楊澤凡，胡 鵬，王玉蓮，劉 歡，閆肖瑤

(中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038)

1 研究背景

近年來(lái)，隨著全國(guó)范圍內(nèi)河湖水質(zhì)的逐步改善，生態(tài)流量保障不足成為我國(guó)水資源保護(hù)的制約性因子[1]。根據(jù)水利部已頒布的四批“重點(diǎn)河湖生態(tài)流量保障目標(biāo)”，我國(guó)生態(tài)流量目標(biāo)體系包括生態(tài)基流、最低生態(tài)水位、基本生態(tài)水量、敏感生態(tài)流量等指標(biāo)，但目前已制定生態(tài)流量目標(biāo)的283個(gè)重點(diǎn)控制斷面中，僅有9個(gè)斷面制定了敏感生態(tài)流量目[2-5]。缺乏成熟的目標(biāo)制定方法和適宜的參數(shù)閾值是制約敏感生態(tài)流量保障實(shí)踐的難題之一。

制定敏感生態(tài)流量目標(biāo)是為了保護(hù)除河湖基本形態(tài)和功能之外的敏感生態(tài)保護(hù)對(duì)象，不同類(lèi)型的保護(hù)對(duì)象對(duì)應(yīng)不同的目標(biāo)制定方法。我國(guó)敏感生態(tài)保護(hù)對(duì)象主要包括河流濕地(或河谷林)、湖泊、河口、魚(yú)類(lèi)生境等[6]，其中魚(yú)類(lèi)生境分布最為廣泛，本文重點(diǎn)針對(duì)魚(yú)類(lèi)生境中最為重要的產(chǎn)卵生境保護(hù)開(kāi)展相關(guān)研究。

現(xiàn)階段，魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵期生態(tài)流量計(jì)算主要以水力學(xué)法和生境模擬法為主，重點(diǎn)關(guān)注魚(yú)類(lèi)在產(chǎn)卵過(guò)程中對(duì)水流速度和流量的特定要求。其中，水力學(xué)法通過(guò)建立滿足魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵刺激的流速、水深、濕周等水力學(xué)因子與流量的函數(shù)關(guān)系來(lái)確定生態(tài)流量[7-8]。生境模擬法是在水力學(xué)法的基礎(chǔ)上，結(jié)合魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵期的水文水動(dòng)力偏好，通過(guò)量化評(píng)估流量變化對(duì)魚(yú)類(lèi)適宜生境面積的影響確定產(chǎn)卵期生態(tài)流量目標(biāo)[9-10]。在此基礎(chǔ)上，相關(guān)研究提出了產(chǎn)卵期脈沖流量過(guò)程線的理論，包括流量目標(biāo)、發(fā)生時(shí)機(jī)、持續(xù)時(shí)間及發(fā)生頻率等要素[11]。該理論利用魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵高峰期河流的流量變化，分析魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵對(duì)不同流量過(guò)程的響應(yīng)，綜合研究河段的天然水文過(guò)程和魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵水文需求確定相關(guān)要素值[12-13]。在描述時(shí)考慮了時(shí)間動(dòng)態(tài)和空間異質(zhì)性，更加全面地滿足魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵生境的保護(hù)需求。

目前針對(duì)魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵期生態(tài)流量的研究方法紛繁多樣，但由于不同方法側(cè)重點(diǎn)不同，所得結(jié)果差距較大，且大多數(shù)方法需要詳細(xì)的地形數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)及生態(tài)數(shù)據(jù)等，在普遍缺乏資料的中小河流應(yīng)用受限[14]。而隨著我國(guó)生態(tài)流量目標(biāo)制定和保障工作的全面推進(jìn)，形成一套科學(xué)合理、適應(yīng)范圍廣的敏感期生態(tài)流量目標(biāo)制定方法與關(guān)鍵閾值顯得尤為迫切。在眾多水文水動(dòng)力參數(shù)中，考慮到流速對(duì)魚(yú)類(lèi)洄游產(chǎn)卵的影響至關(guān)重要，且不同河段的流速具有可比性，本文將重點(diǎn)研究面向生態(tài)流量目標(biāo)制定的流速閾值。為此，結(jié)合水資源分區(qū)、魚(yú)類(lèi)區(qū)劃、地形條件等，綜合考慮不同區(qū)域、不同類(lèi)型河流天然徑流過(guò)程和魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵期水文水動(dòng)力需求，研究提出一套全國(guó)分區(qū)分類(lèi)河流敏感期生態(tài)流速閾值體系，并基于閾值體系開(kāi)展了全國(guó)217個(gè)魚(yú)類(lèi)生境保護(hù)重點(diǎn)斷面的敏感生態(tài)流量目標(biāo)核算，為我國(guó)河流敏感生態(tài)流量目標(biāo)的合理制定提供技術(shù)支撐。

