李 揚 孫小平

（山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原 030002）

0 引言

汾河是山西第一大河。近年來，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，汾河下游河道取用水不斷增加，大量生態(tài)環(huán)境用水被擠占，導(dǎo)致流域水量不足，水質(zhì)惡化，生態(tài)環(huán)境遭到破壞。為改善這一現(xiàn)狀，對汾河下游的水生態(tài)實施修復(fù)顯得尤為必要。本研究通過分析汾河下游生態(tài)環(huán)境存在問題，分別采用最小月平均流量法、Tennant法和代表年法，對河道生態(tài)基流進行了分析計算，以期為汾河下游水生態(tài)修復(fù)工作提供基礎(chǔ)。

1 流域概況

汾河位于山西省中南部，流域范圍涉及全省9市51縣，面積 39 471 km2，南北長 412.5 km，東西寬188 km，干流全長716 km，自北向南縱貫6市27縣。汾河按其自然特征分為上、中、下游三段：太原市尖草坪區(qū)蘭村以上為上游河段，蘭村至洪洞趙城為中游河段，趙城至入黃口為下游段。

下游段河長232 km，流域面積11 257 km2，河道彎曲，水流不穩(wěn)定，河床左右擺動，凹岸坍塌，岸蝕劇烈。該河段為汾河干流中最為平緩的一段，平均縱坡1.3‰；入黃口段河道更為平緩，常發(fā)生黃河倒灌頂托現(xiàn)象，致大量泥沙淤積在下游河床之中。本段河道匯入的較大支流有：曲亭河、澇河、洰河、滏河、洪安澗河、澮河等。汾河下游流域水系圖見圖1。

圖1 汾河下游流域水系圖

2 汾河下游生態(tài)環(huán)境存在問題分析

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，汾河下游河道取用水不斷增加，大量生態(tài)環(huán)境用水被擠占，使得流域出現(xiàn)一系列生態(tài)環(huán)境問題，主要表現(xiàn)為：

1）開發(fā)利用程度高，擠占生態(tài)用水

汾河下游在2010—2015年期間年平均水資源總量僅有10.06億m3，扣除黃河提引水量和污水回用等供水，年平均供水量8.35億m3，水資源開發(fā)利用率平均高達(dá)83%，最高可達(dá)122%。按水資源合理開發(fā)利用率40%考慮，國民經(jīng)濟發(fā)展用水?dāng)D占生態(tài)環(huán)境水量約4.33 億 m3。

2）地下水位下降，流域內(nèi)泉水?dāng)嗔?/p>

上世紀(jì)70年代以后，隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，用水需求不斷增大，地下水開采量逐步加大，導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降，臨汾盆地地下水位埋深由13.8 m下降至81.9 m，降幅達(dá)68.1 m。隨著地下水位的下降，汾河下游巖溶大泉自然出流量嚴(yán)重衰減，其中古堆泉已斷流，洪山泉接近斷流。

3）水域面積不斷萎縮，河流污染問題仍舊突出

由于河道防洪堤防工程大面積壓縮河道寬度，水域面積大幅度減少，導(dǎo)致河流自凈能力嚴(yán)重缺乏。汾河下游城鄉(xiāng)生活和工業(yè)用水產(chǎn)生的廢污水污染項目多、超標(biāo)倍數(shù)大。2015年，汾河干流劣V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的河長占評價河長的68%，且主要污染河段分布在太原以下的中下游段。

4）濕地面積大幅度縮減，生態(tài)嚴(yán)重破壞

由于河道縮窄，河道兩岸的灘涂地被大量開發(fā)利用，導(dǎo)致兩側(cè)水域濕地面積不足30 km2，減少雨水入滲量1.05億m3，生態(tài)嚴(yán)重破壞。具體表現(xiàn)為：河濱植被面積減少，生物多樣性降低，魚類的產(chǎn)卵條件發(fā)生變化，鳥類、兩棲動物和昆蟲的棲息地改變或避難所消失。

3 生態(tài)基流計算

根據(jù)對汾河下游水生態(tài)環(huán)境存在問題的分析，該流域生態(tài)脆弱的原因可歸結(jié)為兩方面，一是水量不足，二是水質(zhì)惡化。而水質(zhì)惡化的重要原因之一是河道內(nèi)水量嚴(yán)重不足導(dǎo)致的河流自凈能力缺乏。因此，河道內(nèi)水量能否滿足水生態(tài)需求便成為汾河下游水生態(tài)環(huán)境治理與修復(fù)的關(guān)鍵問題。

