度大，冬季寒冷干旱且持续时间较长。阿什河由东南向西北方向延伸，与地势降低方向一致。阿什河干流由南向北流经阿城市区，西泉眼水库上游有帽儿山水文站，中游有马鞍山水位站，干流下游有阿城水文站。多年平均径流量为4.59×108m3，最大年径流量为9.01×108m3，最小年径流量为1.10×108m3；最大流量为824 m3/s。阿什河流域一年有两个汛期，即春汛和夏汛，春汛以融雪为主，夏汛主要由暴雨形成。夏汛多大于春汛，极个别年份出现春汛大于夏汛。夏汛主要发生在7-8月份，由于阿什河地理位置偏南，暴雨天气系统多受南来和西来系统影响。据不完全统计，洪水多发生5-9月份，占全年发生次数的91%，其中7-8月份占全年的75%，春汛4月份仅占9%。据实测大洪水年分析，洪水过程有单峰型(1960年)和双峰型(1985、1994年)，单峰型洪水过程7 d左右，双峰型洪水一次洪水过程15 d左右。

阿什河干流建有西泉眼水库，是以灌溉、防洪、除涝为主，兼顾养鱼、发电等综合利用的大(Ⅱ)型水库。西泉眼水库的修建对阿什河洪水起到很好的调节作用，汛期大洪水经过西泉眼水库的消峰，下游洪峰流量有所减小，对阿什河下游防洪起到积极的作用。见图1。

图1 阿什河流域范围图

2 计算方法选择

河道生态需水量因涉及到的因素复杂多变，并涉及水力学、生态学、环境学、水文学等多个学科领域，故尚未有统一的计算方法和判断标准。对于不同地形、不同条件下的河流，也往往采用不同方法进行计算，并经常选择多种计算方法，对成果进行对比分析，最终选择适合的计算成果。目前，计算生态需水量涉及到规范主要有两个，分别为《水电工程生态流量计算规范》(NB/T 35091-2016)和《河湖生态环境需水计算规范》(SL/Z 712-2014)。

生态流量=max(水生生态需水，水环境需水，景观需水，入海河口生态需水)+河流湿地需水+河道地下水补给需水

该规范计算考虑的是水库电站对河流有影响的河段，按照以往实例，将研究断面布设在西泉眼水库坝址处与下游第一个典型支流断面之间。根据目前的监测资料，西泉眼水库坝址下游水质达标，满足功能区要求，故不需计算水环境需水；该断面与水库间无景观保护目标，故不需计算景观需水；此断面不位于入海处，故不需计算入海河口生态需水；该断面与水库间无湿地保护目标，故不需计算河流湿地需水；根据已有监测结果，断面地下水位在以水生生态基流对应的水位边界以上，故不需计算河道地下水补给需水。综上分析，本研究采用的计算公式简化为：

生态流量=水生生态需水

在计算水生生态需水时，可采用水力学法、生态水力学法、生境分析法、水文学法共4类方法，考虑河流水文特征和水生生态保护目标，受现有资料所限，目前仅有2004-2016年全年出入库流量可用，仅能采用水文学法。在水文学方法中，有蒙大拿法、7Q10法可选，但目前无水库下游断面逐日流量资料，故仅可采用蒙大拿法进行坝址处生态流量的初步计算。

对于《河湖生态环境需水计算规范》(SL/Z 712-2014)，河湖生态环境需水分为河道内生态环境需水和河道外生态环境需水，本次研究主要考虑西泉眼水库对阿什河的水量补给，不考虑对城乡建设的人工供给，故仅针对河道内生态环境需水进行计算。河道内生态环境需水量又分为基本生态环境需水量和目标生态环境需水量。根据阿什河流量现状，主要目的是为测算阿什河河道生态需水量，保证阿什河基本生态功能和环境状况，不是为控制河道外供水，也无确切生态保护目标，汛期水量已满足相关要求，故阿什河基本生态环境需水量符合任务需要。

基本生态环境需水量包括最小值、年内不同时段值和全年值，主要采用水文综合法。最小值是指年内生态环境需水过程中的下限值，有“Qp法”、“流量历时曲线法”、“7Q10法”、“近10年最枯月平均流量法”等多种方法；年内不同时段值是按汛期、非汛期或逐月计算基本生态环境需水量，可采用“Tennant法”和“频率曲线法”；全年值用河流控制断面基本生态环境需水量的年内不同时段值之和计算。

在台湾，传统的阵头是民间祭祀、庙会喜庆不可或缺的民俗之一。分为文阵和武阵，文阵有车鼓、桃花过渡、牛犁、布马、大鼓阵、病囝歌、十八摸等，武阵有宋江阵、八家将、舞龙、舞狮、七爷八爷等[2]。

对于基本生态环境需水量最小值的计算，有长系列水文资料的河流控制断面，可采用“Qp法”、“流量历时曲线法”、“7Q10法”；缺乏长系列水文资料的河流控制断面，可采用“近10年最枯月平均流量法”。根据目前资料掌握情况，近年数据目前仅有坝址处2004-2016年的全年值，达不到该规范中“Qp法”、“流量历时曲线法”、“7Q10法”、“频率曲线法”等方法的数据要求，故选用“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%保证率年最枯月流量。对于基本生态环境需水量年内不同时段值，采用“Tennant法”，此方法也称蒙大拿法。

