曹濤濤，李燕磊，余 菁，王文鵬，鄒 鉒，涂龍杰，唐 明，3

（1.江西省水文監(jiān)測(cè)中心，江西 南昌 330038； 2.南昌工程學(xué)院 水利與生態(tài)工程學(xué)院，江西 南昌 330099；3.江西省水文水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330099）

0 引 言

受全球氣候變化與區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的雙重影響，河道斷流、湖泊萎縮等問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。保障河湖生態(tài)流量（水位），直接關(guān)系到河湖生態(tài)平衡的維持，是保護(hù)河湖生物多樣性的客觀需要，也是貫徹落實(shí)“人與自然和諧共生”理念的具體體現(xiàn)［1，2］。21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)關(guān)于河湖生態(tài)流量的保障工作不斷加強(qiáng)；特別是十八大以來(lái)，水利部以習(xí)近平生態(tài)文明思想為指導(dǎo)思想，積極踐行“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路，堅(jiān)持“人水和諧綠色發(fā)展、合理統(tǒng)籌三生用水”的工作原則，著力解決損害水生態(tài)的突出問(wèn)題，河湖生態(tài)環(huán)境得到初步改善。

確定河湖生態(tài)流量是水資源開(kāi)發(fā)利用、節(jié)約保護(hù)、配置調(diào)度管理的重要基礎(chǔ)性工作［3］。近年來(lái)，為切實(shí)加強(qiáng)東江生態(tài)流量保障工作，維系和改善河流生態(tài)環(huán)境，珠江水利委員會(huì)依據(jù)有關(guān)政策法規(guī)，于2020年10月制定并下發(fā)了《東江生態(tài)流量實(shí)施方案》；就流域內(nèi)的河道生態(tài)基流計(jì)算，推薦了8種水文學(xué)方法。

目前，生態(tài)基流尚沒(méi)有統(tǒng)一的定義；不同學(xué)者根據(jù)研究對(duì)象的具體情況，提出了眾多與河道生態(tài)基流研究相關(guān)的概念。20世紀(jì)40年代末期，美國(guó)率先在西部開(kāi)始河流生態(tài)基流的估算；20世紀(jì)70年代，估算方法進(jìn)入快速發(fā)展期；至今，已經(jīng)形成一批相對(duì)成熟的計(jì)算方法［4］。根據(jù)Tharme統(tǒng)計(jì)，有近50個(gè)國(guó)家提出超過(guò)200種河流生態(tài)流量計(jì)算方法［5］，常用的生態(tài)流量計(jì)算方法有水文學(xué)法、水力學(xué)法、生境模擬法和整體分析法［6］。其中，具備“無(wú)需到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，簡(jiǎn)單方便，對(duì)數(shù)據(jù)的要求比較低”等優(yōu)勢(shì)的水文學(xué)方法，得到較為廣泛的使用［7］。阿金寰等以倭肯河中下游為例，探求Texas方法在東北地區(qū)河流的適用程度，認(rèn)為T(mén)exas法的中基流和高基流方法都充分考慮了加強(qiáng)河流生態(tài)修復(fù)的功能，目標(biāo)設(shè)置過(guò)高，在豐水年都很難完全滿足［8］。葛金金等綜合考慮了沙潁河水量需求、水文節(jié)律和滿足率3個(gè)因素，認(rèn)為在計(jì)算季節(jié)性河流生態(tài)流量時(shí)，Lyon法、Tess‐man法和月動(dòng)流量法較Tennant法等有顯著的優(yōu)勢(shì)［9］；陳榮等也推薦月流量變動(dòng)法作為南汀河生態(tài)流量的計(jì)算方法［10］。解瑩等通過(guò)6種水文學(xué)方法的比選，提出最適合阿什河生態(tài)流量計(jì)算的是Tennant法，并認(rèn)為T(mén)ennant法計(jì)算簡(jiǎn)單，適用于北溫帶、常年性河流的生態(tài)需水，但該方法對(duì)河流年內(nèi)水量的季節(jié)性變化考慮不全面［11］。周明通等研究了克里雅河生態(tài)基流，認(rèn)為QP法、最枯月平均流量法和典型水文頻率年法均不適用于該研究區(qū)［12］。

