陳蕾 張玨 馮亞耐 蔣旭濤

利用氣象探空資料開展河道生態(tài)流量的研究

陳蕾 張玨 馮亞耐 蔣旭濤

水電開發(fā)中引水式電站大壩與廠房之間往往會形成一定的減脫水段，如何確定大壩最小下泄流量，滿足下游生態(tài)環(huán)境需水要求，國內(nèi)外有許多學者提出了各種生態(tài)環(huán)境需水量計算方法。由于歷史原因，新疆部分地區(qū)水文監(jiān)測站點匱乏且基礎資料嚴重不足，難以取得有效的徑流成果。以新疆塔什庫爾干河齊熱哈塔爾水電站為例，探討利用氣象探空資料對最大洪峰流量等水文資料進行差補延長，結(jié)合洪峰流量和探空資料分析成果之間較好的相關性，進而推算河道生態(tài)流量，為同類水電工程生態(tài)下泄流量的計算分析提供借鑒和參考。

氣象探空 水文數(shù)據(jù) 河道 生態(tài)流量

1　生態(tài)流量的確定原則及方法

生態(tài)需水量指特定區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)需水量的總稱，包括生物體自身的需水量和生物體賴以生存的環(huán)境需水量，是維持生態(tài)系統(tǒng)生物群落和棲息環(huán)境動態(tài)穩(wěn)定所需的用水量。廣義的生態(tài)環(huán)境用水是指維持全球生物地理生態(tài)系統(tǒng)水分平衡所需用的水，包括水熱平衡、水沙平衡、水鹽平衡等；狹義的生態(tài)環(huán)境用水是指為維護生態(tài)環(huán)境不再惡化并逐漸改善所需要消耗的水資源總量，主要包括保護和恢復內(nèi)陸河流下游的天然植被及生態(tài)環(huán)境、水土保持及水保范圍之外的林草植被建設、維持河流水沙平衡及濕地、水域等生態(tài)環(huán)境的基流等方面。

目前，關于河流最小生態(tài)環(huán)境需水量的研究尚不充分。在有限的研究成果中，河流水污染防治用水臨界值可用以水質(zhì)目標為約束的方法求得，或按照簡單的10年最枯月平均流量法估算。前者需要知道上游來流中的污染物濃度、河段內(nèi)污染物產(chǎn)生量、河段內(nèi)污染物治理程度、河段內(nèi)污廢水資源化程度、河段內(nèi)城市污廢水產(chǎn)生總量和污染物削減等詳細信息，在不易獲得準確信息時可以近似采用后一種方法。

《水工程規(guī)劃設計生態(tài)指標體系與應用指導意見》（2010）提出，生態(tài)基流是指為維持河流基本形態(tài)和基本生態(tài)功能的河道內(nèi)最小流量。河流基本生態(tài)功能主要為防止河道斷流、避免河流水生生物群落遭受到無法恢復的破壞等。在水電開發(fā)建設過程中，過去考慮較多的是對區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展和發(fā)電效益，而對保護生態(tài)水環(huán)境考慮的較少，如不考慮電站大壩最小下泄流量而引起下游河段水環(huán)境惡化等問題，已越來越引起社會各界的關注。特別是引水式電站，由于其大壩與廠房之間往往會形成一定的脫水段，脫水段的形成必然會給下游生態(tài)環(huán)境造成一定的影響。如何確定大壩最小下泄流量，滿足下游生態(tài)環(huán)境需水要求，國內(nèi)外有許多學者提出了各種生態(tài)環(huán)境需水量計算方法，如濕周法、Tennant法、最枯月平均流量法等等。目前，我國有水文學法、水力學法、生境模擬法和整體法等多種生態(tài)基流分析計算方法，水文學法和水力學法運用較為普遍。生態(tài)基流計算方法的表達及適用條件見表1。

2　氣象探空資料與水文數(shù)據(jù)的關系

2.1氣象探空資料概述

氣象探空是利用現(xiàn)代科學方法與手段，觀測高空大氣中任意高度上氣象要素的瞬時分布。氣象站探空觀測業(yè)務主要是每天早晚2次定時施放氣象探空氣球，搭載無線電探空儀對高空平流層的氣象要素進行觀測，探空儀在飛行過程中感應周圍空氣的溫、壓、濕狀況等，并將氣象要素轉(zhuǎn)換為無線電訊號，連續(xù)不斷地發(fā)送給地面接收系統(tǒng)，接收人員對無線電訊號加以整理，獲得不同高度層大氣的氣溫、氣壓、濕度、風向和風速等數(shù)據(jù)。氣象探空資料一般有不同高空氣壓如850、700、500、200 hPa等的濕度、溫度、風速和風向等氣象要素。

