張 盼,孔 蘭,張防修,王 明

(1.黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院,河南 鄭州 450003;2.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司,廣東 廣州 510610)

賀江隸屬于中國南部的珠江流域,屬于西江左岸的一級支流。南嶺山地水源涵養(yǎng)重要區(qū)是流域內(nèi)的一個全國重要生態(tài)功能區(qū),該功能區(qū)在水資源養(yǎng)護、水土保持和保障生物多樣性等方面發(fā)揮著重要的作用。但是受歷史和實際條件限制,流域內(nèi)目前仍存在著以下水生態(tài)問題:一是前期梯級開發(fā)和過度捕撈等行為影響河道生態(tài)環(huán)境功能;二是大中型水庫局部富營養(yǎng)化;三是部分水生態(tài)環(huán)境問題仍較突出。為了更好地維護水生生物棲息地,保護流域水生生物資源,開展河道生態(tài)流量研究,為流域管理與保護提供參考。

國外生態(tài)流量研究歷經(jīng)以下幾個階段,早期是針對魚類漁獲量以及其他水生生物與河流流量之間的關(guān)系;隨后將研究范圍擴大到河道外生態(tài)環(huán)境系統(tǒng),即研究對象從最初的河流轉(zhuǎn)向了陸地。在發(fā)展過程中,美國、澳大利亞、南非等國家在生態(tài)需水方面都做了大量的研究[1-8]。國內(nèi)雖然在生態(tài)流量方面的研究起步比國外稍晚,但取得了較快的進展。研究初期,主要是為了解決河流的水污染問題;后期由于西北地區(qū)水資源供給與需求的矛盾突出、生態(tài)環(huán)境的抵御能力較弱,生態(tài)環(huán)境問題嚴重,研究者將研究對象主要放在了干旱、半干旱和季節(jié)性干旱的半濕潤區(qū);隨著研究的進一步發(fā)展,國內(nèi)的其他區(qū)域也陸續(xù)開展生態(tài)流量研究[9-13]。

楊志峰等[14]在系統(tǒng)分析計算生態(tài)流量方法的基礎(chǔ)上,認為水文學(xué)法、生境模擬法、環(huán)境功能設(shè)定法以及綜合法等相對更適合于中國。因此,本文從實際出發(fā),根據(jù)掌握的水文站點的流量資料,選擇水文學(xué)方法開展河道生態(tài)流量的計算。

SL/T 712—2021《河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》中指出,河道生態(tài)流量可分為基本生態(tài)流量和目標生態(tài)流量[15]。河流控制斷面的基本生態(tài)流量的計算應(yīng)按生態(tài)基流、年內(nèi)不同時段流量、全年流量等表述;河流控制斷面的目標生態(tài)流量需計算年內(nèi)不同時段流量、全年流量。因此,賀江河道生態(tài)流量計算按照此規(guī)范計算。

1 賀江河道生態(tài)流量計算

賀江位于中國南部的珠江流域,本文以實測系列相對較長、測量精度較高為準則,選取信都和古欖2個水文站的實測系列做徑流分析。信都、古欖兩站多年的天然徑流過程見圖1,多年平均徑流量分別為204、277 m3/s。兩站的徑流年內(nèi)分配過程見圖2,可以看出,徑流在年內(nèi)分配不均勻,主要集中在汛期4—9月。其中,信都站汛期平均流量311 m3/s,年內(nèi)最大月流量(491 m3/s)是最小月流量(71 m3/s)的6.9倍;古欖站汛期平均流量410 m3/s,年內(nèi)最大月流量(609 m3/s)是最小月流量(105 m3/s)的5.8倍。

a)信都

1.1 基本生態(tài)流量

1.1.1生態(tài)基流

a)90%保證率最枯月平均值法[16]。90%保證率最枯月平均值法又稱Q90法,對每一年最枯月流量進行排頻,把90%保證率下的流量作為河道生態(tài)基流。經(jīng)計算,信都站生態(tài)基流為26.5 m3/s,水量為8.37億m3;古欖站生態(tài)基流為34.6 m3/s,水量為10.9億m3。

b)最小月平均實測徑流法[17]。該法以實測徑流量為基礎(chǔ),選取實測時間序列上每一年的月平均流量的最小值,對各個年份的最小值取均值即為生態(tài)基流。計算見式(1):

(1)

式中Wb——河道基本生態(tài)流量,m3;Qmin,i——第i年月實測平均徑流量的最小值,m3/s;τ——時間換算系數(shù),大小為 31.536×106s;n——統(tǒng)計序列的年數(shù)。

