新疆玛纳斯河生态流量管控目标确定研究

苏志强

（新疆玛纳斯河流域管理局水利管理中心,新疆 石河子 832061）

1 流域概况

玛纳斯河为新疆区级河流,发源于天山北麓,河流全长459.2 km,玛纳斯河是天山北坡最大的河流,多年平均径流量13.41亿m3。

玛纳斯河为季节性河流,以红山嘴引水枢纽为出山口断面,红山嘴引水枢纽以上为山区河段,常年有水；红山嘴引水枢纽以下为平原河段,季节性有水；此外玛纳斯湖是玛纳斯河的尾闾。将其河段划分为山区常流水河段、灌区季节性河段以及下游季节性天然河段3段。本次选取玛纳斯河生态水量（流量）控制断面共计3个,自上而下分别为肯斯瓦特水库断面、一级电站引水渠首断面、红山嘴引水枢纽断面。

2 资料及方法

2.1 数据来源

选取肯斯瓦特站、红山嘴站设计65年（1956年～2020年）实测水文资料进行分析。各站均值一律采用算术平均值,年径流量变差系数CV值和偏态系数CS值在矩法估算的基础上,采用P型频率曲线配线确定。根据计算与适线,肯斯瓦特站、红山嘴站多年平均径流量及不同保证率下的设计年径流量见表1。

表1 肯斯瓦特站、红山嘴站设计年径流成果 单位：108m3

2.2 目标指标

结合玛纳斯河实际情况,其生态水量（流量）分河段制定不同的目标指标要求：

（1）肯斯瓦特水库断面位于山地产水区,天然状态下历史上未发生过断流的河段,目标指标采用生态基流,按流量控制。

（2）一级电站引水渠渠首位于山地产水区,天然状态下历史上未发生过断流的河段,目标指标采用生态基流,按流量控制。

（3）红山嘴引水枢纽：该断面为山地产水区和灌区季节性河段的分界断面部分月份发生断流。综合考虑,该断面目标指标采用生态水量,按水量控制。

2.3 生态流量计算方法

目前,我国多采用水文学法和水力学法计算生态流量,但主要是通过水文历史资料分析河流流量,仍以水文学方法为主[1]。根据控制断面选择符合玛纳斯河实际的方法计算生态流量。常用计算方法的特点及具体适用条件如下：

（1）Tennant法

Tennant法由Don Tennant于1976年首次提出,是非现场测定类型的标准设定法,其利用观测数据建立河宽、河深及流速等栖息地生态参数与多年平均径流量的关系。该法计算步骤简洁,但缺乏对水文参数的探究,也忽略了各类水生生物的环境需求。该法对于流量较小河段计算有一定的局限。其公式为：

式中：Qi为第j个月的生态流量；n为统计年数；k为径流比例；Qij为第i年j月的平均流量。

（2）流量历时曲线法

流量历时曲线法通过整理、统计20年以上的水文数据资料,基于逐月流量历时曲线,将90%保证率的流量作为生态基流。

（3）Qp法（不同频率最枯月平均值法）

Qp法基于长系列月平均流量、水位或径流量,使用年度最枯月作排频计算得不同频率下最枯月流量、水位或径流量作为生态环境需水量最小值。频率依据河湖规模、来水情况和取用水现状综合分析确定,通常取90%或95%。此法计算出的生态流量维持了河湖水质标准,更适宜于生态环境需水要求。公式为：

式中：Qb为河道最小生态流量；n为统计年数；Qij为第i年j月的平均流量。

（4）最枯月流量法

最枯月流量法一般采用10年最枯月平均流量作为生态流量,由于要求的资料系列短,其适用范围、优缺点和局限性与保证率法相似,但是在河流纳污能力计算方面具有优势。

（5）7Q10法

7Q10法是将90%保证率的年内7天最枯流量作为生态环境需水量最小值。该法是以维持河流水质标准为目的,但往往低估了河道流量需求,致使河流生态功能无法满足。该法适用于水量较小,开发利用程度较高,同时具有长系列水文资料的河流。由于未考虑生物学因素,常用于水环境容量的分析。公式为：

式中：Qj为河道地j个月的生态流量；n为统计年数；Qij为第i年j月的平均流量。

3 生态流量确定

3.1 控制断面计算结果

根据玛纳斯河肯斯瓦特水文站、红山嘴引水枢纽断面长系列径流资料,以上述计算方法的具体要求进行分析、计算,得本河段生态基流成果见表2。

表2 不同水文学计算方法计算各节点生态基流成果表单位：m3/s

3.2 肯斯瓦特至红山嘴引水枢纽河段生态流量确定

通过上述不同方法计算成果来看,流量历时曲线法计算的成果最大,最枯月流量法计算的成果最小。从不同计算方法特点及适用条件来看,Tennant法、流量历时曲线法和7Q10法相对较适应于玛纳斯河流域。北方河流尤其是新疆相似流域近年已建工程Tennant法运用的较为普遍,因此确定采用Tennant法。

