徐 旭

（安徽省安慶水文水資源局,安徽 安慶 246003）

隨著可持續(xù)性發(fā)展的不斷推進(jìn),河流的生態(tài)健康研究已成為全球人類普遍關(guān)注的熱點(diǎn)。良好的生態(tài)環(huán)境是人類實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要自然條件,河流是生態(tài)環(huán)境能夠正常運(yùn)行重要保障之一[1]。河流本身并沒有生態(tài)流量,但是河流、湖泊中存在各種水生動(dòng)物、植物的生育、成長(zhǎng)、繁衍,需要河流提供水生環(huán)境；同時(shí)由于社會(huì)的不斷進(jìn)步發(fā)展,人類對(duì)河流用水需求量日益增加,從而產(chǎn)生了生態(tài)流量這個(gè)新名詞。

河流生態(tài)流量一般是指河流應(yīng)保持其生態(tài)功能所應(yīng)該持有的流量,當(dāng)流量值小于該臨界值,河流本身會(huì)發(fā)生演變,導(dǎo)致河流系統(tǒng)的生態(tài)退化[2]。20 世紀(jì)末,國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)河流生態(tài)需水展開研究,張澤聰采用Tennant 法計(jì)算出具有季節(jié)性變化的北方河流的生態(tài)流量[3]。李紅清在厄瓜多爾水資源管理中應(yīng)用Tennant 和流量歷時(shí)曲線法計(jì)算出了212 個(gè)生態(tài)控制斷面的生態(tài)流量[4]。針對(duì)江淮地區(qū)河流特點(diǎn),筆者提出適宜該區(qū)域的河流生態(tài)流量計(jì)算方法,以期為實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)的技術(shù)支持。

1 研究方法

河流水生態(tài)系統(tǒng)按照其空間發(fā)生位置不同分為：在河道內(nèi)與河道外系統(tǒng),本次主要研究?jī)?nèi)容是計(jì)算河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的需水量。河流河道內(nèi)生態(tài)流量水文計(jì)算方法主要包括有：Tennant 法、美國(guó)7Q10 法、頻率計(jì)算法、得克薩斯州法[5]。

1.1 Tennant 法

Tennant 法起源于20 世紀(jì)70 年代,由美國(guó)學(xué)者田奈特提出[6],通過研究320 km 長(zhǎng)度河段,60 個(gè)斷面,50 多種流量狀態(tài),通過開展棲息地研究后建立河流流量與所處生態(tài)系統(tǒng)之間的關(guān)系,綜合考慮分析不同河流、多種流量級(jí)、不同橫斷面條件下的化學(xué)、物理、生物指標(biāo)對(duì)漁業(yè)產(chǎn)生的相關(guān)影響,建立水生生物與河流流量之間的關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)：（4 月～9 月時(shí)間段）極差等級(jí)為0～10%（多年平均流量百分比）,最小等級(jí)10%,一般等級(jí)10%,良好等級(jí)20%,很好等級(jí)30%,極好等級(jí)40%,最佳范圍等級(jí)60%～100%,最大等級(jí)200%；（10 月-翌年3 月）時(shí)間段極差為0～10%（多年平均流量百分比）,最小10%,一般30%,良好40%,很好50%,極好60%,最佳范圍60%～100%,最大200%。該方法最大的優(yōu)勢(shì)在于需要數(shù)據(jù)相對(duì)較少,不需要進(jìn)行大量的野外勘察工作,適宜在于缺乏生態(tài)資料的地區(qū)使用。這種方法的主要缺點(diǎn)在沒有徹底對(duì)研究河流區(qū)域的方方面面（包括物理、化學(xué)、生物）的實(shí)際情況進(jìn)行充分的分析考慮,沒有詳細(xì)分析水生植物、動(dòng)物的各項(xiàng)需求,生物不同種內(nèi)、種間的相互影響關(guān)系。生態(tài)學(xué)者在采用其他水文分析法進(jìn)行生態(tài)流量計(jì)算時(shí)常常采用Tennant 法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)估檢驗(yàn)。

1.2 頻率法

首先收集研究河流歷史流量資料,以月為單位建立長(zhǎng)系列月流量值,各月份采用不同保證率（豐、平、枯水年分別對(duì)應(yīng)50%、75%、90%保證率）,不同保證率對(duì)應(yīng)的流量值即為該河流生態(tài)流量值,該方法可以較好表征出河流的動(dòng)態(tài)徑流過程[7]。

