王鴻翔，張愛民，郭文獻(xiàn)，郭 科

(華北水利水電大學(xué)，鄭州 450045)

對(duì)于城市河流來說，人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與河流生態(tài)系統(tǒng)健康的發(fā)展矛盾尤為突出, 目前河流斷流、污染事件頻繁發(fā)生，部分河流功能基本喪失[1]，因此對(duì)城市河流開展河道生態(tài)基流對(duì)保護(hù)水環(huán)境、維持河道生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)研究意義重大。生態(tài)基流的出現(xiàn)主要是為了協(xié)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)需水之間的矛盾，使得河流生態(tài)系統(tǒng)與城市生態(tài)系統(tǒng)能夠達(dá)到共生的一種狀態(tài)流量。國(guó)內(nèi)外研究主要集中在河流生態(tài)需水內(nèi)涵及計(jì)算方法上，逐步形成水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地及整體法等四大類方法，水力學(xué)法計(jì)算生態(tài)流量難以排除城市河道人為渠化因素，棲息地法及整體法對(duì)資料要求較高以及可實(shí)際操作性不佳，并且受全球氣候變化與人類活動(dòng)的共同影響，河流水文情勢(shì)與河流生態(tài)系統(tǒng)都發(fā)生了較大的改變[2],以往的城市河流流量研究大多基于環(huán)境功能設(shè)定法，將河流生態(tài)流量分為各個(gè)部分分別計(jì)算，但很難應(yīng)用于實(shí)踐，進(jìn)行水環(huán)境調(diào)水實(shí)驗(yàn)也只是粗略估算或主觀確定稀釋用水居多[1]。綜合上述因素，本研究從生態(tài)水文情勢(shì)角度出發(fā)，通過多種水文法計(jì)算河道最小生態(tài)需水，結(jié)合徑流特征分析及多年降雨量的變化，對(duì)比分析各種水文法對(duì)城市河流的適用性，最后根據(jù)河流站點(diǎn)天然時(shí)期徑流資料，利用適合城市河流的水文法計(jì)算河道生態(tài)基流，研究結(jié)果綜合水量水質(zhì)等方面考慮了河流生態(tài)系統(tǒng)最小生態(tài)需水量，對(duì)保護(hù)河流水質(zhì)及魚類產(chǎn)卵需求及水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度決策具有重要意義，可為城市水資源的配置及生態(tài)補(bǔ)水提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

鄭州市河流分屬淮河和黃河兩大流域，即外河黃河和內(nèi)河賈魯河。涉及現(xiàn)有河流9條，其中枯河屬于黃河流域，其余8條屬于賈魯河水系，賈魯河發(fā)源于新密市，向東北流經(jīng)鄭州市，至市區(qū)北郊折向東流，經(jīng)中牟，入開封，過尉氏縣，后至周口市入沙潁河，最后流入淮河。流域面積2 750 km2，多年平均徑流量2.99 億m3[3]，包括賈魯河干流以及其一級(jí)支流索須河(索河、須河)、東風(fēng)渠、魏河、金水河、熊耳河、七里河(十八里河、十七里河)、潮河等支流，現(xiàn)均為城市排污河道，生態(tài)水系輸水工程為新開挖河流，為南部四河進(jìn)行輸水，水庫(kù)12座，湖泊3個(gè)，共同組成鄭州市生態(tài)水系框架[4]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù) 據(jù)

鄭州市河流多為小河流，缺少水文觀測(cè)資料，僅賈魯河干流中牟水文站有部分水文資料，水文資料為1965-2008年徑流資料，1951-2011年鄭州市降雨資料來源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)。

2.2 方 法

本研究收集鄭州市市區(qū)控制水文站中牟站1965-2008年的長(zhǎng)序列徑流資料通過線性傾向法及M-K突變檢驗(yàn)法對(duì)其徑流特征變化進(jìn)行分析及突變點(diǎn)檢驗(yàn)，并通過水文方法計(jì)算生態(tài)基流。

2.2.1 趨勢(shì)分析及突變檢驗(yàn)方法

(1)線性傾向法。通過線性傾向法分析中牟水文站實(shí)測(cè)流量序列年均徑流及汛期與非汛期的徑流變化趨勢(shì)，線性傾向法計(jì)算公式見式(1)。

(1)

式中：b為常數(shù)；a為回歸系數(shù)。

(2)Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法：M-K (mann-kendall)突變檢驗(yàn)是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，可以排除異常值的干擾，M-K法能夠大致確定突變點(diǎn)的位置，Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法是在時(shí)間序列平穩(wěn)的前提下，要求該序列獨(dú)立，且隨機(jī)變量概率服從同一分布，設(shè)定原假設(shè)時(shí)間序列無變化[5-7]。Mann-Kendall突變檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量構(gòu)造秩序列：