上述計(jì)算方法多為國(guó)外引進(jìn)，不同的估算方法有其適用條件和范圍［13］，還沒(méi)有形成一套比較完整的被普遍認(rèn)可的適合我國(guó)國(guó)情的河道內(nèi)生態(tài)需水計(jì)算方法；應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況來(lái)選用合適的計(jì)算方法。

本文旨在通過(guò)東江小流域的生態(tài)基流的逐月計(jì)算與對(duì)照分析，在水利部珠江水利委員會(huì)推薦的8種生態(tài)基流計(jì)算的水文學(xué)方法當(dāng)中，尋找一個(gè)最適合東江小流域的生態(tài)基流計(jì)算方法，以減輕南方豐水型地區(qū)其他類似小流域生態(tài)基流方案優(yōu)選的工作量。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1.1 研究區(qū)域

東江，在龍川縣合河壩以上稱尋烏水，匯入貝嶺水后始稱東江，系珠江水系干流之一；自東北向西南流經(jīng)江西、廣東兩省，于廣州市黃埔區(qū)匯入獅子洋，集水面積35 340 km2，河長(zhǎng)562 km，平均年徑流量2.57×1010m3。

本文的研究范圍為東江（江西段）的2個(gè)小流域（如圖1所示），右側(cè)尋烏水為東江水系主流，主要控制斷面為水背站；斷面位于東經(jīng)115°40'39.6″、北緯24°47'57.2″，地處尋烏水河口上游31 km，集水面積987 km2；左側(cè)定南水為貝嶺水的上游水系，主要控制斷面為東江水系一級(jí)支流九曲河上的勝前（二）站，斷面位于東經(jīng)115°11'50.6″、北緯24°52'01.2″，集水面積751 km2。

圖1 東江（江西段）流域水系圖Fig.1 Dongjiang （ Jiangxi section ） basin hydrographic chart

1.1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

采用江西省水文局提供的相關(guān)斷面流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與還原計(jì)算成果。尋烏水的水背水文站多年逐日實(shí)測(cè)流量系列為1980-2019年（期間，1993-2008中斷監(jiān)測(cè)）；定南水的勝前（二）水文站多年逐日實(shí)測(cè)流量系列為1976-2019年。

1.2 生態(tài)基流計(jì)算方法的優(yōu)選

1.2.1 生態(tài)基流計(jì)算中常用的水文學(xué)方法

在水文學(xué)法中，Tennant法是應(yīng)用頻率最高的方法。該法是由美國(guó)專家Tennant和美國(guó)漁業(yè)野生動(dòng)物協(xié)會(huì)于1976年共同開(kāi)發(fā)的一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定法，該方法考慮了臨近棲息地、水力學(xué)和生物學(xué)因素，采用河流年平均流量的百分比作為河流最小推薦流量；需要結(jié)合當(dāng)?shù)睾恿鞴芾砟繕?biāo)，分析選定的百分比是否符合當(dāng)?shù)睾恿髑闆r，并予以調(diào)整。

此外，代表性的水文學(xué)方法還有Q95（95%保證率下的最枯流量）、月流量變動(dòng)法等。Q95法的應(yīng)用也非常廣泛，如英國(guó)、保加利亞、澳大利亞和中國(guó)臺(tái)灣省常采用Q95法［14］。月流量變動(dòng)法，是一種基于月均流量的生態(tài)基流算法，由AV Pasto與F Ludwig共同提出；在枯水期時(shí)，將月平均流量的60%分配給生態(tài)基流量［15］。

