基于水文学法的郭苏河生态流量研究

王 鑫

（河北省水利水电勘测设计研究院集团有限公司，河北 石家庄 050000）

按照《关于全面推行河长制的意见》的相关要求，为进一步推动河湖健康评价工作，平山县水利局选取郭苏河作为河湖健康评价工作试点。生态流量满足程度是河流健康评价重要的必选指标，郭苏河无已批复的生态水量保障实施方案。按照《河湖健康评价指南》以及《河北省河湖健康评价技术大纲》的要求，依据《河湖生态环境需水量计算规范》（SL/Z 712-2021）中的计算方法，计算了郭苏河生态流量目标值，并对不同计算方法进行了分析。

1 概况

郭苏河属海河流域的子牙河水系，为滹沱河的支流。河流源头位于河北省石家庄平山县两界峰，经宅北乡、苏家庄乡，于东峪村汇入岗南水库，河道全长24.7 km。郭苏河河流源头高程1 040 m，河流出口高程200 m，流域汇流面积140.0 km2，平均宽度约5.7 km，河底平均纵坡为16.97‰。郭苏河流向由北向南，上游于宅北乡会口村有北向与西向两支流交汇，中游纳滚龙沟、十里沟等小河沟，下游临近出口处与由西北向东南流向的缑家庄沟汇合后，于苏家庄乡东峪村附近注入岗南水库。郭苏河流域地势北高南低，起伏较大，上游无水库等控制性工程，河道两岸堤防工程很少，大部分河段仍处于自然状态。郭苏河水系示意，如图1所示。

图1 郭苏河水系

2 生态流量计算

2.1 计算依据

本次依据《河湖生态环境需水量计算规范》（SL/Z 712-2021），计算郭苏河生态流量目标值。郭苏河没有流量观测资料，相邻柳林河刘家坪水文站有30 a以上的流量观测资料，刘家坪水文站集水流域与郭苏河流域距离较近、下垫面条件相似、流域面积接近，因此本次计算通过刘家坪水文站流量资料，采取水文比拟法推求郭苏河的生态流量目标值。

2.2 计算方法及结果

2.2.1 计算方法选取生态流量主要有水文学、整体分析、栖息地模拟、水力学等类型的计算方法。整体分析法、栖息地模拟法需要大量的流域生态数据，我国大部分河流没有相关的文献记载，郭苏河也缺少相关的生态资料支撑。水力学法需要投入大量的人力、时间来获取河流完整的地形资料，人力、时间成本较高。水文学法仅需历史流量资料，计算简单快捷，准确度较高，非常适合应用于中小河流的生态流量计算[1-4]。

水文学法常用方法有Qp法、近10 a最枯月平均流量法、经验公式法和频率曲线法等[5]。

2.2.2Qp法

Qp法也被称为不同频率最枯月平均值法，以断面天然月平均流量数据为计算基础，需要大于30 a的较长数据系列[6]。首先统计每年月平均流量最小值，构成水文系列，然后排频，使用P-Ⅲ频率曲线配线，以90%保证率的流量为生态流量。郭苏河每年月平均流量最小值水文系列的P-Ⅲ频率曲线如图2所示，适线参数及结果详见表1，Qp法计算的生态流量为0.015 m3/s。

表1 Qp法适线参数及结果m3/s

图2 Qp法P-Ⅲ频率曲线

2.2.3 经验公式法

经验公式法又称为蒙大拿法、Tennant 法，依据多年的历史观测流量、生态状况资料建立流量与生态的对应关系[7]，经不断总结完善而得出的经验公式。以汛期、非汛期多年平均流量为基础，通过不同的阈值，来确定汛期、非汛期生态流量。不同地区、等级、开发利用程度的河流生态流量阈值取值范围也不相同。郭苏河属于北方中小河流，水资源开发利用程度低，生态流量取系列数据多年平均流量的20%。郭苏河汛期、非汛期各年份流量均值分布，如图3 所示。经计算，郭苏河多年平均流量汛期为1.164 m3/s，非汛期为0.274 m3/s；生态流量汛期为0.233 m3/s，非汛期为0.055 m3/s。

图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

该方法以近10 a每年的月平均流量最小值为计算基础，取系列数据中的最小值（非零）为生态流量。经统计，郭苏河近10 a 每年月平均流量最小值分布如图4 所示，其中最小值为0.028 m3/s，计算生态流量为0.028 m3/s。

图4 近10 a最枯月平均流量分布

2.2.5 频率曲线法

频率曲线法以30 a以上长系列的各月平均流量为计算基础，将每个月系列数据排频、P-Ⅲ频率曲线配线，得到年内每个月的频率曲线，取90%保证率流量为对应月份生态流量。以鱼类产卵育幼期（4—9月）、一般用水期（10—次年3月）各月生态流量的平均值作为对应时段的生态流量[8]。经排频、P-Ⅲ频率曲线适线计算，郭苏河生态流量鱼类产卵育幼期（4—9月）为0.205 m3/s，一般用水期（10—次年3 月）为0.141 m3/s。频率曲线法适线参数及结果，详见表2。

表2 频率曲线法适线参数及结果m3/s

2.3 计算结果汇总

以上各种方法计算的生态流量，详见表3。

表3 不同方法计算的生态流量m3/s

3 计算结果分析

Qp法计算数据基础为每年月平均流量中的最小值，取排频适线后90%保证率的设计值，该方法考虑了低保证率的枯水月份[9]，但代表性不足，计算结果偏小。近10 a最枯月平均流量法适用于系列资料较短的情况，如果能收集到30 a 及以上的系列数据，一般不使用该方法。Tennant法采用汛期、非汛期多年平均流量的20%，考虑了汛期、非汛期流量差异。频率曲线法使用月平均流量构建水文系列，然后进行排频、适线，取90%保证率的流量为生态流量。

综上，Tennant 法和频率曲线法代表性较好。Tennant法时段划分为汛期与非汛期，频率曲线法时段划分为鱼类产卵育幼期和一般用水期，相比较而言，频率曲线法时段划分能够更好地反映生态需求，计算的生态流量也更能满足生态环境要求。

4 结语

生态流量满足程度是河流健康评价重要的必选指标，科学地计算生态流量对河道综合管理意义重大。本文计算分析了郭苏河生态流量，为郭苏河生态保护、河道健康评价提供数据支撑，也可为其他河道生态流量计算提供参考。