高玉琴,劉 鉞,趙晨程,吳 迪

(河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098)

生態(tài)基流[1]作為河流必須保證的最小流量閾值，在水資源配置過程中扮演重要角色，其內涵是為維持河流生態(tài)健康，河道內需保證一定數量和質量的流量。具體研究中，由于要協(xié)調河流生態(tài)系統(tǒng)平衡和人類經濟生產活動，常擬定某一最低生態(tài)目標，稱能滿足這一目標的河道內流量為生態(tài)基流。視研究尺度不同，生態(tài)基流的尺度也不同。也有的學者計算中會額外加上蒸發(fā)量、滲漏水量、河道沿岸植被需水量、水土保持需水量等[2]，則又稱生態(tài)流量，區(qū)別于生態(tài)基流。

南方河流總體水量豐富，但年內分配不均，近年來在人類生產活動干擾和氣候變化等多重因素作用下，部分河流出現季節(jié)性缺水問題[3-4]。近年來人們逐漸認識到季節(jié)性缺水帶來的大量生態(tài)問題可以通過配置生態(tài)基流解決，然而目前適用于南方季節(jié)性缺水河流的生態(tài)基流計算方法還很缺乏。實際上，現有生態(tài)基流的計算方法很多，據不完全統(tǒng)計，有記載的已超過200種[1]，目前國內外學者仍不斷改進和創(chuàng)新生態(tài)基流計算方法。生態(tài)基流的計算方法總體分為兩大類：第一類主要通過建立生態(tài)基流與水文學、水力學參數間的關系來確定生態(tài)基流，視實際需求而側重某一角度，分為水文學法和水力學法。如王西琴等[5]在Tennant法基礎上提出月保證率設定法，并應用于黃淮海平原河道；馬樂軍等[6]引入空間插值法使得缺乏資料的斷面能夠估算生態(tài)基流；尚松浩[7]較為完備地研究了濕周法，最終確定冪函數描述無量綱化的濕周流量關系是適宜的；王慶國等[8]把多年平均流量與相應濕周長比值的平方根作為判定拐點的斜率值，使計算中河流特征的差異性表現出來。第二類深入研究生態(tài)-水文響應機理，建立生態(tài)保護目標與生態(tài)基流關系，關注棲息地水文、地理、水生動植物、人口、土地利用、水資源利用、保護物種等，反應信息廣度大，計算復雜，包括棲息地法和整體分析法。如Bovee[9]提出IFIM(instream flow incremental methodology)法，可對水生生物棲息地生境適宜性進行評價和模擬；郝增超等[10]提出一種基于棲息地模擬法的多目標評價法，能協(xié)調生態(tài)用水和經濟用水；王俊娜等[11]以三峽水庫及其壩下河段為研究對象，提出水文-生態(tài)響應法，計算結果為有生態(tài)保護目標、時間節(jié)點，包含多種水文要素特征的水文過程線。

對于南方季節(jié)性缺水河流，基于天然徑流過程的水文學法能直觀反映其河流季節(jié)性特點，并且在我國南方地區(qū)的生態(tài)基流應用實踐起步階段中，此類方法也是最易于操作的?；诖耍疚膶λ膶W法的逐月保證率設定法進行改進，旨在針對南方季節(jié)性缺水河流，提出一種結果更為可靠且計算相對簡便的生態(tài)基流計算方法。

1 逐月保證率設定法的改進

1.1 傳統(tǒng)逐月保證率設定法的局限

依據分析歷史(長系列)流量資料統(tǒng)計方法的不同，水文學法又細分為多種不同的方法，如，Tennat法[12]中生態(tài)基流等于河道多年平均流量乘以一定百分比；流量歷時曲線法[13]中生態(tài)基流等于流量歷時曲線上以某一保證率下求得的流量；Texas法[14]中生態(tài)基流等于某一保證率下的月平均流量；NGPRP法中生態(tài)基流過程等于標準年組(不同年份劃為干旱年、濕潤年、標準年)90%保證率下對應的流量；年內展布算法[15]中多年最小年均流量與多年平均流量的比值等于各月生態(tài)基流與各月多年平均流量的比值，從而可求生態(tài)基流過程。

