張瑤蘭，陳新樂(lè)

(1.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310002；2.嘉興市海寧生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，浙江 海寧 314400)

河流生態(tài)流量是維持河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能所需保證的最小流量，當(dāng)河流流量低于該數(shù)值時(shí)，將會(huì)影響河流中生物的生長(zhǎng)和繁殖，甚至導(dǎo)致物種消失，同時(shí)也將對(duì)河流生態(tài)環(huán)境景觀產(chǎn)生較大影響[1]。早在20世紀(jì)40年代，生態(tài)流量的概念首次被提出，自此之后，人們對(duì)于生態(tài)流量的理解，從狹隘的水文概念向與經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展相關(guān)的概念轉(zhuǎn)變[2]，并且已經(jīng)上升到保護(hù)生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能完整性的國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略層面。至70年代，隨著我國(guó)水污染問(wèn)題日益突出，生態(tài)流量逐漸成為水資源、水生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外生態(tài)流量相關(guān)的研究也將其稱為最小可接受流量(Minimum acceptable flow)、最小流量(Minimum flow)、基本生態(tài)需水(Basic ecological water requirement)和環(huán)境流量(Environmental flow)[3]等，可見(jiàn)相關(guān)研究均強(qiáng)調(diào)生態(tài)流量[4]是河道實(shí)現(xiàn)生態(tài)保障功能所需的最小流量。

生態(tài)流量核算作為當(dāng)前生態(tài)水文研究的熱點(diǎn)之一[5-6]，現(xiàn)有多種生態(tài)流量核算方法用于適應(yīng)不同類型的水體。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，大致可劃分為水文學(xué)法、水力學(xué)法、生物棲息地法以及整體分析法。其中水文學(xué)法代表方法有Tennant法、年內(nèi)展布法、典型水文頻率法、7Q10法、最枯月平均流量法；水力學(xué)方法有濕周法、R2CROSS法；生物棲息地法有IFIM法和PHABSIM模型；整體分析法將河流作為一個(gè)綜合的生態(tài)系統(tǒng)，重點(diǎn)考慮整個(gè)河流生態(tài)系統(tǒng)的維持和保護(hù)，其代表方法有BBM法[7]和DRIFT法[8]。水艷等[9]利用濕周法對(duì)淮河流域生態(tài)流量進(jìn)行計(jì)算，得出了在大多數(shù)情況下通過(guò)濕周法得到的計(jì)算結(jié)果與采用Tennant法、“淮河法”最小生態(tài)流量過(guò)程和棲息地模擬法所得的計(jì)算結(jié)果相比較小的結(jié)論。李紫妍等[10]運(yùn)用三種方法計(jì)算漢江流域子午河生態(tài)流量過(guò)流，得出Q90法對(duì)應(yīng)的年生態(tài)需水量最小的結(jié)論，即對(duì)應(yīng)最低的生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)。綜上所述，水文學(xué)法具有能夠結(jié)合歷史水文資料且操作相對(duì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，成為了當(dāng)前研究者和管理者關(guān)注的重點(diǎn)。

目前,大多數(shù)研究進(jìn)行生態(tài)流量核算時(shí)僅采用較為單一的方法，但在生態(tài)流量核定的實(shí)際工作中，需要根據(jù)使用目標(biāo)在不同方法中選用適合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況的計(jì)算方法[11]。在多種計(jì)算方法中，如何選擇最為適宜和準(zhǔn)確的方法，成為當(dāng)前研究人員研究的新熱點(diǎn)。本研究以常山港流域河道生態(tài)流量出口處考核斷面為研究對(duì)象，根據(jù)研究區(qū)域水文資料序列情況，采用改進(jìn)的Tennant法、年內(nèi)展布法等多種水文學(xué)方法計(jì)算最小生態(tài)流量，經(jīng)合理性分析，提出適合常山港流域的最小生態(tài)流量計(jì)算方法，并得到常山港流域的最小生態(tài)流量過(guò)程。計(jì)算成果既保證了所選保證率下的河道生態(tài)所需最小流量，又反映了河道生態(tài)流量隨季節(jié)變化特性。研究成果可為我國(guó)流域內(nèi)河道最小生態(tài)流量過(guò)程的確定提供有益思路和借鑒參考。

