張 萌，黃維東，，張金霞，張昌順，吳彥昭

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070;2.甘肅省水文站，甘肅 蘭州 730000)

黨的十九屆五中全會(huì)提出要深化實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、全面提升資源利用效率，對(duì)資源的開(kāi)發(fā)與利用要為全局計(jì)、為子孫謀，其中水資源的可持續(xù)發(fā)展是最關(guān)鍵的問(wèn)題之一[1]。水資源短缺、生態(tài)用水?dāng)D占、生態(tài)流量保障不足是制約河流健康可持續(xù)的主要問(wèn)題，一條健康的河流不僅維持生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能完善，而且還具有一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值[2]。大夏河流域是甘南高原的重要水源涵養(yǎng)區(qū)，是黃河上游的一級(jí)支流，對(duì)黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展起著舉足輕重的作用。近年來(lái)受人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化的影響特別是區(qū)域用水的加劇、梯級(jí)水電站建設(shè)等，使擋水建筑物至發(fā)電廠房形成減水河段，河道斷流現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，對(duì)河道內(nèi)動(dòng)植物棲息環(huán)境、用水戶(hù)取水等產(chǎn)生一定影響。

生態(tài)流量的計(jì)算本質(zhì)上就是求解其閾值問(wèn)題。1976年，Tennant Donald Leroy[3]率先提出一種快速且簡(jiǎn)單的計(jì)算方法來(lái)確定河流最小保持量；1996年，Brian等[4]提出水文指標(biāo)法并用來(lái)規(guī)劃生態(tài)系統(tǒng)管理以及衡量保護(hù)目標(biāo)；2004年，徐志俠等[5]提出計(jì)算河道水體最小生態(tài)需水的方法；2012年，Julian D等[6]總結(jié)了常用計(jì)算方法的重要優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)；2018年，褚俊英等[7]構(gòu)建了城市河湖生態(tài)流量計(jì)算與保障程度分析模型；2021年，Bower Luke M等[8]提供了一個(gè)基于統(tǒng)計(jì)流量——生態(tài)關(guān)系的靈活框架。有關(guān)生態(tài)流量的研究一直在不斷深化，針對(duì)現(xiàn)階段最適合于我國(guó)的計(jì)算方法是水文指標(biāo)法，并常取生態(tài)流量滿(mǎn)足率作為生態(tài)流量目標(biāo)確定是否合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)[9]。

本文以大夏河流域作為研究區(qū)，依據(jù)長(zhǎng)系列的水文資料，采用水文學(xué)法中的Qp法[10]、Tennant法[11]、7Q10法[12]、逐月最小生態(tài)徑流計(jì)算法[13]和流量歷時(shí)曲線法[14]共5種方法進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)合流域徑流特性分析和生態(tài)流量滿(mǎn)足程度，確定出較合理的生態(tài)流量目標(biāo)，并給出相應(yīng)的生態(tài)流量保障措施，為流域的河流健康與水資源可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 流域概況

1.1 自然地理

大夏河流域位于東經(jīng)102°02′—103°22′、北緯34°52′—35°48′之間，發(fā)源于青海省同仁縣東南部達(dá)布熱，西向東流經(jīng)青海省黃南藏族自治州、甘肅省甘南藏族自治州夏河縣、臨夏回族自治州臨夏縣、臨夏市、東鄉(xiāng)縣最后匯入劉家峽水庫(kù)。大夏河全長(zhǎng)約203km，流域面積7154km2，整體呈蘑菇形，大部分地區(qū)海拔1900～2300m，多年平均氣溫2.7℃，由北向南逐漸降低，多年平均年降水量465.0mm，多年平均水面蒸發(fā)量720.7mm，年均地表徑流量10.25億m3，年均輸沙量243.53萬(wàn)t，年均含沙量3.44kg/m3，年侵蝕模數(shù)353.32t/km。

