(1.湖南食品藥品職業(yè)學(xué)院，湖南 長沙 410208;2.湖南省水文水資源勘測中心，湖南 長沙 410007;3.郴州水文水資源勘測局，湖南 郴州 423000)

生態(tài)基流是維持河流、湖泊、沼澤等水生態(tài)系統(tǒng)功能不喪失，需要保留的底線流量，是基本生態(tài)流量過程的最低值[1]。河道內(nèi)生態(tài)需水的計(jì)算方法主要有水文學(xué)法、水力學(xué)法、生物棲息地模擬法、整體法等[2-3]。水文學(xué)方法蘊(yùn)含生態(tài)理論基礎(chǔ)，計(jì)算成本相對低，應(yīng)用范圍廣，比較適合我國國情[4]。其中，Tennant法作為國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的水文學(xué)方法，在生態(tài)基流研究中起著重要作用[5-7]。山溪性河流指匯水區(qū)為山地丘陵的河流，山地丘陵地面陡峻坡度大，降于山坡上的雨水迅速向溝壑、溪流匯集，坡面匯流時間短，河流多呈現(xiàn)季節(jié)性水流，汛期河流水源補(bǔ)給豐富，旱季河槽水少甚至干涸[8]。由于山溪性河流徑流隨季節(jié)顯著變化，使得Tennant法并不適用于徑流量年內(nèi)和年際變化大的河流[9]。本研究以澧水流域典型的山溪性河流為研究對象，采用典型水文學(xué)方法計(jì)算流域主要水文站監(jiān)測斷面生態(tài)基流，重點(diǎn)分析枯水期生態(tài)流量可達(dá)性，為山溪性河流的生態(tài)基流計(jì)算提供參考。

1 研究區(qū)域概況

澧水流域位于武陵山脈北端東側(cè)向洞庭湖平原過渡地帶，介于東經(jīng)109°31′～111°56′、北緯29°30′～36°21′ 之間，全長390km，流域面積18583km2。澧水流域?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候，位于湘西北暴雨高值區(qū)內(nèi)，暴雨多出現(xiàn)在6—8月，澧水干流上游與溇水、渫水上游為暴雨中心。澧水是一條典型的雨洪河流，暴雨強(qiáng)度大，流域坡度陡，集流快，洪水陡漲陡落。澧水魚類資源豐富，對洞庭湖乃至長江水系魚類資源多樣性的維持或補(bǔ)充有著重要作用[10]。

2 數(shù)據(jù)來源和計(jì)算方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究根據(jù)澧水流域河流生態(tài)基流計(jì)算的需求，收集整理流域內(nèi)各水文站的長時間序列逐日平均流量數(shù)據(jù)。溇水選擇雙楓潭水文站、淋溪河水文站和長潭河水文站，控制流域面積分別為414km2、2348km2和4913km2，雙楓潭水文站位于支流溹水，淋溪河水文站位于新建成運(yùn)行的江坪河水電站下游，長潭河水文站位于江埡水庫及其反調(diào)節(jié)水庫長潭河水庫下游。渫水選擇皂市水文站，該站位于皂市水庫下游。澧水干流選擇涼水口、桑植、張家界、石門和津市5個水文站，控制流域面積依次為877km2、3114km2、4627km2、15307km2和17549km2，魚潭水電站位于桑植和張家界兩站區(qū)間河段。詳見圖1。

圖1 澧水流域示意圖

2.2 計(jì)算方法

考慮區(qū)域水文水資源特性，采用《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范》(SL/T 712—2021)推薦的Qp法(p取90%)、Tennant法(取多年平均流量的10%)計(jì)算流域主要水文斷面生態(tài)基流，協(xié)調(diào)其他來源生態(tài)基流成果，進(jìn)行可達(dá)性分析，綜合確定澧水流域主要控制斷面生態(tài)基流指標(biāo)。Qp法對每年最枯月天然月均流量進(jìn)行排頻，選取90%頻率下月均流量作為生態(tài)基流；Tennant法取多年平均流量的10%作為生態(tài)基流。由于河湖生態(tài)流量計(jì)算要采用天然徑流系列，魚潭、皂市、江埡等大型水利工程的修建使得流域水文情勢已經(jīng)發(fā)生較大變化，Qp法計(jì)算資料為受水利工程調(diào)節(jié)影響前的水文站整編逐日平均流量資料。

