白杨河生态水量分析

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1流域概况

1.1白杨河基本情况

奇台白杨河发源于博格达山脉4026m的冰峰雪岭处,河流全长60km,山区段长约32km,其中小河子支流较长,长约11km。白杨河除高山区有大小支流20条外,进入中山带后,又有黑沟、托古孜达拉、黑因喀不拉尕、科克萨依（小河子）等四条沟汇入河道。白杨河在山区段河谷狭窄,河道纵坡降较大,水流湍急,进入低山丘陵区后,河道纵坡降变缓,水流在河床中摆动,河道逐渐变宽。经过奇台县东湾乡墒户一村及十六村后,河水在耕地中大量消耗,到达S303省道时已演变成几处小沟渠,只有在汛期河水才能到达S303省道以北,并很快消失在北部的沙漠边缘。白杨河属于季节性河流,其季节性从时间上体现为径流年内分配和年际分配极不均匀；从空间上体现为白杨河水库以上河段常年有水,下游因受到水库工程的影响,白杨河水库以下河道除洪水期水库下泄时段有水外,其他时间均为断流状态。白杨河河道无水生动植物、无河流景观设施。白杨河需要保护的生态功能只包括维持河道基本形态和自净功能。

1.2管理断面和考核断面的选取

河湖生态用水需求及保障措施一般结合重要控制断面提出。控制断面的选定,需考虑其水量代表性和水文观测资料获取的难易程度。原则上,应优先考虑采用水资源综合规划确定的节点（生态需水确定节点或者计算节点）,或者收集借用或采用已有规划或者工程设计文件、环评报告确定的成果。本次生态基流及敏感生态需水控制断面选取的具体原则：（1）常年有水的水文控制断面；（2）河流上关键工程；（3）支流控制性断面；（4）重要水生生物栖息地、湿地等敏感水域控制断面。根据以上选取断面原则,选取五圣宫水文站、白杨河水库下泄断面、白杨河渠首断面和G335高速跨河桥下游0.97km处的奇台县与吉木萨尔县交界处断面为白杨河流域生态基流控制断面,见表1。

2生态基流确定

2.1计算方法的选择

生态基流的计算方法较多,一般可分为四大类：水文学法、水力学法、生境模拟法和整体法。白杨河五圣宫水文站水文资料条件较好,本次工作采用水文学法和水力学法计算五圣宫水文站测验断面的生态基流,成果如下：1）Qp法（不同频率最枯月平均值法）Qp法是以节点长系列（n≥30年）天然月平均流量、月平均水位或径流量为基础,用每年不同时段的最枯月排频,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基本生态环境需水量的最小值。频率P根据河湖水资源开发利用程度、规模、来水情况等实际情况确定,根据新疆河流特点,确定P取90。本次采用五圣宫站40年的实测径流量资料,选取每年不同时段最小月平均流量值,做频率曲线,理论频率曲线采用P-Ⅲ型曲线,频率计算的均值采用40年不同时段最小月平均流量的算术平均值,Cv、Cs值采用适线法确定。在适线时,主要依据理论频率与经验点据拟合较好为原则,同时兼顾到统计参数的合理性。推求出90%保证率的不同时段最小月平均流量。再将90%保证率的不同时段最小月平均流量换算成90%保证率的最小月径流量。2）Tennant法Tennant法是《新疆内陆河基本生态水量（流量）确定技术指南》（2021年）最为推荐的方法之一,适用于水量较大的常年性河流。现状随着白杨河流域经济社会用水量的增加,白杨河水资源利用的程度越来越高,按照《新疆内陆河基本生态水量（流量）确定技术指南》（2021年）,本次分析计算生态水量冰封期（12月~3月）按照年内同时段多年平均径流量的5%进行选取,平水期（4月~5月和10月~11月）按照年内同时段多年平均径流量的10%进行选取,年内水量较丰沛的丰水期（6月~9月）按照同时段多年平均径流量的20%选取。3）7Q10法（最小流量法）7Q10法选取90%~95%保证率下年内连续7天最枯流量值作为基本生态环境需水量的最小值（本报告取频率为90%）。该方法以五圣宫水文站40年径流系列为基础,进行年值排频,选取出P=90%频率对应的年份为1986年,该年中3月为最枯月份,从3月份选出年内连续7天最枯流量值,为0.255m3/s作为生态基流,合计年最小生态水量为0.0804亿m3。4）湿周法湿周法是水力学法中最常用的方法,利用湿周作为水生生物栖息地指标,通过搜集水生生物栖息地的河道尺寸及对应的流量数据,分析湿周与流量之间的关系。本次计算选取湿周与流量过程线中湿周率最接近80%的拐点作为河道生态需水量,成果为0.733m3/s,年需生态水量为0.2312亿m3。见表2。

