張小艷，于建棟，張 芮，王亮國，李 潔

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省水利廳，甘肅 蘭州 730000)

2020年水利部發(fā)布了《關(guān)于做好河湖生態(tài)流量確定和保障工作的指導(dǎo)意見》，明確指出河流生態(tài)流量是維系江河湖泊生態(tài)系統(tǒng)的基本要素，是控制水資源開發(fā)強(qiáng)度的重要指標(biāo)，也是優(yōu)化水資源配置的重要基礎(chǔ)。保障和管理河湖生態(tài)流量對加強(qiáng)水資源開發(fā)利用和推進(jìn)河湖生態(tài)保護(hù)修復(fù)具有重要意義[1- 3]，事關(guān)生態(tài)文明建設(shè)和水利改革發(fā)展的全局，因此生態(tài)流量保障與管理工作備受各界關(guān)注[4- 6]。西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，水資源開發(fā)利用程度高，出現(xiàn)河道生態(tài)流量難以保障、下游河道斷流、生物多樣性受損等嚴(yán)重生態(tài)環(huán)境問題[7- 10]。甘肅白龍江流域是長江上游的重點(diǎn)水源涵養(yǎng)林區(qū)和重要生態(tài)屏障，生態(tài)功能和地位十分重要。生態(tài)流量是河湖健康維系的重要條件，保護(hù)好流域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境，對于提高長江上游水源涵養(yǎng)能力、減少水土流失、維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)平衡、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義[11- 12]。

河湖生態(tài)流量是指為了維系河流、湖泊等水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，需要保留在河湖內(nèi)符合水質(zhì)要求的流量(水量、水位)及其過程[13]。常見的生態(tài)流量計(jì)算方法主要分為水文方法，水力學(xué)法、棲息地法、綜合法等4大類[14]，其中水文學(xué)方法原理簡單，在有實(shí)測或還原長系列水文資料的前提下可以快速得到結(jié)果，尤其在資料缺乏地區(qū)具有優(yōu)勢[15- 16]，其主要的計(jì)算方法有：Tennant法[17]、NGPRP法[18]、基本流量法[19]、最小月平均流量法[20]、年內(nèi)展布法[21]和近十年最枯月平均流量法[22]等。在多種可供使用的計(jì)算方法之中，不同的方法計(jì)算結(jié)論不盡相同。河流生態(tài)流量不是一個(gè)固定不變的值，而是一個(gè)與河流特性、河段位置和時(shí)段范圍相關(guān)的量，倪晉仁等[23]認(rèn)為確定河流的生態(tài)流量時(shí)應(yīng)考慮分河段、分時(shí)段、效率最大化等原則。

本文選取白龍江流域上游段麻牙寺水文站(1967—1999年)、舟曲水文站(1967—1999年)逐月流量數(shù)據(jù)，綜合運(yùn)用Tennant法、NGPRP法、基本流量法、最小月平均流量法、年內(nèi)展布法和近十年最枯月平均流量法6種水文學(xué)方法，分別計(jì)算白龍江上游相關(guān)斷面每個(gè)月份的生態(tài)流量。通過合理分析，提出適合白龍江上游地區(qū)的生態(tài)流量。以期為白龍江上游的水資源開發(fā)、保護(hù)與生態(tài)治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 白龍江上游概況

白龍江屬長江水系，嘉陵江的一級支流，全長576km，流域面積3.28萬km2，河道全長平均比降4.83‰，水資源較為豐富，年平均流量389km3/s。按河道性狀和流域特點(diǎn)，將其劃分為上、中、下游3段，其中上游段從發(fā)源地至舟曲縣城，河長228km，屬高原峽谷段[24]。

白龍江流域徑流由雨水和地下水補(bǔ)給，主要由雨水補(bǔ)給，全年5—10月份為洪水期；枯水期為12月—次年4月份，白龍江徑流年內(nèi)、年際豐枯特征均比較顯著。豐水期5—10月占全年徑流量的比例最大為75%，1—2月流量最小[25]。