2 研究方法

2.1 研究區(qū)及分區(qū)分類(lèi)本文研究范圍為全國(guó)主要河流中具備魚(yú)類(lèi)生境保護(hù)要求的河段。分區(qū)主要依據(jù)全國(guó)水資源區(qū)劃，同時(shí)結(jié)合魚(yú)類(lèi)區(qū)劃和自然地理?xiàng)l件的差異，將十大水資源一級(jí)區(qū)拆解組合，最終劃分為東北地區(qū)、黃淮海地區(qū)、西南地區(qū)、長(zhǎng)江中下游地區(qū)、東南沿海地區(qū)、西北地區(qū)六大區(qū)域。松花江和遼河流域的氣候條件寒冷干燥、冰封期長(zhǎng)、河流本底條件相似，具有相似的生態(tài)環(huán)境和魚(yú)類(lèi)群落，該地區(qū)魚(yú)類(lèi)區(qū)劃屬于北方區(qū)系，主要以鮭科、茴魚(yú)科和狗魚(yú)科等耐寒性強(qiáng)的魚(yú)類(lèi)為主；黃河、海河和淮河流域多為北方平原河流，其主要保護(hù)魚(yú)類(lèi)為鯉科，除黃河上游外，各流域氣候特征和地形條件相似，統(tǒng)稱(chēng)為黃淮海地區(qū)；而長(zhǎng)江上游與長(zhǎng)江中下游的氣候特征、地形條件和魚(yú)類(lèi)分布差異較為明顯，而與西南地區(qū)的河流相似度較高，因此將長(zhǎng)江上游與西南諸河合并為西南地區(qū)，以突出其生態(tài)本底條件的相似性；長(zhǎng)江中下游的魚(yú)類(lèi)多屬于江河平原區(qū)系，以暖水性、靜水性魚(yú)類(lèi)為主，如鯉科的大部分種類(lèi)；東南沿海和珠江區(qū)多為丘陵山區(qū)，其魚(yú)類(lèi)區(qū)劃均屬于華南分區(qū)，以南方暖水性、急流性魚(yú)類(lèi)為主，如鯉科的鲃亞科與鰍科等。西北地區(qū)河流敏感生態(tài)保護(hù)重點(diǎn)是河谷林草和尾閭濕地，因此本文重點(diǎn)開(kāi)展其余五個(gè)分區(qū)的魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵期敏感生態(tài)流量研究。

分類(lèi)依據(jù)主要考慮斷面集水面積和地形起伏度。河流規(guī)模、河道比降直接決定了魚(yú)類(lèi)棲息地的水動(dòng)力條件，斷面集水面積對(duì)于河流的規(guī)模和天然流量條件具有重要影響，直接關(guān)系到魚(yú)類(lèi)選擇產(chǎn)卵場(chǎng)的規(guī)模和開(kāi)闊度；而地形起伏度則決定了河流流速的基本條件，這對(duì)于魚(yú)類(lèi)物種的組成分布有著顯著的影響。例如，山區(qū)河流和平原河流的魚(yú)類(lèi)物種組成存在明顯的差異，地形的變化直接影響了喜歡在流水性和緩流中生活的魚(yú)類(lèi)的分布。本文將集水面積超過(guò)10 000 km2的控制斷面為大站，反之為小站；在地形條件方面，東北地區(qū)、黃淮海地區(qū)、長(zhǎng)江中下游地區(qū)分別按山區(qū)河段、平原河段分類(lèi)，西南地區(qū)分為橫斷山區(qū)河段和其它山區(qū)河段，東南沿海地區(qū)均為山區(qū)河段。

根據(jù)農(nóng)村農(nóng)業(yè)部公布的國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)分布，選取217個(gè)同時(shí)具備重要產(chǎn)卵場(chǎng)和控制性水文站的河段作為本文研究目標(biāo)，各河段對(duì)應(yīng)控制斷面位置及分類(lèi)如圖1所示。其中東北地區(qū)35個(gè)斷面、黃淮海地區(qū)49個(gè)斷面、西南地區(qū)40個(gè)斷面、長(zhǎng)江中下游地區(qū)49個(gè)斷面、東南沿海地區(qū)44個(gè)斷面。