2.2计算成果推荐

从表2计算结果看,不同时段不同频率最枯月平均值法最大,湿周法次之,Tennant法排第三,7Q10法最小。四种方法得出的生态基流规律为：Qp法＞湿周法＞Tennant法＞7Q10法。从年水量上分析,Qp法的计算结果最大,占到了断面多年平均径流量的34%；再次是湿周法,计算结果占断面多年平均径流量的33%,Tennant法成果排第三,计算结果占断面多年平均径流量的16%,最后是7Q10法结果占到了断面多年平均径流量的11.3%。从各种方法的适用性上分析,Tennant法适用于计算我国北方季节性河流,尤其是水文系列较长的河流,是水文学方法中较常用的一种方法,也是目前国内应用最多的方法,该方法计算步骤简单,可以快速确定数值。Tennant法是《新疆内陆河基本生态水量（流量）确定技术指南》（2021年）推荐的方法之一,适用于水量较大的常年性河流,白杨河属于北方季节性小河流,受限于白杨河的河流特性,故Tennant法的计算结果本次计算不予推荐。本次采用Qp法也是技术指南的推荐方法之一,但其计算的生态基水量占断面多年平均年径流量的34%,显然不适应白杨河承担下游的供水任务,开发利用程度较高的实际情况。7Q10法适用于拥有长系列水文资料,水量较少且开发利用程度较高的河流,其适用的河流特性与白杨河河流特性相符。白杨河断面为天然河道,冲刷严重,湿周与流量关系常处于变化之中,湿周法不适合于该河段生态水量的计算。排除不适用于河段生态水量计算的湿周法后,其余3种水文学法中的基础数据均基于白杨河五圣宫水文站40年的实测径流系列,资料数据较为可靠,故其余3种方法计算结果可靠。考虑到白杨河实际情况,按照数据集中趋势原则,首先排除计算结果偏高的Qp法,结果在剩余的Tennant法、7Q10法中选取,对比2种方法的优劣,选择适用范围符合白杨河特性、国内应用较多的7Q10法的计算结果作为本次工作控制断面的生态基流成果。

2.3现状达标评价

通过分析奇台县水利局2020年统计数据,2020年白杨河流域白杨河渠首断面来水量为4315.97万m3,取用水量为2231.55万m3,下泄水量为2084.42万m3,大于渠首断面需要下泄的生态水量值,其生态水量可以得到保障。白杨河渠首在90%频率时来水量为4501万m3,白杨河流域近10年用水量为3432万m3,有1069万m3水量下泄,大于该考核断面需要的下泄生态水量需求。

3结论

本文采用不同方法对奇台县白杨河生态基流进行了分析计算,通过分析白杨河河流特性与各计算方法的适用性,最终确定的奇台白杨河生态基流量为450万m3,通过分析流域现状供用水概况,推荐的生态水量在现状年均可得到保障。综合分析,奇台白杨河生态水量推荐成果较为合理。未来水行政部门应科学管理白杨河生态泄水量,将其作为区域水利调度、水量生态调度的重要依据,对不满足生态水量下泄的水利工程,采取有效措施保障生态流量泄放。将白杨河生态保护目标所需的生态需水纳入到流域水资源配置总体考虑中,以确保白杨河流域内生态用水要求得以保障。a

作者:郭龙华 单位:昌吉水文勘测局