1 研究區(qū)域概況

常山港流域?qū)儆阱X塘江水系，是衢江的主要支流，流域面積3 259 km2，多年平均水資源量3.75×109m3，流域內(nèi)主河道枯水期為8月到次年2月，豐水期為3—7月。流域內(nèi)現(xiàn)建有齊溪、茅崗、獅子口和芙蓉水庫(kù)4座中型水庫(kù)，一座長(zhǎng)風(fēng)中型水利樞紐工程，小型水庫(kù)84座，0.1×105～1.0×105m3山塘有218座，流域內(nèi)水庫(kù)山塘總蓄水庫(kù)容1.816×108m3。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究以常山港流域上游密賽水文站1962—2019 年實(shí)測(cè)降水、徑流資料為基礎(chǔ)，開(kāi)展常山港流域河道最小生態(tài)流量研究。本次采用蓄滿產(chǎn)流模型計(jì)算并延長(zhǎng)有降雨資料無(wú)徑流資料年份的徑流數(shù)據(jù)，基于長(zhǎng)序列水文數(shù)據(jù)，得到密賽水文站流域?qū)崪y(cè)平均年徑流深為1 178.9 mm，模型計(jì)算值為1 180.7 mm，相對(duì)誤差為0.15%，表明模型計(jì)算結(jié)果可靠，得到密賽水文站斷面處1962—2019年長(zhǎng)序列徑流資料。常山港流域河道的徑流確定采用水文比擬法，根據(jù)地理位置及集水面積大小，同時(shí)考慮雨量修正，通過(guò)密賽水文站以上面降水量與其徑流量建立降水徑流關(guān)系，根據(jù)不同分區(qū)降水量求得不同分區(qū)徑流成果，最終推求常山港流域河道出口斷面的年徑流過(guò)程，求得其多年平均徑流深1 150.7 mm，多年平均流量為118.7 m3/s。

2.2 研究思路

1) 選用最小生態(tài)流量計(jì)算方法：本研究以常山港流域河道為研究對(duì)象，基于水文比擬法求得其長(zhǎng)序列流量數(shù)據(jù)，采用改進(jìn)的Tennant法、年內(nèi)展布法、典型水文頻率法、最枯月平均流量法、Q90法等水文學(xué)方法分別計(jì)算其最小生態(tài)流量。

2) 判斷計(jì)算結(jié)果合理性：根據(jù)《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范》(SL/T 712—2021)，推薦生態(tài)流量保證率為95%，并據(jù)此評(píng)價(jià)和判斷各種方法計(jì)算結(jié)果的合理性，也即評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果在該斷面天然徑流過(guò)程中的滿足程度，若計(jì)算結(jié)果全部低于或高于保證率要求則認(rèn)為該計(jì)算方法不適宜常山港流域生態(tài)流量保障要求。

3) 確定適宜的最小生態(tài)流量過(guò)程：對(duì)比分析選出適宜常山港流域最小生態(tài)流量的計(jì)算方法，在滿足保證率為95%時(shí)的生態(tài)流量要求前提下，以比選后方法計(jì)算的最小生態(tài)流量?jī)?nèi)包線作為本研究河段適宜的最小生態(tài)流量過(guò)程。

常山港流域概況見(jiàn)圖1，工作路線見(jiàn)圖2。

圖1 常山港流域概況圖

圖2 工作路線圖

2.3 研究方法

2.3.1 改進(jìn)的Tennant法

Tennant法，又稱為蒙大拿法，通常選用河道多年平均流量的10%～20%為最小生態(tài)流量，該方法優(yōu)勢(shì)在于計(jì)算簡(jiǎn)單，但忽略了河流年內(nèi)和年際間的水文變化，因此通常作為一種檢驗(yàn)或參考使用的方法。

本研究基于該方法的優(yōu)劣勢(shì)，選用改進(jìn)的Tennant法[12-13]計(jì)算最小生態(tài)流量，即在傳統(tǒng)Tennant方法的基礎(chǔ)上，將所有水文年份進(jìn)行豐水年(P<25%)、平水年(25%≤P≤75%)和枯水年(P>75%)分組劃分，根據(jù)不同來(lái)水年各月多年平均流量的10%和30%作為最小、適中生態(tài)流量下限，當(dāng)秋、冬季來(lái)水量較小時(shí)，應(yīng)保證河流最小生態(tài)流量，即以各月多年平均流量的10%作為最小生態(tài)流量下限，而在春、夏降雨量較多且正值魚(yú)類產(chǎn)卵繁殖的季節(jié)，多數(shù)采用多年平均流量的30%作為河流的最小生態(tài)流量?；诖?，筆者采用常山港流域河道不同分組的多年平均水文徑流資料進(jìn)行計(jì)算，為避免個(gè)別極大值或極小值對(duì)計(jì)算產(chǎn)生的不利影響，除去5%以下和95%以上的年徑流資料重新計(jì)算，按照秋、冬季各月多年平均流量的10%作為最小生態(tài)流量下限和春、夏季各月多年平均流量的30%作為最小生態(tài)流量下限，最終利用改進(jìn)的Tennant法確定豐水年、平水年、枯水年逐月的最小生態(tài)流量過(guò)程。

