基于改進(jìn)流量歷時保證率法的河道生態(tài)需水計算

劉立軍，張 揚，郭麗君，嚴(yán) 杰

(1.浙江省水利河口研究院，杭州 310020；2.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，杭州 310020； 3.浙江廣川工程咨詢有限公司，杭州 310020)

河流是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，修復(fù)和改善河道生態(tài)，并實現(xiàn)水資源的合理配置，需科學(xué)合理地確定河道生態(tài)需水。河道生態(tài)需水是將河道生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和生態(tài)過程維持在一定水平所需要的水量，指一定生態(tài)保護(hù)目標(biāo)對應(yīng)的水生態(tài)系統(tǒng)的水需量及其過程。

1 國外河道生態(tài)需水計算方法簡述

國外早期關(guān)于河流生態(tài)環(huán)境需水量的研究主要是對河道枯水流量(Low -Flow)的研究[1-5]。經(jīng)過多年的研究，已形成一些相對成熟的河流生態(tài)需水估算方法，基本可以分為水文學(xué)法、水力水法、棲息地評價法、整體分析法等 4 大類[6]。

水文學(xué)法是根據(jù)河道的徑流資料計算基本生態(tài)需水量，屬于統(tǒng)計學(xué)方法，常用方法有Tennant法[7]、7Q10法、德克薩斯(Texas)法[8]、NGPRP法等。水文學(xué)法宜用在對計算結(jié)果精度要求不高，并且生物資料缺乏的情況。水文學(xué)法的優(yōu)點是現(xiàn)場不需要測定數(shù)據(jù)，具有簡單快速的特點；缺點是方法缺乏生物學(xué)資料證明，未考慮流量的豐、枯水年變化，也未考慮河段形狀的變化，若要證明計算結(jié)果的生態(tài)效應(yīng)，還要進(jìn)行大量的野外工作, 以設(shè)定不同標(biāo)準(zhǔn)和獲取必要的參數(shù)。

水力學(xué)法以保留河流的足夠水量和保持河道的基本形態(tài)為集中目標(biāo)，將流量變化與河道的斷面形狀、比降、水深等水力幾何學(xué)參數(shù)聯(lián)系起來確定基本生態(tài)需水量，代表方法有濕周法、R2CROSS法[9]、CASMIR法等。濕周法適用于濕潤河網(wǎng)區(qū)，但河道的形狀會影響該法的分析結(jié)果。R2CROSS法適用于一般淺灘式的河流棲息地類型。

棲息地評價法是在水力學(xué)法的基礎(chǔ)上，考慮水質(zhì)、水生物等因素，以提供一個適宜的物理生境作為目標(biāo)，根據(jù)流量-棲息地生境或流量-棲息地指示物種的相關(guān)關(guān)系確定生態(tài)需水量，代表方法有IFIM/PHABSIM法[10-13]、RCHARC法、Basque法等。該法使用起來比較靈活，但實際操作性不強，不容易被應(yīng)用，適用于已確定物種及其棲息地為生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的河道。由水文學(xué)法到棲息地法，資料條件的要求隨之增高，針對性也隨之增強。整體分析法綜合考慮了專家意見和生態(tài)整體功能，通過綜合研究河道內(nèi)流量、泥沙運輸、河床形狀與河岸帶群落之間的關(guān)系確定流量的推薦值，并要求這個推薦值能夠同時滿足生物保護(hù)、棲息地維持、泥沙沖淤、污染控制和景觀維持等整體生態(tài)功能。整體分析法主要有南非的BBM法和澳大利亞的HEA法，宜用于流域整體的生態(tài)需水評估。

2 問題的提出

不同的計算方法各有其適用條件和適用范圍，選定生態(tài)需水評估方法應(yīng)考慮河流類型、人們的生態(tài)環(huán)境價值觀、計算結(jié)果的精度要求、收集資料的費用和困難程度等。目前，人們對生態(tài)環(huán)境價值的觀念還不統(tǒng)一，國內(nèi)對河道生態(tài)需水的研究起步較晚，缺乏現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，缺乏系統(tǒng)建立在定量分析基礎(chǔ)上的綜合水文學(xué)、生態(tài)學(xué)和地理學(xué)的河道生態(tài)需水計算方法，對河道生態(tài)與水的關(guān)系研究還不夠深入，對河道生態(tài)需水的定量研究仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。許多河道生態(tài)需水計算方法涉及生態(tài)資料并需要實測數(shù)據(jù)支持，針對我國目前的研究現(xiàn)狀，在現(xiàn)階段水文學(xué)法最適合于我國河道生態(tài)需水研究[14]，可以作為區(qū)域和流域大空間尺度的宏觀研究手段，但需要對其評價標(biāo)準(zhǔn)做進(jìn)一步研究，以適合于我國河流要求。

