松花江（三岔河口以上）生态环境需水研究

2021-01-23李孟南

东北水利水电 2021年1期

李孟南

（吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春130021）

1 概况

1.1 自然地理

松花江（三岔河口以上）流域面积为7.34 万km2，其中吉林省境内面积为7.29 万km2，河长958 km。松花江（三岔河口以上）干、支流流经吉林省长春、吉林、松原、延边州等9 个市（州、管委会）27个县（市、区）。整个流域地势东南高、西北低，河道由东南流向西北。流域年平均降水量比较充沛，水资源较丰富，特别是上游山区，山高河陡，水能资源也很丰富。

1.2 河流水系

松花江（三岔河口以上）流域东南高、西北低，河道由东南流向西北。从源头到二道松花江与头道松花江汇合的两江口，为河源段，河道长255.7 km，集水面积1.87 万km2，整个江段位于长白山山地。从两江口到丰满电站坝址为上游段，长208.1 km，集水面积2.42 万km2，河流穿行于高山峡谷间。由丰满电站坝址到沐石河口为中游段，河长190.7 km，集水面积0.95 万km2，为山丘区向松嫩平原的过渡段。由沐石河口至三岔河为下游段，流经松嫩平原，河道长170.9 km，集水面积2.14 万km2，河谷内多沙丘、湿地，江汊发育。

1.3 气象

松花江（三岔河口以上）流域属于季风降水地区，冷暖气团交替控制，四季气候变化明显。降水量由长白山区向西北平原区递减，上游长白山天池的降水量在1 000 mm 以上，到下游平原区减至400 mm 左右。区域内的降水年内分配极不均匀，主要集中在6—9 月，降水量占全年的70%～80%。该流域的主要天气系统有华北气旋、蒙古气旋、河套气旋以及副热带高压后部切变、台风等，暴雨成因主要是气旋雨、台风雨和地形雨。多年平均蒸发量为1 488 mm，多年平均气温4.40 ℃，多年平均风速3.60 m/s，主风向为西南风。全年日照时数2 200～2 400 h，无霜期130 d 左右，最大冻土深1.60～2.00 m。

2 河道内生态环境需水量计算方法

根据SL/Z712-2014《河湖生态环境需水计算规范》中的定义，河道内生态环境需水量为维系河流、湖泊、沼泽给定的生态环境保护目标，需要保留在河道内的水量。给定的生态环境保护目标是指根据水资源条件和开发利用状况，合理确定的需要维系的生态环境功能。根据SL/Z712-2014关于生态环境需水分类规定，松花江（三岔河口以上）流域生态环境需水量的计算，主要考虑河流基本和目标生态环境需水量两种情况。

松花江（三岔河口以上）流域各节点基本生态环境需水量计算：用长系列（1956—2016 年）95%保证率逐月最小月平均流量乘以每月天数，计算各节点基本生态环境需水量；松花江（三岔河口以上）流域各节点目标生态环境需水量计算包括用长系列95%保证率逐月最小月平均流量乘以每月天数，计算基本生态环境需水量；水生生物保护需水量计算、保持水体自净能力需水量计算，这3 项中逐月取外包值，再加上水库逐月蒸发和渗漏消耗需水作为河流各节点目标生态环境需水量。

2.1 河流基本生态环境需水量

根据长系列95%保证率最小月平均流量，计算多年平均最小生态环境需水量作为河流基本生态环境需水量。计算公式为：

式中：Wr为河流最小生态环境需水量；min（Wij）p=95%为95%保证率最小月平均径流量。

2.2 保持水体自净能力需水量

根据纳污能力计算公式，用现状排污量及预测排污量进行反推算自净需水量。但是目前由于资料缺乏，采用现状排污量通过完全混合方式进入水体后，达到水功能区划标准计算出的水量为自净水量。由于松花江（三岔河口以上）河槽较窄，流量较小，河道流速随时间变化不大，容易充分混合，因此可用下列模型预测：

采用完全混合模型进行预测，计算公式：

式中：C——为混合后污染物浓度，mg/L；Cp——污水排放浓度，mg/L；Qp——污水排放量，m3/s；Ch——上游河段污染物浓度，mg/L；Q——河段流量，m3/s。

2.3 水生生物保护需水量

水生生物保护需水量为维持河流系统水生生物生存的最小生态需水量，是指维系水生生物生存与发展，即保存一定数量和物种的生物资源，河道中必须保持的水量。水生生物保护需水量可按照河道多年平均年径流量的比例估算。

2.4 水库水面蒸发消耗需水量

按水库平均水面面积计算，其计算公式表示如下：

式中：Ww——水面蒸发消耗需水量，m3/a；A——蒸发水面面积（按水库正常高水位时水面面积的1/2 计算），m2；E ——相应水面蒸发能力，mm；P——相应水面上陆面蒸发能力，mm。

