基于水文学法的古莲河生态流量研究

孙芳欣，王立权，刘 岩，李 莹

( 1.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080; 2.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

1 材料与方法

1.1 区域概况

1.1.1 流域概况

古莲河位于漠河市西部，属于黑龙江水系，发源于漠河市西部大兴安岭山脉，是大林河一级支流，流经古莲林场和古莲河煤矿，最后注入大林河。河流全长90.0 km，宽50.0 m，水深1.2 m左右，流域面积1258.0 km2，河道天然落差670.0 m，主要支流有波鲁戛里河、博拉府河、霍拉盆河、乌克勒江河等。

1.1.2 水文气象

流域径流主要由降水形成。春季(4—5月)径流主要是融雪形成，夏秋季径流来源于大气降水。降雨年内分配不均，径流年内分配与降雨基本一致，5—9月径流量占年总量的85%，其中7月、8月 径流量占年总量的40%。按照成因分析，古莲河洪水可分为春汛、夏汛和秋汛。春汛洪水由融雪形成，洪水过程较短，一般10～15 d，单峰形，峰值较大洪量较小。夏汛和秋汛洪水由暴雨形成，洪峰主要来源于上游。

1.1.3 水资源开发利用情况

漠河市多年平均水资源总量为30.59亿m3，其中地表水资源量是30.19亿m3，而地下水资源量是4.78亿m3，重复计算量4.38亿m3。2018年漠河市地表水用水量为133.22万m3/a，地下水用水量为423.13万m3/a，地下水开发利用潜力较大。20世纪80年代时期，古莲河流域上游为产金之地，建有古莲河金矿和古莲河煤矿。河水污染严重，河道生态环境遭到严重破坏。近几年，政府对河流污染的情况越来越重视，经过治理，古莲河水污染情况已经得到解决。

1.2 研究方法

1.2.1 Qp法

Qp法[1-3]，又称不同频率最枯月平均值法，以节点长系列天然月平均流量、月平均水位、或径流量(Q)为基础，用每年的最枯月排频，选择不同频率下的最枯月平均流量、月平均水位或径流量作为节点基本生态环境需水量的最小值[4]。频率P根据河湖规模、水资源开发利用程度、来水情况等实际情况确定，取90%或95%[5]。由于古莲河汛期和非汛期流量差异较大，从而分别对汛期、非汛期进行Qp法分析。

1.2.2 Tennant 法

Tennant法[6-9]目前广泛用于我国河流生态径流的研究，在计算时根据流域实际径流特征将统计时段分为汛期和非汛期两部分，构建河道年内不同时段河道流量与生态质量之间的经验关系，并且按照汛期、非汛期2个时段来统计[10-11]。依据观测资料推求流量和河流生态环境状况之间的相关关系，用历史流量资料就可以确定年内不同时段的生态需水量[12]。

该方法使用方便、简单，主要适用于北温带较大的常年性河流，经常作为确定河流生态目标，对河流进行规划管理的常用方法。

1.2.3 频率曲线法

用长系列水文资料的径流量、月平均水位或月平均流量的历史资料构建水文频率曲线，并分别用 P-Ⅲ型曲线进行频率适线，选取95%频率相应的径流量、月平均水位或月平均流量作为基本生态环境需水量,组成年内不同时段值，用非汛期、汛期各月的平均值复核非汛期、汛期的基本生态环境需水量[5]。

1.3 数据来源

收集流域内的水文资料，并还原成天然径流系列，使资料成果具有一致性，可以反映天然情况，以便采用数理计算方法进行分析。古莲河上没有设置水文站，参考古莲河的地理位置，由于地理位置、地形、地貌相同可采用类比法，进行产流修正后进行分析计算。本次分析计算过程中，采用2002—2020年额尔木河西林吉站(集水面积10 060 km2)的月平均天然径流量资料，进行古莲河的水文分析。

2 结果与分析

2.1 Qp法计算结果

选取每年汛期(6—9月)、非汛期(4—5月，10—11月)的最枯月径流量进行排频，将90%频率下的径流量作为基本生态环境需水量。古莲河最枯月平均径流量计算成果见图1与图2，表1与表2。

图1 西林吉站汛期最枯月流量频率曲线

图2 西林吉站非汛期最枯月流量频率曲线

表1 古莲河汛期最枯月流量频率计算结果

表2 古莲河非汛期最枯月流量频率计算结果

综上所述，通过 Qp法计算分析，古莲河的生态需水量计算结果见表3。古莲河全年基本生态需水量为3077.91万m3，其中非汛期生态需水量为368.93万m3，生态基流量 0.35 m3/s；汛期基本生态需水量为2708.99万 m3，生态基流量2.57 m3/s。

表3 古莲河基本生态环境需水量 Qp法计算结果

2.2 Tennant 法计算结果

本次分析计算过程中，古莲河的多年平均流量利用西林吉站的平均流量，通过面积比法获取，综合类似流域的相关经验，生态基流量非汛期按20%、汛期按30%取值，计算结果见表4。古莲河全年基本生态需水量为6142.82万 m3，其中非汛期基本生态需水量1764.89万m3，生态基流量1.67 m3/s；汛期基本生态需水量4377.93万 m3，生态基流量4.15 m3/s。

表4 古莲河基本生态需水量 Tennant 法计算结果表

2.3 频率曲线法计算结果

本方法以西林吉站的月平均天然径流序列资料为基础，进行排频计算，将95%频率相应的月平均流量作为生态基流量。利用排频结果，采用面积比法获得古莲河的生态流量目标计算结果，见表5。古莲河全年基本生态需水量为4980.35万m3，其中非汛期基本生态需水量为2319.05万m3，生态基流量2.18 m3/s；汛期基本生态需水量为2661.30万m3，生态基流量2.52 m3/s。

表5 古莲河基本生态环境需水量频率曲线法计算结果

2.4 生态流量分析

通过Qp法、Tennant法、频率曲线法分析计算，古莲河生态需水量成果见表6。

表6 古莲河生态需水量计算结果汇总

经过上述分析计算，综合考虑各时期的生态流量目标，河道的实际情况和监测能力，以及古莲河的冰封期等因素，非汛期、汛期采用 Qp 法、Tennant 法、频率曲线法分析计算结果的中间值作为生态流量目标。为此古莲河各月生态流量目标及基本生态需水量见表7。古莲河全年基本生态需水量为4469.30万m3，其中非汛期生态流量目标为1.67 m3/s；汛期生态流量目标为 2.57 m3/s。

表7 古莲河各月生态流量目标及生态需水量

采用长系列逐日实测流量资料进行评价，保障程度为各分期逐日实测流量达到或超过生态流量目标值的天数与各分期实测总天数的比值。原则上，生态基流设计保证率不低于 90%～95%。古莲河主要控制断面生态基流设计保证率达到90%。

3 结 论

本文采用2002—2020年西林吉站(集水面积10 060 km2)的月平均天然径流量资料对漠河市古莲河进行水文分析。经过分析计算，综合考虑各时期的生态流量目标，非汛期、汛期采用 Qp法、Tennant法、频率曲线法分析计算结果的中间值作为生态流量目标比较符合古莲河的生态状况，能很好地反映出古莲河年内生态径流变化过程。古莲河全年基本生态需水量为 4469.30万m3，其中非汛期生态流量目标为1.67 m3/s；汛期生态流量目标为2.57 m3/s。