3 結(jié) 果

3.1 生態(tài)基流成果與可達(dá)性分析

澧水流域主要水文站點(diǎn)的生態(tài)流量計(jì)算成果見表1，明顯可見除張家界站以外，其余各站點(diǎn)Qp法計(jì)算成果均明顯小于Tennant法計(jì)算成果值。由于枯水期11月、12月、1月和2月是生態(tài)基流保障的重點(diǎn)時期，故以此分析皂市站、長潭河站、張家界站、石門站受水利工程調(diào)蓄影響后各月生態(tài)基流滿足程度。另外，盡管研究期間淋溪河站、涼水口站和桑植站未受大型水利工程調(diào)節(jié)影響，流域內(nèi)調(diào)節(jié)能力有限的眾多中小型水利工程對枯水期河道徑流仍可能具有明顯影響，故分析1995年后淋溪河站、涼水口站和桑植站各月生態(tài)基流滿足程度。根據(jù)生態(tài)基流考核要求，對于各月生態(tài)基流滿足程度低于90%目標(biāo)值的水文站點(diǎn)，再補(bǔ)充計(jì)算受水利工程調(diào)節(jié)影響前的生態(tài)基流滿足程度，計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 澧水流域主要水文站點(diǎn)生態(tài)流量計(jì)算成果 單位：m3/s

表2 澧水流域主要河流控制斷面生態(tài)流量滿足程度統(tǒng)計(jì)

續(xù)表

a.雙楓潭?？菟诟髟戮軡M足Qp法和Tennant法兩種方法計(jì)算的生態(tài)基流，生態(tài)基流可采用Qp法計(jì)算成果1.21m3/s。

b.皂市。Qp法和Tennant法計(jì)算生態(tài)基流分別為7.67m3/s和9.19m3/s。皂市水庫運(yùn)行前枯水期各月均能滿足Qp法生態(tài)基流值，但運(yùn)行后12月至次年2月生態(tài)基流滿足程度降低。比較皂市水庫2007年蓄水運(yùn)行前后兩個時期的特征流量，運(yùn)行后12月至次年1月平均流量大幅增長，分別由23.35m3/s、19.21m3/s大幅增長到74.94m3/s、35.33m3/s，但2月平均流量由35.18m3/s減少為24.76m3/s，相應(yīng)年最小1日平均流量、3日和7日流量均值由8.29m3/s、8.54m3/s、8.90m3/s減少到0、0、0.06m3/s。皂市生態(tài)基流宜采用Qp法成果7.67m3/s。

c.淋溪河。Qp法和Tennant法計(jì)算所得生態(tài)基流值分別為6.80m3/s和8.64m3/s。1959—1995年間，Qp法生態(tài)基流滿足程度較高，但Tennant法生態(tài)基流1月份滿足程度低于90%。1995年后，枯水期各月生態(tài)流量滿足程度均下降，其中12月和1月下降明顯。與1959—1995年相比，1996—2015年期間，12月月均流量由21.32m3/s增長到23.73m3/s，1月月均流量由16.52m3/s下降到12.13m3/s。因此，淋溪河站上游調(diào)節(jié)能力相對較弱的中小型水利工程對枯水期河道徑流仍具有明顯影響。此外，年際間河道內(nèi)徑流變化也會影響生態(tài)基流保證率，淋溪河生態(tài)基流宜采用Qp法計(jì)算成果6.80m3/s。

d.長潭河。Qp法和Tennant法計(jì)算的生態(tài)基流值分別為14.35m3/s和15.92m3/s。江埡水庫運(yùn)行前的1959—1997年間，枯水期各月均能滿足Qp法生態(tài)基流值，12月和1月不能滿足Tennant法生態(tài)基流值；1998—2015年間，各月生態(tài)基流滿足程度均略低于90%。受上游江埡水庫和長潭河水電站兩個梯級水利工程的水力發(fā)電調(diào)度影響，1998—2015年間長潭河站12月至次年2月平均流量由40.79m3/s、31.10m3/s、52.33m3/s大幅增長到85.73m3/s、84.61m3/s、98.8m3/s，但年最小1日、3日和7日流量均值卻由15.99m3/s、16.48m3/s、16.95m3/s大幅減少至4.15m3/s、6.86m3/s、11.07m3/s。因此，上游調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)的水利工程能夠增加枯水期水量，但長蓄短發(fā)的發(fā)電模式卻導(dǎo)致生態(tài)基流保障程度下降。長潭河宜采用Qp法生態(tài)基流成果14.35m3/s。

e.涼水口。Qp法和Tennant法計(jì)算的生態(tài)基流值較為接近，1995年前后兩個時期枯水期各月基本能滿足Qp法生態(tài)基流值，但1月的Tennant法生態(tài)基流滿足程度低于90%。涼水口宜采用Qp法生態(tài)基流成果3.72m3/s。

f.桑植。Qp法和Tennant法計(jì)算生態(tài)基流值分別為8.32m3/s和10.21m3/s。1996—2015年間兩種生態(tài)基流滿足程度均較低，但1959—1995年間各月基本能滿足Qp法生態(tài)基流值。比較1995年前后兩個時期的特征流量值，11月至次年2月平均流量由57.15m3/s、25.23m3/s、20.31m3/s、30.07m3/s分別增長到70.69m3/s、32.87m3/s、23.49m3/s、45.56m3/s，但年最小1日、3日和7日流量均值由9.17m3/s、9.65m3/s和10.20m3/s分別減少到3.45m3/s、4.33m3/s和5.94m3/s。桑植站上游沒有較強(qiáng)調(diào)節(jié)能力的大型水利工程，但具備日調(diào)節(jié)能力的賀龍水庫等中小型水利工程對枯水期河道徑流具有一定調(diào)節(jié)能力。桑植站宜采用Qp法生態(tài)基流成果8.32m3/s。