麻牙寺、舟曲站水文站處于白龍江上游，是國家基本測站，資料精度較高。理論上，生態(tài)徑流計(jì)算應(yīng)使用還原后的天然徑流資料，但由于缺少白龍江上游的用水資料，無法進(jìn)行還原計(jì)算。2000年之前白龍江干流上游雖然受到了人類活動(dòng)的影響，但處于自身能夠逐漸恢復(fù)的范圍之內(nèi)，實(shí)測徑流資料可作為天然徑流進(jìn)行生態(tài)流量計(jì)算。因此本文選擇麻牙寺、舟曲站水文站(1967—1999年)33年的同期實(shí)測逐月流量數(shù)據(jù)，水文系列中豐水年、平水年、枯水年組交替出現(xiàn)，可以反映流域的變化規(guī)律。由于河流空間特征的差異性，以這2個(gè)水文站為分界點(diǎn)分2段分別計(jì)算白龍江上游段生態(tài)流量。

1.2 白龍江上游梯級水電站開發(fā)情況

白龍江上游河段水資源開發(fā)程度較大，以發(fā)電為主，水電開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的矛盾突出。白龍江干流上游尼什峽至沙川壩河段上規(guī)劃有13級梯級水電站，自上而下依次為：尼什峽、卡壩班九、尼傲加尕、尼傲峽、九龍峽、花園、水泊峽、代古寺、巴藏、立節(jié)、喜兒溝、涼風(fēng)殼、鎖兒頭[26]。確定河流生態(tài)流量既是保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)的根本舉措，又是開展梯級水庫生態(tài)調(diào)度的重要依據(jù)。

2 研究方法

2.1 Tennant法

Tennant法也被稱為蒙大拿法，屬長系列水文學(xué)范疇。以長系列徑流資料的多年各月平均徑流量為依據(jù)，將年內(nèi)各月分為枯水期、豐水期，通過分析Tennant法評估標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)推薦的流量占多年天然流量百分?jǐn)?shù)，計(jì)算河道所需的生態(tài)流量，Tennant法評估標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 Tennant法評估標(biāo)準(zhǔn)

已知麻牙寺水文站、舟曲水文站多年各月平均流量，全年分為年內(nèi)較枯時(shí)段和年內(nèi)較豐時(shí)段，依據(jù)Tennant法評估標(biāo)準(zhǔn)，取年內(nèi)較枯時(shí)段(11月—次年4月)徑流量的10%作為河道正常健康的最小流量；年內(nèi)較豐時(shí)段(5月—10月)取的年平均流量的30%作為生態(tài)流量。

2.2 NGPRP法

NGPRP法以長系列水文年中的平水年組為主要研究對象。將已知的長系列水文年段分為豐水組、平水組和枯水組；對平水組進(jìn)行排頻，取90%保證率的年內(nèi)各月徑流量作為河段的生態(tài)流量。

2.3 基本流量法(Basic Flow Method)

基本流量法考慮了河流的季節(jié)性和非季節(jié)性。選取多年徑流資料中各年內(nèi)的最小流量，組成一個(gè)系列；將此系列按順序編號，計(jì)算相鄰兩編號之間的流量變化差值，最終取流量變化差值最大處的徑流量作為河段的生態(tài)流量。

2.4 最小月平均流量法

最小月平均流量法是將長系列水文年份中各年內(nèi)最小月平均實(shí)測流量的多年平均值作為河段的生態(tài)流量。最小月平均流量法計(jì)算公式為：

(1)

式中，Qb—壩后減水河段的生態(tài)需水量，108m3；Qij—第i年的第j月平均流量，m3/s；T—換算系數(shù)31.536×106；n—長系列水文資料的年份總數(shù)。

2.5 年內(nèi)展布法

年內(nèi)展布法也屬長系列水文學(xué)法，以主要研究的河道歷史長系列徑流資料為依據(jù)，引入多年平均流量和最小年平均流量的同期均值比(η)，通過此值同需要計(jì)算的河道生態(tài)流量建立聯(lián)系，進(jìn)而確定河段生態(tài)流量的值，計(jì)算步驟如下：

(2)求得多年平均流量和最小年平均流量的同期均值比(η)。

(2)

(3)最后利用同期均值比，確定河段生態(tài)流量的值(Qi)。

(3)