生態(tài)基流是指為維持河流基本形態(tài)和基本生態(tài)功能的河道內(nèi)最小流量。河流基本生態(tài)功能主要為防止河道斷流、避免河流水生生物群落遭受到無法恢復(fù)的破壞等。因此，需要通過確定河道生態(tài)基流來判斷汾河下游實際徑流量是否能夠滿足水生態(tài)需求。

3.1 典型斷面選取

根據(jù)控制斷面選取原則，結(jié)合控制斷面資料情況，本研究選取汾河下游趙城、柴莊、河津3個水文站作為典型計算斷面，分別采用最小月平均流量法、Tennant法和代表年法來計算河道生態(tài)基流量，通過對各種方法計算成果的對比分析，最終確定符合流域?qū)嶋H情況的方法和成果。

3.2 采用最小月平均流量法計算

最小月平均流量法：即河道生態(tài)基流量由多年實測徑流的平均最小月徑流量計算得到。

采用汾河下游趙城、柴莊、河津站的實測流量資料，其中趙城站資料系列為1995—2015年，柴莊站和河津站資料系列為1980—2015年，計算得出汾河下游河道最小月平均生態(tài)基流量分別為4.44 m3/s、3.10 m3/s和1.61 m3/s。

3.3 采用Tennant法計算

Tennant法將生態(tài)環(huán)境與水文情勢聯(lián)系在一起，在分析河流水力斷面參數(shù)與歷史流量百分比的相關(guān)性基礎(chǔ)上，以幾個或一些特定的百分比年徑流量作為河流生態(tài)基流的推薦值。用年均天然徑流量的10%、30%和60%作為生態(tài)環(huán)境適宜性的評價基礎(chǔ)，同時認(rèn)定河道流量的10%若不能保障，則生境不能得到良好的滿足，即以10%天然徑流量作為河道生態(tài)流量的最小閾值（見表1）。

Tennant法適用于有長系列徑流資料的地區(qū)，對于北方河流，生態(tài)基流應(yīng)分非汛期和汛期兩個水期分別確定。我省汛期為6-9月，非汛期為10月-次年5月。本研究認(rèn)為汛期、非汛期的生態(tài)基流應(yīng)不低于多年平均天然流量的10%，河道良好生態(tài)流量的閾值為天然流量的30%～60%，河道最佳生態(tài)流量的閾值為天然流量的60%～100%。

表1 Tennant法不同百分比取值

選取趙城、柴莊、河津3個水文站，分別采用趙城1995-2015年、柴莊和河津1980-2015年的天然徑流系列，計算各站河道生態(tài)基流，結(jié)果見表2。

3.4 采用代表年法計算

由于Tennant法沒有區(qū)分枯水年、豐水年和平水年，為此選擇P=25%、P=50%、P=75%和P=95%共4個不同代表年，計算其月生態(tài)基流量，以近似反映河道年內(nèi)和年際徑流變化對生態(tài)基流量的影響。結(jié)果如表3所示。

4 結(jié)果與分析

綜合分析最小月平均流量法、Tennant法及代表年法得到的生態(tài)基流，可以發(fā)現(xiàn)：不同方法的計算結(jié)果有所不同。根據(jù)流域?qū)嶋H情況對比分析各種方法的計算成果可知：最小月平均流量法的結(jié)果是通過實測徑流資料計算得出的，而實測徑流受人類活動影響程度較高，無法代表天然狀態(tài)下河道生態(tài)基流情況，因此與用天然徑流資料計算的Tennant法和代表年法結(jié)果相比，差別較大，僅可當(dāng)做最小流量閾值來參考。同時，由于Tennant法采用天然徑流資料作為基礎(chǔ)資料，較為客觀，并且對不同生境下的生態(tài)基流量分別進行了計算，認(rèn)為該法計算出的生態(tài)基流量較為合理可靠，因此，確定采用Tennant法計算出的生態(tài)基流量作為汾河下游的生態(tài)基流量，詳見表4和表5。