2.2生態(tài)流量確定過程中存在的問題

近年來，中央加大了新疆基礎設施的投入力度，大力發(fā)展民生水利。塔什庫爾干河是新疆塔里木河水系葉爾羌河的主要支流之一，其流域水電開發(fā)規(guī)劃為“一庫四級”，其中下坂地、齊熱哈塔爾水利樞紐已建成。水電工程使河流水生生態(tài)系統(tǒng)受大壩阻隔、河道水文情勢變化等影響，導致生境破碎化程度提高，魚類的覓食、繁殖等生存空間縮小，特別對于電站工程下游如涉及特有或保護魚類，為加強珍稀魚類保護，需確定壩下河道生態(tài)流量。

表1　生態(tài)基流指標主要計算方法及適用條件表

由于歷史原因，新疆南疆地區(qū)由于水利設施較少、水文監(jiān)測站點匱乏，僅有的幾個水文站監(jiān)測連續(xù)性較差，基礎資料嚴重不足，對于預測水電站壩下游生態(tài)流量帶來較大困難。

2.3氣象探空資料與水文數(shù)據(jù)的關系分析

塔什庫爾干河的水電開發(fā)河段河水以融雪性洪水為主，年降水量很小。融雪性洪水指由積雪融化形成的洪水，一般在春、夏兩季發(fā)生在中高緯地區(qū)和高山地區(qū)。南疆帕米爾高原和昆侖山北坡，冬季漫長而嚴寒，積雪較深，來年春、夏季氣溫升高超過零攝氏度，積雪融化形成融雪性洪水。當夏季氣溫較高且持續(xù)時間較長時，永久積雪和冰川發(fā)生融化并形成夏汛，它與冬季積雪融水洪水相比，漲落較緩，洪水總量則受控于消融范圍。塔什庫爾干河汛期易形成二者的混合洪水，而該類洪水較難把握和準確預測。

結(jié)合氣象探空方法特點，考慮利用流域附近氣象站的500 hPa左右的氣象探空資料，可推斷出汛期塔什庫爾干河上游冰雪融水造成的洪峰流量，進而計算塔什庫爾干河多年平均徑流量。

3　氣象探空資料對于推算生態(tài)流量的應用

3.1基礎資料分析

3.1.1水文站點和水文資料概況

塔什庫爾干河流域內(nèi)人口稀少，水利水保設施較少。流域水文資料短缺。1959年在塔什庫爾干縣附近設立過塔什庫爾干水文站，1960年8月下遷改名伊爾烈黑水文站，1968年停測，2000年為修建下坂地水利樞紐恢復觀測。伊爾烈黑站有1960—1967年和2001—2011年共19年完整的實測流量資料，原塔什庫爾干站有1959—1960年1年資料，實測徑流資料共有20年。本研究以伊爾烈黑水文站為設計代表站，資料采用至2011年。

此外，葉爾羌河干流和提茲那甫河山口以上20世紀50年代設立了卡群、庫魯克欄干和玉孜門勒克水文站作為控制站。在鄰近流域的蓋孜河上設有克勒克水文站。這些站點作為參證站。

下坂地樞紐2009年10月建成，具有多年調(diào)節(jié)能力，其壩址徑流由伊爾烈黑站徑流與伊爾烈黑站—下坂地壩址區(qū)間徑流組成。伊爾烈黑站—下坂地壩址區(qū)間屬中低山區(qū)，其徑流量可依據(jù)卡群—庫魯克欄干—伊爾烈黑區(qū)間的徑流模數(shù)計算?？ㄈ骸獛祠斂藱诟伞翣柫液趨^(qū)間徑流由卡群站、庫魯克欄干站、伊爾烈黑站的月徑流對應相減推求，區(qū)間1954—2011年多年平均徑流量為0.81億m3。

伊爾烈黑站徑流、伊爾烈黑站—下坂地壩址區(qū)間徑流疊加，組成下坂地壩址1954—2011年共58年的徑流系列，其多年平均流量為34.6 m3/s，多年平均徑流量為10.91億m3。

3.1.2氣象站點和氣象探空資料概況

塔什庫爾干河流域設有塔什庫爾干縣氣象站、喀什探空站。塔什庫爾干縣氣象站，位于東經(jīng)77° 16'、北緯28°26'，海拔3 091 m，氣象資料統(tǒng)計年限1957—2014年。觀測項目為基本氣象要素?？κ蔡娇照疚挥诳κ彩?，位于東經(jīng)75°19'、北緯39°28'，海拔1 291 m，有1957年至今的完整探空資料。