圖1 全國(guó)主要河流魚(yú)類(lèi)生境重點(diǎn)保護(hù)河段控制斷面分布圖(審圖號(hào)：GS(2023)3916)

2.2 分區(qū)代表性魚(yú)類(lèi)評(píng)價(jià)根據(jù)各國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)重點(diǎn)保護(hù)物種，篩選各分區(qū)代表性魚(yú)類(lèi)，篩選原則為代表性魚(yú)類(lèi)為分區(qū)內(nèi)至少5個(gè)保護(hù)區(qū)的重點(diǎn)保護(hù)物種。結(jié)合29本流域/省份魚(yú)類(lèi)志、魚(yú)類(lèi)資源調(diào)研報(bào)告及相關(guān)參考文獻(xiàn)等，詳細(xì)梳理了47種代表性魚(yú)類(lèi)的產(chǎn)卵繁殖信息，綜合得到分區(qū)內(nèi)不同魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵時(shí)期和魚(yú)卵孵化時(shí)間的最大公約數(shù)，結(jié)果如表1所示。東北地區(qū)以土著冷水魚(yú)和特有經(jīng)濟(jì)魚(yú)類(lèi)為主，其中冷水魚(yú)產(chǎn)卵期集中在4—5月份，魚(yú)卵孵化持續(xù)時(shí)間(從受精卵到仔魚(yú)階段)約為10 d，而鱖、鳊等經(jīng)濟(jì)魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵期在6—7月份，魚(yú)卵孵化持續(xù)時(shí)間約為7 d；黃淮海地區(qū)以黃河特有魚(yú)類(lèi)、重要經(jīng)濟(jì)魚(yú)類(lèi)為主，產(chǎn)卵期集中在4—7月份，魚(yú)卵孵化持續(xù)時(shí)間約為5 d；長(zhǎng)江中下游地區(qū)主要以“四大家魚(yú)”等經(jīng)濟(jì)魚(yú)類(lèi)保護(hù)為主，魚(yú)卵孵化持續(xù)時(shí)間約為5 d；東南沿海地區(qū)以沿海經(jīng)濟(jì)魚(yú)類(lèi)為主，產(chǎn)卵期集中在3—6月份，魚(yú)卵孵化持續(xù)時(shí)間約為5 d。

表1 分區(qū)代表性魚(yú)類(lèi)及繁殖習(xí)性

2.3 分區(qū)分類(lèi)敏感生態(tài)流速閾值確定方法選取斷面平均流速作為敏感生態(tài)流量的表征指標(biāo)，以斷面天然水動(dòng)力條件為基礎(chǔ)，結(jié)合魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵期生境需求，計(jì)算分區(qū)分類(lèi)敏感生態(tài)流量關(guān)鍵閾值。具體步驟如下：

①挑選人類(lèi)活動(dòng)干擾較小的準(zhǔn)天然河段作為分析斷面天然水動(dòng)力條件的對(duì)象。以受人類(lèi)活動(dòng)干擾最顯著的枯水期(12月—翌年3月)徑流量為判別依據(jù)，分析研究區(qū)所有斷面枯水期長(zhǎng)系列天然月徑流量與實(shí)測(cè)月徑流量的差異，以二者的相對(duì)誤差不超過(guò)5%、且Nash效率系數(shù)高于0.9為判別標(biāo)準(zhǔn)，選取受人類(lèi)活動(dòng)干擾較小的河段，用于后續(xù)分析。

②根據(jù)分區(qū)代表性魚(yú)類(lèi)繁殖習(xí)性，確定敏感生態(tài)流量發(fā)生時(shí)機(jī)和持續(xù)時(shí)間。根據(jù)各河段對(duì)應(yīng)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)(或重要產(chǎn)卵場(chǎng))主要保護(hù)物種，確定代表性魚(yú)類(lèi)，以代表性魚(yú)類(lèi)的繁殖期作為該河段敏感生態(tài)流量發(fā)生時(shí)期(精確到月)，以代表性魚(yú)類(lèi)的魚(yú)卵孵化時(shí)間作為單次敏感生態(tài)流量的持續(xù)時(shí)間(精確到天，天數(shù)以N表示)。

③計(jì)算準(zhǔn)天然河段敏感期目標(biāo)流量。利用各河段近20年逐日實(shí)測(cè)流量資料，計(jì)算產(chǎn)卵期內(nèi)各月份連續(xù)N天能夠滿足的最大流量Qmonth，如式(1)(2)所示，其中式(1)為求連續(xù)N日滑動(dòng)最小值。以75%作為敏感生態(tài)流量年內(nèi)以及年際的保證率要求，確定各年度產(chǎn)卵期內(nèi)75%以上月份能夠滿足的流量Qyear，進(jìn)而取75%年份能夠達(dá)到的特征流量為該河段目標(biāo)流量Qtarget，如式(3)(4)所示。

