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生态环境需水量分析与补水方案

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[摘要]文章通过对饮马河流域石头口门水库还原计算,组成天然径流系列,采用不同方法对石头口门水库生态流量进行分析计算,得出各个月份生态环境需水量,提出了河流生态补水方案及水库的补水方案。分析成果具有一定的可操作性,为水行政主管部门对河流进行生态补水提供科学依据,也为相似流域确定生态环境流量提供参考。

[关键词]需水量;生态环境流量;生态水量满足程度;补水方案;饮马河

1流域概况

饮马河(不含伊通河,以下同)属第二松花江水系,是松花江一级支流,发源于磐石市,干流流经吉林省磐石市、永吉市、双阳区、九台区、德惠市,至农安县的红石垒屯注入第二松花江。饮马河在石头口门水库以上先后有驿马河、双阳河、岔路河汇入,在石头口门水库下游,有雾开河注入,最终在农安县靠山镇与伊通河汇合流入第二松花江。饮马河流域位于东北黑土地中心地带,面积为7608km2。流域内东部为山地和松辽平原过渡带,南部为低山丘陵,西北部为松辽平原,中部为平原,地势总体呈现东南高西北低。流域内有3/5为平原,有约2/5为山丘。是吉林省农作物主产区,是东北老工业基地和国家主要的粮食基地,人口密度高,技术先进,工业体系发达,对吉林省的经济社会发展起着重要的作用。

2流域开发利用情况及存在的问题

以2016年为现状年进行分析研究,饮马河流域总用水量62785×104m3,其中,生活用水3915×104m3,占总用水的6.23%;生产用水58695×104m3,占总用水的93.5%;生态环境用水175×104m3,占总用水的0.27%。生活用水中,城镇生活用水1310×104m3,农村生活用水2605×104m3。生产用水中,按产业,第一产业用水48525×104m3,第二产业用水8856×104m3,第三产业用水1286×104m3。生态环境用水指人为措施调配的城镇环境用水(含河湖补水、绿化、清洁)。根据2016年供用水量分析,饮马河流域地表水开发率为71.6%,地下水开采率为62.6%,表明该地区已无进一步开发利用的潜能,流域水资源短缺已经成为社会经济发展的瓶颈。同时,随着饮马河流域的经济快速发展,特别是城市的快速发展和人口的急剧膨胀,城市用水量持续增加,使得城市生活污水和工业废水排放量不断增加,农业面源污染也不断加大,水污染问题日趋严峻,水功能区长期处于不达标状况。由于中部城市供水工程尚未建成,石头口门水库承担着为长春市供水的主要任务,饮马河石头口门水库以下河段河道生态环境用水得不到保障,水质处于Ⅴ类或劣Ⅴ类状态,甚至经常出现断流现象。河道内生态环境脆弱,水功能区纳污能力降低,急需对河道进行生态补水,改善河道生态环境质量。

3生态环境需水量确定

3.1天然径流还原计算

为使河川径流计算成果能基本上反映天然情况,使资料系列具有一致性,以便采用数理方法进行分析。因此,对饮马河石头口门水库水文站以上受水利工程和工业、农业、生活等用水影响而损耗或增加的水量进行还原计算。还原项目包括农业灌溉、工业和城市生活用水的耗损量(含蒸发消耗和入渗损失)、跨流域引入或引出水量、河道分洪决口水量、水库蓄水变量(指大中型水库)等。

3.2分析计算

3.2.1Qp法

Qp法,又称不同频率最枯月平均值法,以节点长系列(≥30年)天然月平均流量、月平均水位、径流量()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。频率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,易取90%或95%。对于存在冰冻期或季节性河流,可将冰冻期和由于季节性造成的无水期排除在Qp法之外,只采用有天然径流量的月份排频得到。将石头口门水库来水进行还原计算,得到1956—2013年58年天然来水过程,用每年的最枯月排频(封冻期12月至次年3月除外),经频率计算得到对应90%的来水量为3.37m3/s,全年畅流期生态环境需水量为7104.50万m3。

