黃志鴻，董增川，張發(fā)鴻，劉金華，李啟龍，郭偉建

(1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

0 引 言

黃河下游由于建成了大量的水工建筑物，河道已經(jīng)高度人工化，碎片化。由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展用水增加擠占河道內(nèi)生態(tài)用水，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化趨勢(shì)顯著[1]。黃河下游目前主要存在以下生態(tài)問(wèn)題：①黃河下游河道基流滿足度不高[2]；②黃河下游水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)[3]；③河口自然濕地退化嚴(yán)重[4]；④魚類生長(zhǎng)繁殖條件差[5]。因此，因地制宜地研究黃河下游的生態(tài)環(huán)境需水量，具有重要的意義。

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，大量學(xué)者對(duì)生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行了研究，從概念定義到結(jié)合水資源規(guī)劃管理，從保障河流生態(tài)系統(tǒng)的最低需求到注重系統(tǒng)性、地域性，均有成果。

在定義上，王西琴等[6]對(duì)河道最小環(huán)境需水量的生態(tài)意義進(jìn)行闡述與界定，并提出河道中必須常年保持最小水量的閾值；馮寶平等[7]將區(qū)域生態(tài)需水量的計(jì)算分為河道內(nèi)和河道外兩部分，并梳理了一些常用的計(jì)算方法。在計(jì)算方法上，于龍娟等[8]將逐月最小生態(tài)徑流法用于生態(tài)流量估算，并以洛河和伊河為實(shí)例研究對(duì)象，分析了不同計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)。河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算方法中，水力學(xué)法和水文學(xué)法需要長(zhǎng)序列和高精度的水文信息；棲息地法需要大量野外勘測(cè)收集數(shù)據(jù)，耗時(shí)長(zhǎng)、難度大；整體分析法需要魚類生態(tài)學(xué)、湖泊學(xué)、植物學(xué)等多學(xué)科的資料。生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算方法雖然繁多，但往往片面采用且沒(méi)有綜合考慮黃河下游實(shí)際面臨的問(wèn)題。

因此，本文由黃河下游現(xiàn)狀生態(tài)環(huán)境存在的問(wèn)題出發(fā)，在生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算中綜合考慮魚類生活、水沙沖淤、污染防治等方面的要求，使得計(jì)算的生態(tài)流量區(qū)間達(dá)到以下幾點(diǎn)目標(biāo)：①保持河道不斷流并盡量滿足水質(zhì)要求；②維護(hù)下游水沙平衡；③滿足魚類產(chǎn)卵及生長(zhǎng)。

1 研究區(qū)概況

黃河是我國(guó)重要的母親河，有悠久的歷時(shí)和廣袤的水域，本文主要研究的區(qū)間是三門峽以下的黃河下游河段，包含的水文站有三門峽、花園口、高村、艾山、利津，研究區(qū)的流域圖如圖1所示。

圖1 研究區(qū)流域

2 基本生態(tài)環(huán)境流量

河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量有兩個(gè)方面的含義。一是基本生態(tài)需水量，維系和保護(hù)河流的基本功能不受破壞，即保持河道不斷流；二是基本環(huán)境需水量，滿足水污染防治的基本需求。只有在滿足了基本生態(tài)環(huán)境需水量的要求下，才能考慮其他的用水需求。

本文中保持河道不斷流的基本生態(tài)需水量的計(jì)算方法采取歷史流量法[9]。采用多年平均流量的1/10作為河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量，結(jié)果如表1所示。

表1 黃河下游站點(diǎn)生態(tài)基流 m3/s

黃河下游含沙量大的特點(diǎn)使得下游的環(huán)境污染情況較為復(fù)雜，泥沙的存在對(duì)于水質(zhì)的改變?nèi)绾问且粋€(gè)復(fù)雜的研究，而且黃河下游的污染物排放也具有相當(dāng)大的不確定性，使得常規(guī)的估算方法不能達(dá)到很好的精度，如以河道水質(zhì)目標(biāo)為約束的模型計(jì)算等[10]。所以本文基本環(huán)境需水量中滿足水污染防治的需水量計(jì)算，可參考每10年最枯月平均流量法，黃河下游各重要站點(diǎn)各年代的最枯月平均流量如表2所示。

