劉歡，胡鵬，王建華，張璞，楊澤凡，曾慶慧

（中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038）

生態(tài)基流是指維系和保護(hù)河流的基本生態(tài)功能不受破壞所必須保留在河道內(nèi)的最小流量［1-2］。相關(guān)研究可追溯到20世紀(jì)40年代初的河道枯水流量（low flow）、河道基流（base flow）等［3］。英國在1963年《水資源法》中提出了“可接受最低流量（minimum acceptable flow）”，并將其確定為流量歷時曲線中95%頻率時的流量，此概念在歐洲較為流行［4-5］。美國在生態(tài)用水方面建立了最小流量制度，強(qiáng)制要求確保河道內(nèi)必要的基礎(chǔ)流量，通常采用7Q10法得到［6］。西班牙《水法》要求水資源利用過程中必須考慮“最小河道內(nèi)流量（minimum instream flow）”，粗略選擇多年平均流量的10%［7］。目前生態(tài)基流的概念有多種術(shù)語表達(dá)，但內(nèi)涵基本一致［8］。通過保障生態(tài)基流，河流可維持一定的河寬、水深和流速，一方面保持河流基本形態(tài)和輸水廊道穩(wěn)定，另一方面滿足水生生物短時間生存所必需的瞬時低流量需求。歸納來看，關(guān)于生態(tài)基流的計算方法已有數(shù)百種，一般分為水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地法和整體法［9-11］。然而，采用不同方法得到的結(jié)果差異很大，難以有效支撐河流生態(tài)基流的確定和管理［12-13］。斷面生態(tài)基流占其多年平均天然徑流的百分比（簡稱“生態(tài)基流占比”）是反映生態(tài)基流適宜性的重要指標(biāo)。Tennant［14］對美國中西部11條河流開展野外調(diào)查，建立了河寬、水深、流速等與流量的關(guān)系，提出河流生態(tài)基流占比在枯水期應(yīng)達(dá)到10%，汛期達(dá)到20%或30%。這一生態(tài)基流占比閾值簡潔直觀，受到廣大學(xué)者和管理者青睞，常被用于檢驗(yàn)或修正生態(tài)基流計算結(jié)果，并將其移植到缺（少）資料地區(qū)［15-16］。但是，我國幅員遼闊，河流徑流情勢差異性顯著，生態(tài)基流水平（以生態(tài)基流占比值的大小表征）有明顯差別。此時，采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)難以適應(yīng)不同地區(qū)、不同類型河流斷面生態(tài)基流保障目標(biāo)的科學(xué)制定。近年來，人們［17-18］開始關(guān)注河流生態(tài)流量的分區(qū)分類研究，但大多處于理論探討階段?？紤]同分區(qū)、同類型多條河流之間，水文生態(tài)特征存在的相似性和差異性特點(diǎn)，分析提出包含上限值、下限值和推薦值的分區(qū)分類生態(tài)基流占比閾值體系。基于我國439個斷面1956—2018年長系列天然與實(shí)測流量資料的分析，綜合考慮斷面徑流大小、年內(nèi)變化是否劇烈、是否受控制性水利工程調(diào)控等多方面因素，確定10個水資源一級區(qū)，小、中、大不同集水面積河流斷面的生態(tài)基流占比閾值，為新時期我國河流生態(tài)基流保障目標(biāo)的科學(xué)制定和調(diào)控保障提供參考。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 基本思路