逐月保證率設定法是在流量歷時曲線法基礎上發(fā)展而來的，具體步驟為

步驟1：收集長系列日流量資料(至少20年)，審查資料可靠性。

步驟2：推求月流量資料，對各月的流量資料多年系列值從小到大排序，按式(1)求其頻率，利用皮爾遜Ⅲ型曲線[16]擬合，繪制各月流量歷時曲線。

(1)

式中：p為所求系列值的頻率；n為系列值總數；m為所求系列值的排位數。

步驟3：設定保證率，在流量歷時曲線上求得對應流量，即為月尺度的設計年生態(tài)基流過程。一般通過簡單定性分析設定保證率，直接區(qū)分四季，或者區(qū)分汛期與非汛期，取不同保證率即可。往往非汛期設定保證率80%～90%，汛期設定保證率50%～80%。

由此可以看出逐月保證率設定法較流量歷時曲線法籠統(tǒng)地全年選取一個保證率來計算生態(tài)基流，更能體現河流季節(jié)性，適用于南方季節(jié)性缺水河流，并且計算十分快捷簡便，但有兩點局限：①此法的計算關鍵是保證率的設定，保證率設定值直接影響最終結果，然而其設定十分粗糙，且僅從水文學角度出發(fā)，缺乏全面、定量、有針對性地對各類影響保證率設定因素的考量。若能改進保證率的設定，此法的計算可靠度和精度都能得到極大提升。②得到的結果缺乏參照，其客觀性和可靠性難以得到直觀說明，對季節(jié)性河流來說尤其容易出現局部偏差。若能改善這一點，此法的可靠度和精度還能進一步提升。

1.2 改進思路

針對傳統(tǒng)逐月保證率設定法的兩點局限，從以下兩方面進行改進：①構建逐月保證率設定模型，通過綜合分析確定4類影響保證率設定的主要因素建立評價指標體系，結合目前保證率設定現狀建立評價標準，進而確定權重，最終求解模型，力求得到更為科學客觀的保證率設定結果，以適應南方季節(jié)性缺水河流生態(tài)基流的計算。②通過與Tennant法、年內展布法對比等方式，取包絡線優(yōu)化并確定最終生態(tài)基流過程，盡量避免局部偏差。

對于大型河流，不能簡單取某一代表斷面計算，應考量河段概況的一致性，劃分為多個計算河段計算，在處理水文資料時還要注意避免極端情況。具體計算流程見圖1。

1.3 構建逐月保證率設定模型

針對保證率設定粗糙的局限，考慮影響保證率設定的主要因素，如不同河段、不同月份水質不同，生境條件不同，需要達到的生態(tài)目標也不同。從反應此類差異的角度出發(fā)，構建逐月保證率設定模型。

a. 建立評價指標體系。通過綜合分析，為確保指標體系全面、客觀、清晰，力求計算簡便、數據易獲取，分多層次確立逐月保證率設定模型的評價準則與指標：①水功能區(qū)劃可反應河流水質需求，其中Ⅴ類以及劣Ⅴ類水質已不能維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康，故不予考慮；②水生態(tài)保護目標可擬定為某種河流中可能存在的珍稀保護動物，本文以國家保護動物為例闡述；③生境條件分析，為保障河流生態(tài)系統(tǒng)不再惡化，還需著眼于其中普通的水生生物，對南方季節(jié)性缺水河流，則可概化為普通魚類的一般需求，包括產卵、育幼、成長[17-18]3個階段，同時認定產卵期為4—6月，育幼期為7—10月，成長期為1—3月和11—12月；④體現河流季節(jié)性的河流時態(tài)，一般認為汛期水量多，可使河流生態(tài)系統(tǒng)健康達到較好的水平。為求層次清晰，便于闡述，具體建立評價指標體系見圖2。需要注意的是，此處同一準則層下的“指標”并不是一般意義上的指標，其實際內涵是同一個指標對應的不同要求，但為對一個月份進行評價并設定保證率時能容易清晰地識別并賦值，故在本文中均按“指標”敘述。

圖2 逐月設定保證率的評價指標體系

b. 逐月保證率設定模型構建。圖2所示的評價指標體系實際上反映季節(jié)性河流各月對其自身生態(tài)系統(tǒng)所要維持的狀態(tài)是有差異的，由此，構建逐月保證率設定模型：

