松花江（三岔河口以上）生態(tài)環(huán)境需水研究

李孟南

（吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院，吉林長春130021）

1 概況

1.1 自然地理

松花江（三岔河口以上）流域面積為7.34 萬km2，其中吉林省境內(nèi)面積為7.29 萬km2，河長958 km。松花江（三岔河口以上）干、支流流經(jīng)吉林省長春、吉林、松原、延邊州等9 個市（州、管委會）27個縣（市、區(qū)）。整個流域地勢東南高、西北低，河道由東南流向西北。流域年平均降水量比較充沛，水資源較豐富，特別是上游山區(qū)，山高河陡，水能資源也很豐富。

1.2 河流水系

松花江（三岔河口以上）流域東南高、西北低，河道由東南流向西北。從源頭到二道松花江與頭道松花江匯合的兩江口，為河源段，河道長255.7 km，集水面積1.87 萬km2，整個江段位于長白山山地。從兩江口到豐滿電站壩址為上游段，長208.1 km，集水面積2.42 萬km2，河流穿行于高山峽谷間。由豐滿電站壩址到沐石河口為中游段，河長190.7 km，集水面積0.95 萬km2，為山丘區(qū)向松嫩平原的過渡段。由沐石河口至三岔河為下游段，流經(jīng)松嫩平原，河道長170.9 km，集水面積2.14 萬km2，河谷內(nèi)多沙丘、濕地，江汊發(fā)育。

1.3 氣象

松花江（三岔河口以上）流域?qū)儆诩撅L(fēng)降水地區(qū)，冷暖氣團交替控制，四季氣候變化明顯。降水量由長白山區(qū)向西北平原區(qū)遞減，上游長白山天池的降水量在1 000 mm 以上，到下游平原區(qū)減至400 mm 左右。區(qū)域內(nèi)的降水年內(nèi)分配極不均勻，主要集中在6—9 月，降水量占全年的70%～80%。該流域的主要天氣系統(tǒng)有華北氣旋、蒙古氣旋、河套氣旋以及副熱帶高壓后部切變、臺風(fēng)等，暴雨成因主要是氣旋雨、臺風(fēng)雨和地形雨。多年平均蒸發(fā)量為1 488 mm，多年平均氣溫4.40 ℃，多年平均風(fēng)速3.60 m/s，主風(fēng)向為西南風(fēng)。全年日照時數(shù)2 200～2 400 h，無霜期130 d 左右，最大凍土深1.60～2.00 m。

2 河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量計算方法

根據(jù)SL/Z712-2014《河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》中的定義，河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量為維系河流、湖泊、沼澤給定的生態(tài)環(huán)境保護目標(biāo)，需要保留在河道內(nèi)的水量。給定的生態(tài)環(huán)境保護目標(biāo)是指根據(jù)水資源條件和開發(fā)利用狀況，合理確定的需要維系的生態(tài)環(huán)境功能。根據(jù)SL/Z712-2014關(guān)于生態(tài)環(huán)境需水分類規(guī)定，松花江（三岔河口以上）流域生態(tài)環(huán)境需水量的計算，主要考慮河流基本和目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量兩種情況。

松花江（三岔河口以上）流域各節(jié)點基本生態(tài)環(huán)境需水量計算：用長系列（1956—2016 年）95%保證率逐月最小月平均流量乘以每月天數(shù)，計算各節(jié)點基本生態(tài)環(huán)境需水量；松花江（三岔河口以上）流域各節(jié)點目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量計算包括用長系列95%保證率逐月最小月平均流量乘以每月天數(shù)，計算基本生態(tài)環(huán)境需水量；水生生物保護需水量計算、保持水體自凈能力需水量計算，這3 項中逐月取外包值，再加上水庫逐月蒸發(fā)和滲漏消耗需水作為河流各節(jié)點目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量。

