林 詩 雋,張 紅 艷,莫 建 英,代 俊 峰,4,吳 樹 誠

(1.桂林理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣西 桂林 541004; 2.桂林理工大學(xué) 廣西巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心,廣西 桂林 541004; 3.桂林水文中心,廣西 桂林 541000; 4.桂林理工大學(xué) 廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004 )

0 引 言

生態(tài)流量是指能夠維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康,從而保障河流生態(tài)功能正常發(fā)揮的河道內(nèi)最小流量[1]。近年來,對于河流生態(tài)流量的研究已成為水利行業(yè)研究的熱點(diǎn)問題。

漓江是山溪雨源性河流,也是桂林市的主要用水來源。漓江水資源總量豐富,但時(shí)空分布極不均勻。流域內(nèi)土壤蓄水能力有限,且水資源調(diào)蓄能力弱,在枯水季節(jié)干旱嚴(yán)重,汛期洪災(zāi)頻繁,面臨多水和少水的雙重生態(tài)問題[2]。桂林市旅游業(yè)和社會經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展的同時(shí),對漓江水資源開發(fā)利用的程度和要求也逐漸增大,漓江生態(tài)流量的確定顯得日益緊迫。目前,關(guān)于漓江水資源計(jì)算和變化特點(diǎn)的研究較多,但對于生態(tài)流量的研究相對較少。漓江生態(tài)流量的確定對于游船航行、生態(tài)補(bǔ)水和水資源利用等具有十分重要的作用,針對漓江水文特點(diǎn),采用合適的方法計(jì)算漓江生態(tài)流量具有重要的科學(xué)研究價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 資料與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

漓江屬珠江流域西江水系,為西江支流桂江上游河段的通稱,發(fā)源于桂林市興安縣西北部的貓兒山,自北向南依次流經(jīng)興安縣、靈川縣、桂林市城區(qū)、陽朔縣和平樂縣,全長228 km,流域總面積12 159 km2。

漓江流域(見圖1)位于北緯24°38′10″～25°53′59″、東經(jīng)110°7′39″～110°42′57″,屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。從流域整個生態(tài)系統(tǒng)來看,漓江維持了流域基本生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán),保證流域居民的用水需求;同時(shí),漓江作為桂林市經(jīng)濟(jì)活動、工農(nóng)業(yè)用水的主要水源地,保證了區(qū)域的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會生產(chǎn)力發(fā)展。

圖1 漓江流域水系及其水文站分布Fig.1 Distribution of Lijiang River system and hydrographic stations

1.2 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

桂林水文站為國家重要水文站,是珠江流域西江水系的桂江上游漓江河段重要控制水文站[3]。本文利用桂林水文站1954～2017年的逐月平均流量數(shù)據(jù),進(jìn)行漓江河道生態(tài)流量計(jì)算和評價(jià)。實(shí)測徑流資料來源于桂林市水文中心,數(shù)據(jù)經(jīng)嚴(yán)格整編,具有較高的可靠性和代表性。表1和表2的檢驗(yàn)結(jié)果顯示,實(shí)測徑流序列的變化趨勢和突變性不顯著,受河流水電開發(fā)為主的人類活動影響較小,徑流觀測序列較接近天然來流。

表1 Mann-Kendall法變化趨勢檢驗(yàn)Tab.1 Mann-Kendall method for trend test

表2 徑流序列突變性檢驗(yàn)Tab.2 Variability test of runoff series

漓江徑流量的年內(nèi)變化(見圖2)和年際變化(見圖3)明顯,水量在汛期(3～8月)和非汛期(9月至次年2月)相差懸殊[4]。

圖2 桂林水文站多年月均徑流量年內(nèi)分布Fig.2 Monthly average runoff of of Guilin hydrology station

圖3 桂林水文站多年年均徑流量年際變化Fig.3 Interannual variation of annual average runoff of Guilin Hydrology Station

