童 心，劉 冀，彭 濤，董 曉 華，劉 艷 麗

(1.三峽大學 水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌 443002； 2.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002； 3.水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430072； 4.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098； 5.水利部應對氣候變化研究中心，江蘇 南京 210029)

0 引 言

生態(tài)流量是能夠維持河流基本生態(tài)功能和河道基本形態(tài)的最小流量[1]，對維持河流健康具有重要意義?，F(xiàn)階段，生態(tài)流量計算時存在計算方法選取不當，忽略不同河流的特性及水生生物習性，未考慮枯水期、魚類產卵期等特殊時期河道基本流量和徑流過程要求等問題，生態(tài)流量保障存在不確定性[2-4]。因此，研究不同地區(qū)的適宜生態(tài)流量計算方法，并推求合理的生態(tài)流量值，是合理配置水資源、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、維持下游河流健康的基礎。

目前，計算生態(tài)流量的方法主要有水文學法、水力學法、棲息地法、整體分析法等。水力學法主要應用現(xiàn)場實測水力學數(shù)據(jù)確定生態(tài)流量，受測量條件及實測數(shù)據(jù)限制通常應用范圍較小，且不能明確地將棲息地的優(yōu)劣程度與河道物理特征相關聯(lián)[5]。棲息地法通過分析河道流量與棲息地指示因子之間的關系確定生態(tài)流量，但只能針對特定的物種，具有局限性[6]。水文學法主要依據(jù)流量等水文數(shù)據(jù)，計算簡單便捷，應用范圍廣，但通常忽略了水生生物的生物特性[7]。針對這一問題，郭勇等[8]結合海河流域特點，利用不同頻率天然徑流系列對Tennant法進行改進，該方法有效避免了傳統(tǒng)Tennant法易受極端流量事件影響的缺點。石永強等[9]采用多種方法對比分析的方式，在避免使用單一方法計算不合理的同時為無長序列逐日徑流資料河流的生態(tài)基流計算提供了新的計算思路。黃彬彬等[10]采用多種水文學法分析計算了贛江下游的生態(tài)流量，最終選擇在汛期和非汛期使用不同的計算方法確定生態(tài)流量，為不同時期生態(tài)流量計算提供新的選擇。陳曉璐等[11]在計算海南省三大江生態(tài)需水量時提出在計算過程中需明確最小及適宜生態(tài)需水量，為生態(tài)需水計算過程厘清了重點。

雅礱江是中國水能資源最富集的河流之一，隨著上游水利樞紐的逐漸完工投產，水電站的蓄水發(fā)電，河道內流量受水庫調蓄發(fā)生變化，為保護下游珍稀魚類棲息地的穩(wěn)定性和完整性，保留河道內一定的生態(tài)流量成為亟待解決的重要問題。萬東輝等[12-13]基于水文循環(huán)分析利用環(huán)境同位素技術確定了雅礱江河道內的生態(tài)流量。吳春華[14]將棲息地法與水文學法進行對比，確定了棲息地法在雅礱江流域的可行性。雅礱江中上游氣候地形復雜多變，難以獲取較完善的水力學和生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)，采用水力學法和棲息地法計算生態(tài)流量存在一定困難，而水文學法實用性更強，操作更簡單。本文采用雅江水文站1953～2014年間共計62 a實測徑流資料，利用7種水文學方法計算雅江水文站河段的生態(tài)流量，從需水量、水文節(jié)律和生態(tài)流量滿足度3方面分析各方法的適用性，為雅礱江流域水電站生態(tài)調度提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

雅礱江是金沙江的最大支流，干流全長1 570 km，流域面積13.6萬km2，河床比降2.08‰[15]。雅礱江流域處于川西高原氣候區(qū)，流域內徑流主要來源于降水，部分為融雪和地下水補給，多年平均徑流量593億m3。豐水期氣候濕潤，降雨集中，徑流量約占全年徑流量的77%[16]。本文以雅礱江中段雅江站河段為研究區(qū)，如圖1所示。雅江水文站位于慶大河與雅礱江交匯口下游，控制流域面積約6.59萬km2。雅江站上游于2014年10月6日開始修建兩河口水電站，壩址位于雅礱江干流與慶大河支流交匯口下游約1.8 km處，雅江站下游附近有高原魚類棲息地保護區(qū)[17]。

圖1 雅礱江流域Fig.1 Yalong River Basin

1.2 研究數(shù)據(jù)

