基于生徑比的淮河流域中上游典型斷面生態(tài)流量研究

王俊釵　張翔　吳紹飛　朱才榮　劉建峰

摘要：基于選取的淮河中上游5條河流，11個(gè)斷面的典型魚類調(diào)查資料以及長系列（1956年-2000年）天然和實(shí)測(cè)逐月徑流數(shù)據(jù)，運(yùn)用流速法（最小，平均，最大）、月最小徑流法、逐月頻率法設(shè)定四種生態(tài)流量的計(jì)算方案。首先，根據(jù)Tennant法提出針對(duì)豐、平、枯、特枯四種年型和年內(nèi)汛期、非汛期差異的生徑比標(biāo)準(zhǔn)。然后，根據(jù)流速法三種計(jì)算結(jié)果滿足生徑比標(biāo)準(zhǔn)的情況選取合理的生態(tài)流量計(jì)算方案。研究表明：5條河流的最小和適宜生徑比大小關(guān)系均為渦河>沙潁河>淮河干流>淠河>洪汝河；滿足生徑比標(biāo)準(zhǔn)的難易程度為洪汝河>淮河干流>淠河>沙潁河>渦河。渦河、沙潁河生態(tài)需水滿足程度低，應(yīng)提高生態(tài)用水比例。

關(guān)鍵詞：淮河；流速法；生態(tài)流量；生徑比；生徑比標(biāo)準(zhǔn)

中圖分類號(hào)：P333 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：16721683（2016）05007107

人類用水需求與河流生態(tài)系統(tǒng)健康用水需求之間的均衡已經(jīng)成為21世紀(jì)河流管理面臨的重要挑戰(zhàn)[13]。面對(duì)日益突出的水資源短缺、水污染嚴(yán)重、水生態(tài)環(huán)境惡化等問題，我國正在研究實(shí)施最嚴(yán)格的水資源管理制度，急需理論創(chuàng)新和管理方法創(chuàng)新。在水資源保護(hù)工作中，我們面臨嚴(yán)格核定和科學(xué)利用水域納污容量、充分考慮基本生態(tài)用水需求、恢復(fù)水環(huán)境、維護(hù)河湖健康生態(tài)的緊迫任務(wù)。生態(tài)需水研究標(biāo)志著人類對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)需水的再認(rèn)識(shí)，豐富了生態(tài)水文學(xué)的研究內(nèi)涵，并對(duì)有效開展生態(tài)保護(hù)、促進(jìn)生態(tài)建設(shè)和實(shí)現(xiàn)水資源合理配置具有重要意義[34]。

20世紀(jì)70年代-80年代，河流生態(tài)需水量研究開始蓬勃發(fā)展，大量學(xué)者進(jìn)行研究提出了多種評(píng)估方法，比如Tennant法[5]、IFIM法[6]、濕周法、R2CROSS法等。20世紀(jì)90年代以后，研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向從完整性角度考慮整個(gè)流域生態(tài)需求和流量變化關(guān)系，出現(xiàn)了整體分析法如澳大利亞的HEA法。21世紀(jì)以后，我國眾多學(xué)者提出了滿足不同功能的生態(tài)需水計(jì)算方法，如王西琴等[7]提出的月保證率設(shè)定法、劉昌明等[8]提出的生態(tài)水力半徑法、潘扎榮等[3]提出并在淮河運(yùn)用的年內(nèi)展布計(jì)算法。但是，這些方法大都缺乏與河流徑流變化相適應(yīng)的生態(tài)需水表征指標(biāo)，針對(duì)不同目標(biāo)采用不同計(jì)算方式導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果風(fēng)險(xiǎn)大難以在水資源配置和保護(hù)中達(dá)到預(yù)期效果。朱才榮等人[9]提出表征生態(tài)需水與徑流變化相適應(yīng)的生徑比概念，但沒有考慮年際徑流差異和年內(nèi)汛期、非汛期分配特征對(duì)生徑比的影響。本文以淮河流域?yàn)槔?，?yīng)用流速法設(shè)定三種方案計(jì)算生態(tài)流量，制定基于Tennant法的考慮年際、年內(nèi)分配特性的動(dòng)態(tài)生徑比標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)分析流速法各方案并選取合理方案確定生態(tài)流量，以期為人水矛盾突出的淮河流域的生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)資料