(2)

sk的數(shù)學(xué)期望和方差為：

(5)

式中統(tǒng)計(jì)量UF服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，表示年均徑流順序時(shí)間序列曲線，UF為正，表示系列具有上升趨勢(shì)；UF為負(fù)，表示系列具有下降趨勢(shì)；取α=0.05置信水平下顯著性檢驗(yàn)水平值，UF值大于α=0.05置信水平表示序列上升或下降趨勢(shì)顯著，以上方法應(yīng)用于反序列，重復(fù)上述計(jì)算過程，并使UF計(jì)算值乘以“-1”，得到UB，UB為年均徑流序列逆序時(shí)間序列曲線，如果UB和UF曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，則交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為突變開始的時(shí)間。

2.2.2 水文學(xué)方法

計(jì)算河流生態(tài)需水有多種水文學(xué)方法，本研究選擇5種常用的水文學(xué)法計(jì)算河流最小生態(tài)流量，方法分別為逐月最小徑流法、逐月頻率法、tennant法、90%最枯月平均流量法(Q90)、Texas法，其具體操作步驟如下：

逐月最小徑流法計(jì)算的最小生態(tài)流量過程滿足生物的繁殖和發(fā)育規(guī)律，是保證水生生物在生命史周期中的最低生存條件，該法考慮了河流徑流豐枯變化的連續(xù)性以及不同時(shí)期河流生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水文條件的需求，具體步驟為首先將流量資料分為1-12月份共12個(gè)月平均徑流系列，取每個(gè)月徑流系列的最小值作為該月的最小生態(tài)徑流量。

逐月頻率法是對(duì)不同時(shí)期擬定不同的保證率，一般月保證率取50%，優(yōu)點(diǎn)是相較于最小生態(tài)徑流確定的短期、極限的水文狀態(tài)，提供了河流生態(tài)需水所需的最佳水文條件[8]，缺點(diǎn)是未考慮年際變化趨勢(shì)，適用于計(jì)算大中型河流的適宜生態(tài)徑流，基于城市河流基本都是小河流，月保證率取90%，具體步驟對(duì)年平均流量系列分別取頻率75%以上、25%～75%、25%以下劃分水平年為枯水年、平水年、豐水年，對(duì)枯水年組取90%保證率的月平均流量作為河流最小生態(tài)基流。

Tennant法由美國(guó)學(xué)者Tennant分析了美國(guó)11條河流的斷面數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)河寬、流速和水深在流量小于年平均流量的10%的增加幅度較大，當(dāng)流量大于年平均流量10%時(shí)，對(duì)應(yīng)的水力參數(shù)的增長(zhǎng)幅度下降。該方法涉及臨近棲息地、水力學(xué)和生物學(xué)因素,其實(shí)質(zhì)是將測(cè)站的年平均流量的百分比作為最小生態(tài)流量[9],具體操作步驟是依據(jù)各月平均流量序列求平均值得出多年月平均流量過程，取多年月平均流量的10%作為最小生態(tài)流量。

90%最枯月平均流量法(Q90)由美國(guó)7Q10法演變而來的，起初是美國(guó)用于保證排放的污水滿足干旱季節(jié)的水質(zhì)要求，應(yīng)用于我國(guó)主要是防止河流水質(zhì)污染，設(shè)定近10年最小月平均流量或90%保證率的最枯月平均流量替代年最枯連續(xù) 7 d 的平均水量作為河流最小流量即標(biāo)準(zhǔn)流量設(shè)計(jì)值[10]。步驟為采用90%保證率的最枯月平均流量并假設(shè)該法下年內(nèi)各月生態(tài)流量均為保證率90%對(duì)應(yīng)的生態(tài)流量，該法的缺點(diǎn)未考慮水量的季節(jié)變化、水生生物等因素。

Texas法采用某一保證率的月平均流量作為生態(tài)流量，該法考慮了不同的生物特性(如孵化器和產(chǎn)卵期)和區(qū)域水文特征條件下的月需水量[10]，參考吳喜軍在渭河寶雞段典型魚類及植物的需水條件，取50%保證率下的月流量的20%作為河道生態(tài)基流[11]。

3 徑流特征及水文法適用性分析

3.1 城市河流徑流變化分析

3.1.1 徑流趨勢(shì)性分析

圖1和圖2為中牟水文站年際變化時(shí)間序列,據(jù)圖1分析得河流年均徑流的總體變化呈遞減趨勢(shì)，由M-K檢驗(yàn)遞減趨勢(shì)不明顯。據(jù)圖2可看出汛期徑流變化隨時(shí)間序列呈遞減趨勢(shì),非汛期內(nèi)徑流變化則隨時(shí)間序列呈遞增趨勢(shì)。水文情勢(shì)隨年際之間的豐枯變化幅度的減小而逐漸減弱,年內(nèi)流量的季節(jié)變化差異正在減小甚至消失。