經(jīng)計算,信都站生態(tài)基流為51.5 m3/s,水量為16.3億m3;古欖站生態(tài)基流為75.5 m3/s,水量為23.8億m3。

1.1.2年內(nèi)不同時段流量

a)Tennant法。Tennant法是一種經(jīng)驗公式法,河道內(nèi)流量大小可以反映出河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況,二者之間的關(guān)系見表1[18]。賀江流域現(xiàn)狀水資源開發(fā)利用率僅為13%左右,屬于低開發(fā)利用河流。水資源較為豐沛地區(qū),基本生態(tài)流量宜在表1“非常好”的分級之下取值,根據(jù)賀江流域?qū)嶋H情況,汛期為4—9月,非汛期為10月至次年3月,同時水資源開發(fā)利用率較低,河流大體上仍處于自然狀態(tài),理應(yīng)以保護河流的自然生態(tài)環(huán)境功能為主,因此使用Tennant法時將多年平均天然徑流量的30%和50%分別作為非汛期和汛期基本生態(tài)流量。經(jīng)計算,信都站汛期(4—9月)和非汛期(10月至次年3月)基本生態(tài)流量為102.0、61.2 m3/s;古欖站汛期(4—9月)和非汛期(10月至次年3月)基本生態(tài)流量為139.0、83.1 m3/s。

表1 Tennant法確定的河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況與流量的關(guān)系 %

b)逐月最小流量法[17]。該法選擇將長系列的流量數(shù)據(jù)按照月份分為12個月均徑流系列,將每個月均徑流系列的最小值作為對應(yīng)月份的基本生態(tài)流量,這樣即可獲得全年生態(tài)流量過程。該方法考慮了年內(nèi)不同時段徑流量的豐枯變化,同時也照顧到了河流生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)在不同季節(jié)對水文條件的需求。信都站和古欖站兩站全年流量值分別為58.0、85.5 m3/s,兩站年內(nèi)逐月流量過程見表2。

表2 逐月最小流量法基本生態(tài)流量計算結(jié)果

c)年內(nèi)展布計算法[19]。由獲取的長序列水文資料,確定年內(nèi)各月的多年最小月均徑流量、最小年均徑流量,計算兩站點的多年平均徑流量,最小年均徑流量與多年年均徑流量的比值即為同期百分比。根據(jù)兩站點的徑流在年內(nèi)不同時段的分配過程,乘以同期百分比即可得到基本生態(tài)流量,基本生態(tài)流量與多年年均徑流量的比值即為年均值比,信都、古欖兩站全年基本生態(tài)流量值為58.8、86.7 m3/s,年均值比分別為28.8%、31.3%。兩站年內(nèi)流量分配過程見表3。Tennant法是通過河道徑流量反映河道生態(tài)環(huán)境狀況的一種經(jīng)驗方法,可以用來評價其他方法的計算結(jié)果。為了維護賀江大部分魚類的正常繁殖與生存,把年內(nèi)時段劃分為魚類產(chǎn)卵育幼期(4—9月)和一般用水期(10月至次年3月),根據(jù)年內(nèi)展布計算法計算得到的年均值比,對照表1得到相應(yīng)的河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況,見表4。

表3 年內(nèi)展布計算法基本生態(tài)流量年內(nèi)過程

根據(jù)表4所得結(jié)果分析,在魚類產(chǎn)卵育幼期(4—9月),兩水文斷面的生態(tài)環(huán)境流量占多年年均徑流量的比例超過40%,根據(jù)Tennant法對河道生態(tài)環(huán)境狀況的評價標準,當河道內(nèi)的流量占多年年均徑流量的30%～60%時,河寬、水深及流速一般是能夠使人滿意的,絕大多數(shù)的淺灘能夠處在水面下,大部分的邊槽也將存有水,魚類的大部分活動區(qū)域可以得到滿足;在一般用水期(10月至次年3月),兩水文斷面的生態(tài)流量占多年年均徑流量的比例處于10%～20%,根據(jù)Tennant法對河道生態(tài)環(huán)境狀況的評價標準,當河道內(nèi)的流量占多年年均徑流量的10%時,對于大部分水生生物來說,這是它們生存的棲息地所能允許的最小瞬時流量,只能作為短期的支撐。在這種狀況下,河寬、水深及流速明顯下降,棲息地出現(xiàn)退化的現(xiàn)象,河道底質(zhì)有半數(shù)裸露在空氣中,旁支河流將嚴重或完全脫水。一些研究者證實在美國維吉尼亞地區(qū)的河流中[20],占年均徑流量20%比例的流量提供了保護水生棲息地的適當標準。綜上所述,該方法計算賀江河道基本生態(tài)流量所得到的結(jié)果符合當?shù)貙嶋H水流條件,能夠滿足魚類對流量的實際需求。

1.1.3全年流量

各種方法計算基本生態(tài)流量的年內(nèi)不同時段值上文已列出,全年值的計算見式(2):

(2)

