申 瑜

(山西省水文水資源勘測(cè)總站，山西 太原 030001)

在全球氣候變化和區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的共同作用下[1]，人類對(duì)水資源的利用情況加劇，且多用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水，導(dǎo)致了河道內(nèi)天然流量的降低，情況嚴(yán)重時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)河道斷流，河道基本生態(tài)環(huán)境遭到了嚴(yán)重破壞[2]。河流維持生態(tài)環(huán)境功能需要河道保持一定的水量，但又需開(kāi)發(fā)利用水資源，河流生態(tài)環(huán)境保護(hù)與水資源利用之間存在矛盾。為平衡二者之間的關(guān)系，水利專家學(xué)者們提出了生態(tài)流量的概念。生態(tài)流量是維護(hù)河流基本形態(tài)和水生生物基本棲息地的河道內(nèi)最小流量，生態(tài)流量的研究是實(shí)現(xiàn)河流生態(tài)環(huán)境健康、可持續(xù)發(fā)展的必要前提。

目前生態(tài)流量計(jì)算方法很多。在20世紀(jì)40年代末，美國(guó)率先在其西部地區(qū)開(kāi)展了對(duì)河流生態(tài)流量的評(píng)估，到了70年代，估算方法進(jìn)入了快速發(fā)展的階段，出現(xiàn)了各種類型的生態(tài)流量計(jì)算方法[3]。1976年Tennant[4]提出將10%的多年平均流量作為河流水生物可以生存的底限流量；1980年美國(guó)魚(yú)類及水資源保護(hù)部門(mén)[5]研究了一種適用于中小型棲息地的IFIM法，該方法可以評(píng)價(jià)水資源的開(kāi)發(fā)管理對(duì)河道內(nèi)魚(yú)類及生態(tài)系統(tǒng)的影響，可較好解決河道內(nèi)最小需水量；2007年，國(guó)際環(huán)境大會(huì)上ELOHA法(以整體法為基礎(chǔ))受到重點(diǎn)推薦，并作為發(fā)展較好的整體法得到全世界廣泛使用。國(guó)內(nèi)河流生態(tài)流量計(jì)算方法多為改進(jìn)的水文學(xué)及水力學(xué)方法，隨后學(xué)者們根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)研究提出了很多新的生境模擬法和整體分析法的相關(guān)計(jì)算方法。林夢(mèng)珂等[6]基于渭河干流主要控制斷面，提出了改進(jìn)年內(nèi)展布法，除去多年河道月徑流資料的最大最小值，分年內(nèi)汛期和年內(nèi)非汛期計(jì)算兩個(gè)時(shí)段的同期均值比，得出計(jì)算年限內(nèi)的綜合生態(tài)流量；徐偉等[7]在利用傳統(tǒng)水文方法進(jìn)行生態(tài)流量推算時(shí)受到人為因素的干擾，導(dǎo)致觀測(cè)到的徑流序列值偏小，提出了一種改進(jìn)的7Q10法；阿金寰[8]運(yùn)用生態(tài)流量計(jì)算方法Texas法對(duì)倭肯河中下游進(jìn)行生態(tài)需水量的計(jì)算，以中游倭肯水文站多年月徑流數(shù)據(jù)為例，通過(guò)Texas法對(duì)倭肯河流域生態(tài)流量進(jìn)行成果分析及結(jié)果優(yōu)選，以探求Texas法在東北地區(qū)河流的適用性。

