張澤賢，檀 月，張鈺萌，丁曉雯

(1.華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206；2.北京市排水管理事務(wù)中心，北京 100000)

1 概述

河流作為地球生命的重要組成部分、人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，對(duì)物質(zhì)以及能量的運(yùn)輸與傳遞有重要影響作用。人們不合理地使用水資源，導(dǎo)致河流出現(xiàn)干枯、斷流現(xiàn)象，生物多樣性結(jié)構(gòu)遭到破壞、生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生退化現(xiàn)象[1]。河流生態(tài)系統(tǒng)一旦遭到破壞會(huì)難以恢復(fù)，因此河流應(yīng)長(zhǎng)期保持一定的基本水量即最小生態(tài)流量來(lái)維持自身健康發(fā)展。

目前，國(guó)內(nèi)外河流生態(tài)需水量的計(jì)算方法[2]可分為：基于長(zhǎng)序列歷史流量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算步驟簡(jiǎn)便，但精度較低的水文學(xué)方法；以研究斷面的水力參數(shù)如寬度、流速等來(lái)計(jì)算生態(tài)流量并受河道斷面影響較大的水力學(xué)方法；通過(guò)指示生物及其所需水力條件綜合分析來(lái)確定生態(tài)流量的生境模擬法[3]；綜合分析法是基于整體概念出發(fā)研究河流，涉及多個(gè)領(lǐng)域?qū)＜业墓餐芯?，?jì)算結(jié)果精度最高。采用水文學(xué)方法進(jìn)行生態(tài)流量計(jì)算時(shí)只需依據(jù)多年歷史流量資料，因此應(yīng)用較其它3種計(jì)算方法更為廣泛，并且適用于任何河流。生態(tài)流量的計(jì)算最先在美國(guó)西部得到應(yīng)用，我國(guó)起步較晚，近年的研究多是基于原有方法進(jìn)行改進(jìn)并應(yīng)用于實(shí)踐。如Andrzej等[4]選用Tennant和Tessman方法對(duì)波蘭杜納耶茨河谷上的3條河流的生態(tài)流量進(jìn)行了核算。欒清華等[5]采用細(xì)化到月尺度的基流比例法，根據(jù)年型、年際、年內(nèi)的不同方面，分層次對(duì)洋河干流生態(tài)流量變化進(jìn)行了解析，并評(píng)價(jià)了現(xiàn)狀年河流生態(tài)基流的保障程度。林夢(mèng)珂等[6]將改進(jìn)年內(nèi)展布法應(yīng)用到渭河流域，將年徑流過(guò)程分為汛期、非汛期兩個(gè)過(guò)程計(jì)算生態(tài)基流，考慮了天然徑流的季節(jié)性，減弱了極端天氣對(duì)計(jì)算的影響，結(jié)果更加合理。周曉玉[7]以遼寧省下河套水庫(kù)壩下河段當(dāng)?shù)氐牡乩須夂蚺c河流特點(diǎn)為基礎(chǔ)提出了一種改進(jìn)Tennant法，對(duì)流域水資源開(kāi)發(fā)提供借鑒。張小艷等[8]利用多種水文學(xué)方法計(jì)算了白龍江上游麻牙寺水文站和舟曲水文站斷面的生態(tài)流量并比較分析了不同方法的經(jīng)濟(jì)效益。

沙潁河流域位于河南省中南部，是重要的能源基地，有著豫中南地區(qū)的母親河之稱。但沙潁河在枯水期因水動(dòng)力不足而出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，因此有必要對(duì)其開(kāi)展生態(tài)流量計(jì)算保障河流健康?；谒膶W(xué)生態(tài)流量計(jì)算方法適用性以及研究發(fā)展，決定選用改進(jìn)年內(nèi)展布法、Tessman法以及基流比例法在周口斷面進(jìn)行生態(tài)流量核算，采用Tennant法[9]對(duì)計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析得出最小生態(tài)流量推薦范圍。

2 研究區(qū)域概況和數(shù)據(jù)分析

2.1 沙潁河流域概況

沙潁河是淮河左岸的最大一級(jí)支流，流域總面積39075.3km2，跨河南與安徽兩省，河道全長(zhǎng)約621.2km[10]。流域氣候表現(xiàn)為四季分明、夏季高溫、冬季寒冷、雨熱同期，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，平均年降水量為641.2mm，并有明顯的季節(jié)性變化，汛期可能發(fā)生洪水，枯季可能出現(xiàn)斷流現(xiàn)象；且降水量南部較北部大，山區(qū)較平原大。

2.2 核算斷面的選擇

沙河與潁河在周口交匯，在交匯之前沙河與潁河的水質(zhì)相差較大，在周口斷面交匯時(shí)流域的分布形狀由扇形變?yōu)閹?，在交匯之后下游水質(zhì)則主要是受周口斷面來(lái)水的影響?？梢?jiàn)周口斷面是沙潁河干流的起始斷面，保障其生態(tài)流量對(duì)維護(hù)沙潁河干流的水生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要[11]。因此以沙潁河分布形狀改變的重要節(jié)點(diǎn)——周口斷面作為核算斷面。