g.張家界。與其他站點(diǎn)不同，該站Qp法生態(tài)基流計(jì)算成果大于Tennant法計(jì)算成果。1959—1995年間，均基本滿足兩種方法所計(jì)算的生態(tài)基流值，但1996—2015年間滿足程度均較低。比較1995年前后兩個時期的特征流量值，11月至次年1月流量均值沒有顯著變化，僅2月流量由47.45m3/s增長到61.70m3/s，但年最小1日、3日和7日流量均值由13.30m3/s、15.69m3/s、17.84m3/s大幅減少到1.40m3/s、2.77m3/s、6.38m3/s。因此，受上游魚潭壩等水利工程調(diào)度的顯著影響，導(dǎo)致張家界站生態(tài)基流滿足程度大幅下降。張家界生態(tài)基流可采用14.40m3/s。

h.石門。Qp法和Tennant法計(jì)算所得生態(tài)基流值分別為44.04m3/s和46.08m3/s，各月均能滿足生態(tài)基流要求。但對于《湖南省主要河流斷面生態(tài)流量方案》設(shè)置的生態(tài)流量指標(biāo)70.00m3/s，12月、1月兩個月的滿足程度均低于90%。石門站生態(tài)基流可采用44.04m3/s。

i.津市?？菟诟髟戮軡M足Qp法和Tennant法兩種方法計(jì)算的生態(tài)基流，為與石門站生態(tài)基流協(xié)調(diào)一致，津市站生態(tài)基流采用Tennant法計(jì)算成果47.03m3/s。

3.2 成果比較

比較《澧水流域水量分配方案》《江坪河水電站和淋溪河水電站取水許可》《淋溪河水電站環(huán)境影響報(bào)告》和《湖南省主要河流控制斷面生態(tài)流量方案》等中的生態(tài)基流成果。見表3。水量分配方案和《湖南省主要河流控制斷面生態(tài)流量方案》中，大多斷面的生態(tài)基流采用多年平均流量的10%，由于計(jì)算所選取資料時間序列不一致，導(dǎo)致斷面生態(tài)基流值存在細(xì)微差異。此外，《湖南省主要河流控制斷面生態(tài)流量方案》中澧水干流下游石門站生態(tài)基流為70.00m3/s，明顯大于多年平均流量10%，在皂市和江埡等大型水利工程修建前枯水期各月保證程度均較低。

表3 澧水流域主要河流控制斷面生態(tài)流量成果 單位：m3/s

3.3 其余斷面生態(tài)基流的插值計(jì)算

3.3.1 面積比擬法

非水文站點(diǎn)控制斷面生態(tài)流量的計(jì)算可基于參證水文站點(diǎn)，采用面積比擬法進(jìn)行計(jì)算。但運(yùn)用面積比擬法具有一定限制條件，控制斷面與參證水文站點(diǎn)的面積比例一般不宜低于80%。對于流域內(nèi)面積比例過低的控制斷面，可采用經(jīng)驗(yàn)公式法推算生態(tài)流量，同時結(jié)合上下游斷面生態(tài)流量控制指標(biāo)合理確定生態(tài)基流值。

3.3.2 經(jīng)驗(yàn)公式法

流域典型水文站點(diǎn)集水面積與多年平均流量、Qp法計(jì)算的生態(tài)基流量的經(jīng)驗(yàn)公式為y=0.029x+8.913、y=0.002x+0.367，根據(jù)斷面集水面積推算其余非水文斷面的多年平均流量值和Qp法生態(tài)基流成果值，見圖2、圖3。

圖2 集水面積與多年平均流量線性關(guān)系

圖3 集水面積與Qp法生態(tài)流量值線性關(guān)系

4 結(jié) 語

山溪性河流河道內(nèi)徑流豐枯變化相對劇烈，Tennant法(比例取10%)計(jì)算成果在枯水期月份的滿足程度偏低，生態(tài)基流指標(biāo)宜采用Qp(p取90%)計(jì)算。Qp法和Tennant法計(jì)算的生態(tài)基流指標(biāo)值與流域集水面積間有較好的線性擬合關(guān)系，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式可用于流域其他斷面生態(tài)基流的計(jì)算。

控制性水利工程是保證流域枯水期生態(tài)基流的保障主體，流域中小型水利工程調(diào)節(jié)能力有限，但對枯水期河道徑流仍具有顯著影響，應(yīng)切實(shí)加強(qiáng)流域水量統(tǒng)一調(diào)度，將保障生態(tài)流量下泄納入各級水利工程的日常運(yùn)行調(diào)度規(guī)程，作為水資源配置的硬約束。