繆萍萍，郭 悅，徐 鶴

（1.海河水利委員會水資源保護科學研究所，天津 300170；2.水利部發(fā)展研究中心，北京 100038）

1 引言

河流生態(tài)流量是指為維系河流水生態(tài)系統(tǒng)的完整性、系統(tǒng)性、穩(wěn)定性等生態(tài)保護目標，保障人類生存與發(fā)展合理的用水需求，需要保留在河流的流量（水量、水位、水深）以及過程，可以理解為維系一定生態(tài)系統(tǒng)功能所不能被占用的最小資源需求量。國內外不少專家根據(jù)所面臨的生態(tài)問題不同、需求不同以及看問題的角度不同，又引申出了很多生態(tài)需水概念，如河道生態(tài)需水量、湖泊生態(tài)需水量、濕地生態(tài)需水量、林地生態(tài)需水量、城市生態(tài)需水量等?！逗雍鷳B(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》根據(jù)河湖生態(tài)流量（水量）的不同保障要求，分為基本生態(tài)流量和目標生態(tài)流量。其中，基本生態(tài)流量是維持河流、湖泊、沼澤給定的生態(tài)保護目標所對應的生態(tài)環(huán)境功能不喪失需要保留的最小生態(tài)流量，生態(tài)基流系維持河流基本形態(tài)和生態(tài)功能、防止河道斷流、避免河流生態(tài)系統(tǒng)遭受無法恢復性破壞的具有一定設計保證率的生態(tài)流量保障要求，是基本生態(tài)流量過程中的最低值；目標生態(tài)流量是保障河流、湖泊、沼澤給定的生態(tài)保護目標所對應的生態(tài)環(huán)境功能正常發(fā)揮需要保留的生態(tài)流量。

目前，國內外有很多種計算河流生態(tài)需水的方法，可分為水文學法、水力學法、生物棲息地模擬法、整體法等。其中，水文學法是國內外河道生態(tài)基流計算最為常用的方法，也稱水文指標法或標準流量法。該方法以歷史徑流量為基礎，以天然徑流百分比、年或月保證率、流量歷時曲線等為指標，根據(jù)資料情況，可選取的方法有Tennant 法、不同頻率最枯月平均值法（Qp 法）、流量歷時曲線法、近10 a 最枯月平均流量等。對于流域層面的生態(tài)流量管理而言，采用水文學法按照徑流百分比推求生態(tài)需水，便于協(xié)調社會經濟用水與河道內生態(tài)環(huán)境用水[1-4]。

水文系列的一致性是水文水資源分析計算的前提條件。往常水文系列的還原，是將各類用水加回實測系列中，還原成天然水文系列。但是，受氣候和下墊面變化等多重因素的影響，流域水文循環(huán)規(guī)律發(fā)生了變化，還原后的系列不能反映現(xiàn)狀下墊面條件下的水資源情況，這就導致水文系列“還原失現(xiàn)”。以永定河流域為例，地表徑流量呈逐漸減少的趨勢，天然徑流量已從20世紀70年代以前的19.71億m3減少到2001―2014年的8.39億m3，與1956―2010年的14.43億m3相比下降41.9%[5]。若按修正前的系列采用水文學方法計算生態(tài)需水，生態(tài)需水占天然徑流的比例明顯偏高，對于缺水的北方流域而言，疊加地下水虧空影響，生態(tài)水量很難得到保障。因此，需要對影響前的系列按照現(xiàn)狀下墊面條件進行修正。若通過降雨徑流關系來修正水資源系列，這只是流域系統(tǒng)降水產流整體特性的綜合反映，針對一個流域所率定的參數(shù)僅能用于該流域參數(shù)率定時的下墊面情況，當流域面積較大時甚至只能適合于率定時的雨型，無法進行下墊面變化的水文效應分析。因此，迫切需要基于降水產流物理機制的分布式水文模型來科學核算現(xiàn)狀下墊面條件下的天然水資源量[6-7]。