2 研究區(qū)河流及水文站概況

2.1 測(cè)站基本情況

沙河埠（二）水文站位于安徽省潛山縣源潭鎮(zhèn)雙峰居委會(huì),地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°41'46'',北緯30°51'48''。流域呈扇形,發(fā)源于岳西縣魏嶺,流經(jīng)岳西縣、潛山縣10 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和1 個(gè)國(guó)營(yíng)林場(chǎng)。流域內(nèi)地勢(shì)呈西北高東南低走向,地形為山區(qū)和淺山區(qū),山區(qū)約322 km2,占流域面積70%,淺山區(qū)約138 km2,占流域面積30%。最高峰為豬頭尖峰,高程1529 m ,最低處為測(cè)驗(yàn)斷面附近,高程50 m。流域平均高程411 m,平均坡度18.5 dm/km2,河道長(zhǎng)度52.8 km,河道平均坡度6.66‰,流域形狀系數(shù)0.664。流域地質(zhì)屬花崗巖、片麻巖和石英巖。土壤大致為麻谷土、豬肝土、沙土、沙壤土等。其中沙土面積占流域面積的87%。植被覆蓋情況較好,森林覆蓋率67.5%。植被以松樹、栗樹、杉樹為主；還有一些灌木,以及人工種植的桑、油茶、竹等。

本流域?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)性氣侯區(qū),造成暴雨的天氣系統(tǒng)主要是切變線、低渦及臺(tái)風(fēng)。降水以鋒面雨為主。多年平均面降水量1411.2 mm,最大年面降水量2229.7 mm,最小年面降水量836.0 mm；本站多年平均降水量1366.0 mm,年降水量最大值2105.2 mm,最小值為766.8 mm；雨量主要集中在5 月～9 月份,占年降水量60%以上。

2.2 河流概況

本次研究對(duì)象為長(zhǎng)江流域白兔湖水系青草塥河,為長(zhǎng)江北岸支流水體。該河設(shè)有國(guó)家基本水文站-沙河埠（二）水文站,位于潛山市源潭鎮(zhèn)雙峰居委會(huì),測(cè)站以上集水面積460 km2。冬季平均氣溫小于10℃,夏季為22℃,春、秋季為10℃～20℃。白兔湖入湖河流多,水質(zhì)良好,適宜魚類產(chǎn)卵繁衍、覓食、棲息,回游魚類多。每年3 月～4 月桃花汛和6 月～8 月伏汛,都是捕撈旺季,主要經(jīng)濟(jì)魚類,如青、草、鰱、鳙、鯽魚等。該區(qū)域的魚類,大多數(shù)在溫暖的春季產(chǎn)卵,主要產(chǎn)卵期為3 月～6 月,外界環(huán)境條件中河流流量、水溫、底質(zhì)都和魚類的產(chǎn)卵要求能否滿足有關(guān),持續(xù)高水流速促進(jìn)魚類新陳代謝,對(duì)于魚類產(chǎn)卵成功率起到了促進(jìn)作用。

2.3 水文測(cè)驗(yàn)概況

采用河流河道內(nèi)生態(tài)流量水文計(jì)算方法時(shí),數(shù)據(jù)來源于河流斷面水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),包括降雨量及實(shí)測(cè)流量。沙河埠（二）水文站是白兔湖水系青草塥河的控制站,位于青草河出山口。沙河埠（二）水文站主要測(cè)驗(yàn)斷面有2 個(gè),分別為基本水尺斷面兼流速儀測(cè)流斷面、流速儀測(cè)流斷面（基下220 m）。測(cè)驗(yàn)河段順直長(zhǎng)度200 m,河寬150 m 左右。主槽靠河道左岸,河床為沙質(zhì)變動(dòng)河床,穩(wěn)定性較差。在河右岸河底高程要明顯地高于河左岸。中高水位時(shí),基本水尺斷面下游220 m 處的彎道開始起控制作用。2010 年以后,河道禁沙以來,測(cè)驗(yàn)河段因沖淤影響,河床下降趨緩。最大流量發(fā)生在1969 年7 月14 日,為6100 m3/s,最小流量發(fā)生在1967年8月30日,為11.6 m3/s。

3 河道內(nèi)生態(tài)流量計(jì)算與分析

3.1 計(jì)算過程

多年月平均流量：某月平均流量=某月每天流量之和/天數(shù),多年月平均流量=1960 年～2016 年長(zhǎng)系列某月流量之和/57。

Tennant 法：某年平均流量=某年1 月～12 月每月平均流量之和/12,多年平均流量=1960 年～2016 年長(zhǎng)系列每年平均流量之和/57。1 月、2 月、9 月、10 月、11 月、12 月采用計(jì)算得出的多年平均流量乘以0.1,3 月～8 月采用多年平均流量乘以0.3。