本文選用雅江水文站1953～2014年間共計62 a實測徑流資料，資料來源于長江流域水文年鑒。為分析徑流年際變化規(guī)律，首先采用5 a滑動T檢驗法進行徑流量變化趨勢分析(見圖2)，整體徑流變化趨勢平緩且呈下降趨勢。采用累積距平法、滑動秩和檢驗法、Mann-Whitney秩和檢驗法對徑流進行突變檢驗，結果如表1所列。

圖2 多年平均徑流趨勢分析Fig.2 Multi-year average runoff trend analysis

表1 徑流量突變分析結果

由表1可知，3種方法檢驗結果均表明1953～2014年間雅江站徑流量存在不顯著突變，源于雅江站上游人類活動較少，天然徑流受人類活動影響較小，實測徑流過程與天然徑流相近，因此直接采用雅江站實測徑流數(shù)據(jù)計算生態(tài)流量。

1.3 計算方法

1.3.1生態(tài)流量計算方法

(1) Tennant法。采用改進的Tennant法[18]作為生態(tài)流量計算的水量評價標準，該法突出河流季節(jié)性變化及研究區(qū)內目標種群的生物特性，計算方法如表2所列。本文選取中等、最佳和最大3個等級作為不同時段生態(tài)流量的限值標準。

(2) 最小月平均實測徑流法。該法可考慮徑流季節(jié)變化[19]，計算公式為

(1)

式中：Qm為第m月的河流生態(tài)流量，m3/s，m=1，2，…，12；Qij為第i月第j天的平均流量，m3/s；n為統(tǒng)計年數(shù)。

表2 Tennant法計算生態(tài)流量Tab.2 Ecological flow calculated by Tennant method

(3) Q90法。又稱為改進的7Q10法[20]。該方法選取90%保證率下的最枯月平均流量作為生態(tài)流量，即通過年最小值選樣，篩選出各年最枯月平均流量，進行頻率分析，得出90%保證率下的設計值作為生態(tài)流量。

(4) Texas法。通過對各月的流量頻率進行計算后，取50%保證率下的月流量的特定百分率作為河道生態(tài)流量[21]。該方法適用于流量受融雪影響的河流。特定百分率的設定以研究區(qū)典型植物和魚類的水量需求為依據(jù)，本文特定百分率取30%。

(5) 逐月頻率計算法[22]。首先根據(jù)歷史流量資料將一年劃分為豐、平、枯3個時期，然后根據(jù)實際需求對各個時期擬定不同的保證率，最后分別計算各個時期設定的不同保證率下的徑流量，得到適宜生態(tài)流量過程。雅礱江流域11月至次年3月為枯水期，4～5月為平水期，6～10月為豐水期。其中，枯水期保證率90%、平水期保證率70%、豐水期保證率50%。

(6) NGPRP法[23]。將各年份劃分為枯水年、平水年、豐水年，取平水年組各月90%保證率流量作為最小流量。本文采用距平百分率法進行豐、平、枯水年的劃分，劃分標準見表3。

(2)

式中：E為距平百分比，%；Qi為第i年年平均流量，m3/s；Qa為多年平均流量，m3/s。

表3 年型劃分標準Tab.3 Classification standard of year type

(7) ABF法。取多年月平均流量的中值(或代表性月份的平均流量中值)作為河道內該月的生態(tài)流量，該方法考慮了生物需求和流量的季節(jié)變化。

1.3.2水文節(jié)律評價方法

本文采用相關分析法[24]分析水文節(jié)律變化，利用Pearson相關系數(shù)定量分析各計算方法下的生態(tài)流量序列與實測徑流序列的相關關系。相關系數(shù)R取值范圍是-1～1，其絕對值越接近1，相關性越高。

1.3.3生態(tài)流量滿足度評價方法

生態(tài)流量滿足度指的是一定時期內，河道內徑流量大于生態(tài)流量閾值的時間序列長度與總序列時間長度的比值[25]。該方法以月平均流量進行生態(tài)流量保證程度分析，能夠基本反映河流生態(tài)系統(tǒng)缺水的實際情況。本文將選擇不同時間尺度的平均流量進行滿足度計算，從不同角度分析生態(tài)流量滿足度情況。

1.3.4生態(tài)流量計算方法適用性指數(shù)

為綜合分析各生態(tài)流量計算方法在研究區(qū)的適用性，本文提出方法適用性指數(shù)。該指數(shù)計算方法如下：首先根據(jù)各指標性質對數(shù)據(jù)進行歸一化，然后選取需水量、水文節(jié)律和滿足度3個評價指標，根據(jù)各指標偏好確定指標權重，進而采用模糊優(yōu)選法[26]對各方法計算所得生態(tài)流量的適用性進行綜合評判，計算模糊優(yōu)屬度，以此作為適用性指數(shù)，最后對各方法適用性指數(shù)排序，適用性越好排序越靠前。適用性指數(shù)取值范圍為0～1，指數(shù)越趨近于1表明方法的適用性相對越優(yōu)，排序越靠前。