式中Wba——基本生態(tài)流量的全年計算值,m3;Wbi——基本生態(tài)流量的年內(nèi)不同時段的值,m3,如各月值、汛期與非汛期的值;n——年內(nèi)劃分的時段數(shù)。

經(jīng)計算,90%保證率最枯月平均值法的需水量最小,Tennant法的需水量最大,各種方法對基本生態(tài)流量全年值的具體計算結(jié)果見表5。

表5 各種方法基本生態(tài)流量全年值計算結(jié)果

1.2 目標生態(tài)流量

1.2.1年內(nèi)不同時段流量

a)頻率曲線法[21]。該方法又被稱為逐月頻率計算法,該法利用長系列的水文資料,構(gòu)建月平均流量的各月水文頻率曲線,將95%保證率下的月平均流量作為對應(yīng)月份的目標生態(tài)流量,據(jù)此組成年內(nèi)不同時段值。該方法對水文序列數(shù)據(jù)要求較高,一般要求30 a以上的水文序列數(shù)據(jù)。頻率一般推薦選取95%,也可根據(jù)實際需要做適當?shù)恼{(diào)整。賀江屬于南方河流,徑流量豐枯變化明顯,未出現(xiàn)過河道斷流的情況,因此針對賀江流域內(nèi)的古欖站和信都站,依據(jù)獲取的長序列水文資料,計算各月平均流量。95%保證率下,信都站和古欖站的年內(nèi)目標生態(tài)流量分別為83.9、121.0 m3/s,年內(nèi)具體流量分配過程見表6。

表6 頻率曲線法目標生態(tài)流量計算結(jié)果

b)Tennant法。水資源豐沛地區(qū),目標生態(tài)流量宜在表1“非常好”和“極好”的分級之上合理取值,為了使河流能更好地發(fā)揮其棲息地功能,保護流域水生生物資源,因此取多年平均天然徑流量的40%和60%作為非汛期和汛期目標生態(tài)流量。經(jīng)計算,信都站汛期(4—9月)和非汛期(10月至次年3月)目標生態(tài)流量為122.0、81.6 m3/s;古欖站汛期(4—9月)和非汛期(10月至次年3月)目標生態(tài)流量為166、111 m3/s。

1.2.2全年流量

Tennant法和頻率曲線法對河道目標生態(tài)流量全年值的計算,前者大于后者,計算結(jié)果見表7。

表7 目標生態(tài)流量全年值計算結(jié)果

2 計算結(jié)果與分析

2.1 計算結(jié)果

根據(jù)上述方法的計算結(jié)果,確定各種計算方法所得的生態(tài)流量占年均徑流量的比例,見表8?？梢钥闯?90%保證率最枯月平均值法所得的河道基本生態(tài)流量最小,信都站和古欖站計算所得的水量僅占年均徑流量的13%和12%;Tennant法由于是選取的固定百分比,因此兩站汛期與非汛期生態(tài)流量占年均徑流量的比例沒有發(fā)生變化;頻率曲線法計算的結(jié)果占年均徑流量的比例超過40%;逐月最小流量法與年內(nèi)展布計算法計算所得的生態(tài)流量占年均徑流量的比例基本是一致的,比例占到30%左右;最小月平均實測徑流法計算所得的生態(tài)流量占年均徑流量的比例不足30%。

表8 各種方法計算的生態(tài)流量占年均徑流量的比例 %

除Tennant法外,兩站的生態(tài)流量占年均徑流量的比例并不相同,古欖站生態(tài)流量占年均徑流量的比例要大于信都站(90%保證率最枯月平均值法除外)。

為進一步分析上述計算方法所得的生態(tài)流量與各站點年內(nèi)徑流分配過程之間的關(guān)系,作圖3,由于最小月平均實測徑流法與90%保證率最枯月平均值法僅提供了一個全年的流量值,因此按照其各月生態(tài)環(huán)境流量值是相同的來處理。信都站和古欖站各種方法算出的生態(tài)流量過程對比見圖3。

a)信都

由圖3可以看出,最小月平均實測徑流法與90%保證率最枯月平均值法由于方法本身的原因,全年各月的生態(tài)流量是同一個固定值,沒有隨季節(jié)產(chǎn)生變化,2種方法算出的河道內(nèi)基本生態(tài)流量占同時段多年年均天然流量百分比的比例不超過30%,其中信都斷面和古欖斷面90%保證率最枯月平均值法算得的結(jié)果比例為13.0%和12.5%。逐月最小流量法、年內(nèi)展布計算法與頻率曲線法不同月份的生態(tài)流量有明顯的季節(jié)性,這3種方法年內(nèi)徑流分配過程與年均徑流量的年內(nèi)分配過程變化趨勢是相近的。