1.2 水資源及開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀

根據(jù)第三次全國(guó)水資源調(diào)查評(píng)價(jià)成果，大夏河流域水資源量及用水量，如圖1所示。流域水資源總量10.31億m3，其中青海省1.49億m3、甘肅省8.82億m3；地表水資源量10.25億m3，與地表不重復(fù)的地下水資源量0.06億m3。2010—2016年流域平均年用水量1.8579億m3，其中農(nóng)業(yè)用水量1.4275億m3，占總用水量的76.8%；工業(yè)用水量0.0849億m3，占總用水量的4.6%；生活用水量0.3220億m3，占總用水量的17.3%；生態(tài)環(huán)境用水量0.0235億m3，占總用水量的1.3%。

圖1 大夏河流域用水量

大夏河流域干流無(wú)蓄水工程，支流建有槐樹(shù)關(guān)水庫(kù)。水電開(kāi)發(fā)起始于20世紀(jì)90年代末，2003年后開(kāi)始大規(guī)模的建設(shè)，目前大夏河干流已建和在建水電站共26座，包括低壩引水式電站22座、渠道式電站2座和河床式電站2座。

1.3 生態(tài)現(xiàn)狀

地表徑流量減少。繪制大夏河夏河、雙城和折橋1979—2016年徑流量趨勢(shì)變化圖，如圖2所示，夏河站、雙城站、折橋站年徑流量均呈下降趨勢(shì)，每年平均減少0.0134億、0.0008億、0.0414億m3。

圖2 大夏河流域?qū)崪y(cè)年徑流量多年變化趨勢(shì)圖

生物多樣性衰退。大夏河流域上、中游主要是黃河裸裂尻魚(yú)、擬鯰高原鰍、厚唇裸重唇魚(yú)等高原冷水魚(yú)類(lèi)的重要產(chǎn)卵場(chǎng)和棲息地。流域水生態(tài)保護(hù)對(duì)象以維持河流基本流量、基本生態(tài)廊道、基本自?xún)裟芰?、維持土著魚(yú)類(lèi)棲息條件為主。近幾年，大夏河魚(yú)類(lèi)物種多樣性明顯下降，野生魚(yú)的種類(lèi)和數(shù)量也有所減少。

2 資料及方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

選取大夏河夏河、雙城、折橋水文站點(diǎn)1979—2016年實(shí)測(cè)水文資料進(jìn)行分析，所選站點(diǎn)均為國(guó)家基本水文站，資料觀測(cè)和整編嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家有關(guān)水文測(cè)驗(yàn)和整編規(guī)范，具有一定的代表性和可靠性，滿(mǎn)足分析計(jì)算的需要。

2.2 生態(tài)流量計(jì)算方法

(1)Qp法：Qp法也稱(chēng)為不同頻率最枯月平均值法，根據(jù)月流量或水位，利用每年的最枯月排頻，選擇不同頻率下的最枯月平均流量、月平均水位或徑流量作為生態(tài)環(huán)境需水量的最小值[10]。本文基于1979—2016年實(shí)測(cè)逐月平均流量數(shù)據(jù)，采用P-Ⅲ型曲線分析P=90%、P=95%的最枯月平均流量。

(2)Tennant法：Tennant法又稱(chēng)為蒙大拿法，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立流量與河流生態(tài)環(huán)境狀況之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，不同河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況對(duì)應(yīng)不同流量百分比[11]。本文根據(jù)“中”級(jí)的河流生態(tài)環(huán)境狀況，分別將流域豐水期(5—11月)流量占同時(shí)段多年平均流量的30%和枯水期(12月—次年4月)流量占同時(shí)段多年平均流量的10%作為流域生態(tài)流量值。

(3)7Q10法：該方法以90%保證率最枯連續(xù)7d的平均水量作為河流最小流量設(shè)計(jì)值，我國(guó)在《制訂地方水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)原則與方法》中對(duì)該方法進(jìn)行了修改，規(guī)定一般采用近10a最枯月平均流量或90%保證率最枯月平均流量為河流最小流量[12]。本文選取2007—2016年作為近10a來(lái)確定最枯月的平均流量。

