鄭鍵鵬

(廣東省水文局 清遠(yuǎn)水文分局，廣東 清遠(yuǎn) 511599)

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，人類社會(huì)對(duì)水資源的需求導(dǎo)致部分河流水資源在數(shù)量、質(zhì)量、可利用量及時(shí)空分布上均發(fā)生了一定程度的變化，加之人們對(duì)良好水生態(tài)環(huán)境的需求不斷增大，水資源的供需矛盾進(jìn)一步激化。人類對(duì)水資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)，會(huì)加大生態(tài)用水與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾，也會(huì)加劇對(duì)水生態(tài)平衡的破壞，導(dǎo)致河流水文情勢(shì)的改變、河道河床的下切，甚至是水生態(tài)系統(tǒng)退化等結(jié)果的出現(xiàn)[1]。因此，確定合理的生態(tài)流量對(duì)保證河道基本的生態(tài)功能和形態(tài)具有現(xiàn)實(shí)的迫切性。

河流生態(tài)流量是指保證河道生態(tài)環(huán)境用水需求的最小流量，用以分析河流維持自然生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定所需流量和人類用水間的相互平衡的關(guān)系[2]。世界范圍內(nèi)針對(duì)流域生態(tài)流量計(jì)算的方法超過(guò)200種[3]，具體劃分為水文學(xué)、水力學(xué)發(fā)、棲息地法和生態(tài)模擬法等，其中水文學(xué)法是目前國(guó)內(nèi)外研究生態(tài)流量領(lǐng)域里應(yīng)用最廣泛的，可直接依據(jù)歷史流量計(jì)算結(jié)果，具有快速、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)[4]。常用于計(jì)算生態(tài)流量的水文學(xué)包括Tennant法、Texas 法、Tessman法、NGPRP 法、90%保證率法和最枯月平均流量法等，不同方法的適用條件、范圍和優(yōu)缺點(diǎn)[5]有較大差異，在選取時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)際。

隨著沿河開(kāi)發(fā)活動(dòng)及水資源利用日益增多，連江流域沿途一些地區(qū)忽視河湖保護(hù)，污染河道、破壞河流生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)象非常突出，直接影響沿岸城市發(fā)展和人民群眾生活質(zhì)量。連江流域作為具有水文自然調(diào)節(jié)作用的天然河道，其飲用水水源地?cái)?shù)量極多，流域內(nèi)劃有16個(gè)具有漁業(yè)功用的水功能區(qū)，1個(gè)為河流型水功能區(qū)，其余15個(gè)為水庫(kù)型水功能區(qū)，除保障居民飲水和農(nóng)業(yè)灌溉外，水功能區(qū)還用于魚卵動(dòng)物的生長(zhǎng)繁殖等。因此，為維護(hù)連江流域生態(tài)健康，開(kāi)展流域生態(tài)流量研究、確定適合流域的生態(tài)流量具有重要意義。

2 研究區(qū)概況

2.1 流域概況

連江流域位于北江右岸，發(fā)源于連州市星子鎮(zhèn)潭嶺村三姊妹峰，流經(jīng)連州、陽(yáng)山、英德3縣(市)，于英德連江口鎮(zhèn)江口咀匯入北江(連江流域所屬縣區(qū)范圍示意見(jiàn)圖1)。作為珠江流域北江水系里最大的一級(jí)支流，連江流域干流全長(zhǎng)275 km，集水面積為10 061 km2，平均比降0.765‰，全河共有集水面積100 km2以上支流30條，其中最大支流青蓮水的集水面積為1 221 km2。流域地勢(shì)自西北向東南降低，呈扇羽狀的喀斯特地形，是典型的山溪河流，具有河床坡陡、流急、峽灘多而曲折、水位落差大等特點(diǎn)。流域地處亞熱帶氣候區(qū)，一年四季受季風(fēng)影響，降雨集中、洪水多發(fā)、漲落明顯，多年平均降雨量在1 560～1 990 mm之間，自上游至下游逐步遞增，年內(nèi)分配不均，汛期(4—9月)雨量占全年的73%左右。