2 結果與分析

2.1 需水量分析

本文根據(jù)流域特性將研究時段劃分為魚類產卵期、枯水期和一般用水期，根據(jù)1953～2014年雅江站實測徑流資料，以改進后的Tennant法作為評價標準來確定最小生態(tài)流量過程和最佳流量狀態(tài)過程。各方法計算的逐月生態(tài)流量在一般用水期需滿足Tennant法最小和最大限值，在產卵期需在Tennant法最佳流量狀態(tài)范圍內，在枯水期需滿足Tennant法最小限值。采用改進后的最小月平均實測徑流法、Q90法、Texas法、逐月頻率計算法、NGPRP法、ABF法計算河道內年均生態(tài)流量分別為449.6，129.8，227.4，619.4，468.6，649.1 m3/s，各方法的生態(tài)流量相應的徑流量分別占多年平均徑流量的67.13%，19.38%，33.96%，92.48%，69.96%，96.91%。計算結果如圖3所示。

圖3 不同計算方法生態(tài)流量過程線Fig.3 Ecological flow process lines by different calculation methods

對比各方法計算所得的生態(tài)流量可知：ABF法年均生態(tài)流量最大，生態(tài)徑流量占多年平均徑流量的96.91%，遠大于最大生態(tài)流量范圍，在水量分配中，生態(tài)用水量過大會增加其余用水的供給壓力，不符合實際情況；Q90法年均生態(tài)流量最小，生態(tài)徑流量約占多年平均徑流量的19.38%，低于最小生態(tài)流量范圍。Texas法年均生態(tài)流量227.4 m3/s均處于Tennant法最佳流量狀態(tài)范圍內，生態(tài)徑流量約占多年平均徑流量的33.96%。

對比各方法計算所得的生態(tài)流量可知：在一般用水期所有方法計算所得生態(tài)流量均滿足要求，其中ABF法計算的生態(tài)流量最大，為393.8 m3/s，Texas法最小，為136.1 m3/s；汛期NGPRP法、最小月平均實測徑流法計算所得生態(tài)流量超出Tennant法最佳流量狀態(tài)范圍但低于最大生態(tài)流量限值，分別為812.5，778.1 m3/s，而ABF法、逐月頻率計算法計算所得的生態(tài)流量分別為1 163.9，1 167.6 m3/s，超出生態(tài)流量最大限值，Q90法計算所得生態(tài)流量129.8 m3/s低于最低生態(tài)流量限值；枯水期所有方法均滿足要求；在產卵期，除Q90法計算的129.8 m3/s小于最小生態(tài)流量范圍外，其余均滿足最佳流量狀態(tài)要求。

提取典型枯水年和平水年(見圖4～5)流量，對比各方法計算所得的月生態(tài)流量可知：枯水年內ABF法和逐月頻率計算法所得的生態(tài)流量均大于月平均實測流量，其中8，11月和12月，兩種方法計算的生態(tài)流量均高于實測徑流量，不符合實際情況。Texas法和Q90法計算所得的生態(tài)流量值在枯水年全年均低于最小實測徑流量，全年生態(tài)流量均能滿足需求。平水年內所有方法所得的生態(tài)流量均不大于實測流量均值，生態(tài)流量需求均能得到滿足，其中ABF法和逐月頻率計算法計算所得的生態(tài)流量值較高，Q90法計算的生態(tài)流量值最小。綜上所述，在需水量方面最小月平均實測徑流法、NGPRP法和Texas法均符合要求。

圖4 枯水年實測徑流對比Fig.4 Comparison with measured runoff in dry year

2.2 水文節(jié)律分析

生態(tài)流量除應滿足各時段水量需求外，還應維持河道流量的季節(jié)性變化規(guī)律，即水文節(jié)律，從而盡可能維持自然棲息地的水文狀態(tài)。本文采用相關分析法，從多年月平均、汛期、魚類產卵期、枯水期等角度，定量分析各方法計算的生態(tài)流量過程與實際流量過程的吻合程度。