根據(jù)ELOHA框架等成果，通過對河流的合理分區(qū)分類，同分區(qū)同類型河流的生態(tài)基流水平大致相當(dāng)，處于一個較小的區(qū)間范圍內(nèi)［19-20］。為定量表征河流生態(tài)基流水平的區(qū)間分布特征，提出一套由上限值、下限值和推薦值構(gòu)成的閾值體系，以替代傳統(tǒng)的單一標(biāo)準(zhǔn)。其中，上限值和下限值分別代表了同類型河流斷面生態(tài)基流保障目標(biāo)的最高和最低控制標(biāo)準(zhǔn)。對于某一類型河流來說，其生態(tài)基流保障目標(biāo)宜控制在相應(yīng)上限值和下限值形成的區(qū)間內(nèi)。參考代表性斷面生態(tài)基流占比數(shù)據(jù)序列的最小值和下四分位值確定下限值，參考最大值和上四分位值確定上限值。由此，可一定程度上降低由于代表性斷面生態(tài)基流占比數(shù)據(jù)分布不均或個別斷面數(shù)據(jù)異常（過高或過低）造成的結(jié)果偏差。同樣，推薦值參考代表性斷面生態(tài)基流占比數(shù)據(jù)序列的中位值和平均值綜合確定，反映了同分區(qū)同類型河流斷面生態(tài)基流水平的集中分布情況，結(jié)果可以作為缺資料河流斷面生態(tài)基流保障目標(biāo)制定的依據(jù)。

此外，考慮到控制性水利工程對河流徑流“削峰補(bǔ)枯”的調(diào)節(jié)作用，生態(tài)基流占比閾值按是否有控制性水利工程進(jìn)行調(diào)控分別設(shè)置。對于無控制性水利工程調(diào)控的斷面，主要以河流生態(tài)基流天然水平（即天然來水條件下的河流生態(tài)基流水平，下同）作為閾值確定依據(jù)；對于受上游控制性水利工程調(diào)控的斷面，綜合生態(tài)基流天然水平以及工程調(diào)控后的生態(tài)基流保障現(xiàn)狀作為閾值確定依據(jù)。

1.2 方法流程

1.2.1 河流的分區(qū)分類

目前，有學(xué)者［21-22］考慮生態(tài)功能、水資源稟賦、氣候特點(diǎn)等在空間上的差異及其對河流的影響，將河流劃分為不同類型。立足河流生態(tài)基流特點(diǎn)和保障需求，從水資源綜合管理的角度出發(fā)，考慮水系完整性和水文節(jié)律相似性，參照10個水資源一級區(qū)進(jìn)行河流的分區(qū)。基于河流分區(qū)，根據(jù)河流集水面積大小，以集水面積達(dá)到2 000 km2、10 000 km2作為分類節(jié)點(diǎn)，分別將河流劃分為小、中、大3種類型。集水面積數(shù)據(jù)直觀易獲取，是推求無資料地區(qū)河流多年平均天然徑流大小的重要參數(shù)，有利于水文資料缺乏地區(qū)的河流生態(tài)基流保障目標(biāo)的制定。

1.2.2 代表性斷面選擇與生態(tài)基流目標(biāo)核算

選擇我國331條河流439個有長系列水文資料的斷面作為代表性斷面，見表1。用于分析的數(shù)據(jù)包括斷面1956—2000年逐月天然和實(shí)測流量、2006—2018年逐日實(shí)測流量。其中，1956—2000年流量數(shù)據(jù)來自全國第二次水資源調(diào)查評價成果，2006—2018年流量數(shù)據(jù)來自歷年水文年鑒。

表1 439個代表性斷面的基本信息Tab.1 Basic information of 439 representative hydrological sections across the country

針對宏觀尺度的河流生態(tài)基流計算，水文學(xué)法在資料獲取和應(yīng)用普適性上有明顯優(yōu)勢。其中，Qp法（不同頻率最枯月平均值法）能充分反映徑流年際、年內(nèi)豐枯變化特性及其對生態(tài)基流的影響。因此，選擇Qp法計算代表性斷面生態(tài)基流及其占比。根據(jù)新時期河湖生態(tài)流量管理要求，生態(tài)基流的保證率應(yīng)不小于90%，原則按日均流量評價［23］。同時，《河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》（SL／Z 712—2021）建議“95%或90%保證率年最枯月平均流量”作為生態(tài)基流［24］。綜上，生態(tài)基流采用90%保證率最枯日均流量?？紤]到逐日天然徑流數(shù)據(jù)很難獲取，采用95%保證率最枯月均流量近似代替。

