松花江支流梧桐河流域河流生态径流研究

周 光 涛

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

随着城镇化的迅速推进，社会经济迅猛发展，人民生活质量大幅提升，人类社会用水需求也急剧增长[1]。目前，人类社会用水大幅挤占河流生态用水，如何实现两者平衡已成为21世纪人类社会面临的重大挑战[2,3]。因此，科学、合理地确定河流生态径流已成为生态水文学研究的热点之一[3-5]。

梧桐河位于黑龙江省三江平原西北部，是国家粮食的主产区，是鹤岗市重要水源地之一。目前，关于流域水资源方面的研究相对较少：张岩等[6]分析了宝泉岭站断面以上的梧桐河干流洪水地区组成；李杰等[7]经水量还原计算，确定了宝泉岭站天然径流量；曹越[8]从补水规模、防洪任务等方面论证了宝泉岭站以上规划的关门嘴子水库的工程规模；李全玉等[9]基于梧桐河流域水资源开发利用实际情况，提出了该流域水资源统一优化配置的相关对策；周连梅等[10]详细论述了梧桐河中上游2005年7月普降大到暴雨及其形成的洪水情况。尽管上述研究内容已相对全面，但依然缺少河流生态径流方面的相关研究。同时，考虑到未来将进一步加大流域水资源开发力度，还可能会给河流生态带来一定的不利影响。鉴于此，本文尝试采用多种水文学方法计算该流域河流生态径流，探讨河流生态径流满足情况，以期为维持河流生态系统健康与稳定及开展河流相关保护工作提供一定的参考。

1 研究区概况

梧桐河为松花江下游左岸最大支流，源头为小兴安岭东麓的邵家店北沟，由西北向东南流，河流全长498 km，在梧桐河农场南屯入松花江[6,10]。该流域地理范围为E129°35′～130°48′，N47°13′～48°05′，地势东南低、西北高，山丘及山前过渡到平原地带流域面积4 516 km2，其中山丘区、平原区面积分别占全流域的80.5%和19.5%[7]。

梧桐河水系呈羽毛状(见图1)，右岸支流较大且发达。其中，鹤立河为最大支流，流域面积879 km2，细鳞河为第二大支流，河长48 km，地貌以山区林地为主，流域面积633 km2，于1987年建成细鳞河水库；面积100～500 km2的支流有老梧桐河、东梧桐河、西梧桐河和嘎拉基河等[10]。流域降水年内分配极不均匀，七八月降水量约占全年的50%。

图1 梧桐河流域水系示意图Fig.1 Watershed diagram of the Wutong river basin

2 基本资料及计算方法

2.1 基本资料

梧桐河干流设有梧桐镇、宝泉岭站，其中梧桐镇站设于1951年1月，集水面积为2 548 km2，于1972年向下迁移20 km至鹤岗市宝泉岭镇，始称宝泉岭站，一直观测至今。两站基本情况，见表1。

表1 梧桐河流域水文站基本情况表Tab.1 Basical situation table for the hydrological stations in the Wutong river basin

经还原计算得到梧桐河主要控制站-宝泉岭站1951-2013年逐月天然径流数据，该成果满足区域水文演变规律，并已应用于《梧桐河流域综合规划报告(2016-2030年)》。因此，本次直接用于计算河流生态径流及开展相关分析工作。

2.2 计算方法

2.2.1 最小生态径流

最小生态径流是指在人类活动影响下，为满足水生生物基本的生存条件，河流中应保留的最小水量[11]，其计算常借助逐月最小值法、最小连续30 d平均流量法和Tennant法等。为降低特殊年份中的各别极端径流值的影响，采用逐月次最小值法计算最小生态径流。同时，引入频率排位法[12]，以90%保证率下的各月径流值作为河流最小生态径流，其计算结果不仅可减少极端径流值影响，满足各月生态径流随年内各月径流变化而变化的动态需求，还能在一定程度上考虑河流稀释突发性污染物的用水需求。