2 研究方法

2.1 生態(tài)流量計(jì)算方法

目前,國內(nèi)外計(jì)算生態(tài)流量的方法已經(jīng)有200多種,可以大致分為水文學(xué)法、水力學(xué)法、生境模擬法和整體分析法四大類[5]。本文選用Q90法、年內(nèi)展布法、Texas法、逐月頻率法、NGPRP法和Tessman法6種常見的水文學(xué)方法,計(jì)算漓江干流的生態(tài)流量。

(1) Q90法[6-8]。即90%經(jīng)驗(yàn)頻率的最枯月平均流量法,用歷年的最枯月流量數(shù)據(jù)進(jìn)行排頻,選擇90%經(jīng)驗(yàn)頻率下的最枯月平均徑流量值作為生態(tài)流量。

(2) 年內(nèi)展布法[9]。取各月份多年平均流量,以各月最小月徑流量之和與多年平均流量之和的比值,計(jì)算求得生態(tài)流量。具體公式如下:

(1)

(2)

k=Qmin/Q

(3)

Qi=kqi

(4)

式中:Q為多年各月均徑流量的總和,m3/s;qi為第i個月的多年月均流量,m3/s;Qmin為多年各月的最小月均流量的總和,m3/s;qmin為最小月的多年月均流量,m3/s;Qi為第i個月對應(yīng)的月生態(tài)流量推薦值,m3/s;k為同月份均值比。

(3) Texas法[10-12]?？紤]了河流季節(jié)變化因素,通過取某特定百分率下對應(yīng)50%保證率的月平均流量值作為生態(tài)流量。在本文中,取40%的特定百分率。

(4) Tessman法[13]。當(dāng)多年月均流量值低于多年年均流量值的40%時(shí),將多年月平均流量值作為生態(tài)流量;當(dāng)多年月均流量值處于多年年均流量值的40%～100%時(shí),將多年年均流量值的40%作為生態(tài)流量;當(dāng)多年月均流量值高于多年年均流量值時(shí),將多年月均流量值的40%作為生態(tài)流量。

(5) 逐月頻率法[14]。結(jié)合漓江流域水文特征[7],設(shè)置10月至次年1月的枯水期取90%保障率下的月平均流量值作為生態(tài)流量,2～3月及8～9月的平水期取70%保障率下的月平均流量值作為生態(tài)流量,4～7月的豐水期取50%保障率下的月平均流量值作為生態(tài)流量。

(6) NGPRP法[15]。將系列年份劃分為枯水年、平水年、豐水年,并取平水年組90%保障率對應(yīng)的月平均流量值作為生態(tài)流量。本文選用GB/T 22482-2008《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》中距平百分率作為豐、平、枯水典型年份的劃分標(biāo)準(zhǔn)(見表3)。距平百分率公式為

表3 典型年劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Division standard of typical year

E=(Qi-Qa)/Qa×100%

(5)

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

2.2 需水程度評價(jià)法

Tennant法是以多年條件下的年平均流量百分比作為基準(zhǔn),在以往的研究中常被作為其他計(jì)算方法的一種需水量檢驗(yàn)評價(jià)[16-18]。

Tennant對11條河流進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)地研究,發(fā)現(xiàn)河流流量達(dá)到多年平均流量的10%能夠維持大多數(shù)水生生物短期生存棲息的需要;河流流量達(dá)到多年平均流量的30%就可以為大多數(shù)水生生物提供良好的生存棲息條件[19]。因此,本文將表4中的“一般”等級作為生態(tài)流量的最低需水限度。即建議8月至次年3月的一般用水期不低于多年平均流量的10%;漓江流域4～7月正值降雨量和徑流量較大的豐水期,為考慮魚類產(chǎn)卵和育幼,則不應(yīng)低于多年平均流量的30%。

表4 Tennant法的生態(tài)流量等級劃分評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Evaluation criteria for ecological flow classification by Tennant method

2.3 水文節(jié)律評價(jià)法

河流生態(tài)系統(tǒng)與水文節(jié)律變化有著明顯的生態(tài)-水文響應(yīng)關(guān)系,獨(dú)特的水文節(jié)律特征形成特定水系的水生動植物種群分布以及塑造了河流棲息地特征[20-22]。河流生態(tài)流量除了應(yīng)滿足基本需水量以外,還應(yīng)盡可能使得生態(tài)環(huán)境棲息地維持年內(nèi)豐枯變化的自然水情規(guī)律[23-25]。因此,水文節(jié)律常作為確定適宜生態(tài)流量的重要參考依據(jù)[26]。

