基于多種水文學(xué)方法的贛江下游生態(tài)流量估算

黃彬彬， 田 芳， 吳紹飛， 康傳雄

(1.南昌工程學(xué)院鄱陽湖流域水工程安全與資源高效利用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，南昌 330099； 2.南昌工程學(xué)院江西省水安全與可持續(xù)發(fā)展軟科學(xué)研究基地，南昌 330099)

隨著人口劇增和社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，河道外生產(chǎn)用水、生活用水和河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境用水的競(jìng)爭(zhēng)加劇，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境退化嚴(yán)重。生態(tài)流量是維持河流水生態(tài)系統(tǒng)不發(fā)生退化的最小流量，是水資源開發(fā)利用中重要的約束性指標(biāo)。近年來，越來越多的學(xué)者也逐漸關(guān)注生態(tài)流量方面的研究。

從研究方法上來講，目前中外關(guān)于生態(tài)流量的計(jì)算方法已有200余種[1]。大致可以概括為以下4類：①水文學(xué)方法，包括Tennant法、7Q10法、最小日平均流量多年平均值法等。徐宗學(xué)等[2]通過水文學(xué)方法、水力學(xué)方法和水量水質(zhì)綜合模擬法三類方法計(jì)算渭河關(guān)中段的生態(tài)基流，通過對(duì)比分析認(rèn)為平均水深法的計(jì)算結(jié)果更能滿足河流生態(tài)系統(tǒng)需求。張颯等[3]應(yīng)用RVA法評(píng)估漢江中游的水文情勢(shì)，量化了水文變化的程度；徐偉等[4]運(yùn)用改進(jìn)的7Q10法計(jì)算灤河各段代表水文站的最小生態(tài)流量。②水力學(xué)方法，包括R2-CROSS法、濕周法、CASMIR法等。郭文獻(xiàn)等[5]通過曲率最大法和斜率法的對(duì)比分析計(jì)算，確定宜昌、漢口斷面的最小生態(tài)流量；張新華等[6]結(jié)合濕周法和R2-CROSS法建立了一個(gè)新的水力學(xué)方法，確定的適宜生態(tài)流量更適合渭河關(guān)中段。③生物棲息地法，包括IFIM法、加權(quán)有效寬度和有效寬度法等。陳敏建等[7]利用魚類生境法和魚類生物量法， 計(jì)算松花江流域的適宜生態(tài)需水；班璇[8]通過中華鱘生境需求構(gòu)建中華鱘的物理?xiàng)⒌啬Ｐ?，得出葛洲壩下游合理的生態(tài)流量決策。④綜合分析法，包括澳大利亞的整體分析法和BBM法。水力學(xué)方法、生態(tài)棲息地法和綜合分析法需要量化水生生物棲息地流速、水深等水力學(xué)因子，收集代表性水生生物的適宜生長(zhǎng)過程曲線，不僅需要大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，還需要較長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)周期，致使這三種方法難以廣泛推廣；水文學(xué)方法以河流歷史流量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)來計(jì)算生態(tài)流量，簡(jiǎn)單方便、需要數(shù)據(jù)少、數(shù)據(jù)要求低，實(shí)用性較強(qiáng)。

贛江是江西省最大河流，長(zhǎng)江的第七大支流。近年來，贛江下游由于挖沙作業(yè)的影響，流域內(nèi)經(jīng)常發(fā)生旱情，枯水期最低水位相繼跌破歷史最低水位，水污染日益嚴(yán)重，水生態(tài)系統(tǒng)退化明顯[9-11]。為了維持贛江的生態(tài)環(huán)境健康，恢復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，研究贛江干流的生態(tài)流量就顯得十分重要。本文通過收集整理贛江流域外洲水文站六十多年的逐日流量資料，分析贛江干流的生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)，采用RVA(range of variability approach)法、最小日平均流量多年平均值法、90%保證率月最小日平均流量法(Q90法)、NGPRP法、Texas法和多年日流量資料排頻法(90%)計(jì)算贛江干流的生態(tài)流量過程，并采用Tennant法對(duì)這6種計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)，得到適合贛江下游適宜生態(tài)流量過程的計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果可為贛江流域水資源的優(yōu)化配置、區(qū)域可持續(xù)開發(fā)利用和水生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和與研究方法

1.1 贛江流域概況

贛江流域地理位置及范圍如圖1所示，屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，雨量充足但降水分布不均勻，降水多集中在5、6月，兩月降水量占全年的38%～46%，7—9月常出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)型暴雨，易形成災(zāi)害性洪水，贛江流域多年平均流量為2 152 m3·s-1。