(4)逐月最小生態(tài)徑流計(jì)算法：該方法認(rèn)為最小生態(tài)徑流是連續(xù)變化的過(guò)程應(yīng)逐月計(jì)算，在盡可能長(zhǎng)的天然月徑流系列中取最小值作為該月的生態(tài)徑流量，各月徑流最小值組成全年最小生態(tài)徑流過(guò)程[13]。本文以實(shí)測(cè)流量替代天然月流量，將長(zhǎng)系列數(shù)據(jù)中各月最小值作為該月的最小生態(tài)需水量，從而形成各站點(diǎn)全年的生態(tài)流量過(guò)程。

(5)流量歷時(shí)曲線法：該方法是采用歷年流量資料繪制各月的流量歷時(shí)曲線，把某一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的流量作為生態(tài)流量，其頻率可選取90%或95%，也可以根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整，一般需要30a以上的流量系列[14]。本文選擇頻率為95%的流量來(lái)表示生態(tài)流量。

2.3 生態(tài)流量滿(mǎn)足程度分析方法

生態(tài)流量滿(mǎn)足度定義為一定時(shí)期內(nèi)，河道徑流量大于生態(tài)需水閾值的序列長(zhǎng)度與總序列長(zhǎng)度的比值。生態(tài)流量滿(mǎn)足程度采用式(1)、(2)計(jì)算：

(1)

(2)

式中，Pm—第m月滿(mǎn)足生態(tài)流量保證程度；Tm—第m月月均實(shí)測(cè)流量滿(mǎn)足生態(tài)流量月份數(shù)；Pd—某年日均實(shí)測(cè)流量滿(mǎn)足生態(tài)流量保證程度；Td—某年滿(mǎn)足生態(tài)流量日數(shù)。

3 徑流特性分析

3.1 徑流年內(nèi)分配

根據(jù)大夏河流域夏河站、雙城站和折橋站1979—2016年的月徑流量數(shù)據(jù)，繪制逐月平均徑流量，由圖3可知，3站徑流量年內(nèi)分配特點(diǎn)基本一致，并且徑流主要集中在5—11月，此時(shí)3站5—11月平均徑流量合計(jì)分別為1.81億、5.54億、6.70億m3，約占年平均徑流量的79.7%、79.8%、80.1%。3站年內(nèi)徑流量最大月均出現(xiàn)在9月，分別為0.35億、1.03億、1.38億m3；最小月均出現(xiàn)在2月，分別為0.07億、0.21億、0.27億m3。從季節(jié)尺度上看，3個(gè)站點(diǎn)多年平均徑流量均為夏季(6—8月)最多，冬季(12月—次年2月)最少。大夏河流域徑流年內(nèi)分配不均勻，主要受降水、蒸發(fā)、下墊面條件等因素的影響。

圖3 大夏河流域多年平均徑流量年內(nèi)分配圖

3.2 徑流年際變化

采用差積曲線法繪制了夏河、雙城、折橋站1979—2016年徑流量的差積曲線，如圖4所示。曲線上升或下降表示該時(shí)段平均徑流量較往年在增加或減少，是一種判斷水文系列豐平枯變化的常用方法?？梢钥闯龃笙暮恿饔蚰觌H變化幅度較大，上、中、下游年徑流量差積曲線變化基本一致，豐、平、枯水年交替出現(xiàn)，少部分時(shí)段豐枯變化稍有差異，但差異不大。1979—1983年為平水年，1984—1990年為連續(xù)豐水年，1991—2002年為連續(xù)枯水年，2003—2016年為連續(xù)平水年。

圖4 大夏河流域年徑流量差積曲線

3.3 徑流演變趨勢(shì)