2.3 數(shù)據(jù)選擇

通過(guò)收集得到的資料，研究選用沙潁河1988—2017年共30年的實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行生態(tài)流量核算，求得沙潁河多年逐月平均流量見(jiàn)表1。

表1 1988—2017年周口斷面逐月平均流量 單位：m3/s

由表1可知，沙潁河周口斷面降水分布年內(nèi)明顯不均，流量變化較大，呈現(xiàn)出季節(jié)差異：最大值可達(dá)1310m3/s，而最小值僅為0.16m3/s。

2.4 數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

Mann-Kendall法[12]是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，因其對(duì)樣本數(shù)據(jù)分布沒(méi)有特別的要求，少數(shù)異常值的存在對(duì)計(jì)算結(jié)果基本沒(méi)有影響，并兼有突變檢驗(yàn)功能而被廣泛使用。因此針對(duì)周口站1988—2017年共30年的年平均流量數(shù)據(jù)，采用Mann-Kendall法進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)。計(jì)算得到S=-9，Z=-0.14,小于0，說(shuō)明流量數(shù)據(jù)整體呈下降趨勢(shì)。同時(shí)結(jié)合圖1所示的Mann-Kendall突變檢驗(yàn)圖可知，周口站這30年的年均流量數(shù)據(jù)沒(méi)有顯著性趨勢(shì)變化，即流量與年份之間沒(méi)有一定的相關(guān)性[13]。表明流量數(shù)據(jù)具有一定的科學(xué)性、代表性以及可操作性，可以用于沙潁河生態(tài)流量計(jì)算。

圖1 Mann-Kendall突變檢驗(yàn)圖

3 研究方法與結(jié)果

3.1 改進(jìn)年內(nèi)展布法

先采用還原方法或模型將實(shí)測(cè)流量資料還原為天然流量[14]，最終還原結(jié)果參見(jiàn)表2。本研究采用逐項(xiàng)還原法[15]。公式如下：

W天然=W實(shí)測(cè)+W農(nóng)耗+W工業(yè)+W蓄變+
W庫(kù)蒸發(fā)+W引水+W其它

(1)

式中，W天然—天然年徑流量，108m3；W實(shí)測(cè)—實(shí)測(cè)年徑流量，108m3；W農(nóng)耗—地表水農(nóng)業(yè)灌溉耗損量，108m3；W工業(yè)—地表水工業(yè)耗損量，108m3；W蓄變—時(shí)段始末的水庫(kù)、閘壩蓄變量，增加為正，減少為負(fù)，108m3；W庫(kù)蒸發(fā)—水庫(kù)、閘壩庫(kù)區(qū)水面蒸發(fā)與陸面蒸發(fā)差值，108m3；W引水—跨流域引水，108m3；W其它—其他還原水量，108m3。

具體計(jì)算過(guò)程如下：

(1)依據(jù)沙潁河周口站1988—2017年的流量數(shù)據(jù)資料，將1年劃分為豐、平、枯水期。

表2 1988—2017年周口斷面天然年徑流量 單位：108m3

(4)計(jì)算不同時(shí)期不同的同期均值比η1、η2、η3。

(5)依據(jù)公式Qi=ηi×qi，計(jì)算各月最小生態(tài)流量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

3.2 Tessman法

Tessman法[16]是由Tennant法修改而來(lái)的，需要?jiǎng)澐譃樨S水期、平水期及枯水期。計(jì)算公式如下：

(2)

當(dāng)P<40%時(shí)，該月的最小生態(tài)流量取為本月平均流量；當(dāng)40%100%時(shí)，該月的最小生態(tài)流量為本月平均流量的40%。

表3 改進(jìn)年內(nèi)展布法計(jì)算結(jié)果

最終計(jì)算得到各月P頻率及最小生態(tài)流量見(jiàn)表4。

表4 Tessman法各月份頻率及最小生態(tài)流量表 單位：m3/s

3.3 基流比例法

3.3.1年型劃分及其生態(tài)流量計(jì)算

首先計(jì)算距平百分率的大小，再按年份劃分標(biāo)準(zhǔn)將1988—2017年分為豐、平、枯及特枯水年等不同年型[17]。不同年型的劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5。不同年型對(duì)應(yīng)不同基流比例值，但同一年型不同時(shí)段采用相同基流比例值。

表5 不同年型劃分標(biāo)準(zhǔn)表

生態(tài)基流比例計(jì)算：

Ta+1=[1+(Qa/Qa+1-1)×μ]×Ta

(3)

設(shè)

α=1+(Qa/Qa+1-1)×μ

(4)