圖1 贛江流域地理位置及范圍示意Fig.1 Geographical location and scope of Ganjiang river basin

1.2 數(shù)據(jù)來源

選用的數(shù)據(jù)是外洲水文站逐日流量序列1954—2015年共62 a的流量數(shù)據(jù)資料。

1.3 研究方法

RVA法的計(jì)算目的是認(rèn)識(shí)水文變化在維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)中的重要作用[12]。利用RVA閾值來計(jì)算流量過程線的可變范圍，為流域生態(tài)流量的估算研究提供了參考依據(jù)[13]。RVA方法是對(duì)32個(gè)IHA指標(biāo)進(jìn)行分析，僅選用IHA指標(biāo)中的月平均流量。根據(jù)舒暢等[14]的研究，在天然可變范圍(即RVA閾值差)大于正常水文特征值(均值)的變動(dòng)范圍的情況下，才能夠維持河流健康生態(tài)系統(tǒng)。本文RVA法IHA指標(biāo)參數(shù)的上、下限(RVA閾值)的發(fā)生概率取25%和75%，生態(tài)流量的計(jì)算公式為

(1)

Q90法[15]即90%保證率月最小日平均流量法，源于美國(guó)的7Q10法,即采用90%保證率下最枯連續(xù)7 d的平均流量作為河流最小流量設(shè)計(jì)值并將此作為污染物排放對(duì)水生物長(zhǎng)期影響效果的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)流量。7Q10法在20世紀(jì)70年代傳入中國(guó)并在許多大型水利工程建設(shè)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)中應(yīng)用。但是該準(zhǔn)則的要求較高，不太適合中國(guó)的國(guó)情，因此對(duì)于該方法進(jìn)行修改，一般采用近10 a的最枯月平均流量或90%保證率最枯月平均流量。即對(duì)多年某一月份下的最枯流量進(jìn)行頻率分析(通常選用P-Ⅲ型曲線)，90%保證率對(duì)應(yīng)的流量即為所求。

最枯月平均流量多年平均值法[16]應(yīng)用較為廣泛，就是在長(zhǎng)系列的水文資料下，計(jì)算月平均流量，選擇最小的流量數(shù)據(jù)作為最枯月平均流量，然后選擇該數(shù)據(jù)在選擇的水文序列中的最小值流量。

多年日流量排頻法[12]，即假設(shè)每月的日流量的發(fā)生概率是相等的，然后把每月的所有日流量數(shù)據(jù)進(jìn)行從大到小排頻，畫出P-Ⅲ曲線，得到不同頻率下的流量的一種水文學(xué)方法。此方法一般用來對(duì)比不同頻率的流量過程，以滿足不同目標(biāo)下的生態(tài)保護(hù)用水。

NGPRP法[17]對(duì)所取年份進(jìn)行干旱年、標(biāo)準(zhǔn)年和濕潤(rùn)年的分組，最小流量的取值為標(biāo)準(zhǔn)年組90%保證率下的流量值。該方法不僅重視干旱年、標(biāo)準(zhǔn)年和濕潤(rùn)年的差別，還將氣候條件以及接受范圍內(nèi)的頻率因素考慮在內(nèi)，但唯一的缺點(diǎn)就是生物學(xué)基礎(chǔ)不強(qiáng)。

Texas法[18]在考慮了季節(jié)變化因素的基礎(chǔ)上，將最小流量的取值定義在50%保證率下月流量取值。其中特定百分率是以研究區(qū)內(nèi)典型植物一級(jí)魚類的水量需求設(shè)定的，該法首次考慮了不同生物特征和區(qū)域水文特征條件下的需水量。本文由贛江下游控制站外洲水文站62 a的月徑流量資料，經(jīng)頻率計(jì)算后取50%保證率下月流量的特定百分率作為最小流量[19]。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、生態(tài)文明建設(shè)的不斷推進(jìn)和實(shí)施，人們對(duì)生態(tài)環(huán)境功能的需求不斷增加，可以根據(jù)在下泄流量為較高保證率的生態(tài)流量值條件下，不斷調(diào)整保證率水平，以維持社會(huì)不同的生態(tài)環(huán)境功能的需求。此時(shí)，生態(tài)流量不再是一組恒定不變的數(shù)值，而是與生態(tài)環(huán)境功能相關(guān)聯(lián)的一系列可變動(dòng)的數(shù)值[20]。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 計(jì)算結(jié)果