圖1 連江流域所屬縣區(qū)范圍示意

2.2 控制站概況

高道水文站作為連江匯入北江干流較近的站點(diǎn)，為連江流域的控制斷面，站點(diǎn)位于英德市西牛鎮(zhèn)，地屬連江下游，至河口距離23 km處匯入北江，集水面積為9 007 km2，占連江流域總集水面積的89.5%。高道站上下游以山丘、水田為主，地勢(shì)起伏變化較大，河床坡度較小(見(jiàn)圖2)。

圖2 連江流域控制斷面高道水文站示意

3 研究數(shù)據(jù)與方法選用

3.1 數(shù)據(jù)確定

生態(tài)流量的計(jì)算建立在人類活動(dòng)影響最小的狀態(tài)[6]。本文以連江流域高道段為研究區(qū)域，選取高道水文站1991—2020年共30 a的歷史實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)，計(jì)算流域的生態(tài)流量。數(shù)據(jù)均來(lái)源于珠江流域水文年鑒(見(jiàn)圖3)。

圖3 高道站徑流量和流量的年內(nèi)變化

3.2 方法選用

水文學(xué)法是依據(jù)流域較長(zhǎng)的歷史實(shí)測(cè)水文資料來(lái)計(jì)算生態(tài)流量[7]，其重點(diǎn)模擬生物所適應(yīng)的天然流量節(jié)律[8]。本文選用Tennant法、90%保證率法、最枯月平均流量法、Tessman法、Texas法和NGPRP法共6種水文學(xué)法計(jì)算連江流域高道斷面的生態(tài)流量，具體見(jiàn)表1。

表1 生態(tài)流量計(jì)算方法

4 生態(tài)流量計(jì)算與結(jié)果分析

4.1 結(jié)果與分析

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，其中Tennant法分別以10%、20%和30%計(jì)算。結(jié)果可知，高道斷面多年平均徑流過(guò)程豐枯變化顯著，其中4—9月為汛期，流量約占全年的70%；10月—次年3月為非汛期，流量約占全年的30%。

表2 生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果 m3/s

繪制結(jié)果的年內(nèi)變化過(guò)程線(見(jiàn)圖4)。從變化規(guī)律看，各結(jié)果基本相似，生態(tài)流量在汛期(4—9月)先升高后降低，在非汛期(10月—次年3月)變化平穩(wěn)。結(jié)合圖3可知，生態(tài)流量結(jié)果在年內(nèi)也表現(xiàn)出豐枯交替的特征。

圖4 各方法生態(tài)流量結(jié)果年內(nèi)變化過(guò)程線示意

從計(jì)算結(jié)果看：

1)NGPRP法的計(jì)算結(jié)果為全年最大值，是其余方法結(jié)果的外包值，在結(jié)果上最接近多年月均流量。

2)Tessman法的生態(tài)流量結(jié)果全年偏大。該方法在枯水月的生態(tài)流量結(jié)果為多年月均流量，該取值通過(guò)抬高枯水月份的流量大小，保障由于枯水期來(lái)水量少造成的水量緊缺問(wèn)題，因此在非汛期大于其他方法的結(jié)果。

3)90保證率法和最枯月平均流量法的結(jié)果均為固定值，沒(méi)有體現(xiàn)季節(jié)波動(dòng)。兩者在使用范圍上基本一致，但前者更多應(yīng)用于納污需求較大的河流，后者則直接選取最枯月均流量的多年平均值。除了水功能區(qū)數(shù)量較多外，連江流域內(nèi)自上而下建有蓑衣灘、黃茅峽等多宗梯級(jí)航運(yùn)兼水力發(fā)電的樞紐，河流水質(zhì)目標(biāo)類別較高、排污需求較大，因此，兩種方法的計(jì)算結(jié)果均不滿足河流實(shí)際的需求，故不適用于連江流域。