表2 黃河下游站點(diǎn)各年代最枯月平均流量 m3/s

由于黃河下游20世紀(jì)60年代以后三門峽水庫(kù)投入運(yùn)行對(duì)下游河段生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響。從表2也可看出，1960年～1969年的10年最枯月平均流量極低，20世紀(jì)70年代經(jīng)過(guò)一定的調(diào)度平衡后最枯流量有所增加，50年代是最接近天然徑流情勢(shì)的時(shí)期，所以本文采用1950年～1969年計(jì)算數(shù)據(jù)作為污染防治生態(tài)需水量。

3 適宜生態(tài)環(huán)境流量

與最小生態(tài)環(huán)境需水量不同，適宜生態(tài)環(huán)境需水量主要針對(duì)河流水生態(tài)系統(tǒng)中的輸沙水量、魚類群落生態(tài)環(huán)境需水量，應(yīng)當(dāng)遵循整體性、穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性的原則。

3.1 改進(jìn)的Tennant法

在黃河下游河道水流游蕩且含沙量大等因素影響下，研究區(qū)內(nèi)生物多樣性較低。本次工作也因缺乏生物觀測(cè)資料，而考慮先用改進(jìn)的Tennant法求得一個(gè)參考流量序列。其改進(jìn)通過(guò)引入修正因子實(shí)現(xiàn)。

3.2 生態(tài)水文季節(jié)的改進(jìn)

生態(tài)水文季節(jié)即在一個(gè)流域中，由于水情變化、生物習(xí)性不同而劃分的時(shí)間段。本文將完整的生態(tài)時(shí)序分成汛前期、主汛期、汛后期。

每年的4月～6月為汛前期，也是黃河下游魚類產(chǎn)卵育幼的高峰活躍期。該時(shí)間段最小生態(tài)環(huán)境需水量取多年平均徑流量的15%，適宜生態(tài)環(huán)境需水量可取多年平均徑流量的50%；每年的7月～10月為主汛期，黃河下游來(lái)水較豐，泥沙含量較高，最小生態(tài)環(huán)境需水量可取多年平均徑流量的15%，適宜生態(tài)環(huán)境需水量應(yīng)以輸沙用水為主，可取多年平均徑流量的60%；11月至次年3月為汛后期，河流來(lái)水相對(duì)較枯，泥沙含量相對(duì)較低，最小生態(tài)環(huán)境需水量可取多年平均徑流量的10%，適宜生態(tài)環(huán)境需水量應(yīng)以補(bǔ)給下游濕地和河岸為主，可取多年平均徑流量的40%。

另外，由于多年平均徑流量的平均化處理可能會(huì)坦化實(shí)際的來(lái)水徑流。為了更好地體現(xiàn)河流流量年內(nèi)徑流的豐枯動(dòng)態(tài)變化，我們可以引入季節(jié)系數(shù)s來(lái)實(shí)現(xiàn)典型年流量置換多年平均徑流[11]，也可實(shí)現(xiàn)在Tennant法應(yīng)用中反映河流生態(tài)水文季節(jié)的變化。季節(jié)系數(shù)計(jì)算如下

s=Qt/Qa

(1)

式中，s為季節(jié)系數(shù)；Qt為典型年t時(shí)段的徑流量；Qa為天然狀況下的多年平均流量。

由于黃河下游主要站點(diǎn)水文資料比較齊全，黃河下游河流健康狀況下多年平均流量值可選擇1952年～1959年的水文系列資料。如前文所述，該時(shí)期黃河上人工干預(yù)的大型水庫(kù)尚未建成運(yùn)用，其水資源開(kāi)發(fā)利用程度低，水生態(tài)環(huán)境屬于自然狀態(tài)下的健康水平。