當(dāng)前生態(tài)流量計(jì)算方法多種多樣且多為國(guó)外引進(jìn)，每一種計(jì)算方法法的適用性、側(cè)重點(diǎn)和需要的數(shù)據(jù)類型都不同，計(jì)算結(jié)果也有較大差異，沒(méi)有任何一種計(jì)算方法可以匹配所有的河流，單一的生態(tài)流量計(jì)算法不能保證其精度與適應(yīng)性的問(wèn)題。因此在實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)河流所處的區(qū)域位置，綜合考慮生態(tài)保護(hù)的要求、河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的特點(diǎn)等，采用多種生態(tài)流量計(jì)算方法，結(jié)合河流自身的生態(tài)環(huán)境確定最終生態(tài)流量取值?；诖?，本文以汾河干流中游段為研究對(duì)象，分析了汾河中游河道水文特征和水力特征，選取了14種方法計(jì)算蘭村、汾河二壩、義棠和趙城4個(gè)典型斷面的逐月生態(tài)流量，并對(duì)各方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行年內(nèi)保障性分析，最終確定每個(gè)斷面各月份生態(tài)流量推薦值及計(jì)算方法，為汾河流域的生態(tài)保護(hù)工作提供支撐。

1 研究流域概況

起源于山西省寧武縣管涔山的汾河，是山西省最大的河流，自北向南流經(jīng)27個(gè)縣(市、區(qū))，在萬(wàn)榮縣榮河鎮(zhèn)廟前村匯入黃河。省境中部偏西地區(qū)為汾河流域，其整體呈現(xiàn)出不規(guī)則帶狀，從南到北全長(zhǎng)412.5km，河道從東到西寬188km，流域面積39471km2，干流長(zhǎng)716km，占山西省國(guó)土總面積的25.3%。汾河干流按河流特征可分為上、中、下游3部分，其中本文主要對(duì)中游段太原蘭村至洪洞趙城的河流水系及生態(tài)流量情況進(jìn)行具體研究及計(jì)算。中游全長(zhǎng)244km，流域面積20509km2，屬平原性河流，較大支流有瀟河、文峪河、昌源河等，是全河防洪的重點(diǎn)河段。汾河流域?yàn)榇箨懶约撅L(fēng)氣候，春夏秋冬四季分明，中游降雨年內(nèi)分配極不均勻，多年平均降水量為495.7mm。其中約60%集中在汛期7、8、9月。氣溫差異明顯，多年平均氣溫約為10.4℃，多年平均蒸發(fā)量約為1819.8mm。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

按照計(jì)算方法對(duì)數(shù)據(jù)的要求，本文收集了汾河中游蘭村、汾河二壩、義棠、趙城4個(gè)重點(diǎn)斷面的1974—2020年月實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)、日徑流數(shù)據(jù)及各斷面實(shí)測(cè)大斷面資料。數(shù)據(jù)均來(lái)源于山西省水文水資源勘測(cè)總站，、天然流量數(shù)據(jù)經(jīng)實(shí)測(cè)流量還原得到。

2.2 生態(tài)流量計(jì)算方法

生態(tài)流量是基于算法導(dǎo)向的，計(jì)算方法大致可以劃分為水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地法和整體法4種[9]，其中水文學(xué)方法具有計(jì)算簡(jiǎn)單快速、計(jì)算資料容易獲取、無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，但沒(méi)有考慮流量、水質(zhì)和水生生物等因素，未涉及水生態(tài)響應(yīng)機(jī)理，計(jì)算結(jié)果不夠精確；水力學(xué)方法的評(píng)價(jià)方式一般為水力參數(shù)，適用于穩(wěn)定的河道，數(shù)據(jù)需求為水力數(shù)據(jù)，也相對(duì)易得。然而，該類方法的生態(tài)流量為一個(gè)定值，無(wú)法反映生態(tài)流量的年內(nèi)、年際變化，也無(wú)法反映水生物需水量的年內(nèi)變化；生境模擬法在計(jì)算生態(tài)流量時(shí)充分考慮了生物生長(zhǎng)環(huán)境和棲息地環(huán)境，計(jì)算結(jié)果更實(shí)用，但其所需的生物數(shù)據(jù)較缺乏，相關(guān)性分析較復(fù)雜，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性較低；整體分析法是考慮因素最多最全面的一類計(jì)算方法，其優(yōu)勢(shì)是能夠兼顧各種生物、環(huán)境等對(duì)生態(tài)流量的需求，體現(xiàn)出了河道生態(tài)系統(tǒng)的整體特性，但不足之處在于需要大量的數(shù)據(jù)和多學(xué)科專家們的意見(jiàn)，很難實(shí)施[10]。