4)Tennant法研究認(rèn)為，維持河流水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的最低要求是生態(tài)流量占同時(shí)段多年平均流量的10%，保護(hù)水生生物環(huán)境的適宜流量要求是占同時(shí)段多年平均流量的20%，而為大多數(shù)水生生物提供良好棲息生存空間的流量要求是占同時(shí)段多年平均流量的30%[22]。為滿足河道的最低需求，計(jì)算結(jié)果應(yīng)不低于多年平均的10%，從結(jié)果來(lái)看，3種不同Tennant法的生態(tài)流量結(jié)果在年內(nèi)變化與實(shí)際吻合，各峰值均出現(xiàn)在汛期的6月，考慮到連江流域的季風(fēng)氣候，3種結(jié)果滿足了各月的最低、較好、極好3個(gè)不同等級(jí)的環(huán)境狀況。

5)Texas法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)頻率取50%保證率下各月流量的特定百分率來(lái)估算該月的生態(tài)流量，一般情況下，國(guó)內(nèi)以20%的特定百分率取值。從結(jié)果看，Texas法直觀展現(xiàn)了河流的徑流過(guò)程，大小上也與Tennant法—20%接近。

4.2 方法比選

連江流域沒(méi)有相關(guān)的生態(tài)流量研究成果，依據(jù)上述計(jì)算方法，得到各種不同的生態(tài)流量結(jié)果，為了優(yōu)選出更符合流域生態(tài)實(shí)際的方法，擬從3個(gè)方面進(jìn)行比較，包括滿足率分析、魚卵發(fā)育期生態(tài)需水保障和生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)，選擇出適合流域斷面的生態(tài)流量定值。

4.2.1滿足率分析

滿足率可判斷生態(tài)流量對(duì)河道的適應(yīng)性。將9種生態(tài)流量結(jié)果與30 a實(shí)測(cè)流量資料對(duì)比，分析逐日、豐水年、平水年和枯水年不同水期下的滿足程度。結(jié)果見(jiàn)表3。各方法在豐水年和平水年時(shí)期，滿足率均接近100%，而在枯水年時(shí)期的滿足率結(jié)果在54.2%～100%，僅Tessman法在不同水期的滿足率均最小。

表3 各方法30年滿足率結(jié)果

用pearson法驗(yàn)證實(shí)測(cè)逐日流量資料與生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果的線性相關(guān)程度，可得相關(guān)系數(shù)大小在0.40～0.97范圍，全序列平均值為0.76，說(shuō)明數(shù)據(jù)關(guān)系緊密，相關(guān)程度較高。

計(jì)算2021年和2022年的滿足率，結(jié)果見(jiàn)表4。逐月看，Tennant法-10%的滿足率結(jié)果在月均流量和最小流量上都是最大值，而Tessman法和NGPRP法的滿足率較小，兩種方法結(jié)果偏離實(shí)際。逐日看，除Tessman法和NGPRP法外，其余結(jié)果都較大，說(shuō)明更貼近實(shí)際。

表4 各方法2021—2022年滿足率結(jié)果

用pearson法驗(yàn)證相關(guān)性，可得近2 a的月均流量與生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果的相關(guān)系數(shù)分別為0.80和0.81，說(shuō)明數(shù)據(jù)的相關(guān)程度也較高。

4.2.2魚卵動(dòng)物生態(tài)需水保障

魚卵發(fā)育期作為河道生態(tài)穩(wěn)定的敏感時(shí)期，分析該時(shí)期下生態(tài)流量是否滿足魚卵發(fā)育所需水量，是判斷生態(tài)流量計(jì)算方法合理與否的一個(gè)重要手段，也是維持河道生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要判斷依據(jù)。

連江流域共有魚種98種，隸屬9目20科75種，其中以鯪、鯉、子陵吻蝦虎魚、赤眼鱒等小型魚類種群占優(yōu)勢(shì)地位[23]。一般情況下，南方河流大部分魚卵的繁殖期為3—5月，魚類動(dòng)物的發(fā)育期為6—8月。因此，3—8月作為魚卵動(dòng)物繁殖發(fā)育的關(guān)鍵期，水生生物所需水量反映對(duì)河道生態(tài)用水的要求，水量的大小可視為生態(tài)流量的大小。