從1952年～1959年中，需要選取一個(gè)典型年，典型年選取步驟參考文獻(xiàn)[11]，選取黃河下游典型年為1953年，重要水文站實(shí)測(cè)流量見(jiàn)表3。

表3 黃河下游站點(diǎn)多年平均及典型年流量值 m3/s

由式(3)計(jì)算出黃河下游各站季節(jié)系數(shù)，詳見(jiàn)表4。

表4 黃河下游站點(diǎn)季節(jié)系數(shù)

3.3 非汛期輸沙的改進(jìn)

對(duì)于泥沙淤積嚴(yán)重的河流，其輸沙量主要與河道中的流量和流速相關(guān)。黃強(qiáng)等[11]提出，在非汛期，當(dāng)流量穩(wěn)定在一定區(qū)間時(shí)，輸沙量多少就只與流速大小相關(guān)。若是河流較為接近天然狀態(tài)，沒(méi)有過(guò)度的人工開(kāi)發(fā)，在非汛期由于流量較小而淤積下來(lái)的泥沙可以在流量較大的汛期得到有效的沖刷。這是天然河流自身的天然平衡。在這樣的狀態(tài)中，短時(shí)間的河流淤積非但不會(huì)破壞河流生態(tài)環(huán)境的健康，甚至由于泥沙的存在，滋養(yǎng)微生物等可以幫助水體自凈，優(yōu)化河流水質(zhì)。而如今的黃河，由于許多水工建筑的建設(shè)，其天然狀態(tài)破壞率早已大于50%，無(wú)法達(dá)到天然的平衡狀態(tài)。黃河下游嚴(yán)重的泥沙淤積問(wèn)題，嚴(yán)重改變了下游的河道形態(tài)，抬高了河床，降低了水深，河槽比降也被填平，流速也隨之減少，一系列的連鎖反應(yīng)更是會(huì)加重下游的河床淤積問(wèn)題。如此惡性循環(huán)，總會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成更大的破壞。因此，調(diào)度中需要研究在非汛期維持一定的流速和水量汛前沖沙，使得主槽沖淤平衡。

當(dāng)河流在山區(qū)時(shí)，由于比降較大，流量小也可以達(dá)到?jīng)_淤條件，不至于破壞生態(tài)環(huán)境的健康；而在開(kāi)闊平原的河段，河道平坦，比降很小，此時(shí)流量小時(shí)就很容易抬高河床，形成“地上懸河”。據(jù)此，我們可以在Tennant法的計(jì)算中考慮河流形態(tài)的變化，進(jìn)而綜合考慮輸沙的生態(tài)流量。在多年平均天然流量百分比基礎(chǔ)上引入比降系數(shù)ie，來(lái)表征河道的比降。即

(2)

表5 黃河下游各河段比降 %

由各河段比降求出黃河下游平均比降為0.021%，將以上數(shù)據(jù)代入式(2)，得到黃河下游河段各站的環(huán)境比降(見(jiàn)表5)。

基于以上所述的兩方面改進(jìn)，改進(jìn)后的Tennant法通過(guò)在原方法的多年平均天然流量百分比r0基礎(chǔ)上乘上引進(jìn)的季節(jié)系數(shù)s和比降系數(shù)ie，使其可以更好的適應(yīng)黃河下游的生態(tài)環(huán)境。具體如下

r=r0·s·ie

(3)

式中，r為本文改進(jìn)后的推薦流量百分比；r0為原方法定義的平均天然流量百分比。得出黃河下游各站點(diǎn)基本生態(tài)環(huán)境需水和適宜生態(tài)環(huán)境需水參考序列(見(jiàn)表6)。

表6 黃河下游站點(diǎn)生態(tài)環(huán)境需水參考序列 m3/s

3.4 汛期輸沙水量

在Tennant法中考慮的輸沙改進(jìn)主要針對(duì)的是非汛期的改進(jìn)。據(jù)黃河流域水資源綜合規(guī)劃報(bào)告，黃河流域產(chǎn)沙時(shí)間較為集中，年內(nèi)分配不均，黃河年徑流量中60%的流量和85%的輸沙量均集中在汛期。所以，需要特別考慮汛期的輸沙水量。