(2)

式中：E為評價對象(某一月份)的綜合評價值；wi為第i個評價指標的權重；ri為第i個評價指標的評價值；m為評價指標個數。

c. 逐月設定保證率模型評價標準。綜合考慮南方季節(jié)性缺水河流的生態(tài)現狀和目前傳統(tǒng)逐月保證率設定法中的保證率設定情況，為體現河流季節(jié)性特點，按對河流生態(tài)功能保證程度細化保證率為5個等級：90%、80%、70%、60%、50%。分析評價值數學內涵、評價值與評價等級間數學關系，擬定以上5個等級對應的評價標準分別為：最小評價值占該評價值的90%及以上、[80%,90%)、[70%,80%)、[60%,70%)、60%以下。其中，最小評價值即為12個月份評價值中的最小值。

d. 指標權重求解。無論僅從客觀角度還是僅從主觀角度確定權重都有缺陷，故在確定逐月設定保證率指標權重時，主客觀結合是很有必要。故耦合層次分析法(AHP)[19-20]與熵值法[21]求解指標主客觀權重。①AHP計算流程：先構造判斷矩陣，再進行層次單排序、層次總排序，最后進行一致性檢驗，檢驗未通過，則重新構造判斷矩陣，再做一遍；檢驗通過，則得到主觀權重。②熵值法計算流程：先對成本型、效益型指標進行原始數據標準化，再計算熵并修正，最后計算熵權得到客觀權重。進而計算組合權重w：

(3)

式中：wi1為評價指標的主觀權重；wi2為評價指標的客觀權重；i為指標序數。

e. 評價值求解。由于在生態(tài)基流計算中保證率設定所涉及的影響因素眾多，具有不確定性、模糊性，而模糊綜合評價法是一種以模糊推理為主，定量和定性相結合，精確和非精確相統(tǒng)一的評判方法，對于主、客觀指標權重的評判都適用，同時計算簡便，易于操作。故在本模型中基于模糊綜合評價法的思想求解評價值。

步驟1：確定因素集和評語集。本模型中，因素集為各層評價指標，評語集為按對河流生態(tài)功能保證程度可劃分保證率的5個等級閾值：

V={v1，v2，v3，v4，v5}={90%，80%，70%，60%，50%}

(4)

步驟2：計算單因素評價隸屬度向量，形成隸屬度矩陣。隸屬度rpq是指多個評價主體對某個評價對象在各層評價指標方面做出某一評定的可能性程度，本模型按圖2指標體系，可知其隸屬關系明確，如需達到的水質要求為Ⅲ類水，則不必達到Ⅱ、Ⅰ類水，也不能達到Ⅳ類水；若某一月份屬于汛期，則不屬于非汛期，屬于水生生物成長期，則不屬于育幼期、產卵期；對于生態(tài)保護目標，則按計算河道擁有所有的最高級別設定。故由此可得隸屬度矩陣R=(rpq),并且對具體月份進行評價時，若該月屬于該項，則rpq=1；反之，則rpq=0。其中p為指標個數，p=12，q為待評價項數，本模型逐次評價12個月，故q=12。

步驟3：綜合評判。按前述主客觀組合賦權，可確定權重向量U?？紤]盡量保留單因素評判的全部信息，故選擇加權平均算子，即按普通矩陣乘法的符號來計算：

E=UR

(5)

矩陣E包含各月的評價值，得此評價值后，再按前述評價標準即可得計算河段各月需設定的保證率。

1.4 適宜生態(tài)基流過程耦合

針對缺乏參照的局限，通過對比分析多種方法，耦合確立最終適宜生態(tài)基流過程。

實際上對于南方季節(jié)性缺水河流，大量研究[22-23]表明，單一方法計算結果較保守，應運用盡可能多的方法計算其生態(tài)基流，取最終包線結果更為準確。