1.2.3 無控制性水利工程調(diào)控斷面生態(tài)基流占比閾值確定

首先，將全年劃分為枯水期和非枯水期。然后，根據(jù)枯水期和非枯水期的徑流序列，分別計算斷面1956—2000年逐月天然徑流過程的Q95值（記作，將其作為無控制性水利工程調(diào)控斷面年內(nèi)不同時期的生態(tài)基流。其中：松花江區(qū)和遼河區(qū)以11月—次年4月為枯水期；其余水資源一級區(qū)以12月—次年3月為枯水期。

分區(qū)分類統(tǒng)計代表性斷面天然來水條件下生態(tài)基流占比的特征值，進(jìn)而確定斷面生態(tài)基流占比的上限值、推薦值和下限值。

式中：Vu、Vr、Vd分別代表斷面生態(tài)基流占比的上限值、推薦值和下限值；Fmax、F25、Fave、F50、F75、Fmin指同分區(qū)同類型代表性斷面生態(tài)基流占比最大值、上四分位值、中位值、平均值、下四分位值和最小值。

同時，考慮到集水面積越大，徑流越穩(wěn)定，在確定閾值時遵循大型斷面不低于中型斷面、中型斷面不低于小型斷面的原則，對閾值結(jié)果進(jìn)行微調(diào)。

1.2.4 控制性水利工程調(diào)控斷面生態(tài)基流占比閾值確定

梳理斷面上游控制性水利工程建設(shè)情況，對比在現(xiàn)狀與天然來水條件下代表性斷面生態(tài)基流占比，篩選有工程調(diào)控并對生態(tài)基流的提高發(fā)揮了正向作用的斷面。篩選標(biāo)準(zhǔn)如下：

其中

式中：PR和PN分別為斷面現(xiàn)狀和天然來水條件下的生態(tài)基流占比，%；為1980—2018年逐月實(shí)測徑流Q95值，m3／s；為2006—2018年逐日實(shí)測徑流Q90值，取兩者較大值代表斷面生態(tài)基流的現(xiàn)狀水平，m3／s；Q0為斷面1956—2000年系列多年平均天然徑流，m3／s。

在時段上，同樣將全年按照枯水期和非枯水期，采用斷面現(xiàn)狀來水條件下生態(tài)基流占比的特征值，計算相關(guān)閾值，方法同流程④。

閾值確定方法流程見圖1。

圖1 河流生態(tài)基流占比閾值的確定方法流程Fig.1 Schematic diagram of the method for determining the proportion thresholds of ecological base flow

2 結(jié)果與討論

2.1 代表性斷面天然生態(tài)基流占比

不同地區(qū)、不同集水面積的河流斷面之間，天然來水條件下的生態(tài)基流占比差異顯著，結(jié)果見表2和圖2。松花江區(qū)、遼河區(qū)、淮河區(qū)和東南諸河區(qū)河流生態(tài)基流占比較低，枯水期均值多低于5%，非枯水期均值也不超過10%。特別是淮河區(qū)，在非枯水期的生態(tài)基流占比仍不足5%。黃河區(qū)和西南諸河區(qū)河流生態(tài)基流占比較高，中型、大型斷面生態(tài)基流占比基本超過10%，其中黃河大型斷面在枯水期和非枯水期的生態(tài)基流占比均值分別為16%和31%，是淮河同類型斷面的6～8倍。海河區(qū)、長江區(qū)和珠江區(qū)生態(tài)基流天然水平相近，多分布在5%～15%。

圖2 代表性斷面天然生態(tài)基流占比箱形分布Fig.2 Box plot of the proportion of natural ecological base flow in representative sections with different scales in different watersheds of China

表2 代表性斷面天然生態(tài)基流占比的分區(qū)分類統(tǒng)計均值Tab.2 Average values of the proportion thresholds of natural ecological base flow in representative sections with different scales in different watersheds of China