利用坎德?tīng)栔却蜗嚓P(guān)、斯波曼秩次相關(guān)、線性趨勢(shì)相關(guān)這3種方法，對(duì)3站歷年徑流量進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)分析，綜合判斷趨勢(shì)變化情況，結(jié)果見(jiàn)表1。全流域徑流變化均呈顯著減少趨勢(shì)，其主要原因是流域降水量總體在減少，平均每年減少0.025mm，同時(shí)近幾十年來(lái)人類(lèi)活動(dòng)加劇以及氣溫升高，導(dǎo)致流域下墊面條件發(fā)生變化，產(chǎn)匯流機(jī)制發(fā)生改變，部分水量被攔蓄消耗。

表1 代表站徑流量趨勢(shì)分析表

4 生態(tài)流量確定

4.1 控制斷面計(jì)算結(jié)果

利用上述5種生態(tài)流量計(jì)算方法，分析計(jì)算大夏河干流夏河、雙城、折橋3處水文斷面生態(tài)流量值，結(jié)果見(jiàn)表2—4，生態(tài)流量不同計(jì)算方法逐月過(guò)程如圖5所示。

圖5 不同計(jì)算方法生態(tài)流量過(guò)程

表2 夏河站生態(tài)流量不同方法計(jì)算結(jié)果

表3 雙城站生態(tài)流量不同方法計(jì)算結(jié)果

表4 折橋站生態(tài)流量不同方法計(jì)算結(jié)果

比較不同生態(tài)流量計(jì)算方法的結(jié)果可得：

(1)不同方法計(jì)算結(jié)果差距較大。QP法生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果總體偏小，尤其是95%保證率下的總體計(jì)算結(jié)果最小，占多年平均徑流量的6%左右；流量歷時(shí)曲線法生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果最大，占多年平均徑流量的14%左右。

(2)不同方法考慮的周期差別大。QP法、7Q10法全年僅有一個(gè)生態(tài)流量值，即全年不同時(shí)段的生態(tài)流量都相同；Tennant法考慮汛期與非汛期的變化，全年有2個(gè)計(jì)算值；以上3種方法都沒(méi)有考慮徑流自然變化過(guò)程。

(3)逐月最小生態(tài)徑流計(jì)算法和流量歷時(shí)曲線法每個(gè)月有相應(yīng)的生態(tài)流量值，考慮了流域的流量變化過(guò)程，比較符合流域自然變化情勢(shì)，能極大的協(xié)調(diào)生活、生產(chǎn)用水與生態(tài)需水的矛盾。但是由于流量歷時(shí)曲線法計(jì)算結(jié)果偏大與大夏河流域位于西北缺水地區(qū)的現(xiàn)狀不相符，不利于大夏河流域生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

因此，從可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，逐月最小生態(tài)徑流計(jì)算法的生態(tài)流量值是最適宜的。

4.2 生態(tài)流量滿(mǎn)足程度分析

由2000—2016年逐月實(shí)測(cè)徑流量進(jìn)行分析，生態(tài)流量月滿(mǎn)足程度如圖6所示。夏河、雙城、折橋控制斷面Qp法、Tennant法、逐月最小生態(tài)徑流計(jì)算法計(jì)算的生態(tài)流量滿(mǎn)足程度較高，分別為98.3%、96.7%、99.8%；7Q10法、流量歷時(shí)曲線法計(jì)算的生態(tài)流量滿(mǎn)足程度較低，分別為80.7%、89.0%。

圖6 生態(tài)流量月滿(mǎn)足程度

由2010—2016年逐日實(shí)測(cè)徑流量進(jìn)行分析，生態(tài)流量月滿(mǎn)足程度如圖7所示。夏河、雙城、折橋控制斷面Tennant法、7Q10法、流量歷時(shí)曲線法計(jì)算的生態(tài)流量日滿(mǎn)足程度分別為94.0%～98.9%、78.0%～96.4%、89.4%～96.7%；Qp法的滿(mǎn)足程度較高為99.7%～100%；逐月最小生態(tài)徑流計(jì)算法的滿(mǎn)足程度最優(yōu)達(dá)到98.8%～100%。