不同類型的河流生態(tài)流量計(jì)算方法有其相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)資料也不同。其中生境模擬法和整體分析法所需資料較難獲取，且計(jì)算時(shí)還需專業(yè)人員進(jìn)行實(shí)地勘測(cè)、實(shí)驗(yàn)考察[11]，因條件的限制，這兩類方法更加適用于小流域，不適用于受人類影響較大，水污染較嚴(yán)重，同時(shí)對(duì)于流域內(nèi)水生物的生活階段的研究還沒(méi)有充分?jǐn)?shù)據(jù)的河流。而水文學(xué)法和水力學(xué)法這兩大類方法由于資料易獲得、計(jì)算簡(jiǎn)單，所以被廣泛地應(yīng)用于生態(tài)流量的計(jì)算中。分析汾河中游在河道的水文、水力和水生態(tài)特征，①水文特征：汾河屬于中國(guó)北方大型常流河，河道徑流量隨著季節(jié)改變而改變，夏季流量大，冬季流量小，有結(jié)冰期，含沙量大；②水力特征：該河段縱坡較緩，平均縱坡約1.7‰，由于匯入支流多，徑流量大，坡度緩，汛期排泄不暢；③水生態(tài)特征：研究河段為汾河中游，水生生物以鯉魚(yú)、鯰魚(yú)為代表?；诖?，選用13種水文學(xué)法：蒙大拿法、改進(jìn)蒙大拿法、NGPRP法、Texas法、7Q10法、頻率曲線法、年內(nèi)展布法、逐月頻率計(jì)算法、Q90法、最小月平均實(shí)測(cè)徑流法、Lyon法、Tessman法和月流量變動(dòng)法(VMF)；1種水力學(xué)法濕周法，共14種方法計(jì)算汾河干流中游逐月生態(tài)流量。

2.2.1水文學(xué)方法

水文學(xué)法出現(xiàn)最早并且應(yīng)用最廣泛，也稱作歷時(shí)流量法。該方法適合任何地區(qū)，只需要?dú)v史流量數(shù)據(jù)資料就可推求得到生態(tài)流量，評(píng)價(jià)方式一般為水文指標(biāo)法。目前常用的水文學(xué)方法有蒙大拿法[12]、Texas法[8]、NGPRP法[13]、7Q10法[14]、RVA法[15]等，本文選用的水文學(xué)計(jì)算方法的適用性特征見(jiàn)表1。

表1 水文學(xué)計(jì)算方法的適用性特征

2.2.2水力學(xué)方法

水力學(xué)法是以水力、水文資料為基礎(chǔ)，依據(jù)河道水文參數(shù)與水力參數(shù)之間的相互關(guān)系，以曼寧公式為基礎(chǔ)公式，建立濕周與流速、流量之間的相關(guān)關(guān)系，并繪出相應(yīng)的相關(guān)關(guān)系圖，從而得到生態(tài)流量[16]。本文選用的水力學(xué)計(jì)算方法的適用性特征見(jiàn)表2。

表2 水力學(xué)計(jì)算方法的適用性特征

3 結(jié)果分析與討論

3.1 不同方法計(jì)算結(jié)果對(duì)比

為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，更好地利用在水資源規(guī)劃管理中，采用多種方法確定蘭村、汾河二壩、義棠、趙城4個(gè)斷面的生態(tài)流量。本文將生態(tài)流量的計(jì)算做到月尺度上。以蘭村為例，利用以上14種方法計(jì)算得到的生態(tài)流量結(jié)果見(jiàn)表3。同時(shí)繪制14種方法的生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果曲線圖，如圖1—4所示。