流量歷時保證率(Flow-Duration Guarantee Rate)是反映流量在某一時段內(nèi)(年內(nèi)某一月、季節(jié)、一年)超過某一數(shù)值持續(xù)天數(shù)與時段總天數(shù)的比例。在流量歷時保證率中，應(yīng)用最廣的是以年為時段的日平均流量歷時保證率。繪制年為時段的日平均流量歷時曲線時，由于一年日數(shù)很多，一般以季或月為時段分組進(jìn)行歷時統(tǒng)計[15]。德克薩斯(Texas)法是在Tennant法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮了水文季節(jié)變化因素，采用某一保證率的月平均流量作為生態(tài)流量，月平均流量保證率的設(shè)定考慮了區(qū)域內(nèi)典型動物群(魚類總量和已知的水生物)的生存狀態(tài)對水量的需求。德克薩斯(Texas)法首次考慮了不同的生物特性(如產(chǎn)卵期或孵化期)和區(qū)域水文特征(月流量變化大)條件下的月需水量[14]，比現(xiàn)有的一些同類方法前進(jìn)了一步，是一種典型的流量歷時保證率法。

(1)河道生態(tài)需水與流域生態(tài)系統(tǒng)之間存在相輔相成的關(guān)系，水文條件是生態(tài)系統(tǒng)的一個重要的決定因素，濕潤區(qū)不可能出現(xiàn)具有顯著干旱區(qū)特性的生態(tài)系統(tǒng)，反之亦然。河道水文條件可以明顯影響河道生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和優(yōu)劣，另一方面，生態(tài)系統(tǒng)也會對水文條件產(chǎn)生一定的適應(yīng)性。因此，確定河道生態(tài)需水既要符合流域的水文特征，也要適應(yīng)流域生態(tài)系統(tǒng)的特性。對于季節(jié)性明顯的河流，河道生態(tài)需水應(yīng)符合水文氣象的季節(jié)性特征，也要適應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)對水文條件的季節(jié)性要求。以月或季為單位，以流量歷時保證率為指標(biāo)控制生態(tài)需水過程，是既能反映季節(jié)特征、又能兼顧生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)性的比較好的方式，且分析計算比較簡單，較易推廣應(yīng)用。考慮到可能存在的雨熱不同季等問題，簡單地以流量歷時保證率為控制指標(biāo)又顯得簡單粗暴，與生態(tài)系統(tǒng)的實際需求不相符。因此，對流量歷時保證率法作適當(dāng)改進(jìn)是必要的。

(2)河道生態(tài)需水目標(biāo)與流域水資源開發(fā)利用需求有關(guān) 在開展水資源開發(fā)利用規(guī)劃時，需統(tǒng)籌生活、生產(chǎn)和生態(tài)需水。在水資源緊張的區(qū)域，“三生”用水之間的脅迫非常明顯，對河道生態(tài)需水目標(biāo)無法定得很高，生態(tài)需水往往只是滿足最基本的生態(tài)需求。在水資源豐富的區(qū)域，水資源開發(fā)利用程度可以相對低一些，河道生態(tài)需水目標(biāo)自然就可以定得高一些，可以要求生態(tài)需水足以創(chuàng)造一個良好的生態(tài)環(huán)境。以生態(tài)需水量占多年平均徑流量的百分比為指標(biāo)控制生態(tài)需水總量，是統(tǒng)籌兼顧“三生”用水的可行方式。對特定流域，流量歷時保證率與流量之間往往有比較穩(wěn)定的相關(guān)關(guān)系，用流量歷時保證率法確定的生態(tài)流量成果相對穩(wěn)定，利于推廣應(yīng)用。

(3)河道生態(tài)需水目標(biāo)與民眾對生態(tài)的認(rèn)識和需求有關(guān) 生態(tài)系統(tǒng)究竟需要多少水才是最好的？極端環(huán)保主義者強調(diào)以環(huán)境為本或者以自然為本，忽視以人為本，認(rèn)為自然的就是最好的，就會導(dǎo)致人類無法正常開發(fā)利用水資源；若一味強調(diào)改造自然，盲目開發(fā)利用水資源，則可能嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境，最終遭受大自然的報復(fù)。因此，應(yīng)在科學(xué)研究的基礎(chǔ)上，積極引導(dǎo)社會對生態(tài)環(huán)境的認(rèn)識，合理確定與社會經(jīng)濟發(fā)展水平相適應(yīng)的生態(tài)需水。生態(tài)需水目標(biāo)可以用流量歷時保證率來表征，便于理解和接受。