《東江生態(tài)流量實(shí)施方案》中推薦的8種用于生態(tài)基流計(jì)算的水文學(xué)方法為T(mén)ennant法、最枯月均流量法、Q95法、Smakhtin法、Lyon法、Tessman法（改進(jìn)的蒙大拿法）、Texas法以及月流量變動(dòng)法，具體計(jì)算方法如表1所示。基于斷面長(zhǎng)序列日均流量樣本繪制理論概率曲線，得出與95%保證率相對(duì)應(yīng)的日均流量。

表1 生態(tài)基流計(jì)算方法Tab.1 Calculation method of ecological basic flow

1.2.2 生態(tài)基流計(jì)算方法的優(yōu)選步驟

基于水背、勝前（二）兩個(gè)水文站的流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與還原計(jì)算成果，按照上述8種方法，分別計(jì)算出兩個(gè)控制斷面的逐月生態(tài)基流成果（以下簡(jiǎn)稱“常規(guī)方案”）；基于不同方法在研究區(qū)域適應(yīng)程度的經(jīng)驗(yàn)判斷（層次分析法），或其得出的基流成果自身蘊(yùn)含的信息特征（客觀權(quán)重法），賦予它們相應(yīng)的權(quán)重，從而綜合利用8種方法的計(jì)算成果得到控制斷面的理想生態(tài)基流（年內(nèi)逐月分配過(guò)程，以下簡(jiǎn)稱“理想方案”）；通過(guò)“常規(guī)方案”與理想方案貼近度的比較，優(yōu)選出1個(gè)最適合東江小流域的生態(tài)基流計(jì)算方法。

（1）生態(tài)基流的理想方案計(jì)算?；谏鲜?種方法分別得出相應(yīng)的斷面逐月生態(tài)基流成果，構(gòu)建指標(biāo)矩陣D=(dij)m×n（其中m代表生態(tài)基流計(jì)算方法，n代表月份）；再對(duì)8種生態(tài)基流計(jì)算方法賦予相應(yīng)的權(quán)重，得到“方法權(quán)重”向量Wm，計(jì)算生態(tài)基流理想方案Tn，Tn中各元素tj為：

式中：wi為Wm的元素；dij為D的元素；i∈(1，m)；j∈(1，n)。

（2）方案貼近度的計(jì)算。生態(tài)基流理想方案是一個(gè)年內(nèi)徑流分配過(guò)程；計(jì)算“常規(guī)方案”與理想方案的貼近度，需要綜合考慮12個(gè)月的差異。

首先，逐月計(jì)算8個(gè)“常規(guī)方案”與理想方案月均流量的相對(duì)距離，構(gòu)建相對(duì)距離矩陣Y=(yij)n×m；再對(duì)12個(gè)月的相對(duì)距離賦予相應(yīng)的權(quán)重，得到“距離權(quán)重”向量Vn，計(jì)算“常規(guī)方案”與理想方案的綜合距離Em，Em中各元素ei為：

式中：vj為Vn的元素；yij為Y的元素。

其次，基于綜合距離Em構(gòu)造貼近度Pm，Pm中各元素pi為：

pi∈[0，1]，當(dāng)pi最趨近1時(shí)，其對(duì)應(yīng)的常規(guī)方案與理想方案的貼近度最佳，也就是優(yōu)選出的東江小流域生態(tài)基流計(jì)算方法。

1.3 權(quán)重的計(jì)算方法

權(quán)重的計(jì)算，一般可分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。其中，主觀賦權(quán)法有層次分析法（AHP）、直接構(gòu)權(quán)法和極值迭代法等；客觀賦權(quán)法有熵權(quán)法、獨(dú)立性權(quán)重法、CRITIC（Criteria Im‐portance Though Intercrieria Correlation）法、均方差法和極差法等［16］。選用目前在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的主、客觀賦權(quán)法：層次分析法和CRITIC法，進(jìn)行權(quán)重計(jì)算的比較分析。