2.6 近十年最枯月平均流量法

將長系列歷史多年徑流資料由遠(yuǎn)及近排列，取近十年每年內(nèi)最枯月徑流量，將十個(gè)月份徑流量求取均值，作為河段的生態(tài)流量。

3 結(jié)果分析

3.1 生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果

應(yīng)用以上6種水文方法分別對麻亞寺水文站和舟曲水文站1967—1999年的逐月流量數(shù)據(jù)進(jìn)行生態(tài)流量計(jì)算，所得結(jié)果如圖2所示。

圖1 各方法計(jì)算得生態(tài)流量值

從全年來看，2個(gè)水文站斷面用6種水文學(xué)方法計(jì)算結(jié)果規(guī)律基本一致。Tennant法、近十年最枯月平均流量法、最小月平均流量法這3種方法計(jì)算出的生態(tài)流量較為相近，其中Tennant法計(jì)算結(jié)果最低；NGPRP法和基本流量法計(jì)算的結(jié)果相近，并且在枯、汛期計(jì)算結(jié)果差距很多，基本流量法計(jì)算結(jié)果相比其他方法偏高。按月份分析，11月—次年4月，這6個(gè)月份(即枯水期)由6種水文學(xué)方法計(jì)算出的生態(tài)流量差距較??；5—11月(即豐水期)由6種方法計(jì)算的生態(tài)流量差距較為明顯。原因是不同的計(jì)算方法考慮的側(cè)重點(diǎn)不同，有些方法偏向取多年徑流平均值，如Tennant法；有些方法側(cè)重平水年，如NGPRP法；有些水文學(xué)方法側(cè)重枯水月份時(shí)段，如最小月評價(jià)流量法、近十年最枯月平均流量法；年內(nèi)展布法既考慮多年平均又兼顧枯水月。

年內(nèi)展布法最吻合麻亞寺、舟曲水文斷面處月徑流變化規(guī)律，這與賈子燁[27]對湑水河流域梯級水電站生態(tài)流量研究得出的結(jié)論一致?；玖髁糠?、NGPRP法計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)部分時(shí)段大于多年月平均流量，白龍江上游水電站開發(fā)程度高，此兩種方法計(jì)算結(jié)果作為生態(tài)流量對于白龍江上游適用性較低。

3.2 生態(tài)流量分析

3.2.1生態(tài)流量滿足程度分析

河湖生態(tài)流量滿足狀況采用月均滿足程度進(jìn)行評價(jià)。各月徑流量數(shù)值大于各月生態(tài)流量值的的月份數(shù)與長系列徑流年份總數(shù)的比值即為生態(tài)基流滿足程度，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 生態(tài)基流滿足程度

結(jié)合水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院《關(guān)于印發(fā)2019年重點(diǎn)河湖生態(tài)流量(水量)保障實(shí)施方案編制及實(shí)施有關(guān)技術(shù)要求的通知》要求，確定重要河湖生態(tài)流量(水位)目標(biāo)的設(shè)計(jì)保證率為90%。

基本流量法計(jì)算結(jié)果的滿足程度在麻亞寺、舟曲斷面均遠(yuǎn)小于90%，NGPRP法計(jì)算結(jié)果除舟曲斷面1—3月外其余時(shí)間的滿足程度也均遠(yuǎn)小于90%，這與上述生態(tài)流量分析結(jié)果一致。近十年最枯月平均流量法、最小月平均流量法計(jì)算結(jié)果在豐水期滿足程度超過90%，但在枯水期滿足程度不足90%。年內(nèi)展布法計(jì)算結(jié)果的滿足程度舟曲斷面在枯水期和豐水期均超過90%，麻亞寺斷面枯水期滿足程度不足90%，但在豐水期滿足程度超過90%。Tennant法計(jì)算結(jié)果在麻亞寺斷面和舟曲斷面的滿足程度在枯水期和豐水期均超過90%。

3.2.2經(jīng)濟(jì)效益分析

白龍江上游河段水資源的高程度開發(fā)[26]，其主要任務(wù)為發(fā)電，部分水電站壩址所處地理位置相對特殊，水電站所屬河段梯級開發(fā)，正常蓄水位與上一級電站尾水相接，且該水電站的任務(wù)為發(fā)電，故原河道的徑流量、發(fā)電引用流量和壩后脫水河段所需的生態(tài)流量在一定程度上會影響水電站的經(jīng)濟(jì)效益。因此，可用生態(tài)流量占引用發(fā)電流量的百分比進(jìn)行分析經(jīng)濟(jì)效益。