2.3.2 年內(nèi)展布法

年內(nèi)展布法是基于歷史長(zhǎng)系列流量水文資料，將每年最小徑流總量與多年平均徑流總量作對(duì)比，并據(jù)該比值得到各月生態(tài)流量與各月多年平均徑流量之間的關(guān)系，以此確定全年最小生態(tài)流量的過(guò)程[14]。該方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)水文學(xué)法采用多年平均徑流量特定百分率為水文指標(biāo)的主觀性，同時(shí)期的均值比更具有區(qū)域代表性，同時(shí)該方法以多年平均徑流量變化過(guò)程為基準(zhǔn)進(jìn)行最小生態(tài)流量核定，計(jì)算結(jié)果更能反映出河流天然徑流過(guò)程的豐平枯變化特征。

同樣，采用該方法計(jì)算時(shí)，為避免極枯與極豐水年份水文數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，剔除5%以下和95%以上的數(shù)據(jù)，以確保本研究資料的可靠性和合理性。具體計(jì)算過(guò)程如下：

(1)

(2)

(3)

qmin(i)=min(qij)

(4)

2) 計(jì)算同期均值比η,其公式為

(5)

3) 計(jì)算河道最小生態(tài)流量過(guò)程，表達(dá)式為

(6)

式中:Qi為采用年內(nèi)展布法計(jì)算得到的逐月最小生態(tài)流量過(guò)程，m3/s。

2.3.3 典型水文頻率法

典型水文頻率法是根據(jù)實(shí)測(cè)的逐年徑流量距多年平均徑流量百分率，依據(jù)表1對(duì)河流的豐、平、枯年份進(jìn)行劃分，選擇距多年平均徑流量百分率-20%的枯水年為典型年，并以所選擇典型年的最小月流量作為常山港流域研究斷面的最小生態(tài)流量，距多年平均徑流量百分率的計(jì)算公式為

(7)

表1 典型水文頻率法豐平枯年份劃分

2.3.4 最枯月平均流量法

最枯月平均流量法一般選擇近10年最枯月流量平均值，該方法計(jì)算公式為

(8)

式中:W為河流最小生態(tài)水量，×108m3；Qij為第i年第j月河流的平均流量，m3/s；T取值為31.54×106s。

2.3.5Q90法

Q90法將90%保證率的最小月平均流量作為最小生態(tài)流量。Q90法分析計(jì)算需要研究河段具有較長(zhǎng)序列的流量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.4 計(jì)算成果

基于上述5種研究方法，經(jīng)計(jì)算分別得到常山港流域出口斷面處的生態(tài)流量過(guò)程(表2)，其中：采用改進(jìn)的Tennant法計(jì)算得到研究斷面處豐水年、平水年和枯水年的生態(tài)流量過(guò)程，3種水文年生態(tài)流量過(guò)程年內(nèi)均呈現(xiàn)先增加后減少趨勢(shì)，并在3—6月達(dá)到較大值，其中豐水年3—6月的生態(tài)流量值為87.7～103.2 m3/s，平水年3—6月的生態(tài)流量為62.3～100.0 m3/s，在6月達(dá)到峰值100.0 m3/s，枯水年3—6月的生態(tài)流量為39.1～ 94.7 m3/s，這3個(gè)水文年下的生態(tài)流量均在6月達(dá)到峰值；年內(nèi)展布法計(jì)算的生態(tài)流量在年內(nèi)也呈現(xiàn)先增加后減少趨勢(shì)，從1月的18.4 m3/s增加至6月的144.4 m3/s，最后在12月減少至15.2 m3/s；典型水文頻率法、最枯月平均流量、Q90計(jì)算的生態(tài)流量值較低，分別為8.7,3.6,2.5 m3/s。

表2 不同方法計(jì)算的生態(tài)流量 單位：m3/s

3 對(duì)比分析

根據(jù)《中華人民共和國(guó)水法》《取水許可和水資源費(fèi)征收管理?xiàng)l例》等法律法規(guī)規(guī)定，用水順序應(yīng)當(dāng)優(yōu)先保障生活用水，隨著我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn)，保障生態(tài)用水被提到越來(lái)越重要的位置，據(jù)此本研究將生態(tài)用水位置提升至僅次于生活用水，生態(tài)用水保證率取95%，并以此評(píng)價(jià)5種計(jì)算結(jié)果合理性，當(dāng)計(jì)算結(jié)果全部低于或全部高于保證率要求時(shí)，則認(rèn)為該計(jì)算結(jié)果不適用。筆者計(jì)算的1962—2019年徑流系列保證率為95%時(shí)的生態(tài)流量為54.43 m3/s。將該保證率下的計(jì)算結(jié)果與不同方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，綜合判斷常山港流域適宜的最小生態(tài)流量過(guò)程。