2.2.2 最大生态径流

最大生态径流是指为满足河流生态系统健康、稳定，河流中能够保持的最大水量[11]，若长期超过此水量，河流将遭受不可恢复的生态灾害，水生生物也将灭亡，其计算多采用逐月最大值法和Tennant法。为削弱特殊年份各别极端径流值的影响，采用逐月次最大值法计算最大生态径流。同时，引入频率排位法，以10%保证率下的各月径流值作为河流最大生态径流，其计算结果不仅可以剔除极端径流值影响，满足各月生态径流随年内各月径流变化而变化的动态需求，还能在一定程度上降低河流水生生物处于超限流量范围的生存风险。

2.2.3 适宜生态径流阈值

适宜生态径流是指确保河流生态系统稳定性及生物多样性处于最佳状态下的水量，其计算常借助逐月频率法[11]。因河流水文过程有一定的随机性特点，适宜生态径流也常伴有显著的统计特征，并存在一个合适的变动区间，即适宜生态径流阈值[13]。在Richter等[13]建立的RVA法基础上，采用逐月频率计算法，以25%、75%保证率分别计算各月径流量，并以此作为适宜生态径流阈值的上限和下限，即天然河流生态系统可以承受的流量变化范围[14]。

2.2.4 计算结果评价

(1)Tennant法。Tennant法[15]是由Tennant率先提出的，是一种非现场测定类型的标准测定法，主要作为河流生态径流的常规计算方法和分析评价标准，目前已广泛应用于相关研究[12,14-16]。该法依据预先设定的多年平均流量百分比，将流量对生态的有利程度依次划分为“差”到“最大”的8级，其评价结果及对应的平均流量百分比，见表2。

表2 Tennant法对应的河流生态径流评价结果及标准 %

(2)生态径流满足程度。生态径流满足程度可在一定程度上反映现状条件下河流生态系统的健康状况[14]，依据最小、最大生态径流和适宜生态径流阈值将宝泉岭站天然径流过程划分在5个区间，分别计算其生态径流满足程度。各区间内河流生态径流满足程度计算表达式如下：

θi=nij/ni×100

(1)

式中：θi为第i月的生态径流满足程度，%；nij为处于第i月第j区间内的年数；ni为第i月对应的总年数。

3 结果计算与分析

3.1 最小生态径流

基于逐月次最小值法、频率排位法(90%)及Tennant法(10%)计算得到的宝泉岭站最小生态径流过程，见图2和表3。

图2 梧桐河流域最小生态径流过程Fig.2 Processes for the minimum ecological flow in the Wutong river basin

表3 梧桐河流域最小生态径流量 万m3

3.2 最大生态径流

基于逐月次最大值法、频率排位法(10%)计算及Tennant法(200%)得到的宝泉岭站最大生态径流过程，见图3和表4。

图3 梧桐河流域最大生态径流过程Fig.3 Processes for the maximum ecological Lflow in the Wutong river basin

3.3 适宜生态径流阈值

参考RVA法基本原理，采用逐月频率计算法，将各月径流指标发生概率的25%、75%分别作为各指标的上下限，即宝泉岭站适宜生态径流阈值，见图4和表5。

图4 梧桐河流域适宜生态径流阈值过程Fig.4 Thresholds for the optimal ecological flow in the Wutong river basin

表4 梧桐河流域最大生态径流量 万m3

表5 梧桐河流域适宜生态径流阈值对应的径流量 万m3

3.4 Tennant法评价与比较

基于传统的水文学法中的Tennant法，评价与比较上述方法计算的宝泉岭站最小、最大生态径流和适宜生态径流阈值的计算值结果的合理性，见表6。

表6 梧桐河流域河流生态径流的Tennant法评价结果Tab.6 Assessments of the ecological flow by the Tennant method in the Wutong river basin