1.1 研究區(qū)域

本文以淮河流域中上游的洪澤湖以上區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象（圖1）。該區(qū)域地處我國南北氣候過渡帶，介于長江流域和黃河流域之間。多年平均降雨量約838 mm，降雨量50%～80%集中在6月-9月份；降雨年際變化大，豐水年的雨量多達(dá)枯水年的5倍；降雨地區(qū)分布也不均勻，北部沿黃河地區(qū)平均年降雨量為600～700 mm，南部及西部山區(qū)平均年降雨量為900～1 400 mm[10]。區(qū)內(nèi)水系主要有洪汝河、沙潁河、渦河、南部山區(qū)水系和淮河干流。其中沙潁河流域和渦河流域生態(tài)用水與社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水矛盾突出。

1.2 數(shù)據(jù)資料

本研究針對(duì)的是淮河流域中上游5條干支流，其中北部支流為洪汝河、沙潁河和渦河水系，南部支流為淠河水系。按照穩(wěn)定性、代表性、可靠性和連續(xù)性原則[11]選取了11個(gè)生態(tài)研究斷面，其中干流5個(gè)，支流6個(gè)（圖1）。收集11個(gè)斷面1956年-2000年的天然和實(shí)測(cè)月均徑流序列，并根據(jù)淮河流域水資源保護(hù)局、華東師范大學(xué)、中科院地理科學(xué)與資源研究所2006年實(shí)施的淮河流域生態(tài)調(diào)查所采集的魚類信息得到各斷面的典型魚類[1213]（圖1），其中新蔡、班臺(tái)和阜陽斷面，王家壩和淮濱斷面的典型魚類相同。依據(jù)11個(gè)斷面的長期流速流量觀測(cè)資料得到流速流量經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為：[WTB1X]v[WT]=aQb，其中a、b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，其取值見表1。

2 研究方法

2.1 流速法

流速法認(rèn)為滿足水生生物相應(yīng)的流速要求也就滿足了水生生物對(duì)棲息地的相應(yīng)要求，以流速作為棲息地指標(biāo)來確定河道生態(tài)流量[11]。其原理是根據(jù)斷面關(guān)鍵指示性物種確定生態(tài)流速，再依據(jù)斷面（[WTB1X]v[WT]Q）關(guān)系得到斷面生態(tài)流量。對(duì)于生態(tài)調(diào)查資料相對(duì)缺乏的河段一般選擇魚類作為指示性物種，調(diào)查各種魚類的生活習(xí)性，并確定其產(chǎn)卵期和非產(chǎn)卵期的感覺流速、喜愛流速和極限流速范圍，得到最小及適宜生態(tài)流速。由于當(dāng)非產(chǎn)卵期流速為01 m/s時(shí)，魚類游動(dòng)緩慢僅在特定區(qū)域作小幅運(yùn)動(dòng)，故本文取01 m/s為非產(chǎn)卵期最小生態(tài)流速[14]，以感覺流速為產(chǎn)卵期最小生態(tài)流速。喜愛流速的上限和下限則分別作為產(chǎn)卵期和非產(chǎn)卵期適宜生態(tài)流速[15]?；春恿饔蛑猩嫌沃饕湫汪~類的生態(tài)流速見表2。

考慮斷面魚類多樣性、用水矛盾的差異，以結(jié)合生徑比標(biāo)準(zhǔn)選取合理的生態(tài)流量計(jì)算方案。將最小和適宜生態(tài)流速均劃分為三種方案（表3）。方案四采用常用的逐月最小生態(tài)徑流法[16]（計(jì)算最小生態(tài)流量）、逐月頻率計(jì)算法[17]（計(jì)算適宜生態(tài)流量），用以驗(yàn)證流速法計(jì)算結(jié)果的合理性，其中逐月頻率計(jì)算法按照以下規(guī)則確定適宜生態(tài)流量[18]：冬季取80%月徑流保證率、春秋季取75%、夏季取50%。