斷面生態(tài)基流水平隨集水面積增加整體呈上升趨勢。全國小、中、大型斷面枯水期生態(tài)基流占比均值分別為4.4%、7.3%和9.7%，非枯水期均值分別為8.4%、11.1%和17.4%。在天然來水條件下，不同分區(qū)之間，集水面積差異對生態(tài)基流水平的影響程度有一定區(qū)別。對比小型和中型斷面的基流占比均值，兩者在海河區(qū)、淮河區(qū)、東南諸河區(qū)、珠江區(qū)差別不大，但在遼河區(qū)、長江區(qū)、西北諸河區(qū)變化顯著。

2.2 無控制性水利工程調(diào)控斷面的生態(tài)基流占比閾值

在沒有控制性水利工程調(diào)控時，全國小型、中型、大型河流斷面生態(tài)基流占比在枯水期時分區(qū)平均推薦值分別為4.4%、6.6%和9.2%，而在非枯水期分別為9.4%、11.6%和16.2%，見表3和表4。其中，松花江區(qū)小型、中型斷面枯水期推薦值為0，這表明該區(qū)集水面積在10 000 km2以下的河流在枯水期受冰封影響一般會出現(xiàn)天然斷流現(xiàn)象。對于這類河流，需要根據(jù)資料分析結(jié)合實(shí)地調(diào)研，確定河流天然斷流時段和斷流河段。此時，參考《河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》（SL／T 712—2021），斷流河段以維系河流廊道功能為主要目標(biāo)，在沒有水利工程調(diào)控或生態(tài)補(bǔ)水明確要求的情況下，不宜在斷流時段確定生態(tài)基流保障目標(biāo)。但是，需要在非斷流時段確定適宜的生態(tài)基流保障目標(biāo)。分析發(fā)現(xiàn)，松花江區(qū)小型、中型斷面在非枯水期內(nèi)，生態(tài)基流占比推薦值可分別確定在5%和6%。遼河區(qū)、淮河區(qū)、東南諸河區(qū)的閾值也均較低，即使是大型斷面，枯水期內(nèi)推薦值也只有3%～5%，而非枯水期內(nèi)不超過10%。海河區(qū)、長江區(qū)、珠江區(qū)大型斷面枯水期推薦占比為10%～11%，與Tennant法接近，但中小型斷面枯水期推薦值僅3%～8%，進(jìn)一步說明了根據(jù)不同集水面積制定生態(tài)基流占比閾值是十分必要的。黃河區(qū)、西南諸河區(qū)、西北諸河區(qū)閾值相對較高，大型斷面枯水期推薦值為16%，非枯水期達(dá)到18%～30%，說明該區(qū)域徑流豐枯變化相對穩(wěn)定，生態(tài)基流天然水平較高。

表3 枯水期無控制性水利工程調(diào)控斷面生態(tài)基流占比閾值Tab.3 Values of the proportion thresholds of ecological base flow in uncontrolled engineering regulation sections in dry season%

表4 非枯水期無控制性水利工程調(diào)控斷面生態(tài)基流占比閾值Tab.4 Values of the proportion thresholds of ecological base flow in uncontrolled engineering regulation sections in flood season%

2.3 控制性水利工程調(diào)控斷面生態(tài)基流占比閾值

經(jīng)式（2）篩選，我國有130個代表性斷面受到控制性水利工程調(diào)控，生態(tài)基流顯著提高，占總斷面數(shù)約30%。從圖3看，全國控制性水利工程調(diào)控斷面生態(tài)基流占比均值從8.1%的天然水平提高到現(xiàn)狀14.2%，增幅達(dá)75.3%。其中：松花江區(qū)、遼河區(qū)、海河區(qū)、淮河區(qū)和東南諸河區(qū)斷面天然生態(tài)基流占比均值在2%～6%，受控制性水利工程調(diào)控后現(xiàn)狀均值達(dá)到8%～12%；長江區(qū)和珠江區(qū)生態(tài)基流占比均值在工程調(diào)控前后的變化相似，從9%和10%分別提高到了14%和16%；西北諸河區(qū)和黃河區(qū)斷面生態(tài)基流在天然來水時本就處于較高水平，受工程調(diào)控后現(xiàn)狀值進(jìn)一步提升，分別達(dá)到15%和26%。