汛期輸沙水量的影響因素主要有汛期下游來(lái)沙量和汛期下游河道沖淤量[12]。參考《黃河流域水資源綜合規(guī)劃報(bào)告》(2012～2020)及黃河水利科學(xué)研究院[12]關(guān)于黃河下游汛期輸沙水量的相關(guān)研究，各因子間具有良好的相關(guān)關(guān)系，汛期花園口站和利津站輸沙水量與下游來(lái)沙量、水量的關(guān)系為

W=22Ws-42.3Ys+86.8

(4)

(5)

式中，W為汛期花園口站輸沙水量，億m3；Ys為汛期下游河道沖淤量，億t；Ws為汛期下游來(lái)沙量，億t；Wsl為汛期利津站來(lái)沙量，億t；Wl為汛期利津站輸沙水量，億m3。

河道允許淤積量與來(lái)沙量之間存在一定的關(guān)系，申冠卿等[12]給出了下游來(lái)沙量與下游河道允許預(yù)計(jì)量的數(shù)據(jù)，如表7所示。

表7 下游來(lái)沙量與允許預(yù)計(jì)量 億t

對(duì)以上數(shù)據(jù)做相關(guān)性分析，并擬合關(guān)系函數(shù)，如式(6)所示，其確定系數(shù)R2為0.981 6。具體為

Y=0.426 8x-1.412 4

(6)

式中，Y為下游河道允許淤積量，億t；x為下游汛期來(lái)沙量，億t。

黃河下游引沙主要集中在汛期，其平均含沙量為33.9kg/m3。經(jīng)計(jì)算，黃河下游汛期日均引沙量為59.04萬(wàn)t。據(jù)以上計(jì)算，可得花園口站和利津站汛期輸沙流量分別為2 032.52、1 830.51 m3/s。

3.5 魚類生態(tài)需水量

一年內(nèi)的河道徑流有豐有枯，按照流量的大小我們可以將其劃分出低流量、中等流量與高流量。其中，高流量中又可分為流量脈沖、中小洪水及漫灘洪水，而中等流量對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響較小，可忽略。

對(duì)河流生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)有不同意義的以上各流量組分可通過(guò)長(zhǎng)系列連續(xù)的流量數(shù)據(jù)按以下步驟確定。

(1)對(duì)所有的流量進(jìn)行排頻計(jì)算。

(2)計(jì)算流量的時(shí)段變化率

Ki=[(Qi+1-Qi)/Qi]×100%

(7)

式中，Ki為第i時(shí)段的流量變化率；Qi表示第i時(shí)段的流量。

(3)設(shè)定如下規(guī)則初步劃分出高流量QH和低流量QL。其中，Q75、Q25分別為P=75%、P=25%時(shí)對(duì)應(yīng)的流量：①如果Qi≤Q75，則Qi屬于低流量QL；否則，Qi屬于高流量QH。歷史低流量區(qū)間為0～549 m3/s，低流量代表平均值為374.62 m3/s。而高流量由于洪水的持續(xù)時(shí)間性，由步驟2～3確定。②如果Qi>Q75同時(shí)Qi-10%時(shí)，說(shuō)明Qi與Qi-1相差較小，又為連續(xù)流量系列，可將Qi列為高流量，同時(shí)若Ki>0，說(shuō)明后一時(shí)段Qi+1大于已經(jīng)列為高流量的Qi，Qi+1也列為高流量；若后一時(shí)段Qi+1是高流量時(shí)，當(dāng)Ki<10%時(shí)，說(shuō)明Qi與Qi+1相差較小，又為連續(xù)流量系列，可將Qi列為高流量，同時(shí)若Ki<0，說(shuō)明前一時(shí)段Qi-1大于已經(jīng)列為高流量的Qi，Qi-1也列為高流量。③將所有高流量QH羅列出，重新進(jìn)行一次高流量排頻計(jì)算(見(jiàn)圖2)。