2 流域概況

永定河流域位于東經112°～117°45′、北緯39°～41°20′，發(fā)源于內蒙古高原的南緣和山西高原的北部，地跨內蒙古、山西、河北、北京、天津5個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市），面積4.70 萬km2。上游有桑干河、洋河兩大支流，于河北省張家口懷來縣朱官屯匯合后稱永定河，在官廳水庫納媯水河，經官廳山峽于三家店進入平原。三家店以下，兩岸均靠堤防約束，盧溝橋至梁各莊段為地上河，梁各莊以下進入永定河泛區(qū)。永定河泛區(qū)下口屈家店以下為永定新河，在大張莊以下納龍鳳河、金鐘河、潮白新河和薊運河，于北塘入海[8]。永定河流域，如圖1所示。

圖1 永定河流域

3 研究方法

3.1 趨勢性檢驗

采用Mann-Kendall 檢驗法對永定河長系列降水、徑流資料進行變化趨勢特征分析。將降水或徑流資料按時間順序排列，假設序列為Xt(t= 1,2,…,i)，其對偶數(shù)p的計算公式為：

再根據(jù)對偶數(shù)p值確定τ，進而得出Var（τ）和U，其計算公式如下：

當|U|≥U0.05=1.96 時，表明該系列趨勢變化顯著；反之，當|Uk|＜U0.05=1.96 時，則沒有顯著變化趨勢。Mann-Kendall 法檢驗變化趨勢特征的途徑是通過U值與假設的置信水平的標準值進行比較，得出有無顯著變化趨勢特征。

3.2 SWAT模型

SWAT 模型[9-10]是以水文系統(tǒng)為研究對象，基于GIS 平臺，充分利用現(xiàn)有覆蓋流域的DEM、土地利用、土壤等空間信息數(shù)據(jù)，以流域內氣象站點和水文站點資料為基礎，依據(jù)降雨和徑流在自然界的運動原理建立數(shù)學模型，依據(jù)劃分的子流域進行流域和產匯流計算，并依據(jù)河網(wǎng)、水庫等特征模擬流域水文過程，精確模擬流域內各種水循環(huán)物理過程，從而獲取已有資料流域的模型參數(shù)，并進行驗證。SWAT是分布式模型，可以計算模擬斷面的以日、月或年為單位的徑流數(shù)據(jù)，能較好地模擬水文循環(huán)過程的時空變化。

3.3 生態(tài)基流計算

Tennant法是較為常用的生態(tài)需水計算方法，該方法通過建立河流流量與河道內生態(tài)環(huán)境狀況之間的經驗關系，以多年平均流量的一定百分比來計算生態(tài)需水量，使用簡單、方便。不同河道內生態(tài)環(huán)境需水量狀況對應的流量百分比，詳見表1。

表1 不同河道內生態(tài)環(huán)境狀況對應的流量百分比

4 計算結果

4.1 降水徑流趨勢性分析

永定河上游有桑干河、洋河兩大支流。本文選取桑干河冊田水庫、洋河響水堡、永定河官廳水庫3個水文站的天然徑流深及控制流域的降水量作為分析系列，分析1956―2010 年系列降水、天然徑流的趨勢變化情況，結果如圖2―3所示。

圖2 1956—2010年逐年降水量

圖3 1956—2010年逐年天然徑流深

根據(jù)分析結果，永定河降水呈減少趨勢，但||U＜U0.05，減小趨勢不明顯；天然徑流深呈下降趨勢， ||U＞U0.05，且減少趨勢較為顯著。永定河降水、徑流趨勢分析結果，詳見表2。

表2 永定河降水、徑流趨勢分析

4.2 永定河SWAT模型構建

4.2.1 基礎數(shù)據(jù)庫建立

永定河SWAT 模型基礎數(shù)據(jù)庫主要包括DEM數(shù)據(jù)（30 m 分辨率）、流域水系圖（1∶25 萬）、土地利用（30 m×30 m，2010 年土地利用數(shù)據(jù)）、土壤類型（1∶100萬）、氣象數(shù)據(jù)（1980―2015 年氣象站氣象數(shù)據(jù)及永定河流域降水站降水數(shù)據(jù)）。本次采用的數(shù)據(jù)均為現(xiàn)狀下墊面條件下的基礎數(shù)據(jù)，徑流模擬系列為2006―2015 年。模型經率定后用于計算現(xiàn)狀下墊面條件下的長系列天然徑流過程。

