曹濤濤,李燕磊,余 菁,王文鵬,鄒 鉒,涂龍杰,唐 明,3
(1.江西省水文監(jiān)測中心,江西 南昌 330038; 2.南昌工程學(xué)院 水利與生態(tài)工程學(xué)院,江西 南昌 330099;3.江西省水文水資源與水環(huán)境重點實驗室,江西 南昌 330099)
受全球氣候變化與區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的雙重影響,河道斷流、湖泊萎縮等問題時有發(fā)生。保障河湖生態(tài)流量(水位),直接關(guān)系到河湖生態(tài)平衡的維持,是保護(hù)河湖生物多樣性的客觀需要,也是貫徹落實“人與自然和諧共生”理念的具體體現(xiàn)[1,2]。21世紀(jì)以來,我國關(guān)于河湖生態(tài)流量的保障工作不斷加強;特別是十八大以來,水利部以習(xí)近平生態(tài)文明思想為指導(dǎo)思想,積極踐行“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路,堅持“人水和諧綠色發(fā)展、合理統(tǒng)籌三生用水”的工作原則,著力解決損害水生態(tài)的突出問題,河湖生態(tài)環(huán)境得到初步改善。
確定河湖生態(tài)流量是水資源開發(fā)利用、節(jié)約保護(hù)、配置調(diào)度管理的重要基礎(chǔ)性工作[3]。近年來,為切實加強東江生態(tài)流量保障工作,維系和改善河流生態(tài)環(huán)境,珠江水利委員會依據(jù)有關(guān)政策法規(guī),于2020年10月制定并下發(fā)了《東江生態(tài)流量實施方案》;就流域內(nèi)的河道生態(tài)基流計算,推薦了8種水文學(xué)方法。
目前,生態(tài)基流尚沒有統(tǒng)一的定義;不同學(xué)者根據(jù)研究對象的具體情況,提出了眾多與河道生態(tài)基流研究相關(guān)的概念。20世紀(jì)40年代末期,美國率先在西部開始河流生態(tài)基流的估算;20世紀(jì)70年代,估算方法進(jìn)入快速發(fā)展期;至今,已經(jīng)形成一批相對成熟的計算方法[4]。根據(jù)Tharme統(tǒng)計,有近50個國家提出超過200種河流生態(tài)流量計算方法[5],常用的生態(tài)流量計算方法有水文學(xué)法、水力學(xué)法、生境模擬法和整體分析法[6]。其中,具備“無需到現(xiàn)場進(jìn)行測量,簡單方便,對數(shù)據(jù)的要求比較低”等優(yōu)勢的水文學(xué)方法,得到較為廣泛的使用[7]。阿金寰等以倭肯河中下游為例,探求Texas方法在東北地區(qū)河流的適用程度,認(rèn)為Texas法的中基流和高基流方法都充分考慮了加強河流生態(tài)修復(fù)的功能,目標(biāo)設(shè)置過高,在豐水年都很難完全滿足[8]。葛金金等綜合考慮了沙潁河水量需求、水文節(jié)律和滿足率3個因素,認(rèn)為在計算季節(jié)性河流生態(tài)流量時,Lyon法、Tess‐man法和月動流量法較Tennant法等有顯著的優(yōu)勢[9];陳榮等也推薦月流量變動法作為南汀河生態(tài)流量的計算方法[10]。解瑩等通過6種水文學(xué)方法的比選,提出最適合阿什河生態(tài)流量計算的是Tennant法,并認(rèn)為Tennant法計算簡單,適用于北溫帶、常年性河流的生態(tài)需水,但該方法對河流年內(nèi)水量的季節(jié)性變化考慮不全面[11]。周明通等研究了克里雅河生態(tài)基流,認(rèn)為QP法、最枯月平均流量法和典型水文頻率年法均不適用于該研究區(qū)[12]。
上述計算方法多為國外引進(jìn),不同的估算方法有其適用條件和范圍[13],還沒有形成一套比較完整的被普遍認(rèn)可的適合我國國情的河道內(nèi)生態(tài)需水計算方法;應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況來選用合適的計算方法。