Tennant法[12]由于計算簡便，常用作對其他方法的檢驗，其計算關鍵是百分比的確定，目前公認準則由Orth等[24]提出:①10%，表明棲息地差(退化或貧瘠)，僅能維持大多數水生生物短時間生存，即只能滿足生態(tài)系統(tǒng)的短時間需水；②20%，表明棲息地一般，能滿足生態(tài)系統(tǒng)的一般需水，滿足水生生物較長時間的生存；③30%，表明棲息地較好，能滿足生態(tài)系統(tǒng)的普遍需求，此時河流的水深、流速、河面寬等都是適合生物生存的。年內展布算法[15]運用廣泛，且采用同期均值比(即多年最小年均流量與多年平均流量之比)，較直接設定百分比或保證率的方法更能體現河流的年內季節(jié)客觀變化。故本文改進方法在得到初擬生態(tài)基流過程后，進一步利用Tennant法和年內展布算法分別求得計算河段的生態(tài)基流，與初擬結果進行比較取舍，并取適宜包絡線作為最終結果。如可計算年生態(tài)徑流(生態(tài)基流對應的徑流量)占年徑流總量的比例，分析河流季節(jié)性的體現，作為比較各類方法的依據。

2 實例驗證

2.1 研究區(qū)域概況

秦淮河是長江下游南岸支流，處于江蘇省境內，介于東經118°39′～119°10′、北緯31°34′～32°10′之間，流域總面積約2 631 km2，位于濕潤、半濕潤區(qū)，亞熱帶季風氣候，四季變化明顯，降水豐沛但年內降水分布不均，不同年份之間降水量差距大，是典型的南方季節(jié)性缺水河流。

近年來，高速城鎮(zhèn)化給秦淮河帶來大量生態(tài)問題，一方面人口暴增帶來的生活污水、生產污水使水質持續(xù)惡化，尤其枯水期河流生態(tài)系統(tǒng)嚴重失衡；另一方面，城市建設使得河道變窄、變淺、硬化，漸漸無法水體自凈，排澇困難。2005年7月實施“引江換水”工程，但至今改善效果依舊有限。通過計算秦淮河的生態(tài)基流過程，便能以保證生態(tài)基流為目標對秦淮河進行生態(tài)調控，達到更有的放矢地增加秦淮河人工引水，改善其生態(tài)現狀的目的。

2.2 基礎數據處理

2.2.1確定計算河段，審查流量資料

根據圖3秦淮河主要水系地理位置及水文測站分布，可將秦淮河劃分為以下幾個河段：句容河(北源—秦淮河前捍村站)、溧水河(南源—秦淮河前捍村站)、秦淮河干流(秦淮河前捍村站—東山站)、內秦淮河(東山站—三汊河口閘)、秦淮新河(東山站—秦淮新河閘站)。本文以內秦淮河段為例，選其中下游數據完備的武定門閘測站進行計算。

分析武定門閘已有1984—2016年共33年水文資料，剔除資料中年平均流量在5%保證率以下和95%以上年份的流量資料，可得內秦淮河多年平均流量為24.71 m3/s，多年平均年徑流量為7.79億m3，1—12月的多年月均流量分別為10.87 m3/s、14.63 m3/s、21.76 m3/s、17.74 m3/s、15.92 m3/s、30.50 m3/s、60.45 m3/s、35.50 m3/s、28.13 m3/s、19.41 m3/s、17.32 m3/s和15.87 m3/s。

圖3 秦淮河水文測站分布

2.2.2計算指標值

由內秦淮河段實際概況，分析并計算認定指標值：①確定水質要求，根據秦淮河水功能區(qū)劃分情況(表1)，可知內秦淮河為景觀娛樂用水區(qū)，水質要求為Ⅳ類水；②確定水生態(tài)保護目標，內秦淮河無國家重點珍惜保護生物或其他知名保護動物，故不考慮此項；③認定各月生境條件：4—6月為產卵期，7—10月為育幼期，11—12月和來年1—3月為成長期；④認定各月河流時態(tài)：3月、6—10月為汛期，其余為非汛期。