(1)

Qmonth=max{Qj}

(2)

Qyear=QUARTILE(Qmonth，3)

(3)

Qtarget=QUARTILE(Qyear，3)

(4)

式中：Qi為逐日實(shí)測(cè)流量，m3/s；Qj為連續(xù)N天的最小流量，m3/s，j取值從1到該月最大天數(shù)，N值根據(jù)魚(yú)卵孵化時(shí)間確定；Qmonth為當(dāng)月連續(xù)N天能夠滿足的最大流量，m3/s；Qyear為年度特征流量，m3/s，取各年度產(chǎn)卵期內(nèi)75%保證率的Qmonth；Qtarget為目標(biāo)流量，m3/s，取75%保證率的Qyear，Qyear和Qtarget計(jì)算時(shí)分別取第3個(gè)四分位數(shù)。

④計(jì)算各河段生態(tài)流速本底值。根據(jù)各河段控制斷面流速-流量關(guān)系，以Qtarget對(duì)應(yīng)的斷面平均流速作為各河段生態(tài)流速本底值。

⑤確定分區(qū)分類(lèi)敏感生態(tài)流速閾值。根據(jù)各河段生態(tài)流速目標(biāo)值，制作箱體圖，以分區(qū)分類(lèi)均值和上、下四分位值為基準(zhǔn)，分別確定分區(qū)分類(lèi)河流敏感期生態(tài)流速閾值。

3 結(jié)果與分析

3.1 分區(qū)分類(lèi)敏感期生態(tài)流量目標(biāo)根據(jù)1956—2016年枯水期天然月徑流量與實(shí)測(cè)月徑流量對(duì)比，共篩選出127條人類(lèi)活動(dòng)干擾較小的河段作為分析天然水動(dòng)力條件的對(duì)象，其中東北地區(qū)20個(gè)、黃淮海地區(qū)23個(gè)、西南地區(qū)27個(gè)、長(zhǎng)江中下游地區(qū)32個(gè)、東南地區(qū)25個(gè)。各河段控制斷面的流域規(guī)模信息如表2所示，本文選取的研究河段集水面積多在1000～100 000 km2之間，而所得閾值的應(yīng)用范圍也以該區(qū)間為準(zhǔn)。

表2 人類(lèi)活動(dòng)干擾較小河段規(guī)模分區(qū)統(tǒng)計(jì)表

分別核算127個(gè)準(zhǔn)天然河段對(duì)應(yīng)控制斷面的敏感期生態(tài)流量目標(biāo)，圖2展示了2018年赤水站重點(diǎn)保護(hù)時(shí)段的逐日平均流量及各月份特征流量Qmonth的計(jì)算過(guò)程。赤水站位于長(zhǎng)江上游一級(jí)支流赤水河下游，所在河段屬長(zhǎng)江上游珍稀特有魚(yú)類(lèi)自然保護(hù)區(qū)范圍，集水面積16 622 km2，在本研究的分區(qū)分類(lèi)中屬于西南地區(qū)其它山區(qū)大站。根據(jù)2.2節(jié)的結(jié)果，赤水站所在河段主要保護(hù)物種包括達(dá)氏鱘、胭脂魚(yú)、圓口銅魚(yú)等珍稀魚(yú)類(lèi)，重點(diǎn)保護(hù)期為4—7月份，單次敏感期生態(tài)流量持續(xù)時(shí)間為5 d。計(jì)算過(guò)程如圖2所示，首先根據(jù)式(1)計(jì)算連續(xù)5天逐日平均流量的滑動(dòng)最小值，進(jìn)而取各月份5日滑動(dòng)最小值的最大值即為該月份特征流量Qmonth，圖中2018年4月份Qmonth為165 m3/s、5月份為167 m3/s、6月份為319 m3/s、7月份432 m3/s，則按照75%保證率要求，赤水站2018年特征流量Qyear為167 m3/s；類(lèi)似地，依次計(jì)算各年份特征流量Qyear，取75%的Qyear作為目標(biāo)流量Qtarget，最終得到赤水站的目標(biāo)流量為231 m3/s。為方便橫向?qū)Ρ雀鲾嗝婺繕?biāo)流量，本文以目標(biāo)流量占多年平均天然流量比值(下稱(chēng)流量占比)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，赤水站流量占比為90%。類(lèi)似地，結(jié)合2.2節(jié)分區(qū)代表性魚(yú)類(lèi)評(píng)價(jià)結(jié)果，根據(jù)各河段所在分區(qū)及對(duì)應(yīng)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)重點(diǎn)保護(hù)魚(yú)類(lèi)習(xí)性，分別計(jì)算各準(zhǔn)天然河段敏感期生態(tài)流量目標(biāo)及流量占比，分區(qū)流量占比結(jié)果如圖3所示。