圖1 蘭村斷面生態(tài)流量曲線圖

圖2 汾河二壩生態(tài)流量曲線圖

圖3 義棠斷面生態(tài)流量曲線圖

圖4 趙城斷面生態(tài)流量曲線圖

表3 蘭村斷面生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表 單位：m3/s

將多種方法計(jì)算的4個(gè)斷面逐月生態(tài)流量過(guò)程繪制成上圖進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：整體而言，4個(gè)斷面各種計(jì)算方法結(jié)果具有一定的相似性，其中逐月頻率計(jì)算法的生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果最大，Tessman法次之；蘭村斷面頻率曲線法計(jì)算結(jié)果最小，汾河二壩、義棠、趙城斷面頻率曲線法計(jì)算結(jié)果最小。逐月頻率法計(jì)算的4個(gè)斷面的生態(tài)流量在汛期大于其他方法。從年內(nèi)豐枯季節(jié)變化來(lái)看，蒙大拿法、改進(jìn)蒙大拿法、NGPRP法、Texas法、頻率曲線法、年內(nèi)展布法、逐月頻率計(jì)算法、Lyon法、Tessman法、月流量變動(dòng)法(VMF)都能較好地體現(xiàn)年內(nèi)豐枯季節(jié)變化過(guò)程；7Q10法、Q90法、最小月平均實(shí)測(cè)徑流法、濕周法計(jì)算出的生態(tài)流量均為固定值，不能體現(xiàn)年內(nèi)的季節(jié)變化。

從圖1—4計(jì)算的生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果可以看出，4個(gè)斷面在12、1、2月的生態(tài)流量都很小，但是在3月的時(shí)候，卻出現(xiàn)了明顯的增長(zhǎng)，這是由于汾河流域在12、1、2月時(shí)處于冰凍期，徑流本來(lái)就很少，但是在3月的時(shí)候，由于河水的融化，徑流變得更大了且由于3月春季灌溉需水增大，導(dǎo)致3月流量的急劇增長(zhǎng)。

3.2 生態(tài)流量年內(nèi)保障性分析

本文用生態(tài)流量年內(nèi)保障率作為生態(tài)流量年內(nèi)保障性分析的依據(jù)。生態(tài)流量年內(nèi)保障率是指各月份生態(tài)流量得到保障的年數(shù)占總年數(shù)的比值。通過(guò)計(jì)算得出1974—2020年蘭村、汾河二壩、義棠及趙城斷面生態(tài)流量年內(nèi)保障率，并繪制成折線圖，如圖5—8所示。

圖5 蘭村斷面生態(tài)流量年內(nèi)保障率折線圖

圖6 汾河二壩生態(tài)流量年內(nèi)保障率折線圖

由圖5—6可以看出，蘭村和汾河二壩斷面在各個(gè)月份的生態(tài)流量保障率總體趨勢(shì)是一致的，Q90法測(cè)定的生態(tài)流量保障率是最高的，90%的保障率是其次的，這兩個(gè)斷面在1、2、12月的保障率都很低，3、11月的保障率是最高的，其余月份的保障率都是波動(dòng)變化，這是因?yàn)?、2、12月的氣溫都比較低，而3、11月的保障率是最高的，這是因?yàn)?、2、12月河道結(jié)冰，河水的流量很少，所以不能保證河流的徑流量滿足生態(tài)系統(tǒng)的需要，同時(shí)因?yàn)橐獫M足春灌要求，河水的徑流量在3月增加。11月是因?yàn)榍锛竟喔鹊男枰?，?dǎo)致了該段的實(shí)測(cè)徑流增大，因此蘭村和汾河二壩的3、11月，該段的生態(tài)流量保障率較高；采用不同方法計(jì)算的蘭村和汾河兩個(gè)斷面在非汛期的生態(tài)流量保障率相差不大，以Q90法計(jì)算的生態(tài)流量保障率在非汛期為最大，以逐月頻率法計(jì)算的生態(tài)流量保障率最低。