本文旨在通過東江小流域的生態(tài)基流的逐月計算與對照分析,在水利部珠江水利委員會推薦的8種生態(tài)基流計算的水文學(xué)方法當(dāng)中,尋找一個最適合東江小流域的生態(tài)基流計算方法,以減輕南方豐水型地區(qū)其他類似小流域生態(tài)基流方案優(yōu)選的工作量。
1.1.1 研究區(qū)域
東江,在龍川縣合河壩以上稱尋烏水,匯入貝嶺水后始稱東江,系珠江水系干流之一;自東北向西南流經(jīng)江西、廣東兩省,于廣州市黃埔區(qū)匯入獅子洋,集水面積35 340 km2,河長562 km,平均年徑流量2.57×1010m3。
本文的研究范圍為東江(江西段)的2個小流域(如圖1所示),右側(cè)尋烏水為東江水系主流,主要控制斷面為水背站;斷面位于東經(jīng)115°40'39.6″、北緯24°47'57.2″,地處尋烏水河口上游31 km,集水面積987 km2;左側(cè)定南水為貝嶺水的上游水系,主要控制斷面為東江水系一級支流九曲河上的勝前(二)站,斷面位于東經(jīng)115°11'50.6″、北緯24°52'01.2″,集水面積751 km2。
圖1 東江(江西段)流域水系圖Fig.1 Dongjiang ( Jiangxi section ) basin hydrographic chart
1.1.2 數(shù)據(jù)來源
采用江西省水文局提供的相關(guān)斷面流量監(jiān)測數(shù)據(jù)與還原計算成果。尋烏水的水背水文站多年逐日實測流量系列為1980-2019年(期間,1993-2008中斷監(jiān)測);定南水的勝前(二)水文站多年逐日實測流量系列為1976-2019年。
1.2.1 生態(tài)基流計算中常用的水文學(xué)方法
在水文學(xué)法中,Tennant法是應(yīng)用頻率最高的方法。該法是由美國專家Tennant和美國漁業(yè)野生動物協(xié)會于1976年共同開發(fā)的一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定法,該方法考慮了臨近棲息地、水力學(xué)和生物學(xué)因素,采用河流年平均流量的百分比作為河流最小推薦流量;需要結(jié)合當(dāng)?shù)睾恿鞴芾砟繕?biāo),分析選定的百分比是否符合當(dāng)?shù)睾恿髑闆r,并予以調(diào)整。
此外,代表性的水文學(xué)方法還有Q95(95%保證率下的最枯流量)、月流量變動法等。Q95法的應(yīng)用也非常廣泛,如英國、保加利亞、澳大利亞和中國臺灣省常采用Q95法[14]。月流量變動法,是一種基于月均流量的生態(tài)基流算法,由AV Pasto與F Ludwig共同提出;在枯水期時,將月平均流量的60%分配給生態(tài)基流量[15]。
《東江生態(tài)流量實施方案》中推薦的8種用于生態(tài)基流計算的水文學(xué)方法為Tennant法、最枯月均流量法、Q95法、Smakhtin法、Lyon法、Tessman法(改進(jìn)的蒙大拿法)、Texas法以及月流量變動法,具體計算方法如表1所示。基于斷面長序列日均流量樣本繪制理論概率曲線,得出與95%保證率相對應(yīng)的日均流量。
表1 生態(tài)基流計算方法Tab.1 Calculation method of ecological basic flow
1.2.2 生態(tài)基流計算方法的優(yōu)選步驟
基于水背、勝前(二)兩個水文站的流量監(jiān)測數(shù)據(jù)與還原計算成果,按照上述8種方法,分別計算出兩個控制斷面的逐月生態(tài)基流成果(以下簡稱“常規(guī)方案”);基于不同方法在研究區(qū)域適應(yīng)程度的經(jīng)驗判斷(層次分析法),或其得出的基流成果自身蘊含的信息特征(客觀權(quán)重法),賦予它們相應(yīng)的權(quán)重,從而綜合利用8種方法的計算成果得到控制斷面的理想生態(tài)基流(年內(nèi)逐月分配過程,以下簡稱“理想方案”);通過“常規(guī)方案”與理想方案貼近度的比較,優(yōu)選出1個最適合東江小流域的生態(tài)基流計算方法。