圖2 赤水站敏感生態(tài)流量目標(biāo)計(jì)算過(guò)程

(注：西南地區(qū)山區(qū)河段指橫斷山區(qū)河段、平原河段指其它山區(qū)河段)

圖3展示了各分區(qū)斷面敏感期流量占比集中分布情況，東北地區(qū)大站為59%～81%、小站為51%～98%；黃淮海地區(qū)大站為44%～77%、小站為25%～51%；西南地區(qū)大站為60%～88%、小站為51%～80%；長(zhǎng)江中下游地區(qū)大站為100%～130%、小站為90%～120%；東南沿海地區(qū)大站為79%～129%、小站為65%～121%。整體上，同一分區(qū)、同一類(lèi)型河段流量占比集中度較好，除東南沿海地區(qū)外，其余分區(qū)上、下四分位值差距在20%～30%左右。

長(zhǎng)江中下游地區(qū)和東南沿海地區(qū)斷面敏感期目標(biāo)流量占比較高，這是由于分區(qū)內(nèi)魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵期與汛期重疊，敏感期降水量和徑流量占全年總降水量和徑流量比例高；與之相對(duì)的，黃淮海地區(qū)魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵期(4—7月)與主汛期(7—9月)不一致，敏感期徑流量占全年總徑流量比值小，尤其是4、5月天然來(lái)水量明顯偏少，導(dǎo)致分區(qū)內(nèi)各河段目標(biāo)流量占比整體偏小；而東北地區(qū)雖然魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵期與主汛期不一致，但受益于“桃花汛”期間的高流量過(guò)程、以及枯水期徑流占比極小，東北地區(qū)斷面敏感期目標(biāo)流量占比相對(duì)黃淮海地區(qū)較高。

同一分區(qū)內(nèi)大站流量占比普遍高于小站，其中黃淮海地區(qū)、東南沿海地區(qū)、長(zhǎng)江中下游地區(qū)的大站和小站流量占比均值差達(dá)到20%左右；而從分布上看，各分區(qū)大站與小站流量占比的極值差別不大，但大站均值和下四分位值明顯高于小站，這是由于小站徑流年內(nèi)、年際波動(dòng)更大，超過(guò)75%保證率的流量值較小。而東北地區(qū)大站和小站的流量占比較為接近，這是由于東北地區(qū)小站受區(qū)域氣候影響顯著、徑流規(guī)律變化范圍更廣，部分靠北的站點(diǎn)4月中旬才解凍、靠南的站點(diǎn)4月已迎來(lái)“桃花汛”。此外，各分區(qū)內(nèi)山區(qū)與平原區(qū)河段目標(biāo)流量占比總體無(wú)顯著性差別，流量占比受地形影響較小，僅東北地區(qū)、黃淮海地區(qū)山區(qū)大站明顯大于平原大站，出現(xiàn)該現(xiàn)象主要原因?yàn)椤疤一ㄑ础睂?dǎo)致4—5月山區(qū)河段流量偏高。

3.2 分區(qū)分類(lèi)生態(tài)流速閾值根據(jù)《水文年鑒》各水文站“實(shí)測(cè)流量成果表”中實(shí)測(cè)流量及對(duì)應(yīng)斷面平均流速數(shù)據(jù)，分別建立各控制斷面流速-流量擬合關(guān)系，并基于計(jì)算所得各斷面生態(tài)流量目標(biāo)，核算對(duì)應(yīng)生態(tài)流速目標(biāo)。圖4展示了不同分區(qū)代表斷面的流速-流量擬合曲線及公式，根據(jù)擬合公式計(jì)算流量目標(biāo)對(duì)應(yīng)斷面平均流速即為斷面生態(tài)流速目標(biāo)。類(lèi)似地，分別核算127個(gè)準(zhǔn)天然河段的控制斷面生態(tài)流速目標(biāo)，各分區(qū)分類(lèi)生態(tài)流速目標(biāo)的平均值、上四分位值、下四分位值等結(jié)果如圖5所示。