圖2 高流量系列排頻

QH10、QH25分別為所有QH中P=10%、25%時(shí)對(duì)應(yīng)的流量值，QH10=4 377.5 m3/s，QH25=3 147 m3/s。再按以下規(guī)則劃分高流量QH中的高流量脈沖、中小洪水、漫灘洪水：若Qi≤QH25，則Qi為高流量脈沖；如果Qi≥QH10，則Qi為漫灘洪水；如果Qi>QH25同時(shí)，Qi

由以上步驟可得不同的流量組分區(qū)間，其對(duì)魚類有不同的生態(tài)意義，詳見(jiàn)表8。

表8 不同流量組分對(duì)魚類的生態(tài)意義

由于汛前期4月～6月是魚類的生長(zhǎng)育幼期，也是黃河下游調(diào)水調(diào)沙的生態(tài)調(diào)度時(shí)期，該時(shí)段末要將水位降低至死水位。所以本文采用高流量脈沖的低值作為適宜生態(tài)需水量，既有利于魚類的生存和洄游，也有利于汛前沖沙。然而，為滿足魚類繁殖的刺激性要求，還需要短暫幾天的更高流量脈沖刺激。

蔣曉輝等[5]利用流量恢復(fù)法模擬自然流量的過(guò)程研究黃河下游魚類的生活習(xí)性。蔣曉輝提出，黃河下游11月～3月應(yīng)保持低流量270 m3/s，為魚類過(guò)冬提供棲息環(huán)境；4月～6月魚類繁殖生長(zhǎng)期首先應(yīng)保證低流量，為魚類洄游提供通道，也為幼魚生長(zhǎng)提供棲息地，同時(shí)在4月初需要生成維持6天左右流量為2 600 m3/s的高流量脈沖刺激魚類產(chǎn)卵。該結(jié)果與以上計(jì)算流量組分區(qū)間吻合，由于水力學(xué)數(shù)據(jù)較難獲取，無(wú)法模擬自然流態(tài)，本研究引用該計(jì)算結(jié)果。

3.6 生態(tài)環(huán)境流量區(qū)間

天然狀態(tài)下，徑流的類型和時(shí)空變化規(guī)律趨于自然穩(wěn)定。穩(wěn)定的自然徑流是最優(yōu)的生態(tài)徑流量，所以我們有必要使調(diào)度后的徑流盡可能接近自然徑流。而生態(tài)需水量本身是一個(gè)閾值范圍[13]；因此生態(tài)環(huán)境流量也應(yīng)該有上下限范圍，調(diào)度后的下泄流量應(yīng)盡可能地落在這個(gè)區(qū)間內(nèi)。綜合上文關(guān)于生態(tài)環(huán)境需水的研究，將基本生態(tài)環(huán)境流量整合作為生態(tài)環(huán)境閾值下限，將適宜生態(tài)環(huán)境流量整合作為生態(tài)環(huán)境閾值上限，詳見(jiàn)表9。

表9 黃河下游重要水文站生態(tài)環(huán)境流量區(qū)間 m3/s

4 結(jié) 論

本研究從黃河下游現(xiàn)狀生態(tài)環(huán)境存在的問(wèn)題出發(fā)，在魚類生態(tài)需水計(jì)算中，由長(zhǎng)系列的歷史流量數(shù)據(jù)計(jì)算出黃河下游各流量組分的閾值區(qū)間；在輸沙生態(tài)需水量計(jì)算中，分別計(jì)算了下游控制站花園口站和河口控制站利津站在汛期的輸沙水量，考慮了汛期河道的輸沙需求。本研究提出了生態(tài)環(huán)境整體性、穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)，從多角度考慮，將基本生態(tài)環(huán)境流量整合作為生態(tài)環(huán)境閾值下限，將適宜生態(tài)環(huán)境流量整合作為生態(tài)環(huán)境閾值上限，為水庫(kù)群的優(yōu)化調(diào)度研究提供數(shù)據(jù)支撐。