最小生態(tài)基流目標(biāo)值：趙城、柴莊、河津站年平均值分別為 3.11 m3/s、4.57 m3/s、4.99 m3/s，其中汛期分別為 4.44 m3/s、5.95 m3/s、6.33 m3/s，非汛期分別為2.43 m3/s、3.86 m3/s、4.30 m3/s。

良好生態(tài)流量目標(biāo)值：趙城、柴莊、河津站年平均值分別為 9.33 m3/s、13.71 m3/s、14.97 m3/s，其中汛期分

表2Tennant法河道生態(tài)基流計算結(jié)果（m3/s）

表2 Tennant法河道生態(tài)基流計算結(jié)果（m3/s）

表3代表年法計算的河道生態(tài)基流量（m3/s）別為 13.32 m3/s、17.85 m3/s、18.99 m3/s，非汛期分別為7.29 m3/s、11.58 m3/s、12.9 m3/s。

表3 代表年法計算的河道生態(tài)基流量（m3/s）

表4 汾河下游生態(tài)流量目標(biāo)值（m3/s）

表5 河道生態(tài)流量目標(biāo)值月過程（m3/s）

最佳生態(tài)流量目標(biāo)值：趙城、柴莊、河津站年平均值分別為 18.66 m3/s、27.42 m3/s、29.94 m3/s，其中汛期分別為 26.64 m3/s、35.7 m3/s、37.98 m3/s，非汛期分別為14.58 m3/s、23.16 m3/s、25.8 m3/s。

根據(jù)代表年法的計算結(jié)果，建議以頻率75%的枯水年流量作為生態(tài)流量目標(biāo)值的下限值，見表4和表6。

最小生態(tài)基流目標(biāo)值的下限值：趙城、柴莊、河津站年平均最小生態(tài)基流目標(biāo)值的下限值分別為2 m3/s、3.67 m3/s、3.99 m3/s，其中汛期最小生態(tài)基流目標(biāo)值的下限值分別為 2.67 m3/s、5.56 m3/s、4.08 m3/s，非汛期最小生態(tài)基流目標(biāo)值的下限值分別為1.64 m3/s、2.69 m3/s、3.94 m3/s。

良好生態(tài)流量目標(biāo)值的下限值：趙城、柴莊、河津站年平均良好生態(tài)流量目標(biāo)值的下限值分別為6 m3/s、11.01 m3/s、11.97 m3/s，其中汛期良好生態(tài)流量目標(biāo)值的下限值分別為 8.01 m3/s、16.68 m3/s、12.24 m3/s，非汛期良好生態(tài)流量目標(biāo)值的下限值分別為4.92 m3/s、8.07 m3/s、11.82 m3/s。

最佳生態(tài)流量目標(biāo)值的下限值：趙城、柴莊、河津站年平均最佳生態(tài)環(huán)境目標(biāo)值的下限值分別為12m3/s、22.02 m3/s、23.94 m3/s，其中汛期最佳生態(tài)流量目標(biāo)值的下限值分別為 16.02 m3/s、33.36 m3/s、24.48 m3/s，非汛期最佳生態(tài)流量目標(biāo)值的下限值分別為9.84 m3/s、16.14 m3/s、23.64 m3/s。

表6 75%枯水年河道生態(tài)流量目標(biāo)值月過程（m3/s）

5 結(jié)論與建議

為滿足汾河下游水生態(tài)修復(fù)工作的需要，本文在分析汾河下游生態(tài)環(huán)境存在問題的基礎(chǔ)上，分別選取最小月平均流量法、Tennant法和代表年法對汾河下游趙城、柴莊、河津三個典型斷面的河道生態(tài)基流量進行了計算。通過對比分析，最終建議采用Tennant法計算出的生態(tài)基流量作為汾河下游的生態(tài)基流量，并分別給出了最小生態(tài)基流目標(biāo)值、良好生態(tài)流量目標(biāo)值和最佳生態(tài)流量目標(biāo)值的年均值、汛期值和非汛期值；同時建議以頻率75%的枯水年流量作為生態(tài)流量目標(biāo)值的下限值，并分別給出了最小、良好和最佳生態(tài)流量目標(biāo)值下限的年均值、汛期值和非汛期值。這一結(jié)果為汾河下游水生態(tài)修復(fù)工作提供了理論基礎(chǔ)，對進一步的生態(tài)流量調(diào)控計算具有重要意義。