2.5 水库渗漏消耗需水量

此次按水库正常高水位时水面面积的1/2 乘以0.5 m，计算水库渗漏消耗水量。

3 生态环境需水量计算结果

3.1 基本生态环境需水量

3.1.1 保护目标

为实现松花江（三岔河口以上）流域水资源高效合理利用与生态环境保护有机结合，确定主要生态环境功能为维持基本形态、自净能力、水生生物等，作为松花江（三岔河口以上）生态环境保护目标。

3.1.2 需水量计算

同一条河流应在上下游各节点年内不同时段需水量和全年需水量的平衡协调基础上，按从下游到上游顺序，取各节点生态环境需水量的外包值作为该河流的基本生态环境需水量。

根据松花江（三岔河口以上）流域各河流多年平均径流量，计算各河流基本生态环境需水量与各河流多年平均径流量比值，计算结果详见表1。

从表1 可以看出：温德河基本生态环境需水量占多年平均径流量的比值较小，为13%；头道松花江和松江河基本生态环境需水量占多年平均径流量的比值较大，为45%；松花江（三岔河口以上）基本生态环境需水量占多年平均径流量的比值为33%。松花江（三岔河口以上）流域各河流基本生态环境需水量占多年平均径流量的比值为13%～45%。

3.2 目标生态环境需水量

3.2.1 水生生物保护需水量

水生生物保护需水量按照河道多年平均年径流量的比例估算，此次按30%计算。

3.2.2 水质目标及水质现状

根据《吉林省环境保护厅关于印发吉林省所涉及“十三五”国省控江河断面和湖库点位设置及水质目标表的通知》（吉环字办〔2016〕70 号），松花江（三岔河口以上）干流共23 个国、省控监测断面。除2017 年大坡江桥、2018 年乌金屯大桥水质现状不满足目标要求外，其余国、省控各断面均能满足水质目标要求。

表1 各河流基本生态环境需水量占比表104 m3

表2 各河流目标生态环境需水量占比表 104 m3

3.2.3 水库水面蒸发需水量

根据湖泊水面蒸发消耗需水量计算公式，松花江（三岔河口以上）流域有枫林电站、松山电站、双河二级电站、小山电站、双沟电站、石龙电站、301电站、两江电站、大兴川电站、白山水库、红石水库、龙凤水库、团山子水库、丰满水库、朝阳水库、二道水库、碾子沟水库、胖头沟水库、大绥河水库、红星水库、庆丰水库、牛头山水库、柴福林水库、高城子水库、跃进水库和哈达山水利枢纽等26 座大中型水库，蒸发消耗总需水量为2 332×104m3。

3.2.4 水库渗漏消耗需水量

根据水库渗漏消耗需水量计算方法，松花江（三岔河口以上）流域有丰满水库等26 座大中型水库，计算结果是渗漏消耗总需水量为18 446×104m3。

3.2.5 各节点目标生态环境需水量

根据各节点目标生态环境需水量计算方法，计算松花江（三岔河口以上）流域各节点目标生态环境需水量。经计算，高城子河目标生态环境需水量最小，为221×104m3，三岔河口以上目标生态环境需水量最大，为593 387×104m3。

3.2.6 各河流目标生态环境需水量

同一条河流应综合协调上下游各节点目标生态环境需水量的基础上，自下而上取各节点生态环境需水量的外包值，并与该河流河道内生产需水和河道外用水需求协调平衡后，合理确定河流的目标生态环境需水量。

根据各河流多年平均径流量，计算各河流目标生态环境需水量与各河流多年平均径流量的比值，计算结果详见表2。

从表2 可以看出：松花江（三岔河口以上）流域各河流目标生态环境需水量占多年平均径流量的比值为30%～47%，松花江（三岔河口以上）目标生态环境需水量占多年平均径流量的比值为36%。

3.3 成果合理性分析

3.3.1《河湖生态环境需水计算规范》规定的参考阈值

根据SL/Z712-2014中不同类型河流水系生态环境需水量参考阈值，松花江（三岔河口以上）为北方河流，全流域总面积7.34万km2，其中吉林省境内面积为7.29 万km2，属于较大江河，松花江（三岔河口以上）地表水开发利用程度为30%，为低开发利用河流。故松花江（三岔河口以上）基本生态环境需水量与多年平均径流量的比值应大于等于25%，松花江（三岔河口以上）目标生态环境需水量与多年平均径流量的比值应大于等于55%。此次计算的松花江（三岔河口以上）流域基本生态环境需水量与多年平均径流量的比值为33%；松花江（三岔河口以上）流域目标生态环境需水量与多年平均径流量的比值为36%，为近期目标，远期将达到SL/Z712-2014的要求。故认为此次结果较合理。