2.1 河流基本生態(tài)環(huán)境需水量

根據(jù)長系列95%保證率最小月平均流量，計算多年平均最小生態(tài)環(huán)境需水量作為河流基本生態(tài)環(huán)境需水量。計算公式為：

式中：Wr為河流最小生態(tài)環(huán)境需水量；min（Wij）p=95%為95%保證率最小月平均徑流量。

2.2 保持水體自凈能力需水量

根據(jù)納污能力計算公式，用現(xiàn)狀排污量及預(yù)測排污量進行反推算自凈需水量。但是目前由于資料缺乏，采用現(xiàn)狀排污量通過完全混合方式進入水體后，達到水功能區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)計算出的水量為自凈水量。由于松花江（三岔河口以上）河槽較窄，流量較小，河道流速隨時間變化不大，容易充分混合，因此可用下列模型預(yù)測：

采用完全混合模型進行預(yù)測，計算公式：

式中：C——為混合后污染物濃度，mg/L；Cp——污水排放濃度，mg/L；Qp——污水排放量，m3/s；Ch——上游河段污染物濃度，mg/L；Q——河段流量，m3/s。

2.3 水生生物保護需水量

水生生物保護需水量為維持河流系統(tǒng)水生生物生存的最小生態(tài)需水量，是指維系水生生物生存與發(fā)展，即保存一定數(shù)量和物種的生物資源，河道中必須保持的水量。水生生物保護需水量可按照河道多年平均年徑流量的比例估算。

2.4 水庫水面蒸發(fā)消耗需水量

按水庫平均水面面積計算，其計算公式表示如下：

式中：Ww——水面蒸發(fā)消耗需水量，m3/a；A——蒸發(fā)水面面積（按水庫正常高水位時水面面積的1/2 計算），m2；E ——相應(yīng)水面蒸發(fā)能力，mm；P——相應(yīng)水面上陸面蒸發(fā)能力，mm。

2.5 水庫滲漏消耗需水量

此次按水庫正常高水位時水面面積的1/2 乘以0.5 m，計算水庫滲漏消耗水量。

3 生態(tài)環(huán)境需水量計算結(jié)果

3.1 基本生態(tài)環(huán)境需水量

3.1.1 保護目標(biāo)

為實現(xiàn)松花江（三岔河口以上）流域水資源高效合理利用與生態(tài)環(huán)境保護有機結(jié)合，確定主要生態(tài)環(huán)境功能為維持基本形態(tài)、自凈能力、水生生物等，作為松花江（三岔河口以上）生態(tài)環(huán)境保護目標(biāo)。

3.1.2 需水量計算

同一條河流應(yīng)在上下游各節(jié)點年內(nèi)不同時段需水量和全年需水量的平衡協(xié)調(diào)基礎(chǔ)上，按從下游到上游順序，取各節(jié)點生態(tài)環(huán)境需水量的外包值作為該河流的基本生態(tài)環(huán)境需水量。

根據(jù)松花江（三岔河口以上）流域各河流多年平均徑流量，計算各河流基本生態(tài)環(huán)境需水量與各河流多年平均徑流量比值，計算結(jié)果詳見表1。

從表1 可以看出：溫德河基本生態(tài)環(huán)境需水量占多年平均徑流量的比值較小，為13%；頭道松花江和松江河基本生態(tài)環(huán)境需水量占多年平均徑流量的比值較大，為45%；松花江（三岔河口以上）基本生態(tài)環(huán)境需水量占多年平均徑流量的比值為33%。松花江（三岔河口以上）流域各河流基本生態(tài)環(huán)境需水量占多年平均徑流量的比值為13%～45%。

3.2 目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量

3.2.1 水生生物保護需水量

水生生物保護需水量按照河道多年平均年徑流量的比例估算，此次按30%計算。

3.2.2 水質(zhì)目標(biāo)及水質(zhì)現(xiàn)狀

根據(jù)《吉林省環(huán)境保護廳關(guān)于印發(fā)吉林省所涉及“十三五”國省控江河斷面和湖庫點位設(shè)置及水質(zhì)目標(biāo)表的通知》（吉環(huán)字辦〔2016〕70 號），松花江（三岔河口以上）干流共23 個國、省控監(jiān)測斷面。除2017 年大坡江橋、2018 年烏金屯大橋水質(zhì)現(xiàn)狀不滿足目標(biāo)要求外，其余國、省控各斷面均能滿足水質(zhì)目標(biāo)要求。