(1)生態(tài)基流的理想方案計算?;谏鲜?種方法分別得出相應(yīng)的斷面逐月生態(tài)基流成果,構(gòu)建指標(biāo)矩陣D=(dij)m×n(其中m代表生態(tài)基流計算方法,n代表月份);再對8種生態(tài)基流計算方法賦予相應(yīng)的權(quán)重,得到“方法權(quán)重”向量Wm,計算生態(tài)基流理想方案Tn,Tn中各元素tj為:
式中:wi為Wm的元素;dij為D的元素;i∈(1,m);j∈(1,n)。
(2)方案貼近度的計算。生態(tài)基流理想方案是一個年內(nèi)徑流分配過程;計算“常規(guī)方案”與理想方案的貼近度,需要綜合考慮12個月的差異。
首先,逐月計算8個“常規(guī)方案”與理想方案月均流量的相對距離,構(gòu)建相對距離矩陣Y=(yij)n×m;再對12個月的相對距離賦予相應(yīng)的權(quán)重,得到“距離權(quán)重”向量Vn,計算“常規(guī)方案”與理想方案的綜合距離Em,Em中各元素ei為:
式中:vj為Vn的元素;yij為Y的元素。
其次,基于綜合距離Em構(gòu)造貼近度Pm,Pm中各元素pi為:
pi∈[0,1],當(dāng)pi最趨近1時,其對應(yīng)的常規(guī)方案與理想方案的貼近度最佳,也就是優(yōu)選出的東江小流域生態(tài)基流計算方法。
權(quán)重的計算,一般可分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。其中,主觀賦權(quán)法有層次分析法(AHP)、直接構(gòu)權(quán)法和極值迭代法等;客觀賦權(quán)法有熵權(quán)法、獨立性權(quán)重法、CRITIC(Criteria Im‐portance Though Intercrieria Correlation)法、均方差法和極差法等[16]。選用目前在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的主、客觀賦權(quán)法:層次分析法和CRITIC法,進(jìn)行權(quán)重計算的比較分析。
1.3.1 層次分析法
AHP是美國運籌學(xué)家薩蒂提出的一種層次權(quán)重決策分析方法,將研究對象作為一個系統(tǒng),按照分解、比較判斷、綜合的思維方式進(jìn)行決策,是系統(tǒng)分析的一個重要工具。另外,它不是把所有指標(biāo)放在一起比較,而是兩兩相互比較,并且通過一致性檢驗,以提高準(zhǔn)確度。具體步驟如下:
(1)構(gòu)建判斷矩陣A(方陣),可以表示為:
式中:aij代表因素i比因素j重要性比較結(jié)果,取值為1、3、5、7、9,分別對應(yīng)同等重要、稍微重要、較強重要、強烈重要和極端重要,當(dāng)重要性介于上述結(jié)果之間,則取值為2,4,6,8;aji=1/aij。t為指標(biāo)個數(shù)。
(2)矩陣A的一致性檢驗。為確保構(gòu)建的判斷矩陣合理,進(jìn)行一致性檢驗;若判斷矩陣不能通過一致性檢驗,則需重新設(shè)計判斷矩陣。
(3)權(quán)重的計算。對經(jīng)過一致性檢驗的判斷矩陣進(jìn)行相應(yīng)處理,即可得到指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重Wj。具體的處理方法包括特征值法、算術(shù)平均法和幾何平均法。
1.3.2 CRITIC權(quán)重法
CRITIC權(quán)重法也是一種客觀賦權(quán)法,同時考慮指標(biāo)內(nèi)部數(shù)據(jù)的波動性(對比強度)和指標(biāo)之間的沖突性(相關(guān)性)。使用標(biāo)準(zhǔn)差表示“對比強度”,數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差越大,說明波動性越大,權(quán)重就越高;使用相關(guān)系數(shù)表示“沖突性”,指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)值越大,說明沖突性越小,權(quán)重也就越低。計算步驟如下:
(1)構(gòu)建評價指標(biāo)矩陣并作歸一化處理(同熵權(quán)法)。
(2)計算評價指標(biāo)內(nèi)部數(shù)據(jù)的波動性:
(3)計算評價指標(biāo)之間的沖突性:
式中:rkj表示第k個指標(biāo)(k≠j)與第j個指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)。
(4)計算評價指標(biāo)的信息承載量Cj:
(5)計算權(quán)重Wj:
根據(jù)水背和勝前(二)水文站的逐日實測平均流量計算不同時間尺度的還原流量,分別采用前述8種生態(tài)基流計算方法,得出2個斷面的年度生態(tài)基流過程,如圖2所示。
圖2 生態(tài)基流成果Fig.2 Ecological base flow results
圖2顯示,8種水文學(xué)方法得出的生態(tài)基流成果差異很大,Texas法、Lyon法、Tessman法、月流量變動法得出豐、枯期流量差距明顯;其他4種方法豐枯期則沒有明顯差異,其中,最枯月平均流量法與Q95法得出的年度生態(tài)流量過程沒有變化(月均生態(tài)流量相同)。
從每月生態(tài)基流計算成果來看,不同方法在豐水期的成果差異更大,詳情見圖3。
基于前述8種方法在研究區(qū)域的適應(yīng)度判斷,采用層次分析法對8種生態(tài)基流計算方法進(jìn)行主觀權(quán)重賦值。綜合相關(guān)文獻(xiàn)對各種方法適應(yīng)性評價,以及8種生態(tài)基流計算方法得出的結(jié)果,構(gòu)建判斷矩陣A:
對矩陣A進(jìn)行一致性檢驗。判斷矩陣A的最大特征根λmax為8,對應(yīng)的特征向量為(0.39,0.10,0.77,0.19,0.19,0.10,0.10,0.39),CI=0,CR=0,通過一致性檢驗。對特征向量進(jìn)行歸一處理,得出每種方法對應(yīng)的權(quán)重值Wj,詳情見表2。
繼而,基于前述2個斷面的年度生態(tài)基流成果自身蘊含的信息特征,采用CRITIC法[公式(5)~(8)]對8種生態(tài)基流計算方法進(jìn)行客觀權(quán)重賦值,得出8種計算方法對應(yīng)的“方法權(quán)重”如表2所示。
可以看出,作為主觀賦權(quán)的AHP法,人們首先可以基于不同生態(tài)基流計算方法的特點、以及它們在當(dāng)?shù)氐倪m應(yīng)性,通過兩兩比較來確定各種方法的重要性,從而構(gòu)建判斷矩陣;其次,可以通過一致性檢驗,提高人們判斷方法重要性的準(zhǔn)確度。
作為客觀賦權(quán)的CRITIC法,可以綜合考慮指標(biāo)內(nèi)數(shù)據(jù)集的信息豐度與指標(biāo)間的數(shù)據(jù)相關(guān)性;計算結(jié)果完全依賴于指標(biāo)自身信息,不受人的主觀因素影響。但是,受數(shù)據(jù)本身結(jié)構(gòu)的影響,可能導(dǎo)致部分對象無法賦權(quán)。比如表2中的X5、X6指標(biāo),年內(nèi)各月生態(tài)流量都相等,計算過程中會出現(xiàn)分母為零的現(xiàn)象,無法得到權(quán)重;從而導(dǎo)致這2種方法不能參與到生態(tài)基流理想方案的計算當(dāng)中。因此,為了綜合利用8種水文學(xué)方法的計算成果,本文采用AHP法計算“方法權(quán)重”向量Wm。
在方案貼近度計算時,“常規(guī)方案”與理想方案的12個月份生態(tài)流量距離中不存在單值問題,月內(nèi)的信息量差異和月際之間的相關(guān)性均可以計算;因此,選擇CRITIC法計算“距離權(quán)重”向量Vn。
2.3.1 基于層次分析法的生態(tài)基流理想方案
分別根據(jù)2個斷面的8種生態(tài)基流計算成果,以及采用層次分析法計算“方法權(quán)重”向量Wm,得出相應(yīng)斷面的年度“理想方案”生態(tài)基流過程(見表3)。
表3 基于層次分析法的理想方案計算結(jié)果Tab.3 Ideal scheme calculation results based on Analytic Hierarchy Process(AHP)