由圖3可知：實測流量水文節(jié)律變化呈現(xiàn)2～7月逐月增加，9～12月逐月減少的趨勢，其中主峰出現(xiàn)在7月，次峰出現(xiàn)在9月。通過峰值分析可以看出，逐月頻率計算法、NGPRP法、ABF法、最小月平均實測徑流法、Texas法的最大生態(tài)流量值均出現(xiàn)在7月份，與實測流量峰值出現(xiàn)時間對應，流量過程無滯后現(xiàn)象。ABF法7月生態(tài)流量值略高于實測多年月流量均值，NGPRP法的次峰出現(xiàn)在8月，與實測流量峰值相比存在滯后現(xiàn)象。整體分析可知，Q90法計算的生態(tài)流量過程年內變化不明顯，不能反映實測徑流的水文節(jié)律，可能導致對水文節(jié)律要求較高或依賴性較強的水生動植物數(shù)量減少或消失，降低河流物種多樣性，破壞生態(tài)環(huán)境。最小月實測平均徑流法、逐月頻率計算法、NGPRP法、ABF法和Texas法計算結果僅在個別月份與實測流量存在水文節(jié)律偏差，流量過程與實測流量過程較為接近。

實測流量和生態(tài)流量過程在汛期、魚類產卵期和枯水期的水文節(jié)律變化情況見表4，采用Pearson相關系數(shù)R描述各方法的流量變化情況。相關系數(shù)越接近于1，表明與實際徑流過程的擬合效果越好。其中年內整體Texas法計算的生態(tài)流量過程擬合效果最好，相關系數(shù)0.999；汛期Texas法和逐月頻率計算法計算結果的水文節(jié)律擬合效果最好，相關系數(shù)0.987，ABF法和NGPRP法次之；產卵期Texas法和逐月頻率計算法計算結果的水文節(jié)律擬合效果最好，相關系數(shù)1.000，ABF法次之；枯水期ABF法和Texas法計算的流量過程的水文節(jié)律擬合效果最好，相關系數(shù)1.000，NGPRP法次之。綜合年內各特殊時期分析可得，除Q90法外其余方法計算所得生態(tài)流量的水文節(jié)律擬合效果較好，符合各時期水文節(jié)律要求。

表4 不同時段實測流量和生態(tài)流量相關系數(shù)對比分析Tab.4 Correlation coefficients of measured flow and ecological flow in different periods

2.3 滿足度分析

各敏感時段生態(tài)流量的滿足程度是維持河流生態(tài)穩(wěn)定的基礎。將6種生態(tài)流量過程與實際流量過程進行比較，分別從多年平均滿足度、汛期滿足度、魚類產卵期滿足度、枯水期滿足度、多年平均月滿足度和枯水年月滿足度6個方面分析各計算方法的生態(tài)流量滿足情況。

由表5可知，Q90法和Texas法的多年平均生態(tài)流量滿足度較高，均在95%以上；最小月平均實測徑流法和NGPRP法的多年平均生態(tài)流量滿足度均在80%以上；ABF法的多年平均生態(tài)流量滿足度最低。在一般用水期，除ABF法的生態(tài)流量滿足度較低外，其余方法滿足度均符合要求。在魚類產卵期，逐月頻率計算法和ABF法的生態(tài)流量滿足度較低，無法滿足魚類繁衍的流量要求；Q90法和Texas法的生態(tài)流量滿足度最高，達100%。在枯水期，ABF法計算的生態(tài)流量滿足度較低，最小月平均實測徑流法次之，其余方法計算的生態(tài)流量滿足度均達85%以上。

表5 不同時段多年平均生態(tài)流量滿足度對比分析Tab.5 Comparative analysis of annual average ecological flow satisfaction degree in different periods %

由圖6逐月分析各方法的生態(tài)流量滿足度情況，其中ABF法全年滿足度均保持在50%左右，無法達到魚類產卵期流量要求；Q90法和Texas法全年各月的滿足度均保持在95%左右，滿足度較高；逐月頻率計算法6～10月滿足度較低，與實際徑流情況相反。最小月平均實測徑流法在枯水期生態(tài)流量滿足度呈逐漸下降趨勢。生態(tài)流量取值需滿足魚類繁殖和河流生態(tài)健康要求，枯水期和產卵期的生態(tài)流量滿足度需維持在良好以上，ABF法和逐月頻率計算法的計算結果不能滿足要求。綜合上述分析可知，Texas法計算的生態(tài)流量在各時期的滿足度最高。

圖6 多種方法逐月滿足度對比分析(單位：%)Fig.6 Comparative analysis of monthly satisfaction degree by various methods