4.2.2 模型搭建

在前期數(shù)據(jù)處理的基礎上，選取桑干河冊田水庫、洋河響水堡、永定河官廳水庫作為控制站，通過設定集水面積閾值，將流域劃分為101 個子流域、3 299 個水文響應單元（HRU）。由于永定河上游地表用水主要為農業(yè)用水，很多灌區(qū)沒有計量設施，用水數(shù)據(jù)收集較為困難，本次利用還原后的2006―2015 年系列天然逐月徑流過程，從上游往下游、從支流往干流分區(qū)域進行模型參數(shù)的率定與驗證。

4.2.3 參數(shù)敏感性分析

通過t-Stat 和p-Value 對參數(shù)進行敏感性分析，若p-Value 值越小，t-Stat 絕對值越大，說明參數(shù)越敏感。根據(jù)分析，徑流模擬的計算中地表徑流、最大冠層截留量、地下水相關的參數(shù)、土壤性質、基流衰退系數(shù)等參數(shù)較為敏感，如CN2、CANMX、GW_DELAY、GWQMN、 REVAPMN、ESCO、EPCO、ALPHA_BF、CH_K2、SOL_K 和GW_REVAP。其中，地表徑流系數(shù)為最敏感的參數(shù)。

4.2.4 評價指標

選擇相對誤差Re評價模擬結果，其用下式表示：

式中：Re為模型模擬相對誤差；Qi為實測值；Pi為模擬值。Re若為正值，說明模型模擬值偏大；Re若為負值，說明模型模擬值偏?。籖e約接近0，說明模型模擬值與實測值約接近。當 ||Re≤25%，模型模擬結果可以接受。

4.2.5 模擬結果

選取2006―2007 年為模型預熱器，2008―2015年為模型率定期。利用SWAT-CUP 軟件SUFI-2 算法重點對敏感性參數(shù)進行率定，選擇相對誤差為目標函數(shù)，對每個率定節(jié)點進行500次迭代運算，優(yōu)選出模型參數(shù)。各斷面天然徑流模擬結果，如圖4―6所示。

圖4 冊田水庫天然徑流量模擬結果

圖5 響水堡天然徑流量模擬結果

圖6 官廳水庫天然徑流量模擬結果

根據(jù)天然徑流的還原結果及模擬結果計算模擬評價指標 |Re|，各控制斷面均小于25%，屬于可接受范圍。

永定河流域校核節(jié)點模擬評價成果，詳見表3。

表3 永定河流域校核節(jié)點模擬評價成果

4.2.6 現(xiàn)狀下墊面條件下長系列天然徑流演算

利用率定好參數(shù)的SWAT 模型，將1980―2015年降雨資料作為降水輸入，對歷史降水過程按現(xiàn)狀下墊面進行模擬。其中，1980―1981 年為預熱器，1982―2015年為模擬期，得到1982―2015年現(xiàn)狀下墊面條件下各個子流域出口徑流過程，其中控制斷面模擬的逐年徑流過程如圖7所示。

圖7 現(xiàn)狀下墊面條件下各斷面逐年徑流過程

4.3 生態(tài)基流計算

永定河流域6―9 月降水量占全年的70%～90%，為年內的豐水時段；10 月至次年5 月為年內枯水時段。根據(jù)不同流量百分比對應河道內生態(tài)環(huán)境狀況，為保障河流不斷流、維持河流最基本的生態(tài)環(huán)境需求，選取各月多年平均天然徑流量的10% 作為各月的生態(tài)基流，計算結果如圖8所示。

圖8 各斷面生態(tài)基流計算結果

5 討論

（1）基于分布式水文模型的SWAT技術，利用現(xiàn)狀下墊面條件下降水徑流資料率定模型參數(shù)，通過歷史降水資料計算現(xiàn)狀下墊面條件下徑流量，可從物理機制上解決下墊面不一致引起的水文系列不一致性的問題。

（2）由于永定河天然徑流呈明顯衰減趨勢，利用修正后的天然徑流過程計算的生態(tài)基流會比修正前計算結果偏小。對于北方缺水流域而言，基流過程偏小更加有利于協(xié)調河道外社會經濟用水。

（3）河流生態(tài)需水應包括生態(tài)基流、敏感期生態(tài)需水以及脈沖需水，本文計算的基流過程建議作為河流生態(tài)需水的下限，用于保障河流最小生態(tài)需水過程。