表1 秦淮河水功能區(qū)劃分

2.3 計算生態(tài)基流過程

2.3.1設定保證率并初擬生態(tài)基流過程

由指標值計算，分別按AHP、熵值法可求解各指標主、客觀權重，最后由式(3)求組合權重，結果見表2。

表2 組合權重值

由模糊綜合評價法求解評價值，再由評價標準確定各月保證率。對前述流量數據預處理后的結果進行統(tǒng)計分析，剔除保證率在5%以下和95%以上的極端月流量，擬合各月流量歷時曲線，求所設保證率對應流量，初步得到月尺度的設計年生態(tài)基流過程。結果見表3。

2.3.2綜合分析并耦合最終適宜生態(tài)基流過程

利用Tennant法和年內展布計算法分別求計算河段的生態(tài)基流，并與逐月保證率設定法得到的初步結果進行比較(圖4)?？芍?，逐月保證率設定法和年內展布法計算所得生態(tài)基流過程均具豐枯變化，與多年月均流量的走向基本一致，能體現河流季節(jié)性，其中又以前者的計算結果表現得更為明顯。再與Tennant法比較，可以看出，逐月保證率設定法的計算結果除在1月、2月和11月、12月未能達到棲息地開始退化的10% Tennant限值，其余結果均在此限值之上，并在汛期可超過使棲息地較好的30% Tennant標準。

表3 各月保證率設定值及初擬生態(tài)基流過程

圖4 不同計算方法結果比較

綜上分析，取逐月保證率設定法和年內展布法結果的外包線為最終的生態(tài)基流過程，如圖5，使最終各月結果不低于10% Tennant限值，并保留生態(tài)基流過程明顯的豐枯特征，更好地適應河流季節(jié)性。同時計算得全年生態(tài)徑流為2.52億m3，占多年平均年徑流量(7.57億m3)的33.24%，稍高于平均年徑流的30%，彌補了單一方法計算結果較保守的特點，尤其是在汛期，利用南方河流水量豐沛，更大限度維持河流生態(tài)系統(tǒng)正常功能，利于生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

圖5 最終生態(tài)基流耦合過程

由此，確定最終生態(tài)基流過程，1—12月生態(tài)基流分別為2.89 m3/s、3.90 m3/s、7.58 m3/s、4.72 m3/s、5.06 m3/s、12.25 m3/s、20.66 m3/s、11.02 m3/s、10.49 m3/s、8.37 m3/s、4.61 m3/s和4.23 m3/s。

2.4 成果分析

將傳統(tǒng)逐月保證率設定法(設定保證率為汛期80%，非汛期90%)與改進方法進行對比(圖6)，可見傳統(tǒng)逐月保證率設定法計算結果整體偏小。對比4—6月，分析結果偏小，原因為保證率設定值不同，4—6月為水生生物的產卵期，傳統(tǒng)方法設定保證率時未能考慮此因素，故而保證率設定值偏小。當然傳統(tǒng)方法也可將汛期保證率設定較高，如70%、60%甚至50%，但此時由于沒有細化評估汛期各月實際情況，又會使結果計算偏高，造成可供經濟生產用水不足。由此便可體現逐月保證率設定模型的優(yōu)越性。對比1、2月與11、12月，兩種方法保證率設定值一樣，而單獨運用傳統(tǒng)方法計算值不僅偏小，且小于10% Tennant法限值，說明進行多種方法綜合對比分析，耦合適宜生態(tài)基流結果是有必要的。

圖6 成果對比

3 結 語

改進逐月保證率設定法以適用于南方季節(jié)性缺水河流生態(tài)基流的計算，并應用于秦淮河，以內秦淮河河段為例計算生態(tài)基流過程，與多年月均流量走向一致，能較好地適應河流季節(jié)性，同時與傳統(tǒng)方法計算結果對比表明此法可靠且具有優(yōu)勢。改進方法主要提出逐月保證率設定模型，具體為通過分析水質要求、生境條件等各類影響保證率設定的因素，建立評價指標體系，結合目前保證率設定現狀建立評價標準，耦合層次分析法與熵值法求解指標組合權重，最后運用模糊綜合評價求解模型評價值，得到更為客觀合理、反映生物需求的各月保證率設定結果。另外還將初擬生態(tài)基流結果與Tennant法、年內展布法等的結果對比分析，耦合適宜生態(tài)基流過程，使結果更加準確，能夠為南方季節(jié)性缺水河流的生態(tài)調控提供參考，改善其生態(tài)現狀。