淮河干流阜陽段生態(tài)基流估算研究

丁智慧 王振龍 朱永華

摘 要：為了有效保障淮河干流阜陽段生態(tài)系統(tǒng)需水要求，根據(jù)淮河阜陽段魯臺(tái)子站1973—2017年實(shí)測流量資料，采用基流比例法、Tennant法、最枯月平均流量多年平均值法及90%保證率法，對淮河中游阜陽段生態(tài)基流進(jìn)行了分析計(jì)算。綜合對比分析各種生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果認(rèn)為，淮河阜陽段生態(tài)基流為67.17～201.52 m3/s;除特枯年外，其生態(tài)基流保障程度基本能達(dá)到90%，結(jié)果比較符合實(shí)際。生態(tài)基流上限值占多年平均流量的32%，為了使河流健康狀況達(dá)到更好水平，還需采取生態(tài)調(diào)度、跨流域調(diào)水等措施，實(shí)施引江濟(jì)淮工程等，逐步提高生態(tài)基流值，從而保障生態(tài)環(huán)境安全。

關(guān)鍵詞：生態(tài)基流;基流比例法;流量;淮河

中圖分類號：P333;X522 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.05.020

Abstract：In order to effectively guarantee the water requirement of the ecosystem in the Fuyang reach of the main stream of Huaihe River， the method of basic flow ration， the Tennant method， average of the minimum monthly average flow and 90% of the minimum monthly average flow were used to calculate and analyze the ecological base flow of this area based on the measured run off data of Lutaizi Station from 1973-2017. The results of various ecological basic flow calculations which were comprehensively analyzed and compared show that the ecological basic flow range in Fuyang reach of Huaihe is 67.17-201.52 m3/s; the ecological base flow security degree can reach more than 90% except the extraordinary dry year， which gives the calculated results in good agreement with practice. The upper limit of ecological base flow accounts for 32% of the annual average runoff， in order to achieve a better level of river health， measures such as ecological regulation， inter basin water diversion and project of diverting water from Yangtze to Huaihe River should be implemented to gradually increase the ecological base flow value to ensure the ecological environment.

Key words： ecological base flow; basic flow ration method; runoff; Huaihe River

河流生態(tài)基流是維持河流基本形態(tài)和基本生態(tài)功能的最小流量[1]，確定合理的生態(tài)基流不僅可以維持河流生態(tài)系統(tǒng)基本功能的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而且可以為合理配置和規(guī)劃水資源提供可靠依據(jù)[2]。國外計(jì)算河流生態(tài)需水量的方法有200多種[3]，可分為水文指標(biāo)法、水力學(xué)法、棲息地法和整體分析法[4]4類，其中：典型水文指標(biāo)法（也稱歷史流量法）有Tennant法、Texas法、7Q10法、NGPRP法、可變范圍法（RVA）等[5-6];水力學(xué)法是將流量變化與河道水力學(xué)參數(shù)聯(lián)系起來求解生態(tài)需水量，有濕周法、R2CROSS法等[7];棲息地法（也稱生境法）的代表方法有河道內(nèi)流量增量法（IFIM）、CASMIR法[8];整體分析法包括澳大利亞的整體分析法和南非的建筑堆塊法（BBM法）[9]。

我國學(xué)者在研究生態(tài)基流時(shí)，針對不同的研究流域采用不同的生態(tài)基流計(jì)算方法。徐志俠等[10]以潁河中下游地區(qū)周口水文站為例，基于生態(tài)系統(tǒng)分析研究了河道最小生態(tài)需水量計(jì)算方法;門寶輝等[11]將Tennant法的用水期修改為7—8月，計(jì)算了南水北調(diào)西線河道內(nèi)生態(tài)需水量;郭利丹等[12]對水文指標(biāo)法中幾種常用的方法進(jìn)行了比較分析，如最小月平均流量法、最小連續(xù)平均流量法、逐月頻率計(jì)算法、逐月最小生態(tài)徑流計(jì)算，認(rèn)為計(jì)算河流最小生態(tài)徑流量的最優(yōu)方法是逐月最小生態(tài)徑流量，計(jì)算河流適宜生態(tài)徑流量的最優(yōu)方法是逐月頻率計(jì)算法;吳喜軍等[7]采用基流比例法計(jì)算了渭河豐、平、枯及特枯年不同年型和年內(nèi)不同水期的生態(tài)基流。目前，由于我國缺乏生態(tài)資料，因此棲息地法和整體分析法的使用存在困難，而水力學(xué)法需要河道現(xiàn)場試驗(yàn)來獲取河道斷面資料等數(shù)據(jù)，耗費(fèi)人力和物力大，成本高，時(shí)間長，可操作性差[13-14]。水文指標(biāo)法僅利用已有歷史徑流量數(shù)據(jù)來計(jì)算河流生態(tài)基流，而我國大部分地區(qū)都有較長序列的水文資料，因此目前國內(nèi)水文指標(biāo)法最為常用[15]。筆者以淮河中游阜陽段為例，采用基流比例法、Tennant法、最枯月平均流量多年平均值法及90%保證率法4種較為常用的方法估算其生態(tài)基流，以期為淮河干流生態(tài)需水保障及水環(huán)境安全提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