圖4 分區(qū)代表斷面流量-平均流速擬合關(guān)系

圖5 全國(guó)分區(qū)分類(lèi)重點(diǎn)河段敏感生態(tài)流速

由圖3可知，不同分區(qū)斷面流速目標(biāo)差異明顯，起伏度較大的西南地區(qū)斷面流速目標(biāo)整體偏高，其中橫斷山區(qū)大站流速目標(biāo)多在1 m/s以上，其它斷面流速目標(biāo)也大多超過(guò)0.5 m/s。東北地區(qū)生態(tài)流速相對(duì)較低，山區(qū)大站流速目標(biāo)大多在0.6～0.9 m/s之間，山區(qū)小站和平原大站流速目標(biāo)集中在0.4～0.7 m/s，平原小站流速多為0.3～0.5 m/s。不同分區(qū)的山區(qū)大站流速目標(biāo)平均值最大達(dá)到0.45 m/s、山區(qū)小站流速差最大達(dá)到0.34 m/s，而平原大站流速差值最大僅0.15 m/s、平原小站為0.06 m/s。

同一分區(qū)、相同地形的大站流速目標(biāo)明顯高于小站，其中各分區(qū)山區(qū)大站平均值普遍高于山區(qū)小站0.3～0.4 m/s、平原區(qū)大站流速目標(biāo)高于小站0.2 m/s左右；同一分區(qū)、相同規(guī)模的山區(qū)河段生態(tài)流速目標(biāo)普遍高于平原河段，除東南沿海地區(qū)外，其余四個(gè)分區(qū)山區(qū)大站流速目標(biāo)平均值比平原大站高0.4 m/s、山區(qū)小站流速目標(biāo)平均值比平原小站高0.2 m/s；不同分區(qū)間的山區(qū)河段目標(biāo)流速差別較大、平原區(qū)差別較小，西南地區(qū)和東北地區(qū)山區(qū)河段平均目標(biāo)流速相差達(dá)到0.4 m/s，而不同分區(qū)的平原小站平均流速幾乎相同。

以圖3所示上、下四分位數(shù)作為對(duì)應(yīng)類(lèi)型河段的生態(tài)流速范圍、以平均值作為推薦流速確定依據(jù)，分區(qū)分類(lèi)敏感期生態(tài)流速閾值如表3所示。全部分區(qū)分類(lèi)推薦流速平均值為0.66 m/s，其中山區(qū)大站平均值為0.94 m/s、山區(qū)小站平均值為0.62 m/s、平原大站平均值為0.63 m/s、平原小站平均值為0.46 m/s。

表3 全國(guó)分區(qū)分類(lèi)河流敏感期生態(tài)流速閾值 單位：m/s

4 討論

4.1 閾值合理性分析利用濕周法對(duì)基于分區(qū)分類(lèi)生態(tài)流速閾值的生態(tài)流量結(jié)果進(jìn)行校核。濕周法是目前較為公認(rèn)的一種生態(tài)流量計(jì)算方法，該方法計(jì)算簡(jiǎn)便、物理機(jī)制強(qiáng)，但多適用于河床穩(wěn)定且形態(tài)近似拋物線形或矩形的斷面，在不規(guī)則斷面或者三角形斷面等應(yīng)用受限，因此本文僅對(duì)部分形狀規(guī)則斷面的敏感生態(tài)流量進(jìn)行驗(yàn)證?；诜謪^(qū)分類(lèi)生態(tài)流速閾值(閾值法，下同)所得生態(tài)流量結(jié)果與濕周法結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表4，其中適宜流量下限值、上限值為各分區(qū)分類(lèi)適宜流速閾值對(duì)應(yīng)流量，推薦流量為生態(tài)流速推薦值對(duì)應(yīng)流量，“相對(duì)誤差”指閾值法與濕周法結(jié)果差與多年平均天然流量比值。

表4 閾值法與濕周法計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

由表4可知，閾值法與濕周法所得生態(tài)流量結(jié)果整體較為一致，34個(gè)斷面中有31個(gè)斷面濕周法結(jié)果在閾值法所得適宜流量范圍內(nèi)。對(duì)比各斷面閾值法與濕周法結(jié)果的相對(duì)誤差，70%的斷面下限值相對(duì)誤差在±20%以內(nèi)，58%的斷面推薦值相對(duì)誤差在±20%以內(nèi)，僅41%的斷面上限值相對(duì)誤差在±20%以內(nèi)；同時(shí)，分別有4、6、16個(gè)斷面下限值、推薦值、上限值相對(duì)誤差超出±40%。可見(jiàn)，分區(qū)分類(lèi)的最小生態(tài)流速閾值對(duì)應(yīng)流量整體上更接近濕周法結(jié)果。因此在設(shè)定敏感生態(tài)流量管控目標(biāo)時(shí)，建議以各分區(qū)對(duì)應(yīng)最小生態(tài)流速為主，但部分類(lèi)型的河段需根據(jù)實(shí)際情況靈活選取生態(tài)流速閾值。