由圖7—8可以看出，義棠和趙城兩個(gè)斷面用不同方法計(jì)算出的生態(tài)流量保障率在各個(gè)月的變化趨勢(shì)上是相似的，其中在義棠區(qū)域用Q90法計(jì)算出的生態(tài)流量保障率是最大的，其次是典型水文頻度年法，最后是Tessman法計(jì)算出的生態(tài)流量保障率是最小的。總體上表現(xiàn)為在汛期得到較高的保障，在非汛期得到較低的保障。采用多種方法計(jì)算得到的趙城斷面3月的保障率低于其他月份，是因?yàn)橹杏喂鄥^(qū)春季灌溉取水過(guò)多，占據(jù)了一部分流量，從而造成了河流流量減少；在汛期，除了頻率曲線法和NGPRP法之外，其余方法獲得結(jié)果都很低，特別是在汛期的6—7月，這可能是由于水庫(kù)在汛期大量蓄水，反而造成河道內(nèi)水量的減少，不能滿足河道維持生態(tài)環(huán)境功能的最少流量。

圖7 義棠斷面生態(tài)流量年內(nèi)保障率折線圖

圖8 趙城斷面生態(tài)流量年內(nèi)保障率折線圖

3.3 各月份生態(tài)流量過(guò)程推薦

根據(jù)汾河流域的具體條件，將其分為汛期(7—9月)和非汛期(1—6月和10—12月)兩個(gè)階段，并將非汛期分為結(jié)冰期(1、2、12月)和一般用水期(10—11月和3—6月)。4個(gè)斷面各月計(jì)算的最終生態(tài)流量推薦值見(jiàn)表4。

表4 汾河干流中游斷面各月份生態(tài)流量過(guò)程推薦值 單位：m3/s

根據(jù)汾河天然徑流的特點(diǎn)，對(duì)4個(gè)斷面用不同方法計(jì)算出的生態(tài)流量進(jìn)行了保障分析，由于1、2、12月的河水流量都是很小的，所以只要考慮到能夠保持河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定所需的最低水量就可以了，所以，建議生態(tài)流量的計(jì)算結(jié)果按照蒙大拿法的計(jì)算結(jié)果；在一般用水期，生態(tài)流量能為水生生物的存活創(chuàng)造有利的環(huán)境，建議使用最小月均實(shí)測(cè)徑流的方法，但是在3月，4個(gè)斷面上，由于河水融化及蘭村和趙城斷面受到了春秋兩季灌溉用水的影響較大，為了保持基本的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，我們選取了顧及生物棲息地的濕周法的計(jì)算結(jié)果來(lái)作為生態(tài)流量值；在汛期，為了更好地反映出流域年徑流量對(duì)流域生態(tài)環(huán)境的影響，建議使用年內(nèi)展布法進(jìn)行生態(tài)流量計(jì)算。

4 結(jié)論

(1)14種方法得出的生態(tài)流量成果差異很大，Q90法計(jì)算的生態(tài)流量結(jié)果最小，逐月頻率法計(jì)算的生態(tài)流量在汛期大于其他方法。改進(jìn)蒙大拿法、NGPRP法等都能較好地體現(xiàn)年內(nèi)豐枯季節(jié)變化過(guò)程。

(2)通過(guò)年內(nèi)保障性計(jì)算分析，并結(jié)合汾河實(shí)際情況得出3月是汾河中游需要重點(diǎn)監(jiān)護(hù)的時(shí)段。

(3)將生態(tài)流量過(guò)程劃分為汛期與非汛期，非汛期又包括結(jié)冰期及一般用水期。結(jié)冰期(1、2、12月)的生態(tài)流量推薦采用蒙大拿法的計(jì)算結(jié)果；一般用水期(10—11月和4—6月)生態(tài)流量推薦采用最小月平均實(shí)測(cè)徑流法的計(jì)算結(jié)果，3月作為汾河中游的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)期，選擇濕周法的計(jì)算結(jié)果作為生態(tài)流量值；汛期(7—9月)生態(tài)流量推薦采用年內(nèi)展布法的計(jì)算結(jié)果。