3.2.2Tennant法

依据观测资料建立的流量和河流生态环境状况之间的经验关系,用历史流量资料就可以确定年内不同时段的生态环境需水量,使用简单、方便。该方法作为经验公式,主要适用于北温带较大的、常年性河流,作为河流规划目标管理、战略性管理方法。使用时,较枯与较丰时段的划分一般可以按照汛期和非汛期划分。根据饮马河流域水资源开发利用状况,参照不同河道内生态环境状况对应的流量百分比的取值范围,基本生态需水量计算枯水期取用百分比为15%,丰水期取用百分比为30%。目标生态需水量计算枯水期取用百分比为35%,丰水期取用百分比为55%。计算得出基本生态环境需水量为18490万m3,目标需水量为35034万m3。

3.2.3频率曲线法

用长系列水文资料的月平均流量、月平均水位或径流量的历史资料构建各月水文频率曲线,将95%频率相应的月平均流量、月平均水位或径流量作为对应月份的节点基本生态环境需水量,组成年内不同时段值,用汛期、非汛期各月的平均值复核汛期、非汛期的基本生态环境需水量。频率易取95%,也可根据需要做适当调整。该方法一般需要30年以上的水文系列数据。采用石头水库58年各个月的天然来水过程进行频率计算,取保证率95%的流量作为生态环境流量值。计算结果为13501.2万m3。3.2.4计算结果汇总各种方法计算结果汇总表,见表1。可以看出,Qp法计算生态环境需水量结果最小为3942.3万m3,Tennant法计算的目标生态环境流量最大为35034万m3。Tennant法计算的基本生态环境需水量和频率曲线法计算的生态环境需水量比较接近,分别为18490万m3和13501.2万m3。Ten⁃nant法属于经验公式,计算比较简单,频率曲线法采用了长系列的水文资料,计算结果更符合实际,因此,重点分析频率曲线法的计算成果。

3.3成果合理性分析

3.3.1生态环境需水量阈值分析

根据SL/Z712-2014《河湖生态环境需水计算规范》中,不同类型河流水系生态环境需水量参考阈值。

3.3.2生态流量确定

经过上述分析可知,此次用频率曲线法计算的基本生态环境需水量比较符合实际,并将计算结果确定为饮马河流域的生态环境流量。频率曲线法分析了全年各个月份生态需水量。从水库调度的实际情况考虑,冬季受冰冻影响,水库闸门开启和降落有一定困难,将封冻期的生态环境需水量合并到畅流期附近的月份之中,即将封冻期1,2,3月的生态环境需水量一并放到4月份畅流期考虑,将封冻期12月份的生态环境需水量合并到11份考虑。

4补水方案

4.1水库生态放流

为了恢复河流的生态功能,确保河流生态环境的改善,要进行生态放流。从水库解冻以后开始,至冰冻之前,应按照所确定的生态环境流量进行放流,即4,5,10,11月补给生态水量4297万m3,汛期6—9月份补给河流生态环境水量9204万m3。

4.2水库引水、补水

为确保生态环境流量,分析计算不同来水情况下的补水方案,经分析计算得知,在水库目前供水任务基本不变的情况下,来水量低于50%时就要及时启动引松入长供水工程。各月生态放水量即为水库应向下游河道进行生态补水的方案。水库补水方案:在来水保证率为75%时,水库要启动引松入长调水工程调水15000万m3。在来水保证率为95%时,每个月都需要进行调水,即满负荷调水量30000万m3。这样才能即保证河流生态环境用水,又能基本保证水库为生活、生产提供的水量。

5结语

通过采用不同方法对石头口门水库生态流量的分析计算,得出了该断面以下饮马河各个月份生态环境需水的最小流量,并评价了生态流量的满足程度及未得到满足的原因。根据实际情况提出了河流生态补水方案及水库的补水方案。分析成果既切合饮马河流域的实际情况,又具有一定的可操作性,可以为水行政主管部门对河流进行针对性管理的科学依据,也为相似流域确定生态环境流量提供参考。

[参考文献]

[1]SLT238-1999,水资源评价导则[S].

[2]SL429-2008,水资源供需预测分析技术规范[S].

[3]SL/Z712-2014,河湖生态环境需水计算规范[S].

[4]高永胜.水库生态调度问题的研究[J].人民黄河,2009,31(11)

作者:张锐 单位:吉林省水文水资源局长春分局

生态环境需水量分析与补水方案责任编辑:张雨    阅读:人次

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