本文采用SPSS-26軟件,將不同方法計(jì)算出的逐月結(jié)果與多年平均的逐月徑流量進(jìn)行相關(guān)性分析。相關(guān)性系數(shù)越高,則說明計(jì)算的生態(tài)流量值能夠更好地反映河流流量年內(nèi)豐枯的水文節(jié)律上的變化。

2.4 滿足程度評價(jià)法

生態(tài)流量的滿足程度是維持河流生態(tài)系統(tǒng)的重要衡量指標(biāo),也是為河流生態(tài)調(diào)度提供的重要科學(xué)支撐。本文以月平均流量進(jìn)行生態(tài)流量的滿足程度保障率計(jì)算,以反映河流生態(tài)系統(tǒng)缺水的實(shí)際情況。

生態(tài)流量的滿足程度保障率指一定時(shí)段內(nèi)河道內(nèi)流量能夠滿足生態(tài)需水的系列長度與總系列長度的比值[27-29]。比值越大表明生態(tài)流量滿足程度越高,該時(shí)段內(nèi)河流生態(tài)系統(tǒng)更健康。

3 結(jié)果分析

3.1 漓江生態(tài)流量需水程度分析

上述6種水文學(xué)方法計(jì)算的漓江生態(tài)流量具體結(jié)果見表5。

表5 各方法生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果Tab.5 Results of ecological flow calculated by different methods m3/s

由圖4可得:年內(nèi)展布法和Q90法在魚類產(chǎn)卵期無法滿足大多數(shù)水生生物棲息適宜條件的多年平均流量的30%,并且Q90法在全年范圍不滿足全年需水量低限,因此認(rèn)為以上兩種方法并不適用。在魚類產(chǎn)卵期和全年范圍內(nèi),逐月頻率法所需水量最大;而在一般用水期,Tessman法所需水量最大;而過多的生態(tài)用水量可能導(dǎo)致該時(shí)段內(nèi)其他產(chǎn)業(yè)的用水不足、加重“三生用水”的矛盾。整體來看,除Q90法和年內(nèi)展布法以外,Texas法在符合最小的基本需水程度的前提下,分別在各時(shí)期對水量需求最小。

圖4 各方法計(jì)算生態(tài)流量結(jié)果占多年平均流量比值Fig.4 Proportion of ecological flow to annual average flow by different methods

3.2 漓江生態(tài)流量水文節(jié)律分析

漓江流域的生態(tài)流量在體現(xiàn)徑流年內(nèi)逐月豐枯季節(jié)性變化特征方面發(fā)揮著重大的意義,不合理的水資源配置可能導(dǎo)致漓江原本灘潭交替、緩急自如的流態(tài)不復(fù)存在,多年來形成的河道生態(tài)系統(tǒng)平衡也會因河流流態(tài)變化而遭受破壞,甚至出現(xiàn)失調(diào)現(xiàn)象。

結(jié)合圖5和表6可得:Q90法各月生態(tài)流量數(shù)據(jù)一致,“全年一個值”的特征未能體現(xiàn)生態(tài)流量年內(nèi)豐枯期的季節(jié)變化,因此認(rèn)為該方法并不適用于漓江這樣季節(jié)性變化明顯的河流,這也是造成其計(jì)算結(jié)果與歷史水文節(jié)律無相關(guān)性的原因所在。而除Q90法以外的其他5種計(jì)算方法均在P≤0.01水平上呈顯著相關(guān)(雙尾),且相關(guān)系數(shù)均在0.9以上,水文節(jié)律擬合均較好。其中,年內(nèi)展布法在水文節(jié)律模擬方面效果最好,相關(guān)系數(shù)達(dá)1.000,最能體現(xiàn)漓江徑流年內(nèi)豐枯變化特征;逐月頻率法是除年內(nèi)展布法外水文節(jié)律模擬效果最佳的,相關(guān)系數(shù)為0.993;Texas法次之,相關(guān)性系數(shù)為0.991。