3 改進(jìn)流量歷時保證率法

以長系列逐日平均流量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，資料系列應(yīng)不少于30年且應(yīng)盡量選擇受人為影響較小的水文數(shù)據(jù)。為反映季節(jié)的變化，建議以月為單位，將各月的逐日流量從大到小依序排列，即：Qij，i=1，2，…，N；j=1，2，…，12，其中：Q1j、QNj分別為年內(nèi)j月流量序列中的最大、最小流量值。

再計算年內(nèi)j月的歷時保證率為Pj的流量Qpj，即：

Qpj=Qj|P(Qij≥Qj)=Pj

(1)

參照生態(tài)環(huán)境需水量等級劃分研究成果[16]，以各月歷時保證率為50%、60%、75%和90%的流量為各月達(dá)到優(yōu)秀、良好、一般和基流等級的生態(tài)流量。

結(jié)合降水特征、氣象條件、生態(tài)系統(tǒng)和水資源開發(fā)利用的需求，對流量歷時保證率法作出適當(dāng)改進(jìn)，在年歷時保證率基本不變的條件下，根據(jù)經(jīng)驗直接對以月為時段的流量歷時保證率法計算結(jié)果在各月作平滑修正，更好地體現(xiàn)以豐補枯、水熱同步，提出更符合流域特征的生態(tài)需水結(jié)果。

4 計算案例

浙江省為典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨熱同步，采用流量歷時保證率法計算河道內(nèi)生態(tài)需水具有獨特優(yōu)勢。

按降水成因，大致可將浙江全省分為梅雨主控區(qū)、臺風(fēng)雨主控區(qū)和梅雨臺風(fēng)雨兼容區(qū)三種類型地區(qū)，且以山丘區(qū)中小流域為主。在梅雨主控區(qū)、臺風(fēng)雨主控區(qū)和梅雨臺風(fēng)雨兼容區(qū)各選一個山丘區(qū)流量站進(jìn)行河道內(nèi)生態(tài)流量分析計算。

表1 流量站信息表Tab.1 Information of stream gauging station

經(jīng)統(tǒng)計，各流量站各月平均流量與多年平均流量的比例見圖1。

圖1 各月平均流量與多年平均流量的比例Fig.1 Ratio of monthly average flow to multi-year average flow

由圖1可知，長風(fēng)站位于梅雨區(qū)，梅雨期降水明顯比較多，臺風(fēng)雨期明顯少。石柱站位于臺風(fēng)雨區(qū)，臺風(fēng)雨期的徑流占比明顯高。分水站位于梅臺兼容區(qū)，降水特征介于兩者之間。

3個流量站各月歷時保證率流量與多年平均流量的比例見圖2～圖4。

圖2 長風(fēng)站各月歷時保證率流量與多年平均流量的比例Fig.2 Ratio of monthly duration guarantee rate flow to multi-year average flow at Changfeng Station

圖3 分水站各月歷時保證率流量與多年平均流量的比例Fig.3 Ratio of monthly duration guarantee rate flow to multi-year average flow at Fenshui Station

圖4 永嘉石柱站各月歷時保證率流量與多年平均流量的比例Fig.4 Ratio of monthly duration guarantee rate flow to multi-year average flow at Yongjia-Shizhu Station

由圖2-4可知，各站各月歷時保證率流量能夠比較好地反映流域水文規(guī)律。各月歷時保證率為50%的累計徑流量占多年平均徑流量的約40%～50%，歷時保證率為60%、75%和90%的累計徑流量與多年平均徑流量的比例分別約為30%～40%，20%～30%和10%～15%。計算結(jié)果與SL/Z 712-2014《河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》和SL/Z 479-2010《河湖生態(tài)需水評估導(dǎo)則 (試行)》中的非常好、好、中、差4個生態(tài)環(huán)境狀況的生態(tài)需水量比較匹配。當(dāng)河道內(nèi)生態(tài)水量只達(dá)到基流等級時，所需生態(tài)水量約占多年平均徑流量的10%～15%，與國內(nèi)的有關(guān)規(guī)范以及常用的以多年平均流量的10%作為基流比較接近。

要使得河道內(nèi)生態(tài)水量達(dá)到優(yōu)秀等級，則所需生態(tài)水量約占多年平均徑流量的40%～50%，加上可以作為生態(tài)脈沖的洪水[17]，剩余的可利用水量約40%，與常用的水資源開發(fā)利用程度上限40%比較接近。但是，河道流量在年內(nèi)的分配是極不均勻的，最豐月與最枯月的比值高達(dá)8～10，豐水期明顯偏多，不利于水資源開發(fā)利用；枯水期略偏少，特別是梅雨主控區(qū)的7月、8月和9月，既是高溫期，又是多數(shù)生物的越冬準(zhǔn)備期，河道內(nèi)應(yīng)該有較大的流量。因此，對流量歷時保證率法作適當(dāng)修正是有必要的。