從多年平均占比和多年滿足率評(píng)價(jià)生態(tài)流量對(duì)魚卵動(dòng)物繁殖發(fā)育的適應(yīng)性，結(jié)果越大，則代表生態(tài)流量越能滿足生態(tài)需水要求(結(jié)果見(jiàn)表5、表6)。

表5 魚卵繁殖期多種方法對(duì)比分析

表6 魚卵發(fā)育期多種方法對(duì)比分析

在魚卵繁殖期和發(fā)育期，Tessman法和NGPRP法兩者結(jié)果的滿足率均偏低，不能滿足魚卵動(dòng)物初期對(duì)水量的需求；而90保證率法和最枯月平均流量法的多年占比結(jié)果都低于10%，這不符合魚類生物生長(zhǎng)環(huán)境的最低標(biāo)準(zhǔn)，也無(wú)法滿足魚類繁衍最低的生態(tài)要求。Tennant法和Texas法無(wú)論在多年占比還是在生態(tài)流量的滿足率上，都符合河道魚卵動(dòng)物對(duì)水量的需求，從結(jié)果來(lái)看，兩者能保障魚卵動(dòng)物的生態(tài)需水。

3.2.3生態(tài)狀況評(píng)價(jià)

Tenannt法除了計(jì)算生態(tài)流量，還能評(píng)價(jià)水文學(xué)法計(jì)算的生態(tài)流量結(jié)果的優(yōu)劣[23]，以河流逐月生態(tài)流量占各月多年平均流量的百分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ)，將河道生態(tài)環(huán)境狀況從高到低分級(jí)為最大、最佳、極好、非常好、好、中、差和極差共8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)[24]，同時(shí)結(jié)合水生生物對(duì)季節(jié)性的要求，分為汛期和非汛期兩種類別(評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表7)。

表7 Tennant法生態(tài)流量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合30 a系列的多年平均流量，用tennant法評(píng)價(jià)各方法生態(tài)流量結(jié)果。定義百分率大于等于60%為最大(紅色)，百分率在20%到60%之間為適宜(黃色)，百分率小于20%為最小(綠色)(評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖5)。

圖5 Tennant法評(píng)價(jià)結(jié)果示意

4—9月的汛期來(lái)水量大，河道流量較大，而10月—次年3月的非汛期偏枯，河道內(nèi)的流量較小。從表6可以看出，各方法在全年長(zhǎng)度上均出現(xiàn)3種不同的評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)于90%保證率法、最枯月平均流量法和Texas法-20%這3種方法，生態(tài)狀況評(píng)級(jí)基本為最小或適宜，說(shuō)明河道流量分配給生態(tài)的流量?jī)H能滿足最小程度的生態(tài)穩(wěn)定。對(duì)于Tessman法和NGPRP法，兩者的評(píng)價(jià)結(jié)果都較大，生態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果均在適宜及以上，但實(shí)際上，河道流量不能出現(xiàn)絕大部分都分配到生態(tài)系統(tǒng)的情況，且兩種方法計(jì)算出的生態(tài)流量偏大，其合理性較差。

4.3 方法確定

經(jīng)上述分析，可發(fā)現(xiàn)Tessman法和NGPRP法不適用于連江流域，一是生態(tài)流量的滿足率隨水文年而變化，豐水年滿足率高，枯水年滿足率低，但兩種方法結(jié)果的滿足率大小在1991—2022年均較低；二是兩者生態(tài)流量沒(méi)有很好地滿足實(shí)際用水需求，包括魚卵繁殖和發(fā)育期所需的生態(tài)水量，因此不宜作為生態(tài)流量的計(jì)算方法。

90%保證率法和最枯月平均流量法的生態(tài)流量滿足率均較高，但沒(méi)有體現(xiàn)季節(jié)變化，從表2結(jié)果也能發(fā)現(xiàn)其生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果過(guò)低，不能滿足水生生物的最低生態(tài)需水量。研究表明，豐枯年份、月份的生態(tài)流量大小要有區(qū)分，一般枯水時(shí)期來(lái)水量少，該時(shí)段水生生物對(duì)流量需求最為敏感[25]，因此，在枯水期保障生態(tài)流量更為重要，兩法不適用于計(jì)算連江流域的生態(tài)流量。