1.3.1 層次分析法

AHP是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家薩蒂提出的一種層次權(quán)重決策分析方法，將研究對(duì)象作為一個(gè)系統(tǒng)，按照分解、比較判斷、綜合的思維方式進(jìn)行決策，是系統(tǒng)分析的一個(gè)重要工具。另外，它不是把所有指標(biāo)放在一起比較，而是兩兩相互比較，并且通過(guò)一致性檢驗(yàn)，以提高準(zhǔn)確度。具體步驟如下：

（1）構(gòu)建判斷矩陣A（方陣），可以表示為：

式中：aij代表因素i比因素j重要性比較結(jié)果，取值為1、3、5、7、9，分別對(duì)應(yīng)同等重要、稍微重要、較強(qiáng)重要、強(qiáng)烈重要和極端重要，當(dāng)重要性介于上述結(jié)果之間，則取值為2，4，6，8；aji=1/aij。t為指標(biāo)個(gè)數(shù)。

（2）矩陣A的一致性檢驗(yàn)。為確保構(gòu)建的判斷矩陣合理，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)；若判斷矩陣不能通過(guò)一致性檢驗(yàn)，則需重新設(shè)計(jì)判斷矩陣。

（3）權(quán)重的計(jì)算。對(duì)經(jīng)過(guò)一致性檢驗(yàn)的判斷矩陣進(jìn)行相應(yīng)處理，即可得到指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重Wj。具體的處理方法包括特征值法、算術(shù)平均法和幾何平均法。

1.3.2 CRITIC權(quán)重法

CRITIC權(quán)重法也是一種客觀賦權(quán)法，同時(shí)考慮指標(biāo)內(nèi)部數(shù)據(jù)的波動(dòng)性（對(duì)比強(qiáng)度）和指標(biāo)之間的沖突性（相關(guān)性）。使用標(biāo)準(zhǔn)差表示“對(duì)比強(qiáng)度”，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差越大，說(shuō)明波動(dòng)性越大，權(quán)重就越高；使用相關(guān)系數(shù)表示“沖突性”，指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)值越大，說(shuō)明沖突性越小，權(quán)重也就越低。計(jì)算步驟如下：

（1）構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣并作歸一化處理（同熵權(quán)法）。

（2）計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)內(nèi)部數(shù)據(jù)的波動(dòng)性：

（3）計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的沖突性：

式中：rkj表示第k個(gè)指標(biāo)(k≠j)與第j個(gè)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)。

（4）計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息承載量Cj：

（5）計(jì)算權(quán)重Wj：

2 結(jié)果與討論

2.1 常規(guī)水文學(xué)方法的計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)水背和勝前（二）水文站的逐日實(shí)測(cè)平均流量計(jì)算不同時(shí)間尺度的還原流量，分別采用前述8種生態(tài)基流計(jì)算方法，得出2個(gè)斷面的年度生態(tài)基流過(guò)程，如圖2所示。

圖2 生態(tài)基流成果Fig.2 Ecological base flow results

圖2顯示，8種水文學(xué)方法得出的生態(tài)基流成果差異很大，Texas法、Lyon法、Tessman法、月流量變動(dòng)法得出豐、枯期流量差距明顯；其他4種方法豐枯期則沒(méi)有明顯差異，其中，最枯月平均流量法與Q95法得出的年度生態(tài)流量過(guò)程沒(méi)有變化（月均生態(tài)流量相同）。

從每月生態(tài)基流計(jì)算成果來(lái)看，不同方法在豐水期的成果差異更大，詳情見(jiàn)圖3。

2.2 不同權(quán)重計(jì)算方法的結(jié)果與比較分析

基于前述8種方法在研究區(qū)域的適應(yīng)度判斷，采用層次分析法對(duì)8種生態(tài)基流計(jì)算方法進(jìn)行主觀權(quán)重賦值。綜合相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)各種方法適應(yīng)性評(píng)價(jià)，以及8種生態(tài)基流計(jì)算方法得出的結(jié)果，構(gòu)建判斷矩陣A：