各種方法的計(jì)算結(jié)果如表1所示。由表1可知，1—6月的徑流量逐漸增加，7—12月逐漸減少。其中贛江流域的主汛期是4—6月，三個(gè)月的月徑流總量占全年總徑流量49.26%，10月—次年1月份為枯水期，四個(gè)月的月徑流總量?jī)H占全年總徑流量的14.40%。6種方法計(jì)算的生態(tài)流量結(jié)果均能反映出年內(nèi)變化特征與季節(jié)性的變化趨勢(shì)。計(jì)算得到4—6月的生態(tài)流量較大，且最大的生態(tài)流量出現(xiàn)在6月，達(dá)到了4 509 m3·s-1，10月—次年1月為枯水期，生態(tài)流量相對(duì)較小，其中12月份的生態(tài)流量最小，最小的低至210 m3·s-1。4月與3月相比有一個(gè)較大的增長(zhǎng)，7月與6月相比有一個(gè)較大的回落。

表1 6種方法下的生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果

2.2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析與評(píng)價(jià)

各種方法的生態(tài)流量過程線圖如圖2所示。6種計(jì)算方法得出的生態(tài)流量值都在多年平均值之下，Texas法計(jì)算出來的生態(tài)流量最大，接近多年平均流量值，但在一般情況下該流量值難以實(shí)現(xiàn)；Q90法得到的生態(tài)流量過程最小，對(duì)應(yīng)較低的生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求；最枯月平均流量多年平均值法計(jì)算的生態(tài)流量過程變化程度大，上升和下降的程度劇烈，且在非汛期生態(tài)流量較低；多年日流量排頻法中在90%頻率下對(duì)應(yīng)的生態(tài)流量過程與RVA法、NGPRP法計(jì)算的生態(tài)流量過程相似。

圖2 6種方法計(jì)算的年生態(tài)流量過程Fig.2 Annual ecological flow process calculated by 6 methods

根據(jù)這6種方法的計(jì)算結(jié)果并利用Tennant法[21]進(jìn)行對(duì)比分析。Tennant法是目前應(yīng)用最為廣泛的水文學(xué)方法之一。該方法構(gòu)建了水深、流速、河寬等棲息地參數(shù)和流量之間的關(guān)系，設(shè)定河流多年平均流量的百分比作為生態(tài)流量估算的標(biāo)準(zhǔn)(見表2)，在計(jì)算中對(duì)12個(gè)月進(jìn)行分類，4—9月為魚類產(chǎn)卵育肥期和10月—次年3月份為一般用水期，然后采用不同的百分比進(jìn)行計(jì)算。這里根據(jù)贛江的流域的實(shí)際情況，將Tennant法的分期進(jìn)行部分調(diào)整，分為汛期與非汛期，且4—6月為汛期，7月—次年3月為非汛期。其中綜合Tennant等和另外一些學(xué)者在美國(guó)維吉尼亞的河流中得出的結(jié)論：一般河流中，10%的年平均流量是河道流量的最低下限；20%的年平均流量為保護(hù)水生生物棲息地的適當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)；河道內(nèi)流量占多年流量的30%～60%，河寬、水深及流速達(dá)到令人滿意的程度；而60%～100%的年平均流量、河寬、水深及流速為最佳范圍；河道內(nèi)流量達(dá)到年平均流量的200%時(shí)，是最大的生物棲息地標(biāo)準(zhǔn)，但超過其值反而不利于生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展[22]。

表2 河流流量狀況分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

由表1中可以看出，RVA法計(jì)算出的生態(tài)流量占多年月平均流量百分比的變化范圍為18.56%～46.38%；最枯月平均流量多年平均值法和Q90法計(jì)算出的生態(tài)流量值占多年月平均流量的百分比的變化范圍分別為21.9%～44.07%、17.64%～34.50%；多年日流量資料排頻法(90%)和NGPRP法計(jì)算得到的生態(tài)流量占多年月平均流量的百分比的變化范圍為24.73%～53.08%和30.54%～64.08%；Texas法計(jì)算得出的生態(tài)流量值占多年月平均流量值的變化范圍為64.93%～93.62%。根據(jù)Tennant法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各種方法計(jì)算的生態(tài)流量結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，可知以下結(jié)論：

(1)除了RVA法中7月和Q90法中的3、4、7月的計(jì)算結(jié)果在20%以下，6種方法計(jì)算的月生態(tài)流量均在20%以上，所以6種方法的計(jì)算結(jié)果均能滿足棲息地的絕大多數(shù)的水生生物短時(shí)間生存所需的最低流量，不會(huì)導(dǎo)致水生棲息地功能退化。

(2)多年日流量資料排頻法(90%)和NGPRP法的生態(tài)流量基本上達(dá)到了30%以上，使棲息地質(zhì)量達(dá)到了令人滿意的標(biāo)準(zhǔn)；最枯月平均流量多年平均值法和Q90法的生態(tài)流量值大多數(shù)維持在了20%左右，能使棲息地質(zhì)量維持在“適當(dāng)”的標(biāo)準(zhǔn)；RVA法除了7月的生態(tài)流量在“適當(dāng)”的標(biāo)準(zhǔn)外，其他的月份均達(dá)到了令人滿意的程度；Texas法的生態(tài)流量值偏大，其計(jì)算結(jié)果使棲息地質(zhì)量達(dá)到最佳狀態(tài)。