Texas法是在Tennant法下的改進(jìn)，但Texas法一般不適用于南方河流，因結(jié)果與實(shí)際差異較大，在環(huán)境評(píng)級(jí)上，該法僅體現(xiàn)了滿足功能需求的最低要求，該結(jié)果作為保證河流生態(tài)的臨界值，一旦出現(xiàn)河損低于該值，河流的生態(tài)系統(tǒng)將遭到破壞，環(huán)境變差而且難以恢復(fù)，因此不能作為合適的生態(tài)流量選擇，應(yīng)在此基礎(chǔ)上適當(dāng)預(yù)留一定的空間。

綜合來(lái)看，Tenannt法既滿足流量在年內(nèi)變化的適用性，又能滿足豐、平及枯水期生態(tài)需求的保證率，根據(jù)2010年水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院印發(fā)的《水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)生態(tài)指標(biāo)體系與應(yīng)用指導(dǎo)意見(jiàn)》：“我國(guó)南方河流，生態(tài)流量可采用Tennant法取多年平均天然流量的20-30%或以上。”因此，選用Tennant法-20%作為連江流域高道斷面計(jì)算生態(tài)流量的方法(見(jiàn)表8)。

表8 生態(tài)流量計(jì)算方法確定及其計(jì)算結(jié)果 m3/s

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于連江流域控制斷面高道站1991—2020年長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)，結(jié)合6種水文學(xué)方法，計(jì)算各月的生態(tài)流量，最后結(jié)合滿足率、魚卵期動(dòng)物生態(tài)需水保障與生態(tài)狀況評(píng)價(jià)等3個(gè)方面對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，選擇最合理的方法。結(jié)論如下：

1)6種生態(tài)流量計(jì)算方法所得結(jié)果存在一定的差異，90%保證率法和最枯月平均流量法計(jì)算結(jié)果全年恒定不變，沒(méi)有突出徑流在年內(nèi)的豐枯變化；Tennant法、Tessman法、Texas法和NGPRP法4種方法的結(jié)果變化特征基本一致，汛期隨流量增大而增大，非汛期隨流量減少而減少，但生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果差異較大，其中NGPRP法為各方法中的最大值，Tennant法-10%為最小值。

2)從滿足率結(jié)果看，各方法計(jì)算的生態(tài)流量結(jié)果在不同水期的滿足程度不同，在豐水年和平水年的滿足率基本為100%，枯水年則偏小，其中Tessman法在各水期的滿足率均較小，說(shuō)明該法不適用于連江流域；除NGPRP法的滿足率較小外，其余方法在逐月、逐日水期中的滿足率均大于90%，結(jié)合pearson分析法，相關(guān)系數(shù)大于0.8，證明生態(tài)流量結(jié)果與實(shí)測(cè)資料有較強(qiáng)的相關(guān)性。

3)從魚卵動(dòng)物生態(tài)需水保障看，Tennant法和Texas法能滿足魚卵3—5月繁殖期和6—8月發(fā)育期的生態(tài)需水要求，為魚卵動(dòng)物能提供穩(wěn)定健康的生態(tài)環(huán)境。

4)從Tennant法評(píng)價(jià)結(jié)果看，90%保證率法、最枯月平均流量法和Texas法-20%生態(tài)流量的結(jié)果對(duì)應(yīng)的河道生態(tài)狀況評(píng)價(jià)為最小或適宜，滿足生態(tài)流量的最低需求；Tessman法和NGPRP法雖評(píng)價(jià)較高，但不符合實(shí)際用水現(xiàn)狀。

5)由于每種計(jì)算方法所需的應(yīng)用條件不同，選擇合理的生態(tài)流量計(jì)算方法還需要充分考慮河流實(shí)際情況。綜合水文節(jié)律變化、滿足率分析、魚卵動(dòng)物生態(tài)需水保障和Tennant法檢驗(yàn)，選取Tennant-20%方法計(jì)算連江流域高道斷面的生態(tài)流量。