對(duì)矩陣A進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。判斷矩陣A的最大特征根λmax為8，對(duì)應(yīng)的特征向量為（0.39，0.10，0.77，0.19，0.19，0.10，0.10，0.39），CI=0，CR=0，通過(guò)一致性檢驗(yàn)。對(duì)特征向量進(jìn)行歸一處理，得出每種方法對(duì)應(yīng)的權(quán)重值Wj，詳情見(jiàn)表2。

繼而，基于前述2個(gè)斷面的年度生態(tài)基流成果自身蘊(yùn)含的信息特征，采用CRITIC法［公式（5）～（8）］對(duì)8種生態(tài)基流計(jì)算方法進(jìn)行客觀權(quán)重賦值，得出8種計(jì)算方法對(duì)應(yīng)的“方法權(quán)重”如表2所示。

可以看出，作為主觀賦權(quán)的AHP法，人們首先可以基于不同生態(tài)基流計(jì)算方法的特點(diǎn)、以及它們?cè)诋?dāng)?shù)氐倪m應(yīng)性，通過(guò)兩兩比較來(lái)確定各種方法的重要性，從而構(gòu)建判斷矩陣；其次，可以通過(guò)一致性檢驗(yàn)，提高人們判斷方法重要性的準(zhǔn)確度。

作為客觀賦權(quán)的CRITIC法，可以綜合考慮指標(biāo)內(nèi)數(shù)據(jù)集的信息豐度與指標(biāo)間的數(shù)據(jù)相關(guān)性；計(jì)算結(jié)果完全依賴于指標(biāo)自身信息，不受人的主觀因素影響。但是，受數(shù)據(jù)本身結(jié)構(gòu)的影響，可能導(dǎo)致部分對(duì)象無(wú)法賦權(quán)。比如表2中的X5、X6指標(biāo)，年內(nèi)各月生態(tài)流量都相等，計(jì)算過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)分母為零的現(xiàn)象，無(wú)法得到權(quán)重；從而導(dǎo)致這2種方法不能參與到生態(tài)基流理想方案的計(jì)算當(dāng)中。因此，為了綜合利用8種水文學(xué)方法的計(jì)算成果，本文采用AHP法計(jì)算“方法權(quán)重”向量Wm。

在方案貼近度計(jì)算時(shí)，“常規(guī)方案”與理想方案的12個(gè)月份生態(tài)流量距離中不存在單值問(wèn)題，月內(nèi)的信息量差異和月際之間的相關(guān)性均可以計(jì)算；因此，選擇CRITIC法計(jì)算“距離權(quán)重”向量Vn。

2.3 生態(tài)基流計(jì)算方法的優(yōu)選與分析

2.3.1 基于層次分析法的生態(tài)基流理想方案

分別根據(jù)2個(gè)斷面的8種生態(tài)基流計(jì)算成果，以及采用層次分析法計(jì)算“方法權(quán)重”向量Wm，得出相應(yīng)斷面的年度“理想方案”生態(tài)基流過(guò)程（見(jiàn)表3）。

表3 基于層次分析法的理想方案計(jì)算結(jié)果Tab.3 Ideal scheme calculation results based on Analytic Hierarchy Process（AHP）

2.3.2 基于CRITIC的貼近度計(jì)算

在得出上述生態(tài)基流理想值Ij之后，分別計(jì)算8種生態(tài)基流計(jì)算成果與理想值之間的相對(duì)距離，得到相對(duì)距離矩陣Y；采用CRITIC法得出“距離權(quán)重”向量Vn（表4）；繼而計(jì)算出8種生態(tài)基流計(jì)算方法與理想方案的貼近度Pi（表5）。