則

Ta+1=αTa

(5)

式中，Ta—斷面a年型的基流比例，%，a=1(豐水年)、2(平水年)、3(枯水年)、4(特枯水年)；Qa—斷面a年型的年均徑流量值；μ—比例消減系數(shù)，本文中取為0.4。

各年型最小生態(tài)流量的計(jì)算：

(6)

計(jì)算所得最小生態(tài)流量見(jiàn)表6。

表6 周口站各年型最小生態(tài)流量表

從表6中可以看出，豐水年、平水年、枯水年及特枯水年的生態(tài)基礎(chǔ)流量均達(dá)到了多年平均流量的10%以上，可以滿足河流最低要求。而豐水年甚至達(dá)到了33.65%，可以為大多數(shù)水生生物提供較好的生存環(huán)境。

3.3.2同一年型內(nèi)不同時(shí)段生態(tài)流量的計(jì)算

同一年型內(nèi)根據(jù)不同月份的流量大小將其分為豐水期(7—9月)、平水期(10—11、6月)及枯水期(12—5月)等不同時(shí)段。3個(gè)時(shí)段根據(jù)同一年型采用同一基流比例分別計(jì)算生態(tài)流量。

同一年型不同時(shí)段最小生態(tài)流量的計(jì)算：

(7)

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 基流比例法生態(tài)流量計(jì)算表 單位：m3/s

4 計(jì)算結(jié)果分析與討論

郭利丹等[18]對(duì)Tennant法的應(yīng)用及合理性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：采用同時(shí)段的平均流量較多年平均流量進(jìn)行評(píng)價(jià)更為合理。因此采用Tennant法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，其評(píng)估參數(shù)見(jiàn)表8。以水利部印發(fā)的《關(guān)于印發(fā)第一批重點(diǎn)河湖生態(tài)流量保障目標(biāo)的函》(水資管函〔2020〕43號(hào))[19]中的第一批重點(diǎn)河湖生態(tài)流量保障目標(biāo)(試行)中規(guī)定的沙潁河周口斷面最小生態(tài)流量4.3m3/s為參照值。

P1代表改進(jìn)年內(nèi)展布法，P2代表Tessman法，P3—P6分別代表基流比例不同年型比值，以4.3m3/s為參照進(jìn)行對(duì)比表示為P7。各方法所得P值及評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表9。

Tennant法認(rèn)為多年平均流量的10%是維持河流水生態(tài)健康的最低要求，30%能為多數(shù)水生生物提供較好的生存環(huán)境[20]。而Tessman法的各月流量占多年平均流量比值范圍為29.77%～74.57%，比值過(guò)大，現(xiàn)實(shí)中很難達(dá)到；改進(jìn)年內(nèi)展布法和基流比例特枯水年的評(píng)價(jià)結(jié)果處于10%～30%之間，較參考值稍好；基流比例法豐、平、枯水年的評(píng)價(jià)結(jié)果高于對(duì)比值P7，得到的最小生態(tài)流量偏大。

表8 Tennant法評(píng)估參數(shù)表

結(jié)合圖2可得，3種方法計(jì)算結(jié)果均能體現(xiàn)出各月份流量值之間的差異。但Tessman法3月流量值較2月份未體現(xiàn)出上升趨勢(shì)，與實(shí)際不符；基流比例法中7—9月流量是取這3個(gè)月多年平均值乘以基流比例得到，與實(shí)際情況8月較7月流量值呈下降趨勢(shì)不符；改進(jìn)年內(nèi)展布法各月份流量峰值出現(xiàn)在7月份，符合實(shí)際情況。

表9 P值及評(píng)估結(jié)果

圖2 各方法計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖

5 結(jié)論

本文選用了改進(jìn)年內(nèi)展布法、Tessman法以及基流比例法3種水文學(xué)方法對(duì)沙潁河周口斷面生態(tài)流量進(jìn)行核算并利用Tennant法對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較，得到以下結(jié)論：

(1)Tessman法計(jì)算結(jié)果過(guò)高，基流比例法豐、平、枯水年計(jì)算結(jié)果較參照值偏高，基流比例法特枯水年和改進(jìn)年內(nèi)展布法的評(píng)價(jià)結(jié)果能更好的貼合參照值。

(2)改進(jìn)年內(nèi)展布法計(jì)算結(jié)果能體現(xiàn)沙潁河實(shí)際各月份流量有明顯季節(jié)性變化的特點(diǎn)，因此選擇該法計(jì)算沙潁河周口斷面生態(tài)流量更為合理，得到最小生態(tài)流量范圍為6.37～31.39m3/s。

研究結(jié)果可用于管控沙潁河生態(tài)流量，促進(jìn)流域水生態(tài)保護(hù)工作，此外，由于生態(tài)流量核算工作十分復(fù)雜，今后可結(jié)合水力學(xué)法及生境模擬法進(jìn)一步完善研究。