根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，本文提出的分區(qū)分類(lèi)生態(tài)流速閾值能夠適應(yīng)于不同區(qū)域、不同類(lèi)型的河段，而對(duì)于無(wú)資料地區(qū)的河流敏感生態(tài)流量目標(biāo)制定具有更為重要意義。此外，閾值法/濕周法相對(duì)誤差較大的斷面主要分布在大江大河干流，且閾值法計(jì)算結(jié)果普遍低于濕周法計(jì)算結(jié)果，這是由于本研究涉及準(zhǔn)天然河段的集水面積在1000～100 000 km2，而大江大河干流斷面集水面積往往超出該范圍，該類(lèi)型河段敏感生態(tài)需水目標(biāo)建議利用生境模擬法制定。

4.2 閾值體系的應(yīng)用本文提出的分區(qū)分類(lèi)河流敏感期生態(tài)流速閾值應(yīng)用范圍包括：(1)重點(diǎn)針對(duì)缺少長(zhǎng)系列水文數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)或者生物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的河流，結(jié)合控制斷面平均流速-流量關(guān)系，確定敏感生態(tài)流量目標(biāo)值；(2)輔助其它方法確定面向魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵生境保護(hù)的敏感生態(tài)流量目標(biāo)值，原則上目標(biāo)值不應(yīng)超出推薦流速所對(duì)應(yīng)的流量范圍。

在實(shí)際應(yīng)用中，需根據(jù)目標(biāo)河段人類(lèi)活動(dòng)干擾情況靈活選取對(duì)應(yīng)生態(tài)流速閾值。當(dāng)目標(biāo)河段上游開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度較大時(shí)，以最小生態(tài)流速作為斷面平均流速目標(biāo)，反之則以推薦流速作為斷面平均流速目標(biāo)，結(jié)合斷面平均流速-流量關(guān)系確定敏感生態(tài)流量；對(duì)于三級(jí)及以上河流干流控制斷面，考慮到斷面控制規(guī)模和流速本底條件，以生態(tài)流速范圍上限值對(duì)應(yīng)的流量作為該河段敏感生態(tài)流量目標(biāo)。此外，由濕周法對(duì)比結(jié)果可知，對(duì)于斷面形態(tài)相對(duì)規(guī)整的矩形或梯形斷面，閾值法能夠快速、有效地給出流量目標(biāo)，對(duì)于不規(guī)則斷面或集水面積過(guò)大的斷面，需與生境模擬法等其它方法相結(jié)合。

除生態(tài)流量目標(biāo)值外，敏感期生態(tài)流量還包括生態(tài)流量發(fā)生時(shí)機(jī)和持續(xù)時(shí)間等指標(biāo)，其中發(fā)生時(shí)機(jī)和持續(xù)時(shí)間分別基于表1中代表性魚(yú)類(lèi)的產(chǎn)卵期和魚(yú)卵孵化時(shí)間確定。綜上，面向魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵需求的全國(guó)分區(qū)分類(lèi)河流敏感生態(tài)流量計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)如圖6所示。

圖6 面向魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵需求的分區(qū)分類(lèi)敏感生態(tài)流量計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)(審圖號(hào)：GS(2023)3916)

根據(jù)本文所得分區(qū)分類(lèi)生態(tài)流速閾值及生態(tài)流量計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)，分別制定了全國(guó)217個(gè)重點(diǎn)斷面的敏感生態(tài)流量目標(biāo)，并對(duì)2009—2018年敏感生態(tài)需水達(dá)標(biāo)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖7所示。2009—2018年全國(guó)整體敏感生態(tài)流量達(dá)標(biāo)率為58%，其中東北地區(qū)61%、黃淮海地區(qū)55%、西南地區(qū)53%、長(zhǎng)江中下游地區(qū)63%、東南沿海地區(qū)61%，黃淮海地區(qū)和西南地區(qū)敏感生態(tài)流量達(dá)標(biāo)率較低。此外，統(tǒng)計(jì)不同類(lèi)型河段平均達(dá)標(biāo)率，五大分區(qū)山區(qū)大站平均值為68%、山區(qū)小站平均值為57%、平原大站平均值為63%、平原小站平均值為55%，整體上大站達(dá)標(biāo)率高于小站，而山丘區(qū)河段達(dá)標(biāo)率略高于平原區(qū)，但區(qū)別不大。對(duì)比各分區(qū)內(nèi)部大站、小站達(dá)標(biāo)率差異，其中東北地區(qū)、黃淮海地區(qū)、東南沿海地區(qū)大站明顯高于小站，尤其是黃淮海區(qū)大站達(dá)標(biāo)率高于小站17%，而長(zhǎng)江流域小站達(dá)標(biāo)率則略高于大站。