2.2 生徑比標(biāo)準(zhǔn)

生徑比指一定時(shí)空范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)為維持某一生態(tài)目標(biāo)狀態(tài)所需的生態(tài)需水量和其天然徑流量之比[9]。根據(jù)時(shí)間尺度的不同分為年、汛期非汛期、月及日生徑比。生徑比可以反映生態(tài)需水量的動(dòng)態(tài)變化特征及與天然徑流之間的吻合情況。為使生態(tài)流量更好的體現(xiàn)河流生物棲息地需水的年際和年內(nèi)變化，采用距平百分率將長期徑流系列資料劃分為豐、平、枯和特枯四種年型[19]。計(jì)算不同年型及其年內(nèi)汛期、非汛期的生徑比并制定相應(yīng)的生徑比標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.1 年生徑比標(biāo)準(zhǔn)

采用基流比例法[20]計(jì)算不同年型年生徑比。首先確定某一年型的生徑比；其次根據(jù)各年型多年平均流量的比值采用式（1）推求不同年型生徑比之間的關(guān)系；由各年型生徑比之間的關(guān)系計(jì)算得到其它年型的生徑比。

2.2.2汛期非汛期生徑比標(biāo)準(zhǔn)

我國河流的汛期一般是河道內(nèi)生物生長的高峰期，河道流量大，生態(tài)流量也相對(duì)較大；非汛期河道流量小，生物生長緩慢，生態(tài)流量小。總體而言，由于汛期水量增長相對(duì)于生態(tài)需水量快，所以非汛期生徑比應(yīng)大于汛期。采用下述方式進(jìn)行處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)流量

根據(jù)各個(gè)斷面的魚類調(diào)查結(jié)果、表2列出的魚類不同時(shí)期的生態(tài)[HJ2.5mm]流速和表1所列的vQ經(jīng)驗(yàn)關(guān)系系數(shù)計(jì)算得到各斷面的逐月最小和適宜生態(tài)流量。以淮濱斷面為例，由圖1知淮濱斷面調(diào)查到的魚類為鯉、鯽、餐、鰱、鳙、光澤黃顙魚、蛇鮈、銀鮈、蒙古鲌，以這些魚類為斷面關(guān)鍵物種，依據(jù)本文21節(jié)魚類生態(tài)流速的確定方法確定最小和適宜生態(tài)流速，進(jìn)一步得到逐月最小和適宜生態(tài)流量（表8）。其它各斷面的計(jì)算結(jié)果鑒于篇幅所限不再列出。

由圖2可知，在汛期（6月-9月）流速法三種方案計(jì)算的最小和適宜生態(tài)流量均小于最小徑流法和逐月頻率法；而在非汛期流速法計(jì)算的適宜生態(tài)流量均大于逐月頻率法，非汛期除11、12月方案三結(jié)果均大于最小徑流法；表明汛期流速法結(jié)果較水文學(xué)法偏小即一般情況下汛期生態(tài)流量可以得到滿足。用Tennant法進(jìn)行檢驗(yàn)，流速法計(jì)算最小生態(tài)流量除方案三在4月-9月對(duì)應(yīng)差（生徑比03）外，其它均對(duì)應(yīng)極差（生徑比0～01）。這并不說明流速法計(jì)算結(jié)果偏小，而是由于淮濱斷面屬于淮河干流，河面寬敞，根據(jù)Tennant法可知，若大江大河的生態(tài)流量占其平均流量的5%～10%并保有一定的河寬、水深和流速，便可以滿足魚類回游、生存和旅游、景觀的一般要求[21]。

3.2 生徑比

3.2.1 年生徑比

不同年型淮河水系主要河流最小年生徑比和根據(jù)本文2.2節(jié)所計(jì)算的年生徑比標(biāo)準(zhǔn)見表10?？梢愿鶕?jù)表10動(dòng)態(tài)選擇不同河流不同年型的流速法方案，如渦河豐水年選取方案二，其它年份選取方案一。