圖3 全國及各分區(qū)控制性水利工程調(diào)控斷面枯水期天然生態(tài)基流均值與工程調(diào)控后現(xiàn)狀均值對比Fig.3 Comparison between the natural value and the current value after engineering regulation of the ecological base flow in representative sections in the dry season in China and its regions

受控制性水利工程調(diào)控作用，各分區(qū)河流生態(tài)基流占比在枯水期的平均推薦值達(dá)到12%，在非枯水期達(dá)到17.3%，見表5。松花江區(qū)、遼河區(qū)、淮河區(qū)、東南諸河區(qū)河流斷面在工程調(diào)控后，枯水期推薦值從無工程調(diào)控時的0～3%提升到7%～8%；海河區(qū)、長江區(qū)提升到10%、12%，與本流域大型斷面的生態(tài)基流天然水平相當(dāng)；珠江區(qū)、西北諸河區(qū)、西南諸河區(qū)枯水期推薦值均為16%，黃河流域最高，達(dá)到20%。非枯水期情況類似，在工程調(diào)控后，生態(tài)基流占比閾值均有一定幅度的提升，其中：遼河區(qū)、淮河區(qū)、東南諸河區(qū)最低，只有10%；黃河區(qū)、西北諸河區(qū)最高，達(dá)到30%?？梢?，經(jīng)水利工程的調(diào)蓄作用，斷面生態(tài)基流保障能力極大增強(qiáng)，相應(yīng)閾值普遍高于無工程調(diào)控時，或至少達(dá)到大型斷面的生態(tài)基流天然水平。

表5 控制性水利工程調(diào)控斷面生態(tài)基流占比閾值Tab.5 Values of the proportion thresholds of ecological base flow in controlled engineering regulation sections %

2.4 閾值合理性與適用性分析

閾值基本反映出我國不同地區(qū)、不同類型河流斷面的水文情勢差異及其對生態(tài)基流的影響。不同區(qū)域河流水文情勢存在顯著差異，松花江區(qū)、遼河區(qū)河流冬季冰封時間長，造成枯水期流量極低?；春訁^(qū)下游以平原為主，缺乏有效的徑流調(diào)蓄空間和手段，徑流主要受降雨的短期控制，所以生態(tài)基流占比在枯水期、非枯水期均很低。正如顧洪［25］分析，淮北水系“汛期洪水資源得不到利用，枯季河流干涸無水量下泄，是其常態(tài)和顯著特征”，保障5%～10%的標(biāo)準(zhǔn)對其難度極大。與之相反，東南諸河區(qū)主要為山區(qū)，雖降水豐富，但其河流大多為獨(dú)流入海，源短流急，造成其生態(tài)基流保障水平低，同樣不宜制定過高的保障目標(biāo)。相比之下，黃河區(qū)、西南諸河區(qū)、西北諸河區(qū)的河流源頭位于青藏高原、天山山脈等，源區(qū)面積大，且冰川和積雪融水有助于徑流穩(wěn)定，因此生態(tài)基流占比閾值相對最高。以黃河為例，其源區(qū)面積占流域總面積的16.2%，而產(chǎn)水量更是達(dá)到流域總水量的35%［26］。

隨著集水面積的增大，流域?qū)菁緩搅鞯恼{(diào)蓄和“坦化”作用加強(qiáng)，會逐步提高河流生態(tài)基流水平，這與文中不同規(guī)模斷面閾值的變化趨勢一致。隨著控制性水利工程的建設(shè)，下游斷面徑流過程更多受工程調(diào)控的影響，在做好生態(tài)調(diào)度的前提下，總體會大幅提升斷面生態(tài)基流的保障水平，起到與增加集水面積相同的作用。