(3)就總體結(jié)果而言，NGPRP法的生態(tài)流量普遍高于多年日流量資料排頻法(90%)的生態(tài)流量，但是NGPRP法的計(jì)算結(jié)果在5月的時(shí)候突然下降，減緩了流量脈沖，這樣不利魚類的產(chǎn)卵繁殖。

(4)在汛期，RVA法的生態(tài)流量高于多年日流量資料排頻法(90%)的生態(tài)流量，但是在非汛期，多年日流量資料排頻法(90%)的生態(tài)流量高于RVA法的生態(tài)流量。

相較于最小生態(tài)流量所確定的河流的極限的、短期的水文狀態(tài)而言，適宜的生態(tài)流量更有利于河流的生態(tài)健康。根據(jù)表1并結(jié)合圖2進(jìn)行分析，6種方法基本上都能滿足贛江下游的河道流量最低下限，但是RVA法、Q90法和最枯月平均流量多年平均值法在非汛期得到的生態(tài)流量值都較小，NGPRP法在5月的突降會(huì)對(duì)魚類的產(chǎn)卵繁殖造成不利影響，所以根據(jù)結(jié)果在汛期和非汛期分別選擇RVA和多年日流量資料排頻法(90%)的生態(tài)流量。結(jié)合兩種方法的計(jì)算結(jié)果，得出贛江下游各月的適宜生態(tài)流量，如表3、圖3所示。

表3 贛江下游各月的適宜生態(tài)流量

圖3 贛江下游適宜生態(tài)流量過程線Fig.3 Suitable ecological flow hydrograph in the lower reaches of Ganjiang River

計(jì)算多年月平均流量與對(duì)應(yīng)月份適宜生態(tài)流量的比值，將結(jié)果分為0～1，1～2，2～3，3～4與大于4五類，統(tǒng)計(jì)各月份計(jì)算結(jié)果落在不同區(qū)間的比例。由表4、圖4可以看出1、11月生態(tài)流量保障率最低，不達(dá)標(biāo)的比例達(dá)到17.65%，大部分月份都能滿足生態(tài)流量的基本需求；比值結(jié)果落在1～2區(qū)間的百分?jǐn)?shù)最多，其中7月多年平均流量與適宜生態(tài)流量的比值在4以上的比例超過了50%。

表4 各月多年平均流量與對(duì)應(yīng)月份適宜流量比值分類表

圖4 五組倍比百分比分布圖Fig.4 Percentage distribution of power ratio of five groups

3 結(jié)論

利用水文學(xué)方法對(duì)贛江下游的生態(tài)流量值進(jìn)行了計(jì)算，并通過Tennant法檢驗(yàn)其計(jì)算結(jié)果，可以得出如下結(jié)論。

(1)除了RVA法中7月和Q90法中的3、4、7月的計(jì)算結(jié)果在20% 以下，6種計(jì)算方法計(jì)算的生態(tài)流量每月均在20% 以上，所以6種計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果均能滿足河道流量的最低下限，不會(huì)導(dǎo)致水生棲息地功能退化。

(2)RVA法和多年日流量資料排頻法(90%)計(jì)算出的生態(tài)流量值都較為合理反映出贛江下游的豐枯變化特征。但前者汛期的生態(tài)流量值大于后者，后者的非汛期的生態(tài)流量值大于前者，結(jié)合兩種方法的生態(tài)流量過程，得到了各月的適宜生態(tài)流量過程。

(3)河流中的魚類的洄游、產(chǎn)卵、生長(zhǎng)與流量的漲落過程及流量的大小有直接的關(guān)系。由得到的適宜生態(tài)流量過程可以看出，12月—次年3月的低流量保持了河道持續(xù)的水流條件，為魚類提供足夠的棲息地且為魚類洄游提供通道；4—6月形成一個(gè)高流量脈沖，刺激魚類洄游產(chǎn)卵，塑造河床形態(tài)改善河流底質(zhì)；7—11月的中高流量為魚類的生長(zhǎng)繁殖提供穩(wěn)定的流量條件。

(4)統(tǒng)計(jì)多年平均流量與適宜生態(tài)流量的比值的分類結(jié)果，發(fā)現(xiàn)贛江下游枯水期河道生態(tài)流量難以得到保障，不達(dá)標(biāo)比例高于13%，尤其以1月和11月最為嚴(yán)重。