圖1 中牟水文站年均徑流變化Fig.1 Annual runoff variation of Zhongmou hydrological station

圖2 汛期和非汛期年均徑流量變化Fig.2 Annual runoff variation in flood season and non-flood season

3.1.2 突變點(diǎn)的確定

采用M-K的突變檢驗(yàn)法檢測(cè)流量受人為因素影響隨時(shí)間序列變化的突變年份，突變分析結(jié)果見圖3。

圖3 1965-2008年均徑流突變分析圖Fig.3 Analysis of runoff variation in 1965-2008

據(jù)圖3分析可得UF曲線總體呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，UF曲線和UB曲線于1985、1990、1992年在95%的臨界線±1.96之間有3個(gè)明顯的交點(diǎn)。1985、1990、1992年可能是鄭州市年均徑流的突變點(diǎn)，并且在1990年之前的UF曲線值大于等于0,年均徑流序列呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，且于1974-1981年之間UF曲線超過了95%的臨界線1.96，通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，年均徑流時(shí)間序列上升變化顯著；1990年之后的UF曲線值小于等于0，年均徑流趨勢(shì)呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，UF曲線下降范圍為超過95%的臨界線-1.96，沒有通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，即下降趨勢(shì)不明顯。因?yàn)榭赡艿耐蛔凕c(diǎn)年份較為接近，可認(rèn)為發(fā)生了一次突變,可能的突變年份取最早出現(xiàn)突變的1985年。因此以1985年為分界點(diǎn)，將1965-1985年期間近似看作天然徑流時(shí)期，1985至2008年看作是人類活動(dòng)干擾時(shí)期。

3.2 水文法適用性分析

3.2.1 河道生態(tài)基流的計(jì)算結(jié)果

以賈魯河干流為例，河流生態(tài)需水計(jì)算結(jié)果見表1，據(jù)表1繪制多種水文學(xué)方法計(jì)算最小生態(tài)流量過程線如圖4所示。

表1 中牟水文站多種水文法估算最小生態(tài)流量 m3/s

圖4 最小生態(tài)流量過程線Fig.4 Minimum ecological discharge hydrograph

3.2.2 生態(tài)流量過程線分析

(1)分析圖4可知:逐月頻率法的計(jì)算值高于逐月最小生態(tài)徑流；texas的計(jì)算結(jié)果與tennant的計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)走向大體一致，且其計(jì)算結(jié)果總體上大于tennant計(jì)算值且小于逐月最小生態(tài)徑流計(jì)算值；Q90法計(jì)算結(jié)果最小。從反映徑流年內(nèi)季節(jié)變化的角度出發(fā)，逐月頻率法、逐月最小徑流法均較好反應(yīng)賈魯河水文站汛期與非汛期間的生態(tài)基流年內(nèi)顯著的變化，texas法次之，tennant反應(yīng)年內(nèi)生態(tài)基流在汛期與非汛期間的變化強(qiáng)度最弱，90%最枯月平均流量法不能反映徑流的年內(nèi)豐枯變化特征。

(2)結(jié)果的差異性分析：Q90法只考慮了滿足河流水質(zhì)污染的流量，沒有考慮水生生物、水量的季節(jié)變化, 計(jì)算結(jié)果最??；tennant法取實(shí)測(cè)多年平均徑流量的10%,只考慮了維持河流生態(tài)系統(tǒng)不退化所需水量，未考慮河流稀釋自凈、輸沙需水的等環(huán)境功能需水量, 計(jì)算結(jié)果總體大于Q90法,屬于次最小值；texas則考慮了典型魚類及植物的需水條件，取50%保證率下的月平均流量的20%作為生態(tài)需水量，計(jì)算結(jié)果大于tennant法計(jì)算值；逐月頻率法是基于水平年的劃分取枯水年組的90%保證率作為最小生態(tài)流量，而逐月最小生態(tài)徑流法也是基于天然徑流資料，是以水生生物在天然狀況下已經(jīng)安全經(jīng)歷過的最小徑流過程的假設(shè)前提下計(jì)算最小生態(tài)徑流，這兩種方法的計(jì)算結(jié)果差距相對(duì)較小。