结合图2～图4以及Tennant法评价结果(表6)可知：①对于最小生态径流，相较于逐月次最小值法，频率排位法(90%)的计算值明及评价结果均是相对较优的，其计算值不仅可显著提高维持河流生态健康及水生生物基本生命特征所需最小水量的底限，赋予了各月生态径流一定的保证率，还使得枯水期水量稍大于其月次最小值，这也在一定程度增强了枯水期河湖自净和稀释污染物的能力，对维持河流健康和稳定是更为有利的；②对于最大生态径流，相较于逐月次最大值法，频率排位法(10%)的计算值明显偏小，并接近Tennant法中对生态有利程度为“最大”对应的径流过程(多年平均值的200%)，这可在一定程度上降低采用极端年份的极端值作为最大生态径流给河流生态系统空间结构稳定及水生生物安全生长的不利风险；③适宜生态径流阈值基本处于Tennant法中对生态有利程度为“好”至“最大”的流量范围内，尤其枯水期的适宜生态径流下限对生态有利程度为“极好”，这更有利于维持与保护河流生态系统的服务功能，采用该计算过程也是较为合适的。

3.5 河流生态径流满足程度

科学地度量河流生态径流满足程度，是合理制定和实施区域水资源开发活动的基础。以最小、最大生态径流及适宜生态径流阈值为基础，将生态径流过程划分为多个区间，其中区间Ⅰ表示天然径流大于最大生态径流情况，区间Ⅱ为天然径流处于适宜生态径流上限、最大生态径流径流情况，依次类推，区间Ⅴ表示天然径流小于最小生态径流情况。

宝泉岭站1951-2013年天然径流情形下的河流生态径流满足程度评价结果(见表7)显示：①1951-2013年时段内，仅有7.4%月份天然径流小于最小生态径流，10.2%月份天然径流大于最大生态径流，可见大部分月份内河流生境和水生生物都处在一个相对有利的流量条件下；②非汛期(10-5月)[17]各月中，1月、2月和12月天然径流低于最小生态径流以及高于最大生态径流的比例最高，可见在枯水期的上述月份中河流生态系统健康和水生生物生物容易受到极端流量影响。总体上，大部分时段内河流都处在一个相对较为有利的环境条件内。

表7 梧桐河流域河流生态径流满足程度 %

3.6 流域现状及未来发展的影响

(1)现状水资源开发情况。根据《梧桐河流域综合规划》(2016-2030年)[18]，梧桐河流域水资源总量12.42 亿m3，其中多年平均地表水资源量11.35 亿m3，地下水资源量3.30 亿m3，地下水可开采量2.35 亿m3。2014年流域总用水量4.43 亿m3，地表水供水量2.13 亿m3，地下水供水量1.98 亿m3，矿井水和污水处理回用量0.32 亿m3。2014年流域地表水开发利用率18.8%，扣除深层承压水开采量0.19 亿m3，地下水开发利用程度76.3%。梧桐河流域主要以农业用水为主，农业用水占总用水量的72%；工业发展水平落后，主要是鹤岗市工业主要以煤炭开采为主，结构单一，近年来受国内国际大气候影响较重，第二产业发展速度慢，工业节水潜力较大。

(2)流域未来水资源配置规划。根据《梧桐河流域综合规划》(2016-2030年)：①关门嘴子水库以上为上游山岳地区，水力资源丰富，以林、牧业及水能资源开发为主；②关门嘴子水库-宝泉岭站为中游丘陵至平原过渡区，人口少，河谷渐开阔，土地肥沃，为主要粮食产区，耕地以水旱田为主，未来规划在宝泉岭站以上建设关门嘴子水库及关门嘴子灌区；③宝泉岭站以下为中下游丘陵平原区，河谷开阔，地势平坦，土地肥沃，为主要粮食产区，以水田种植为主。