由圖7逐月分析各方法在枯水年的生態(tài)流量滿足度情況，其中ABF法全年滿足度低于60%，逐月頻率計算法生態(tài)流量滿足度在汛期達到最低0，最小月平均實測徑流法的生態(tài)流量滿足度在枯水期低于50%，NGPRP法的生態(tài)流量滿足度從汛期60%開始逐漸降低，直至12月生態(tài)流量滿足度低于20%，Q90法和Texas法在枯水年生態(tài)流量滿足度全年保持在90%以上，滿足度較高。綜合6個不同條件下的生態(tài)流量滿足度，其中Q90法和Texas法計算的生態(tài)流量滿足度較高。

圖7 多種方法枯水年逐月生態(tài)流量滿足度Fig.7 Monthly ecological flow satisfaction degree in dry year by various method

2.4 生態(tài)流量計算方法適用性分析

本文以需水量、水文節(jié)律和滿足度為評價指標，采用模糊優(yōu)選法構建新的生態(tài)流量計算方法適用性指數(shù)，考慮不同河流條件，從不同側重角度出發(fā)，定量分析各生態(tài)流量計算方法在多種情況下的適用程度，為生態(tài)流量計算方法的選取提供更直接、更科學的檢驗方法。針對不同河流的特征情況，3種指標各有側重，本文將3種指標分為等權重、需水量權重最大、水文節(jié)律權重最大和滿足度權重最大4種情況計算適用性指數(shù)。

各時段適用性指數(shù)結果排序見表6，其中指數(shù)越趨近于1，適用性越高，排序越靠前。由表中分析可知Texas法在不同權重條件下適用性指數(shù)均為最大，適用性最好，可用于雅礱江中段生態(tài)流量的計算。

表6 不同權重下各方法適用性指數(shù)排序Tab.6 The applicability index ranking of each method under different weights

2.5 討 論

生態(tài)流量對維持河流健康、魚類棲息地穩(wěn)定具有重要意義。本文利用1953～2014年實測徑流數(shù)據(jù)對比分析了適用于雅礱江中段的生態(tài)流量計算方法。結果表明Texas法作為該河段生態(tài)流量計算法最優(yōu)，可為上游生態(tài)調度計算提供參考。除生態(tài)流量外，生態(tài)流速也對魚類正常繁殖起著重要作用，然而本文選取水文學法計算生態(tài)流量，計算過程中并未考慮流速影響。另外本文在利用需水量、水文節(jié)律和滿足度3個指標構建生態(tài)流量計算方法適用性指數(shù)時，權重系數(shù)的選取較為主觀，本文只為盡可能的體現(xiàn)不同的權重占比情況，沒有準確的數(shù)據(jù)來分析三者之間的權重關系是否符合該流域魚類生存需求的實際情況。陳昂等[27]指出現(xiàn)階段生態(tài)流量計算方法正在從簡單的水力學和水文學方法逐漸向生態(tài)水力學方法和生境模擬法轉變。王琲等[28]指出棲息地法可結合河道和生物種群信息，生態(tài)流量計算結果比其他方法更準確。柴朝暉等[29]指出生態(tài)流量計算中存在指標選取單一，對不同條件下的生態(tài)需求考慮不全面等問題。因此，在后續(xù)的研究中，可嘗試在獲取研究區(qū)水文、水力學及魚類棲息地數(shù)據(jù)后，利用更為精確的棲息地法計算生態(tài)流量，同時考慮流量和流速以及其他因素對研究區(qū)魚類的影響，從不同魚類特性要求出發(fā)制定更完善、準確的生態(tài)流量計算方法適用性評價體系。

3 結 論

本文基于雅江站1953～2014年實測徑流數(shù)據(jù)，以Tennant法計算的生態(tài)流量作為評價水量標準，對比分析了6種計算生態(tài)流量的水文學方法的優(yōu)劣和適用性，并計算出雅礱江中段年均生態(tài)流量值和月均生態(tài)流量值，得出如下結論：

(1) ABF法和逐月頻率計算法計算的生態(tài)流量幾乎與實測多年平均月流量相等，且在魚類產卵期滿足度較低，計算結果不符合實際需求；

(2) Q90法計算的生態(tài)流量過程年內變化不明顯，不能反映水文節(jié)律的天然變化過程，不適用于雅礱江中段生態(tài)流量計算；

(3) 改進后的最小月平均實測徑流法、NGPRP法在魚類產卵期方法適用性指數(shù)較小，對雅礱江中段不適用；

(4) 綜合需水量、水文節(jié)律和生態(tài)流量滿足度3方面分析，Texas法為雅礱江中段最優(yōu)生態(tài)流量計算方法，方法適用性指數(shù)最高，建議在該河段使用Texas法計算生態(tài)流量。