2.2 分析與建議

2.2.1基本生態(tài)流量

文獻[22]中指出當生態(tài)流量占年均徑流量的比例為10%時,生物的棲息地條件處于退化的或者貧瘠的邊緣。信都站和古欖站90%保證率最枯月平均值法計算的結(jié)果占多年年均徑流量的比例分別為13.0%和12.5%,接近于棲息地退化的臨界條件,因此為了維持河道其生態(tài)環(huán)境功能不喪失,可以將90%保證率最枯月平均值法計算成果作為生態(tài)基流。對于信都斷面,河道生態(tài)基流為26.5 m3/s,水量為8.37億m3;對于古欖斷面,河道生態(tài)基流為34.6 m3/s,水量為10.9億m3。

在確定年內(nèi)不同時段流量時,Tennant法與年內(nèi)展布計算法相比,前者年內(nèi)徑流過程雖有變化,但僅僅只是對汛期與非汛期做了區(qū)別,汛期內(nèi)與非汛期內(nèi)的流量隨月份沒有發(fā)生變化。同時該方法確定的生態(tài)流量在枯水期,尤其是12、1月,其數(shù)值大小已與多年平均徑流量很接近,這也就意味著很可能部分枯水年份里河道內(nèi)的實際流量是達不到生態(tài)流量的要求。然而年內(nèi)展布計算法徑流年內(nèi)過程劃分得更為細致,年內(nèi)徑流過程分布與多年年均徑流過程分布變化趨勢更為接近,徑流年內(nèi)分配過程也能夠滿足魚類產(chǎn)卵育幼期和一般用水期的要求。逐月最小流量法與年內(nèi)展布計算法相比,后者的年內(nèi)徑流分配過程與多年年均徑流過程的趨勢性更為一致。

故選擇年內(nèi)展布計算法的結(jié)果作為兩斷面基本生態(tài)流量的年內(nèi)不同時段值,年內(nèi)不同時段流量累加即為全年生態(tài)流量。對于信都斷面,河道基本生態(tài)流量的全年值為58.8 m3/s,水量為18.6億m3,占斷面年均徑流量的比例為28.8%;對于古欖斷面,河道基本生態(tài)流量的全年值為87.0 m3/s,水量為27.3億m3,占斷面年均徑流量的比例為31.4%,其年內(nèi)徑流分配過程見表3。

2.2.2目標生態(tài)流量

由計算結(jié)果可知,信都站汛期與非汛期生態(tài)流量占年均徑流量的比例分別為61.0%和22.4%;古欖站汛期與非汛期生態(tài)流量占年均徑流量的比例分別為64.3%和24.2%,結(jié)合Tennant法河道生態(tài)環(huán)境狀況的判別標準,信都站和古欖站汛期的河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況處于最佳狀態(tài),非汛期的河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況處于“好”與“非常好”之間。該方法確定的結(jié)果與Tennant法相比,年內(nèi)時段的劃分更為細致,能夠反映出徑流年內(nèi)的季節(jié)性變化,綜合考慮選取頻率曲線法確定的生態(tài)流量過程作為賀江河道目標生態(tài)流量過程,具體年內(nèi)生態(tài)流量過程見表6。對于信都斷面,河道目標生態(tài)流量為83.9 m3/s,水量為26.5億m3,占斷面年均徑流量的比例為41.1%;對于古欖斷面,河道內(nèi)目標生態(tài)流量為121 m3/s,水量為38.2億m3,占斷面年均徑流量的比例為43.7%。信都站和古欖站河道內(nèi)生態(tài)流量計算結(jié)果對比情況見表9和圖4。

表9 信都站和古欖站生態(tài)流量對比

圖4 信都站和古欖站生態(tài)流量對比

3 結(jié)論

a)經(jīng)過對多種水文學(xué)方法計算結(jié)果的比較分析,綜合考慮,選擇90%保證率最枯月平均值法、年內(nèi)展布計算法的計算結(jié)果分別作為生態(tài)基流和河道基本生態(tài)流量的全年值;采納頻率曲線法的計算結(jié)果作為河道目標生態(tài)流量。

b)對于信都斷面,生態(tài)基流為26.5 m3/s,水量為8.37億m3,占斷面年均徑流量的比例為13.0%;基本生態(tài)流量的全年值為58.8 m3/s,水量為18.6億m3,占斷面年均徑流量的28.8%;河道目標生態(tài)流量為83.9 m3/s,水量為26.5億m3,占斷面年均徑流量的比例為41.1%。

c)對于古欖斷面,生態(tài)基流為34.6 m3/s,水量為10.9億m3,占斷面年均徑流量的比例為12.5%;基本生態(tài)流量的全年值為87.0 m3/s,水量為27.3億m3,占斷面年均徑流量的31.4%;河道目標生態(tài)流量為121 m3/s,水量為38.2億m3,占斷面年均徑流量的比例為43.7%。