受限于天然來水條件，我國部分河流生態(tài)基流保障目標(biāo)很難達(dá)到Tennant法提出的10%或者20%標(biāo)準(zhǔn)：在無控制性水利工程調(diào)控時，應(yīng)主要根據(jù)河流天然徑流確定生態(tài)基流保障目標(biāo)；在有控制性水利工程調(diào)控時，應(yīng)盡可能發(fā)揮工程的調(diào)蓄作用，制定不低于工程調(diào)控斷面分區(qū)分類下限值的生態(tài)基流保障目標(biāo)。受人工取用水、下墊面條件變化等影響，河流當(dāng)前來水情勢無法滿足生態(tài)基流保障目標(biāo)時，需要根據(jù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)保護(hù)需求，在強(qiáng)化經(jīng)濟(jì)社會用水約束的同時，借助上游水利工程調(diào)蓄、跨流域調(diào)水等生態(tài)補(bǔ)水措施恢復(fù)河流生態(tài)基流。對于生態(tài)基流保障水平較高的斷面，即使調(diào)控能力和手段很強(qiáng)，考慮到水利工程防洪、發(fā)電、供水等綜合功能發(fā)揮以及生態(tài)敏感期脈沖流量、漫灘流量等目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，也不宜制定過高的生態(tài)基流保障目標(biāo)，以控制在本文提出的分區(qū)分類上限值以內(nèi)為宜。對于缺乏長系列水文資料的斷面，只需根據(jù)斷面集水面積等確定其多年平均天然徑流，即可利用文中推薦值計算其生態(tài)基流初始目標(biāo)，并結(jié)合其他方法或初始目標(biāo)的保障成效評估再修訂完善。

3 結(jié) 論

提出了一種分區(qū)分類的河流生態(tài)基流占比閾值確定思路和方法，包括上限值、下限值和推薦值。在此過程中，考慮控制性水利工程影響，生態(tài)基流占比閾值按是否有控制性水利工程調(diào)控分別確定。由此，在全國選擇439個代表性斷面，利用長系列天然和實(shí)測徑流資料，提出了全國10個水資源一級區(qū)、不同集水面積、不同工程調(diào)控狀態(tài)的生態(tài)基流占比閾值成果。研究致力于明確不同地區(qū)、不同類型河流的生態(tài)基流占比應(yīng)處合理范圍，從而指導(dǎo)我國生態(tài)基流保障目標(biāo)的確定。對于無控制性水利工程調(diào)控的斷面，小型、中型、大型河流斷面生態(tài)基流占比在枯水期的平均推薦值分別為4.4%、6.6%和9.2%，而 在 非 枯 水 期 分 別 為9.4%、11.6%和16.2%。其中，松花江區(qū)、遼河區(qū)、淮河區(qū)和東南諸河區(qū)整體較低，枯水期推薦值在0～5%以內(nèi)，非枯水期也不超過10%。對于有控制性水利工程調(diào)控的斷面，各一級區(qū)生態(tài)基流占比在枯水期的平均推薦值達(dá)到12%，而在非枯水期達(dá)到17.3%，相比沒有工程調(diào)控時有較大提升。相關(guān)成果可用于分區(qū)分類河流生態(tài)基流保障目標(biāo)的制定，特別是水利工程最小下泄流量目標(biāo)以及缺資料地區(qū)河流生態(tài)基流初始目標(biāo)的制定。

受數(shù)據(jù)等方面的限制，本文在代表性斷面選取、徑流系列完整性等方面仍有較大不足，對具體結(jié)果可能會造成一定影響，下一步研究將持續(xù)開展數(shù)據(jù)的補(bǔ)充完善和閾值成果的核算分析。另外，其他學(xué)者若在某流域區(qū)域具有更加完整的數(shù)據(jù)資料，可以對相關(guān)成果進(jìn)行復(fù)核和修訂。