由于玛纳斯河流域地处北方干旱区,属缺水地区,而多年平均天然径流量的10%是保持河流生态系统健康的最小流量,故本方案将肯斯瓦特水库坝址、一级电站引水渠首断面多年平均天然径流量的10%作为生态基流的基值。各主要断面原生态流量成果见表3。

表3 河段主要工程断面生态基流成果表

因此,肯斯瓦特水库坝址和一级渠首断面生态流量为全年不低于3.87 m3/s。综合分析流域水资源条件和开发利用程度生态流量保证率确定为90%。

3.3 红山嘴引水枢纽断面生态水量的确定

由于河流现状下泄水量不够集中,河道损失水量较大等因素,少水期下泄的水量容易渗漏至河道,无法到达下游的夹河子水库,不能满足此河段生态用水的基本要求。为弥补玛纳斯河下泄河道水量不集中的问题,根据现有拦河的肯斯瓦特水库、红山嘴引水枢纽工程实际情况,相应调整工程年内调度运行方式,集中加大下泄力度,有效保障下游河段生态水量的下泄。

根据前述分析玛河河道来水特性,将全年划分为平水期（4月～5月、10月～11月）和汛期（6月～9月）2个时段,分别制定月平均生态水量目标。

（1）平水期生态水量确定

综合考虑河段生态需水要求、流域供用水实际及玛河河道特性,结合近年玛河河道实际输水效果及该河段不同断面流量监测结果,综合确定平水期（4年～5年、10年～11月）生态水量。玛纳斯河肯斯瓦特至夹河子水库河段流量在30 m3/s～40 m3/s时输水效率较高,也不易对河道沿岸工程产生影响,因此平水期生态输水水量分别拟定为不低于30 m3/s连续集中下泄不少于一次,单次下泄总量以2160万m3控制。

因红山嘴引水枢纽不具备调蓄功能,每年的4月至5月间、10月至11月间集中下泄生态水量时,上游的肯斯瓦特水利枢纽工程需配合调度,保障红山嘴引水枢纽断面按确定的水量要求及泄放方式下泄河道生态水量。红山嘴引水枢纽断面平水期下泄河道生态水量及泄放方式见表4。

表4 红山嘴引水枢纽断面平水期下泄生态水量目标值单位：亿m3

（2）关于汛期生态水量下泄目标

根据玛纳斯河红山嘴引水枢纽断面1980年～2021年连续42年实测汛期河道下泄水量统计,红山嘴多年平均6月～9月下泄河道水量达到3.78亿m3,其中6月、7月、8月、9月年均分别为 0.378亿m3、1.747亿m3、1.478亿m3和0.179亿m3。其中6月50%、75%和90%保证率条件下河道下泄水量分别为0.215亿m3、0.098亿m3和0.006亿m3；7月50%、75%和90%保证率条件下河道下泄水量分别为1.6092亿m3、1.034亿m3和0.775亿m3；8月50%、75%和90%保证率条件下河道下泄水量分别为1.4062亿m3、1.047亿m3和0.367亿m3；9月50%、75%和90%保证率条件下河道下泄水量分别为0.084亿m3、0.030亿m3和0亿m3。

根据上述分析,7、8月份红山嘴引水枢纽每年均有水量下泄河道,且下泄水量较大,下泄水量保障程度较高,6月、9月分别有3年和4年红山嘴引水枢纽未有水量下泄河道,且这两个月份下泄河道水量较小。本次汛期生态水量确定,综合考虑历年下泄水量实际统计分析,以90%保证率的各月实际下泄河道水量作为生态水量目标。

因此,红山嘴引水枢纽断面汛期6月、7月、8月和9月下泄河道的生态水量目标值分别为1080万m3、7751万m3、3672万m3和1080万m3,见表5。汛期的泄放方式及泄放流量,考虑到历年7月、8月来水量较大,基本不受工程调度影响,因此7月、8月下泄生态水量不做专门规定,依据汛期河道洪水情况和红山嘴渠首运行调度下泄即可；6月、9月生态水量较小,参照4月～5月和10月～11月的生态水量下泄形式,即每次以不低于30 m3/s的流量连续集中下泄不少于一次,保障下泄总量符合要求。

表5 红山嘴引水枢纽断面汛期（6月～9月）下泄生态水量目标值

4 结论

基于玛纳斯河流域多年径流资料,运用多种方法计算生态流量,分析确定适宜的生态流量范围和保障程度,得出以下主要结论：

（1）由于玛纳斯河流域地处北方干旱区,属缺水地区,而多年平均天然径流量的10%是保持河流生态系统健康的最小流量,故将肯斯瓦特水库坝址、一级电站引水渠首断面按照Tennant法确实是适宜的。

（2）结合红山嘴枢纽控制河段实际,以生态水量作为控制目标,分别确定汛期和平水期下水生态水量,同时规定生态水量下泄形式,即每次以不低于30 m3/s的流量连续集中下泄不少于一次,保障下泄总量符合要求。