圖7 2009—2018年全國(guó)分區(qū)敏感生態(tài)流量達(dá)標(biāo)情況

5 結(jié)論

本文以準(zhǔn)天然條件下的流量過(guò)程為基礎(chǔ)、以典型魚(yú)類(lèi)自然繁殖期需求為約束，提出面向魚(yú)類(lèi)生境保護(hù)的區(qū)域尺度敏感生態(tài)流量關(guān)鍵參數(shù)閾值確定方法，分別核算了分區(qū)分類(lèi)河流敏感期生態(tài)流速閾值指標(biāo)，將閾值結(jié)果初步應(yīng)用于全國(guó)217個(gè)重點(diǎn)河段敏感生態(tài)流量目標(biāo)制定，并結(jié)合濕周法對(duì)部分?jǐn)嗝婷舾猩鷳B(tài)流量目標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。具體結(jié)果包括：

(1)綜合考慮水資源區(qū)劃、魚(yú)類(lèi)區(qū)系、地形條件等，將敏感生態(tài)流量研究范圍整體劃分為東北地區(qū)、黃淮海地區(qū)、西南地區(qū)、長(zhǎng)江中下游地區(qū)、東南沿海地區(qū)等五大分區(qū)，各分區(qū)內(nèi)又分為山區(qū)大站、山區(qū)小站、平原大站、平原小站等四個(gè)類(lèi)別，并結(jié)合魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵期棲息地分布確定了分區(qū)重點(diǎn)保護(hù)河段，根據(jù)代表性魚(yú)類(lèi)習(xí)性分析，歸納總結(jié)了各分區(qū)敏感生態(tài)流量重點(diǎn)保護(hù)時(shí)期、持續(xù)時(shí)間等要素。

(2)以受人類(lèi)活動(dòng)干擾較小、且具備魚(yú)類(lèi)保護(hù)功能的河段為研究河段，根據(jù)歷史流量資料和代表性魚(yú)類(lèi)魚(yú)卵孵化時(shí)間，分別核算各研究河段流速目標(biāo)，進(jìn)而確定分區(qū)分類(lèi)生態(tài)流速閾值，包括推薦流速范圍和適宜流速。全部分區(qū)分類(lèi)推薦流速平均值為0.66 m/s，其中山區(qū)大站平均值為0.94 m/s、山區(qū)小站平均值為0.62 m/s、平原大站平均值為0.63 m/s、平原小站平均值為0.46 m/s。

(3)基于所得敏感生態(tài)流速閾值體系，確定分區(qū)分類(lèi)敏感生態(tài)流量關(guān)鍵參數(shù)閾值，利用關(guān)鍵參數(shù)閾值初步制定了全國(guó)217個(gè)重點(diǎn)河段敏感期生態(tài)流量目標(biāo)，并將生態(tài)流量目標(biāo)與濕周法結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示除大江大河干流外，本文提出的生態(tài)流速閾值及敏感生態(tài)流量關(guān)鍵參數(shù)體系能科學(xué)指導(dǎo)面向魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵保護(hù)的生態(tài)流量目標(biāo)制定。

本文面向我國(guó)現(xiàn)階段河流生態(tài)流量管理的實(shí)際需求，研究結(jié)果不僅為不同地區(qū)敏感生態(tài)流量目標(biāo)確定提供參數(shù)支撐，同時(shí)為缺乏長(zhǎng)系列水文資料或詳細(xì)地形資料的地區(qū)開(kāi)展敏感期生態(tài)需水管理提供了基礎(chǔ)條件。在實(shí)踐應(yīng)用中，也可根據(jù)本文提出的生態(tài)流速閾值確定思路，在區(qū)域/流域尺度進(jìn)一步細(xì)化分區(qū)分類(lèi)及代表性魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵需求，確定較小尺度上更為精確的生態(tài)流速閾值體系。