圖5 鄭州市多年平均月降雨量圖Fig.5 Annual average monthly rainfall in Zhengzhou City

據(jù)圖5可知，降雨量最多為7月為149.7 mm，其次為8月份128.3 mm，因而最大流量也會(huì)出現(xiàn)在這一時(shí)段，結(jié)合圖4分析，逐月頻率法、逐月最小生態(tài)徑流法只能反應(yīng)7月份的流量變化，對(duì)比汛期內(nèi)6月份和9月份的流量，8月份計(jì)算值偏小，texas、tennant最大值出現(xiàn)在8月份分別為4.6、2.6，具有一定的遲滯性，逐月頻率法及逐月最小生態(tài)徑流法均有能反映徑流的季節(jié)變化特征，但計(jì)算結(jié)果略大且未考慮生物因素，texas與tennant法考慮了水生生物因素，但對(duì)于徑流的特征變化具有遲滯性，Q90法只考慮了水質(zhì)因素，計(jì)算結(jié)果較低，上述方法考慮方面單一，因此本研究從結(jié)合徑流變化特征、水生生物因素、水質(zhì)因素角度出發(fā)，取逐月頻率法、最小生態(tài)徑流法、texas、tennant及Q90法計(jì)算結(jié)果的平均值作為最小生態(tài)基流。多年平均流量的10%是保證棲息地不會(huì)退化的最低條件，一旦低于此值，河流生境會(huì)急劇下降，難以恢復(fù)，最好預(yù)留一定的空間[12]，因此綜合分析認(rèn)為多種方法計(jì)算結(jié)果的平均值對(duì)于城市河流具有較好的適用性。

4 計(jì)算結(jié)果與討論

因鄭州市河流只有賈魯河干流中牟站有部分實(shí)測(cè)水文資料,控制流域面積為2 106 km2，多年平均徑流量(1965-2008年)為42 989 萬(wàn)m3，多年平均流量為13.57 m3/s。為了推求鄭州市其他河流的年均徑流量，通過相關(guān)河流控制面積間接計(jì)算，鄭州市水系河流徑流量計(jì)算結(jié)果如表2所示。根據(jù)平均值可以計(jì)算出各流量狀況下河流推薦值,如表3所示。

表2 鄭州市河流年均徑流量計(jì)算成果表Tab.2 Annual runoff calculation results of zhengzhou river

表3 鄭州市水系河流最小生態(tài)需水量推薦值Tab.3 Recommended minimum ecological water requirement of urban river in Zhengzhou

為了分析本研究所采用方法計(jì)算的合理性，本研究結(jié)果與《鄭州市生態(tài)水系規(guī)劃》(簡(jiǎn)稱規(guī)劃報(bào)告)中河流生態(tài)需水計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表4。

本研究通過均值法得到的流量過程線值能夠滿足魚類產(chǎn)卵育幼期及水質(zhì)需求，并且從更好響應(yīng)城市河流降雨及徑流的水文特征，計(jì)算結(jié)果與《鄭州市生態(tài)水系規(guī)劃》的研究結(jié)果相比，有一定差別，但總體相差不大，枯水期內(nèi)金水河計(jì)算結(jié)果比規(guī)劃報(bào)告結(jié)果稍小，其他河流計(jì)算結(jié)果均大于規(guī)劃報(bào)告結(jié)果，差值占規(guī)劃報(bào)告結(jié)果的22.2%；豐水期內(nèi)計(jì)算值均稍小于規(guī)劃報(bào)告結(jié)果，差值占規(guī)劃報(bào)告結(jié)果的20.3%，誤差在可允許誤差之內(nèi)，因此可以認(rèn)為本研究計(jì)算的河道生態(tài)基流基本合理。

表4 鄭州市水系河流生態(tài)流量結(jié)果比較 m3/s

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)研究顯示賈魯河干流年均徑流量總體上呈遞減趨勢(shì)，遞減趨勢(shì)不顯著，汛期徑流變化呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，非汛期的徑流變化呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，水文情勢(shì)隨年際之間的豐枯變化幅度的減小而逐漸減弱，年內(nèi)流量的季節(jié)變化的差異正在減小甚至消失。

(2)綜合徑流變化特征、水生生物因素、水質(zhì)因素等，取逐月頻率法、最小生態(tài)徑流法、texas、tennant及Q90法計(jì)算結(jié)果的平均值作為最小生態(tài)基流，能夠很好反應(yīng)河流徑流變化趨勢(shì)、水生生物需水及自凈需水要求，均值相較于取多年平均流量的10%作為保證棲息地不會(huì)退化或極限水文最低的條件，預(yù)留了一定的幅度可變空間，能夠較大程度避免和降低因河道流量低于極限值而導(dǎo)致河流生境長(zhǎng)時(shí)間遭受難以恢復(fù)的破壞幾率，適合用于計(jì)算城市河道最小生態(tài)基流。

(3)本研究中的生態(tài)基流是指是從水生生物需水及河流自凈需水角度出發(fā)，是常年維持河道內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的基本流量,不包含輸沙需水、蒸發(fā)滲漏需水等的部分。

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