目前现有资料为西泉眼水库部分时段出入库流量、设计报告资料，不满足规范计算的要求，仅能利用“蒙大拿法”和“近10年最枯月平均流量法”，对阿什河生态需水量进行初步分析。

3 计算分析

3.1 生态需水量计算

以西泉眼水库坝址作为控制断面，目前现有资料为西泉眼水库2004-2016年全年出入库流量。由于缺乏相关水文站和断面的长系列逐日流量资料，本次研究主要对生态需水量进行初步计算。

3.1.1 蒙大拿法

蒙大拿法依据观测资料，建立的河道流量和水生生物栖息地状况之间的经验关系，通过历史流量资料确定年内不同时段的生态需水，可采用水库坝址多年平均流量的百分值作为指标，评估下游河段的流量情况，标准见表1。

表1 蒙大拿法评估标准

根据现有资料，西泉眼水库1950-1988年坝址处年平均流量为8.39 m3/s。根据西泉眼水库各月平均流量情况(图2)，10月份-次年3月份为年内较枯时段，4-9月份为年内较丰时段。在西泉眼水库下游河道达到不同状态时，其生态需水计算结果见表2。

表2 西泉眼水库下游生态需水量 /m3·s-1

图2 水库坝址处月平均流量(单位：m3/s)

同时，蒙大拿法所得结果可作为基本生态环境需水量年内不同时段值，也是计算全年值的依据。

基本生态环境需水量全年值可采用下式计算：

式中：Qba为基本生态环境需水量的全年值，以水量计为m3；Qbi为基本生态环境需水量年内不同时段值，以水量计为m3。

取表2中最小生态需水量计算全年值，即年内较枯和较丰时段最小生态需水量均为0.84 m3/s。则坝址处生态需水量全年值为：

Qba=0.84×365×24×3 600=26 490 240 m3

=0.26×108m3

如用流量表示，则全年值为0.84 m3/s。

3.1.2 近10年最枯月平均流量法

该方法主要用来计算西泉眼水库坝址处基本生态环境需水量最小值。根据目前现有西泉眼水库坝址处2007-2016年逐月平均流量，取10年中的最小值，坝址每年最枯月平均流量，得出坝址近10年最枯月流量的最小值为0.10 m3/s，出现在2009年2月。同时，近10年最枯月平均流量近似于90%保证率年最枯月流量，可取西泉眼水库坝址90%保证率年最枯月流量0.09 m3/s作为基本生态环境需水量最小值。因90%保证率年最枯月流量所用水文系列资料时间较长，认为结果相对可靠，作为最终结果，即坝址处基本生态环境需水量最小值为0.09 m3/s。

3.2 结果与分析

西泉眼水库工程任务定位为“以农田灌溉和防洪除涝为主，兼顾水力发电、水产养殖、城市供水水源”，经批复的各类西泉眼水库设计文件中环境用水量为0.1×108～0.2×108m3。西泉眼水库工程下泄流量为1.18 m3/s。

根据上述计算和水库批复文件，坝址处河道生态需水量结果比较见表3。

表3 生态需水量结果比较 /m3·s-1

通过上述对比可以得出如下结果：

1) 蒙大拿法计算得到的最小生态流量0.84 m3/s，与设计批复要求流量0.32～0.63 m3/s略大。根据水库运行情况，其下泄流量1.18 m3/s已经满足最小生态流量的要求。

2) 生态需水量最小值，西泉眼水库坝址处为0.09 m3/s，小于设计批复的流量数值(0.32～0.63 m3/s)，满足生态基流；时段年内不同时段值同蒙大拿法计算结果；全年值为0.84 m3/s，略大于设计批复要求的流量。根据水库运行情况，其下泄流量1.18 m3/s已满足坝址处生态需水量的要求。

3) 由于缺乏阿什河流域相关水文站和控制断面的长系列逐日流量、流域雨量站长系列数据等资料，无法选择多种方法计算，不能进行横向比较，也不能分析比较后合理取值，仅能进行初步计算分析。

4) 《水电工程生态流量计算规范》(NB/T 35091-2016)主要考虑的是电站建设，对下游有影响的单一河段的生态流量计算；《河湖生态环境需水计算规范》(SL/Z 712-2014)是从流域角度考虑河流的生态需水问题，空间尺度更大。

4 结 语

阿什河是松花江重要支流，对阿什河河道生态需水量的研究具有重要意义。我国对于河道生态需水量的研究起步较晚，对于水生生物、河道生态、河流环境、水资源的合理分配等方面研究相对较少。随着社会经济的较快发展，水生态环境的重要性逐步提高，河道生态需水量是河流生态系统维持的重要指标之一。

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库下游河道生态需水量，受资料限制，仅为初步计算结果。蒙大拿法计算得到最小生态需水量为0.84 m3/s。西泉眼水库坝址处生态需水量最小值为0.09 m3/s，时段年内不同时段值同蒙大拿法计算结果，坝址处全年值为0.84 m3/s。西泉眼水库现状运行工况(最小下泄流量1.18 m3/s)已满足规范计算、设计及批复要求。