對(duì)比分析可得，5種計(jì)算方法中典型水文頻率法、最枯月平均流量、Q90法計(jì)算結(jié)果均全部低于保證率為95%時(shí)的生態(tài)流量，距離保障目標(biāo)偏差較大，這主要是因?yàn)槿齻€(gè)方法所選生態(tài)流量值均屬在枯水年份下的月最小流量值，是保障河道生態(tài)流量的極低值，不能夠體現(xiàn)流量隨季節(jié)變化的特征；而改進(jìn)的Tennant法、年內(nèi)展布法計(jì)算結(jié)果則呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特性，在保證率為95%時(shí)的生態(tài)流量上下波動(dòng)，更加貼近天然徑流的季節(jié)變化特性，改進(jìn)的Tennant法考慮了河道內(nèi)生物需水的季節(jié)變化特征，彌補(bǔ)了采用多年平均流量某一百分率作為生態(tài)流量的不足，改進(jìn)的Tennant法豐水年、平水年、枯水年計(jì)算結(jié)果在枯水期1—2月、7—12月份和豐水期6月份的差異較小，而在豐水期3—5月份則差異相對(duì)較大，這也證明了豐平枯水年下的生態(tài)水量差異較大的時(shí)段往往是在豐水期；年內(nèi)展布法計(jì)算的生態(tài)流量過(guò)程則呈現(xiàn)“外包線”的特征，在5種計(jì)算方法中結(jié)果相對(duì)偏大，這主要是因?yàn)槟陜?nèi)展布法是避免采用多年平均徑流量的特定百分率作為生態(tài)流量的主觀性偏差，所選流量過(guò)程更具有區(qū)域代表性，并且更能反映出河流天然徑流過(guò)程的豐平枯變化特征。

基于上述分析，考慮到枯水期也應(yīng)保證河道的生態(tài)流量，在滿足保證率為95%時(shí)的生態(tài)流量要求前提下(圖3)，采用改進(jìn)的Tennant法、年內(nèi)展布法計(jì)算結(jié)果的內(nèi)包線作為河道所需的最小生態(tài)流量(圖4)，尤其在5—7月需要進(jìn)行額外生態(tài)流量保障，以滿足魚(yú)類產(chǎn)卵和其他水生生物生態(tài)用水需求。目前，關(guān)于生態(tài)流量保障的研究多集中在流域水資源調(diào)度、配套工程建設(shè)和管理以及監(jiān)督考核等方面[15]，筆者建議常山港流域的生態(tài)流量需通過(guò)統(tǒng)一調(diào)度上游大中型水庫(kù)水量，并結(jié)合監(jiān)管考核方式予以保障。

圖3 不同方法計(jì)算的生態(tài)流量過(guò)程和95%保證率對(duì)比圖

圖4 推薦最小生態(tài)流量過(guò)程

4 結(jié) 論

本研究采用改進(jìn)的Tennant法、年內(nèi)展布法、典型水文頻率法、最枯月平均流量法、Q90法等水文學(xué)方法分別計(jì)算常山港流域最小生態(tài)流量，得到如下結(jié)論：

1) 以常山港流域河流出口斷面為例，采用改進(jìn)的Tennant法、年內(nèi)展布法、典型水文頻率法、最枯月平均流量法、Q90法等水文學(xué)方法計(jì)算最小生態(tài)流量，通過(guò)進(jìn)一步的合理性分析，得出改進(jìn)的Tennant法和年內(nèi)展布法為較適合計(jì)算該地區(qū)最小生態(tài)流量的結(jié)論。

2) 采取改進(jìn)的Tennant法、年內(nèi)展布法計(jì)算的最小生態(tài)流量均呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特性，兩種方法在3—6月生態(tài)用水量較多，其中改進(jìn)的Tennant法和年內(nèi)展布法在該期最大生態(tài)流量分別達(dá)到103.2,144.4 m3/s，而在1—2月、7—12月份生態(tài)用水量較少，在該期最小生態(tài)流量分別為0.6,15.2 m3/s。

3) 在滿足95%保證率的情況下，選取改進(jìn)的Tennant法、年內(nèi)展布法的內(nèi)包線作為常山港流域各月應(yīng)下泄的最小生態(tài)流量，最終確定常山港流域河道最小生態(tài)流量過(guò)程，其最小值為54.4 m3/s，在6月份達(dá)到最大值為94.8 m3/s。據(jù)此可得常山港年最小生態(tài)需水總量占多年平均徑流量的50%～60%，比較符合錢塘江流域上游河流生態(tài)需水全過(guò)程。