表1 各河流基本生態(tài)環(huán)境需水量占比表104 m3

表2 各河流目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量占比表 104 m3

3.2.3 水庫水面蒸發(fā)需水量

根據(jù)湖泊水面蒸發(fā)消耗需水量計算公式，松花江（三岔河口以上）流域有楓林電站、松山電站、雙河二級電站、小山電站、雙溝電站、石龍電站、301電站、兩江電站、大興川電站、白山水庫、紅石水庫、龍鳳水庫、團山子水庫、豐滿水庫、朝陽水庫、二道水庫、碾子溝水庫、胖頭溝水庫、大綏河水庫、紅星水庫、慶豐水庫、牛頭山水庫、柴福林水庫、高城子水庫、躍進水庫和哈達山水利樞紐等26 座大中型水庫，蒸發(fā)消耗總需水量為2 332×104m3。

3.2.4 水庫滲漏消耗需水量

根據(jù)水庫滲漏消耗需水量計算方法，松花江（三岔河口以上）流域有豐滿水庫等26 座大中型水庫，計算結(jié)果是滲漏消耗總需水量為18 446×104m3。

3.2.5 各節(jié)點目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量

根據(jù)各節(jié)點目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量計算方法，計算松花江（三岔河口以上）流域各節(jié)點目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量。經(jīng)計算，高城子河目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量最小，為221×104m3，三岔河口以上目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量最大，為593 387×104m3。

3.2.6 各河流目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量

同一條河流應(yīng)綜合協(xié)調(diào)上下游各節(jié)點目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量的基礎(chǔ)上，自下而上取各節(jié)點生態(tài)環(huán)境需水量的外包值，并與該河流河道內(nèi)生產(chǎn)需水和河道外用水需求協(xié)調(diào)平衡后，合理確定河流的目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量。

根據(jù)各河流多年平均徑流量，計算各河流目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量與各河流多年平均徑流量的比值，計算結(jié)果詳見表2。

從表2 可以看出：松花江（三岔河口以上）流域各河流目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量占多年平均徑流量的比值為30%～47%，松花江（三岔河口以上）目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量占多年平均徑流量的比值為36%。

3.3 成果合理性分析

3.3.1《河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》規(guī)定的參考閾值

根據(jù)SL/Z712-2014中不同類型河流水系生態(tài)環(huán)境需水量參考閾值，松花江（三岔河口以上）為北方河流，全流域總面積7.34萬km2，其中吉林省境內(nèi)面積為7.29 萬km2，屬于較大江河，松花江（三岔河口以上）地表水開發(fā)利用程度為30%，為低開發(fā)利用河流。故松花江（三岔河口以上）基本生態(tài)環(huán)境需水量與多年平均徑流量的比值應(yīng)大于等于25%，松花江（三岔河口以上）目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量與多年平均徑流量的比值應(yīng)大于等于55%。此次計算的松花江（三岔河口以上）流域基本生態(tài)環(huán)境需水量與多年平均徑流量的比值為33%；松花江（三岔河口以上）流域目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量與多年平均徑流量的比值為36%，為近期目標(biāo)，遠期將達到SL/Z712-2014的要求。故認(rèn)為此次結(jié)果較合理。

3.4 基本和目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水過程

松花江（三岔河口以上）流域各河流基本和目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水均是按月平均需求，因此各河流基本和目標(biāo)生態(tài)環(huán)境逐月需水過程詳見表3、表4。

4 結(jié)論

松花江（三岔河口以上）基本生態(tài)環(huán)境需水量為539 961×104m3，占多年平均徑流量的33%；目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量為593 387×104m3，占多年平均徑流量的36%。

表3 松花江（三岔河口以上）流域各河流基本生態(tài)環(huán)境需水過程104 m3

表4 松花江（三岔河口以上）流域各河流目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水過程104 m3