流域水资源供需平衡分析显示，考虑关门嘴子水库和松花江引水工程以及三江连通工程后，可满足流域发展对水资源的需求。经水资源优化配置后，2030年流域可供水量7.52 亿m3，其中地表水可供水量5.47 亿m3，地下水供水量1.61 亿m3，其他类型水源供水量0.43 亿m3。扣除引松花江水和三江连通调水后，流域地表水资源开发利用程度21.5%，平原区地下水开发利用程度68.5%，水资源开发利用程度为32.7%。

(3)河流生态径流影响。《梧桐河流域综合规划》(2016-2030年)中，根据梧桐河水资源条件、水生态特点和保护需求等，采用Tennant法，确定了梧桐河干流断面生态需水保障目标。其中，关门嘴子水库坝址生态基流、敏感期生态需水量分别为1.76和3.51 m3/s，梧桐河汇入松花江口处的生态基流、敏感期生态需水量分别为3.76和7.53 m3/s。

宝泉岭站断面最小生态径流、适宜生态径流下限及关门嘴子水库坝址生态基流、敏感期生态径流比较，见图5。由图5可知：①对年内各月，关门嘴子水库建成运行后，坝址处按规划的预定目标下泄生态基流，宝泉岭站断面1-3月和12月的最小生态径流均可以满足，4-11月关门嘴子水库坝址生态基流均小于宝泉岭站断面最小生态径流；②在敏感期(4-8月)，关门嘴子坝址下泄的生态径流均小于宝泉岭站断面的最小生态径流，可见河湖生态敏感区正常生态功能区的需水量及过程可能得不到满足。总体看来，未来宝泉岭站断面枯水期河流生态径流条件较好，丰水期则可能因关门嘴子水库建设，造成断面来水的大幅减少，进而河流生态遭受到很大程度的影响。

图5 梧桐河流域宝泉岭站生态径流与规划报告比较Fig.5 Comparison for the ecological flow between the results from the planning report and the Baoquanling station in the Wutong river basin

关门嘴子水库坝址以上流域面积1 846 km2，多年平均径流量5.54 亿m3，宝泉岭站以上流域面积2 750 km2，多年平均径流量7.98 亿m3，关门嘴子水库坝址来水占宝泉岭站断面的69.4%，是宝泉岭断面主要来水渠道。同时，宝泉岭站断面以上的细鳞河已建有细鳞河水库，未来可尝试研究关门嘴子水库及细鳞河水库的综合调度，力求在充分利用两水库坝址与宝泉岭站断面之间的区间来水及丰水期雨洪资源的同时，再通过流域上游多座水库的联合调度，促使下游河流生境尽可能地处在一个较为有利的流量条件下。

4 结 语

基于梧桐河主要控制站-宝泉岭站天然径流数据，采用多种水文学法计算了宝泉岭站断面的最小、最大生态径流及适宜生态径流阈值，研究了河流生态径流满足程度以及未来流域发展对河流生态径流的影响，主要结论如下。

(1)相较于逐月次最小(大)值法，频率排位法更适合于计算梧桐河流域最小、最大生态径流，该方法不仅赋予了各月生态径流以一定的保证率，还使得生态径流过程随年内来水呈现波动变化，其计算结果比较符合北方季节性特征明显的河流生态用水需求。尽管枯水期部分月份的河流生态系统和水生生物容易遭受极端流量条件，但大部分月份河流生境和水生生物都处在一个相对有利的流量条件下。

(2)关门嘴子水库建成运行后，未来流域地表水开发利用率将由现状2014年的18.8%提高到2030年的21.5%，关门嘴子水库下泄生态基流不能满足宝泉岭站断面4-11月最小生态径流，关门嘴子水库在敏感期(4-8月)下泄的生态径流也均小于宝泉岭站断面的最小生态径流，因而河湖生态敏感区正常生态功能区的需水量及过程可能也得不到满足。未来可通过关门嘴子水库及已建水库的综合调度，对河流相机适度补水，以最大限度地保障河流生态的可持续发展。

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