本文研究的河段(麻亞寺-舟曲)，可取尼傲加尕水電站(引用流量63.3m3/s)和立節(jié)水電站(引用流量159m3/s)為典型水電站，計(jì)算生態(tài)流量占引用發(fā)電流量的百分比進(jìn)行分析經(jīng)濟(jì)效益。計(jì)算結(jié)果如圖3。

圖3 生態(tài)流量占引用發(fā)電流量的百分比

由圖3分析可知，NGPRP法和基本流量法的計(jì)算結(jié)果占引用發(fā)電流量的百分比較高，對壩后減水河段內(nèi)生物種群的生存具有良好的保護(hù)作用，對水電站的經(jīng)濟(jì)效益不太有利。

Tennant法、最小月平均流量法、年內(nèi)展布法和近十年最枯月平均流量法的生態(tài)流量占引用發(fā)電流量的百分比較低。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

王煌[28]通過對山區(qū)小水電站減脫水河段生態(tài)需水量計(jì)算認(rèn)為最小月生態(tài)徑流法計(jì)算的生態(tài)流量最為合理且能夠反應(yīng)豐枯變化。徐剛等[29]采用最小月平均流量法、近十年最小月平均流量和Tennan法中計(jì)算結(jié)果的最大值作為拉洛壩址下游的初始生態(tài)基流。姚云澤等[30]認(rèn)為在北方水資源量相對較少的區(qū)域可優(yōu)先使用Tennant法、近十年最枯月平均流量法確定其生態(tài)流量。季小兵等[31]基于開都河大山口水文站1960—2018年的實(shí)測徑流數(shù)據(jù)分析Tennant法的計(jì)算結(jié)果作為開都河生態(tài)流量最為適宜。宋增芳等[32]認(rèn)為NGPRT法和改進(jìn)年內(nèi)展布法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行耦合更適合黑河干流引水式水電站最小生態(tài)流量。不同的水文學(xué)方法研究生態(tài)流量的側(cè)重點(diǎn)不一樣，不同流域生態(tài)流量適用的水文方法也有差異。甚至同一河流汛期和非汛期生態(tài)流量也不同，導(dǎo)致生態(tài)流量研究存在較大差別，河流生態(tài)流量無法用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)衡量。應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)的實(shí)際情況，采用多種不同的計(jì)算方法，確定適合本流域的生態(tài)流量[33- 34]。

由圖3—4分析可知，NGPRP法和基本流量法的滿足程度較低，且生態(tài)流量占引用發(fā)電流量的百分比較高。Tennant法、最小月平均流量法、年內(nèi)展布法和近十年最枯月平均流量法的滿足程度較高，且生態(tài)流量占引用發(fā)電流量的百分比較低。單一的水文方法計(jì)算生態(tài)流量具有局限性，對于水資源開發(fā)利用強(qiáng)度較大的河流來說，應(yīng)該考慮分河段原則，分時(shí)段原則，效率最大化原則等多個(gè)原則，在考慮滿足河流各項(xiàng)基本功能的同時(shí)，應(yīng)注意水資源利用效率的最大化，減少水資源的浪費(fèi)，且不同河段對應(yīng)的河流生態(tài)流量也會有較大差別。按照豐增枯減的原則實(shí)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的新理念，正確處理河湖開發(fā)利用與保護(hù)的關(guān)系，優(yōu)先保障生態(tài)流量。

4.2 結(jié)論

(1)白龍江上游麻牙寺水文站斷面11月至次年4月生態(tài)流量可以按照年內(nèi)展布法的計(jì)算結(jié)果取10.6～16.5m3/s；5—10月的生態(tài)流量按照最小月平均流量法計(jì)算結(jié)果取16.5m3/s。

(2)舟曲水文站斷面11月至次年4月生態(tài)流量可以按照年內(nèi)展布法的計(jì)算結(jié)果取7.66～11.75m3/s；5—10月的生態(tài)流量按照最小月平均流量法計(jì)算結(jié)果取27.47m3/s。