3.2.2 汛期非汛期生徑比

根據(jù)流速法計(jì)算結(jié)果計(jì)算11個(gè)斷面不同年型的汛期、非汛期最小和適宜生徑比。

由圖3知，不同等級(jí)下流速法結(jié)果滿足生徑比標(biāo)準(zhǔn)情況存在差異。最小生徑比計(jì)算結(jié)果中大部分僅需方案一即可滿足Tennant法所定的標(biāo)準(zhǔn)，適宜生徑比（除沙潁河和渦河外）則至少需要方案二才能滿足，豐水年洪汝河斷面各方案均不能滿足所定標(biāo)準(zhǔn)，主要原因是河道水力坡度較大，生態(tài)流速易于達(dá)到要求，故而采用流速法所求結(jié)果較小，不易滿足以歷史流量為基礎(chǔ)的水文學(xué)法所定的標(biāo)準(zhǔn)。不同水平年流速法結(jié)果滿足情況亦不一樣。豐水年及平水年用流速法所求生徑比結(jié)果較小于枯水年和特枯年，從而較不易滿足Tennant法所定生徑比標(biāo)準(zhǔn)。年內(nèi)不同時(shí)期其滿足情況也不一樣，因適宜等級(jí)下非汛期生徑比標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)大于汛期，從而使得生徑比在非汛期比汛期更難滿足，以致非汛期需更高方案來滿足生態(tài)需水要求。

圖3表明，沙潁河和渦河采用方案一即可滿足基于Tennant法制定的最小生徑比標(biāo)準(zhǔn)；淮河干流最小生徑比標(biāo)準(zhǔn)僅需方案一即可滿足，適宜生徑比標(biāo)準(zhǔn)則至少需要方案二才可滿足；淠河則與淮河干流類似，但其較淮河干流更易獲得滿足；洪汝河最難滿足。各水系滿足生徑比標(biāo)準(zhǔn)的難易程度為渦河<沙潁河<淠河<淮河干流<洪汝河，這與水系生態(tài)需水保證率大小關(guān)系基本相反，該結(jié)論為洪汝河、淮河干流及淠河等干支流采用較高等級(jí)流速法方案提供了依據(jù)，而渦河在水資源緊缺現(xiàn)狀條件下應(yīng)采用方案一以防止生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)一步惡化；沙潁河則應(yīng)在適當(dāng)條件下（如豐水年和平水年）采用方案二或方案三來改善生態(tài)環(huán)境。因此一定程度上，流速法及Tennant法生徑比標(biāo)準(zhǔn)可為維持流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)健康的宏觀把握，為水資源調(diào)度管理提供一定參考依據(jù)。

4 結(jié)論

本文剖析和發(fā)展了生徑比概念的內(nèi)涵、特征，并基于Tennant法提出了考慮徑流年際變化、年內(nèi)汛期和非汛期差異的生徑比標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用流速法設(shè)定三種生態(tài)流速方案計(jì)算得到不同等級(jí)的最小、適宜生態(tài)流量及其對(duì)應(yīng)的生徑比。根據(jù)該生徑比滿足生徑比標(biāo)準(zhǔn)的難易程度，選取動(dòng)態(tài)生態(tài)需水方案，從而與徑流變化相適應(yīng)。研究表明：時(shí)間上，枯水年和汛期易滿足生徑比標(biāo)準(zhǔn)；空間上，渦河、沙潁河較淠河、淮河干流、洪汝河更易滿足生徑比標(biāo)準(zhǔn)；渦河、沙潁河需要提高河道生態(tài)用水比例以改善河道生態(tài)環(huán)境；不同河流在不同年型、年內(nèi)不同時(shí)期可以動(dòng)態(tài)選取生態(tài)流量。

本文研究尚存在一些缺陷，由于河道生態(tài)需水受水質(zhì)和水量的雙重約束，而本文僅從水量角度研究生態(tài)流量和生徑比的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，以后可以從水質(zhì)水量耦合角度研究生徑比規(guī)律，以期提供更科學(xué)的生態(tài)需水計(jì)算方案。

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