表6 各方法計(jì)算的生態(tài)流量與多年平均流量相關(guān)性Tab.6 Correlation analysis between results of ecological flow calculated by different methods and annual average flow

圖5 各方法計(jì)算的生態(tài)流量結(jié)果對比Fig.5 Comparison of ecological flow calculated results by each method

3.3 漓江生態(tài)流量滿足程度分析

各個敏感時(shí)段的生態(tài)流量滿足程度也是維持其河流生態(tài)系統(tǒng)健康的重要基礎(chǔ)。漓江流域?yàn)樯较暝葱粤饔?一般用水期為8月至次年3月,其中,在10月至次年1月的枯水期水量相較4～7月的魚類產(chǎn)卵期差異較大,較低的滿足程度可能造成大量水生物種消減甚至滅絕。因此,本文分別從枯水期、一般用水期、魚類產(chǎn)卵期和全年時(shí)段不同時(shí)間尺度方面分別分析不同方法計(jì)算的生態(tài)流量的滿足程度。

綜合圖6和表7可看出,除Q90法和年內(nèi)展布法外,在魚類產(chǎn)卵期、一般用水期、枯水期和全年時(shí)段的滿足程度保障率均較高的有Texas法和NGPRP法,各時(shí)期滿足程度保障率均在85%以上。NGPRP法在各時(shí)段的滿足程度保障率均次于Texas法,可能是由于NGPRP法缺乏對枯水年份組的考慮。Tessman法在枯水期、一般用水期和全年時(shí)段的滿足程度保障率最低,分別僅有35.94%、52.54%和66.02%;逐月頻率法在魚類產(chǎn)卵期的滿足程度最低,保障率僅達(dá)51.95%。而Texas法在各時(shí)期的滿足程度保障率均達(dá)90%以上,逐月保障率基本在90%以上,且在大多數(shù)月份的月保障率高于NGPRP法。

表7 各時(shí)段不同計(jì)算方法的滿足程度Tab.7 Satisfaction degree of different calculation methods in different periods %

圖6 各方法逐月滿足程度保障率Fig.6 Guarantee rate of monthly satisfaction degree by each method

3.4 漓江生態(tài)流量計(jì)算方法優(yōu)選

年內(nèi)展布法和Q90法均在魚類產(chǎn)卵期不足以滿足水生生物棲息的最低基本需水量,并且Q90法在水文節(jié)律上毫無相關(guān)性;Tessman法在一般用水期對水量的需求最大,在全年、一般用水期和枯水期滿足程度均較低;逐月頻率法在全年范圍和魚類產(chǎn)卵期對水量的需求最大,在魚類產(chǎn)卵期的滿足程度較低;而Texas法在水文節(jié)律上僅次于逐月頻率法,在不同用水期需水程度和滿足程度方面的各時(shí)間尺度上整體體現(xiàn)較佳,在需水程度、水文節(jié)律和滿足程度3個方面均有較好體現(xiàn),且均較NGPRP法更有優(yōu)勢。因此來看,利用Texas法計(jì)算漓江的生態(tài)流量最為合理。

4 結(jié) 論

本文基于桂林水文站1954～2017年的長系列月均流量數(shù)據(jù),分析了Q90法、年內(nèi)展布法、Texas法、逐月頻率法、NGPRP法以及Tessman法6種不同水文學(xué)方法計(jì)算的漓江生態(tài)流量。得到以下結(jié)論:

(1) 綜合分析需水度、水文節(jié)律以及滿足程度3個方面,取40%特定百分率的Texas法是最適合計(jì)算漓江生態(tài)流量的方法,在3方面均有較好的體現(xiàn)。

(2) 以Texas法計(jì)算漓江桂林水文站的逐月生態(tài)流量結(jié)果范圍為11.4～124.0 m3/s。其中,魚類產(chǎn)卵期為64.2～124.0 m3/s,一般用水期為11.4～38.9 m3/s。