表4 東江小流域“距離權(quán)重”一覽表Tab.4 Dongjiang small basin “distance weight” list

表5 東江小流域8種水文學(xué)方法結(jié)果與理想方案的貼近度Tab.5 Closeness between eight hydrological methods results and ideal scheme in Dongjiang small basin

兩個(gè)斷面的生態(tài)基流貼近度計(jì)算結(jié)果均顯示，“月流量變動(dòng)法”成果是最貼近理想值的方案，可以作為東江小流域的生態(tài)基流計(jì)算方法。

2.3.3 推薦方案的適應(yīng)性分析

本文推薦的月流量變動(dòng)法得出的結(jié)果，與理想方案的保障程度基本一致（見(jiàn)表6）。但是，月流量變動(dòng)法計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)潔明了，不涉及頻率計(jì)算與逐日流量還原，計(jì)算工作量較小。首先基于月均流量對(duì)所有月份進(jìn)行豐、平、枯的判斷；繼而選擇不同的生態(tài)基流比例，豐水期，將月平均流量的30%分配給生態(tài)基流量，平水期，分配45%，枯水期，則分配60%。

表6 東江小流域不同基流方案的保障程度 %Tab.6 Guarantee degree of different base flow schemes in Dongjiang small basin

尋烏水月平均流量總體水平較高，沒(méi)有低于“枯水月”標(biāo)準(zhǔn)的月份，生態(tài)基流按照豐水與平水的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置；每個(gè)月的生態(tài)基流保障程度均較高，10月至次年3月的保障程度均達(dá)到98%以上。另外，由于定南水1、11、12共3個(gè)月份的平均流量低于“枯水月”標(biāo)準(zhǔn)，生態(tài)基流就取月平均流量的60%，比尋烏水的45%高，相應(yīng)的保障程度也更低（詳情見(jiàn)表6）。

本文推薦的方案是按照“生態(tài)用水優(yōu)先”的原則來(lái)計(jì)算的，未考慮沿線生活、生產(chǎn)用水的影響；若考慮沿線生活用水需求，生態(tài)用水的保障程度還會(huì)進(jìn)一步降低。因此，東江小流域，特別是定南水，需要加強(qiáng)蓄水工程的建設(shè)與管理水平，提升河道水量調(diào)節(jié)能力；同時(shí)，如何適度壓減枯水年份的“生態(tài)、生產(chǎn)、生活”用水量，也是一項(xiàng)亟待解決的問(wèn)題。

3 結(jié) 論

以東江小流域的尋烏水與定南水為研究對(duì)象，基于水背、勝前（二）兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的歷史流量數(shù)據(jù)與還原計(jì)算成果，對(duì)水利部珠江委推薦的8種生態(tài)基流水文學(xué)計(jì)算方法進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論。

（1）8種水文學(xué)方法得出的生態(tài)基流成果差異很大，Texas法、Lyon法、Tessman法、月流量變動(dòng)法對(duì)豐、枯期流量要求差異明顯；其他4種方法對(duì)豐枯期的流量需求沒(méi)有明顯差異，最枯月平均流量法與Q95法全年只得出一個(gè)生態(tài)流量。

（2）部分生態(tài)基流方案采用全年一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，信息單一；采用CRITIC等客觀權(quán)重法，無(wú)法得出權(quán)重；因此，在計(jì)算生態(tài)基流理想方案時(shí)，宜采用基于層次分析法的主觀賦權(quán)法計(jì)算“方法權(quán)重”向量，從而可以綜合利用8種水文學(xué)方法的計(jì)算成果。

（3）在珠江委推薦的8種生態(tài)基流水文學(xué)計(jì)算方法當(dāng)中，月流量變動(dòng)法更適合東江小流域的生態(tài)基流計(jì)算；在其他具有“水文相似性”的南方豐水型地區(qū)，進(jìn)行小流域河流生態(tài)基流計(jì)算時(shí)，建議采用月流量變動(dòng)法，以減輕生態(tài)基流計(jì)算方案比選的工作量。