逐月頻率法：建立某月1960 年～2016 年長(zhǎng)系列數(shù)據(jù),使用水文頻率計(jì)算適線軟件計(jì)算出該月50%、75%、90%保證率條件下的月流量,3 月～8 月采用50%保證率,2 月、9 月、10 月采用75%保證率,11 月、12 月、1 月采用90%保證率。

保證率：在進(jìn)行水利計(jì)算時(shí),將經(jīng)驗(yàn)頻率換算為保證率的概念。如對(duì)降雨而言,就是某一降水量獲得保證的年份數(shù)占計(jì)算總年數(shù)的百分比。保證率為50%,說明長(zhǎng)期的統(tǒng)計(jì)計(jì)算中,某一年降水量50%的年份得到保證,50%的年份不足。降水是生態(tài)用水的主要來源,一般把保證率為25%的降雨年份作為豐水年,50%保證率的降雨年份作為平水年,75%的年份為枯水年。

3.2 計(jì)算結(jié)果

本次計(jì)算青草塥河河道內(nèi)生態(tài)流量,采用國(guó)家基本水文站—沙河埠（二）水文站1960 年～2016 年天然徑流資料進(jìn)行計(jì)算,重點(diǎn)考慮魚類生物需水和區(qū)域主降水期,將一年周期分為兩個(gè)時(shí)間段：豐水期（3 月～8 月）、枯水期（9 月～翌年2 月）,其中豐水期設(shè)定主要考慮受季風(fēng)氣候影響的河流汛期以及河流中魚類的產(chǎn)卵育幼期。經(jīng)過Tennant 法、逐月頻率法計(jì)算青草塥河河道內(nèi)生態(tài)流量見表1,同時(shí)采用Tennant 等級(jí)生態(tài)流量評(píng)價(jià)法對(duì)3 種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià),見表2。

表1 青草塥河河道內(nèi)生態(tài)流量計(jì)算成果表單位：m3/s

表2 青草塥河河道內(nèi)生態(tài)流量（Tennant 等級(jí)）評(píng)價(jià)表

采用Tennant 法時(shí),考慮3 月～8 月是魚類產(chǎn)卵育幼期,河寬、水深、流量都將為魚類提供優(yōu)良的生長(zhǎng)環(huán)境,同時(shí)又是春夏兩季,可以為人類活動(dòng)（捕魚、劃船等）提供便利,在此期間適宜保持多年平均流量的30%作為河道內(nèi)生態(tài)流量閾值。9 月～翌年2 月降雨量減少,同時(shí)考慮人類生活和自然系統(tǒng)對(duì)河流的需求都較少,可采用多年平均流量的10%作為河道內(nèi)生態(tài)流量閾值,該方法條件下河流長(zhǎng)期處于生態(tài)流量閾值,河流生態(tài)系統(tǒng)處于生態(tài)亞健康狀態(tài),易造成河流生態(tài)環(huán)境的退化和不可逆的破壞。

頻率法更加細(xì)化了河流的動(dòng)態(tài)徑流過程,根據(jù)逐月天然徑流量的水文情勢(shì)特性,在不同時(shí)期采取不同保證率。同時(shí),將頻率法計(jì)算的結(jié)果通過使用Tennant 法流量與生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)：1 月為良好等級(jí),2 月為很好等級(jí),3 月～8 月為最佳等級(jí),9 月～10 月為良好等級(jí),11 月～12 月為一般等級(jí)。該方法較好地體現(xiàn)了具有明顯季節(jié)性變化河流的特征,高水位、大流量又對(duì)水生生物產(chǎn)卵育幼起到了促進(jìn)作用。同時(shí),河流保持較高水位、大流量有助于水體中污染物遷徙,如果水位較低、流量較小,水體沉積物易于積累在河底從而污染河流,進(jìn)而對(duì)下游產(chǎn)生高負(fù)荷。

4 結(jié)論

（1）Tennant 法、頻率法等部分水文學(xué)分析法在大多數(shù)的情況下不需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定數(shù)據(jù),適用于成熟度不高的河段研究中。采用頻率法計(jì)算逐月生態(tài)流量值適用于具有明顯季節(jié)性變化的江淮地區(qū)河流,展現(xiàn)出河流的動(dòng)態(tài)徑流過程。

（2）青草塥河生態(tài)流量不應(yīng)該是某一個(gè)閾值,而應(yīng)該是根據(jù)自然-社會(huì)雙重條件影響下的動(dòng)態(tài)值,應(yīng)參考逐月天然徑流量的百分比：每年3 月～8 月河流河道內(nèi)生態(tài)流量為逐月平均流量的60%～100%,9 月～翌年2 月為逐月平均流量的30%～40%。