2.3.2 基于CRITIC的貼近度計算
在得出上述生態(tài)基流理想值Ij之后,分別計算8種生態(tài)基流計算成果與理想值之間的相對距離,得到相對距離矩陣Y;采用CRITIC法得出“距離權(quán)重”向量Vn(表4);繼而計算出8種生態(tài)基流計算方法與理想方案的貼近度Pi(表5)。
表4 東江小流域“距離權(quán)重”一覽表Tab.4 Dongjiang small basin “distance weight” list
表5 東江小流域8種水文學(xué)方法結(jié)果與理想方案的貼近度Tab.5 Closeness between eight hydrological methods results and ideal scheme in Dongjiang small basin
兩個斷面的生態(tài)基流貼近度計算結(jié)果均顯示,“月流量變動法”成果是最貼近理想值的方案,可以作為東江小流域的生態(tài)基流計算方法。
2.3.3 推薦方案的適應(yīng)性分析
本文推薦的月流量變動法得出的結(jié)果,與理想方案的保障程度基本一致(見表6)。但是,月流量變動法計算過程簡潔明了,不涉及頻率計算與逐日流量還原,計算工作量較小。首先基于月均流量對所有月份進(jìn)行豐、平、枯的判斷;繼而選擇不同的生態(tài)基流比例,豐水期,將月平均流量的30%分配給生態(tài)基流量,平水期,分配45%,枯水期,則分配60%。
表6 東江小流域不同基流方案的保障程度 %Tab.6 Guarantee degree of different base flow schemes in Dongjiang small basin
尋烏水月平均流量總體水平較高,沒有低于“枯水月”標(biāo)準(zhǔn)的月份,生態(tài)基流按照豐水與平水的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置;每個月的生態(tài)基流保障程度均較高,10月至次年3月的保障程度均達(dá)到98%以上。另外,由于定南水1、11、12共3個月份的平均流量低于“枯水月”標(biāo)準(zhǔn),生態(tài)基流就取月平均流量的60%,比尋烏水的45%高,相應(yīng)的保障程度也更低(詳情見表6)。
本文推薦的方案是按照“生態(tài)用水優(yōu)先”的原則來計算的,未考慮沿線生活、生產(chǎn)用水的影響;若考慮沿線生活用水需求,生態(tài)用水的保障程度還會進(jìn)一步降低。因此,東江小流域,特別是定南水,需要加強蓄水工程的建設(shè)與管理水平,提升河道水量調(diào)節(jié)能力;同時,如何適度壓減枯水年份的“生態(tài)、生產(chǎn)、生活”用水量,也是一項亟待解決的問題。
以東江小流域的尋烏水與定南水為研究對象,基于水背、勝前(二)兩個監(jiān)測斷面的歷史流量數(shù)據(jù)與還原計算成果,對水利部珠江委推薦的8種生態(tài)基流水文學(xué)計算方法進(jìn)行了分析,得出如下結(jié)論。
(1)8種水文學(xué)方法得出的生態(tài)基流成果差異很大,Texas法、Lyon法、Tessman法、月流量變動法對豐、枯期流量要求差異明顯;其他4種方法對豐枯期的流量需求沒有明顯差異,最枯月平均流量法與Q95法全年只得出一個生態(tài)流量。
(2)部分生態(tài)基流方案采用全年一個標(biāo)準(zhǔn),信息單一;采用CRITIC等客觀權(quán)重法,無法得出權(quán)重;因此,在計算生態(tài)基流理想方案時,宜采用基于層次分析法的主觀賦權(quán)法計算“方法權(quán)重”向量,從而可以綜合利用8種水文學(xué)方法的計算成果。
(3)在珠江委推薦的8種生態(tài)基流水文學(xué)計算方法當(dāng)中,月流量變動法更適合東江小流域的生態(tài)基流計算;在其他具有“水文相似性”的南方豐水型地區(qū),進(jìn)行小流域河流生態(tài)基流計算時,建議采用月流量變動法,以減輕生態(tài)基流計算方案比選的工作量。