塔什庫爾干河水利工程規(guī)劃河段位于塔河下游，規(guī)劃工程場址均無氣象站點，從地理位置、距離、高程等因素綜合考慮，氣象資料主要參考塔什庫爾干縣氣象站資料。塔什庫爾干縣為高原寒帶干旱氣候，其河谷地周圍高山環(huán)繞，流域氣候差異較大，只有冷暖兩季，冷季寒冷漫長，暖季氣候溫和。氣溫的年、日變化顯著，日溫差高達20℃。降水稀少，時空分布不均勻，蒸發(fā)強烈，空氣干燥，日照時間長。塔什庫爾干縣氣象站實測氣象資料，多年平均氣溫3.6℃，極端最高氣溫32.5℃，最低氣溫－39.1℃。多年平均降水量68.9 mm。降水主要集中在夏季，其中5～9月降水占全年降水量的75%。

3.2氣象探空資料與水文站洪峰量相關性分析

塔什庫爾干河的洪水是由于氣溫升高并有所持續(xù)時冰雪消融形成的。通過采用氣象探空手段，對伊爾列黑水文站實測最大洪峰流量和高空600 hPa氣溫進行分析，發(fā)現(xiàn)伊爾列黑年最大洪峰流量和喀什探空站日600 hPa的07時、19時氣溫之和大于5℃的年積溫具有較好的相關性，相關關系式：

相關系數(shù)r=0.80。

洪峰流量的插補延長除采用喀什探空站大于5℃的年積溫資料插補延長外，還可用伊爾烈黑站汛期（7～9月）的徑流資料插補延長，2種方法得到洪峰流量均值基本接近。為滿足設計需要，對伊爾烈黑站徑流系列進行了插補延長。其中，1954—1958年徑流采用卡群站實測資料插補延長，1959年徑流采用伊爾烈黑站實測資料插補，其余1968—2000年的主汛期采用喀什600 hPa的07時氣溫插補延長，春汛期3～5月和汛后期9月采用蓋孜河克勒克站月平均流量插補延長，枯水期10月—翌年2月采用本站相關插補。

由喀什探空站日600 hPa的07時、19時氣溫之和大于5℃的年積溫，計算得到伊爾列黑水文站1957—1958年和1968—2003年最大洪峰流量。經(jīng)插補延長后，得到伊爾烈黑站1954—2011年共58年的月、年徑流系列，其多年平均流量為32.0 m3/ s，多年平均徑流量為10.10億m3。

3.3氣象探空資料成果的應用

齊熱哈塔爾水電站建成后，將造成從發(fā)電引水口至電站廠房之間約22 km的河流減脫水段，根據(jù)環(huán)保部相關規(guī)定要求，河流生態(tài)流量應不小于河道控制斷面多年平均流量的10%。為了維護該段河道的生態(tài)環(huán)境，水電站規(guī)劃由下坂地電站尾水渠控制閘向河流減水段下泄最小生態(tài)流量3.2 m3/s，以滿足下游魚類最基本的生態(tài)需水要求，減免因水電站建設帶來的下游河段減脫水段生態(tài)環(huán)境影響。

長期以來，我國一直使用人工釋放探空氣球的方法進行高空綜合探測。高空氣象觀測是氣象業(yè)務的基礎，是天氣預報、氣候分析、科學研究和國際交換的氣象情報和資料的主要來源。在我國西部地區(qū)地表河流水文基礎設施落后、水文系列資料不足等情況下，可采用氣象探空資料進行反演推算洪峰流量，研究與徑流流量的相關性分析。同時，也可作為已有徑流成果的參考和補充驗證。

4　結(jié)語

針對水電開發(fā)建設過程中，電站壩下游河段受引水后帶來的水生態(tài)及水環(huán)境惡化等問題，需下泄生態(tài)水量以減緩不利影響。本文以塔什庫爾干河齊熱哈塔爾水電站為例，考慮到部分地區(qū)水文監(jiān)測等基礎資料不足的特點，利用氣象探空資料反演水文數(shù)據(jù)對最大洪峰流量等水文資料進行差補延長，在確定月、年徑流系列的基礎上推算河道生態(tài)流量。該方法綜合考慮了氣象資料與河流徑流及洪峰流量的相關性，進而確立了氣象探空成果與生態(tài)水量及水生生態(tài)系統(tǒng)的關系，運用較為便利，節(jié)省了大量的野外工作，為水文資料匱乏地區(qū)的同類水利水電工程生態(tài)流量的確定提供了借鑒和參考。

[1]陳寶根,何建新,賈秀芳.河流生態(tài)環(huán)境需水量計算方法的研究初探[J].南水北調(diào)與水利科技，2012,10(1):86-87.

[2]朱學思.生態(tài)需水與生態(tài)水文格局相關性研究進展[J].南水北調(diào)與水利科技，2011,9（1）：36-38.

陳蕾 女 工程師 中水北方勘測設計研究有限責任公司 天津 300222

張玨 女 高級工程師 中水北方勘測設計研究有限責任公司 天津 300222

馮亞耐 女 高級工程師 中水北方勘測設計研究有限責任公司 天津 300222

蔣旭濤 男 助理工程師 中水北方勘測設計研究有限責任公司 天津 300222

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（2016-09-16）