以年生態(tài)需水總量占多年平均徑流量的約40%、30%、20%和10%且多年平均年歷時保證率分別約50%、60%、75%和90%作為達(dá)到優(yōu)秀、良好、一般和基流等級的生態(tài)需水控制參數(shù)，最大月(4月～6月)需水量和最小月(11月-次年1月)需水量分別取平均值的150%和50%，其他月份綜合考慮水文、氣象和生態(tài)系統(tǒng)需要，需水過程實現(xiàn)平穩(wěn)變化。經(jīng)人為修正得到的三個站的生態(tài)需水結(jié)果見圖5和表2。

圖5 修正的生態(tài)流量與多年平均流量的比例Fig.5 Ratio of revised ecological flow to multi-year average flow

對比圖5和圖2-4，修正后的各等級的年生態(tài)需水量略有減少，主要是豐水期生態(tài)流量減少較多，但枯水期生態(tài)流量略有增加，且年內(nèi)生態(tài)需水過程更趨平穩(wěn)，水、熱的同步性更好，更能體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的需求。當(dāng)然，修正后，各月流量歷時保證率有比較大的變化，但多年平均年歷時保證率基本無變化。

表2 修正的R和P成果表 %

注：R=年生態(tài)需水量/多年平均徑流量；P為多年平均年歷時保證率。

參照基于生態(tài)水深-流速法的河段生態(tài)需水量計算方法[18]中的中型山區(qū)河流魚類水力生境參數(shù)參考標(biāo)準(zhǔn)，魚類生境最低標(biāo)準(zhǔn)要求平均水深≥0.3m、平均流速≥0.3m/s、水域水面面積≥70%。按照這些參數(shù)估算魚類最低生態(tài)需水見表3。

表3 基于生態(tài)水深-流速法的魚類生境最低流量成果表Tab.3 Minimum flow results of fish habitat based on ecological depth-flow velocity method

注：永嘉石柱站附近河道灘地發(fā)育，表中河寬為常水位河寬；R為魚類生境最低流量與多年平均流量的比值。

由表3可以看出，3個站基于生態(tài)水深-流速法的魚類生境最低流量大致應(yīng)為多年平均流量的15%～20%，界于圖5汛期的生態(tài)流量等級“基流”和“一般”之間?；诔Ｒ?guī)理解，“基流”往往難以滿足基本的生態(tài)需求，“一般”應(yīng)該能夠基本維持生態(tài)系統(tǒng)的正常狀態(tài)。因此，圖5的成果與基于生態(tài)水深-流速法的河道生態(tài)需水量評價標(biāo)準(zhǔn)有比較好的一致性。

另一方面，計算結(jié)果也表明，要保證比較好的河道內(nèi)生態(tài)需水量和過程，流域調(diào)蓄工程仍是必不可少的。以長風(fēng)站為例，多年平均徑流深超過1 100 mm，但8月和9月為高溫期且較易發(fā)生干旱，雨熱不同步現(xiàn)象仍是顯著的，不利于生態(tài)系統(tǒng)，需要經(jīng)常通過工程補水以改善生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量。

5 結(jié) 語

在現(xiàn)階段，水文學(xué)法最適合于我國河道生態(tài)需水研究，流量歷時保證率法在一定程度上考慮了區(qū)域內(nèi)典型動物群的生存狀態(tài)對水量的需求，是既能反映季節(jié)特征、又能兼顧生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)性的比較好的方式，且分析計算比較簡單，較易推廣應(yīng)用。

河道生態(tài)需水與流域生態(tài)系統(tǒng)之間存在相輔相成的關(guān)系，生態(tài)需水目標(biāo)與流域水資源開發(fā)利用需求有關(guān)，也與民眾對生態(tài)的認(rèn)識和需求有關(guān)。為使水熱同步性更好，更能體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的需求且年內(nèi)生態(tài)水量過程更趨平穩(wěn)，對流量歷時保證率法作適當(dāng)改進(jìn)是必要。

改進(jìn)流量歷時保證率法計算結(jié)果與基于生態(tài)水深-流速法的河道生態(tài)需水量評價標(biāo)準(zhǔn)有較好的一致性，多年平均年歷時保證率約50%、60%、75%、90%的生態(tài)流量與SL/Z 712-2014《河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》和SLZ479-2010《河湖生態(tài)需水評估導(dǎo)則 (試行)》中的優(yōu)秀、良好、一般、基流等級的生態(tài)需水要求匹配度高，說明改進(jìn)流量歷時保證率法方法可行、成果可用。

改進(jìn)流量歷時保證率法本質(zhì)上仍是水文學(xué)方法，仍未深入研究河道生態(tài)與水的關(guān)系，缺乏生物學(xué)資料證明，也未考慮流量的豐、枯水年變化，仍需進(jìn)一步完善。

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