圖7 生態(tài)流量日滿(mǎn)足程度

4.3 生態(tài)流量目標(biāo)確定

綜合對(duì)比不同計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及生態(tài)流量的月、日滿(mǎn)足程度，可得出逐月最小生態(tài)徑流計(jì)算法最適合于大夏河流域，分豐水期(5—11月)和枯水期(12月—次年4月)2個(gè)時(shí)段確定生態(tài)流量目標(biāo)值，見(jiàn)表5，即夏河斷面豐水期2.63m3/s、枯水期1.62m3/s；雙城斷面豐水期8.37m3/s、枯水期5.18m3/s；折橋斷面豐水期8.69m3/s、枯水期4.49m3/s。

表5 大夏河主要控制斷面生態(tài)流量保障目標(biāo) 單位：m3/s

5 生態(tài)流量保障措施建議

為保障大夏河生態(tài)流量目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)生態(tài)流量的保障提出幾點(diǎn)建議。

(1)加強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)，落實(shí)責(zé)任。有關(guān)單位要加強(qiáng)大夏河生態(tài)流量保障工作的組織領(lǐng)導(dǎo)，落實(shí)主要領(lǐng)導(dǎo)負(fù)責(zé)制；加強(qiáng)組織協(xié)調(diào)和調(diào)度管理，明確任務(wù)分工，確保大夏河生態(tài)流量達(dá)標(biāo)，逐步建立健全大夏河生態(tài)流量保障長(zhǎng)效機(jī)制。

(2)統(tǒng)一調(diào)度，嚴(yán)格取水。將大夏河生態(tài)流量保障納入大夏河水量統(tǒng)一調(diào)度與管理中，嚴(yán)格按照確定的控制斷面生態(tài)基流指標(biāo)控制。同時(shí)加強(qiáng)取用水管控，取水量不得超過(guò)經(jīng)批準(zhǔn)的取水計(jì)劃；若遇枯水期及出現(xiàn)特枯年份等情況，在保證居民生活用水的前提下，對(duì)河道外用水進(jìn)行管控，最大程度地保證主要控制斷面生態(tài)基流目標(biāo)。

(3)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)檢查，建立預(yù)警機(jī)制。結(jié)合主要控制斷面的生態(tài)流量指標(biāo)，建立預(yù)警機(jī)制，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，密切跟蹤斷面的流量，接近或達(dá)到生態(tài)流量時(shí)，采取壓減引水、增大下泄等方法提高斷面流量，保障生態(tài)基流。

(4)建立考核制度，嚴(yán)格監(jiān)督問(wèn)責(zé)。建立大夏河生態(tài)流量保障考核制度體系，通過(guò)嚴(yán)格考核評(píng)估和監(jiān)督，強(qiáng)化生態(tài)流量保障在最嚴(yán)格水資源管理制度和河長(zhǎng)制工作中的地位，督促落實(shí)各級(jí)政府職責(zé)，確保大夏河生態(tài)流量得以充分保障。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)受氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)影響，大夏河流域徑流呈顯著減少趨勢(shì)，一系列梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)對(duì)河流水文過(guò)程影響十分顯著。

(2)經(jīng)過(guò)多種計(jì)算方法分析比較，逐月最小生態(tài)徑流計(jì)算法計(jì)算的生態(tài)流量值更為合理，即夏河斷面豐水期2.63m3/s、枯水期1.62m3/s；雙城斷面豐水期8.37m3/s、枯水期5.18m3/s；折橋斷面豐水期8.69m3/s、枯水期4.49m3/s，可為大夏河流域水資源開(kāi)發(fā)、利用提供參考。

(3)本文生態(tài)流量計(jì)算方法均屬于水文學(xué)法，以后還需用水力學(xué)、生物模擬法等方法對(duì)大夏河生態(tài)流量做深入的研究與分析。