阜陽市位于安徽省西北部，淮河中游?；春痈闪髟诟逢柺芯硟?nèi)長169 km，境內(nèi)流域面積9 775 km2，其主要有沙潁河、茨淮新河、谷河、潤河、大潤河、阜蒙新河、西淝河等支流，八里湖、焦崗湖等湖泊，塘垛湖、邱家湖、南潤段3處行蓄洪區(qū)以及濛洼蓄洪區(qū)?；春又猩嫌畏纸缣幗ㄓ型跫覊伍l，設(shè)計(jì)流量1 626 m3/s，最大過洪能力1 799 m3/s。魯臺(tái)子站是淮河干流中游的主要控制站，集水面積88 630 km2，魯臺(tái)子測流斷面右岸有壽西湖行洪區(qū)，下游約7 km處左岸有董峰湖行洪區(qū)，它們對淮河洪水起滯蓄、削減洪峰等作用。濛洼曹臺(tái)子退水閘位于蒙洼蓄洪區(qū)下游淮濛堤接頭處，最大泄流量2 000 m3/s。

2 生態(tài)基流計(jì)算

根據(jù)水文站實(shí)測水文資料即魯臺(tái)子站1973—2017年45 a的實(shí)測月徑流資料，計(jì)算分析淮河干流的生態(tài)基流。

2.1 基流比例法

為了使生態(tài)基流反映河流生物棲息地的年際和年內(nèi)變化，基流比例法將長時(shí)間序列劃分為豐水年、平水年、枯水年和特枯年等年型，在年內(nèi)劃分豐水期、平水期、枯水期等時(shí)段，確定不同時(shí)段的基流比例，并計(jì)算生態(tài)基流[7]。

2.1.1 計(jì)算方法

（1）年型劃分。采用距平百分率法進(jìn)行年型劃分[7]：

（2）基流比例。將豐水年作為計(jì)算起點(diǎn)，確定其基流比例，并進(jìn)行驗(yàn)證，再根據(jù)各年型年平均流量之間的比值確定不同年型的基流比例關(guān)系，逐年型推算基流比例，計(jì)算公式為式中：Ti為監(jiān)測斷面第i年型的基流比例，%;i=1、2、3、4，分別代表豐水年、平水年、枯水年、特枯年;α為比例系數(shù)，即第i+1年型與第i年型基流比例的比值[16];Qi為監(jiān)測斷面第i種年型的平均流量，m3/s;μ為削減系數(shù)，0≤μ≤1，μ與河流豐枯特性有關(guān)，一般取0.4（μ=1表明基流比例不削減，基流比例為年型間的年徑流量之比，各年型的基流值一樣;μ=0表示完全削減，基流比例與年徑流量之間的比值無關(guān)，各年型的基流比例相等[7]）。

（3）生態(tài)基流計(jì)算。各時(shí)段的生態(tài)基流為相應(yīng)時(shí)段的平均流量與其基流比例的乘積，生態(tài)基流計(jì)算公式：

2.1.2 各年型生態(tài)基流計(jì)算

利用魯臺(tái)子站1973—2017年實(shí)測逐月平均流量數(shù)據(jù)，計(jì)算出魯臺(tái)子站多年平均流量為628.11 m3/s。按照式（1）和年型劃分標(biāo)準(zhǔn)，將45 a劃分為豐水年、平水年、枯水年及特枯年，分別計(jì)算不同年型的平均流量。根據(jù)Tennant法中河流流量與河道生態(tài)健康狀況之間的關(guān)系，假設(shè)豐水年生態(tài)基流比例為20%，其生態(tài)基流占多年平均流量的32%。根據(jù)上述方法計(jì)算各年型的生態(tài)基流，結(jié)果見表1，其中豐水年與平水年、平水年與枯水年、枯水年與特枯年之間的基流比例系數(shù)α分別為1.34、1.21、1.27。

由表1計(jì)算結(jié)果可知，淮河阜陽段從豐水年到特枯年的生態(tài)基流為200.97～87.74 m3/s，占多年平均流量628.11 m3/s的32%～14%，符合Tennant法的推薦比例。根據(jù)實(shí)測多年流量過程和生態(tài)基流繪制圖1，并進(jìn)行對比分析。由圖1可以看出，魯臺(tái)子站實(shí)測年均流量均能滿足生態(tài)基流，并且生態(tài)基流隨著年均流量的變化而相應(yīng)增減。

2.1.3 年內(nèi)各時(shí)段生態(tài)基流計(jì)算

魯臺(tái)子站各月多年平均流量分布見圖2，可以看出，12月至次年4月平均流量最低，為188.52～341.73 m3/s，可以定為枯水期;5—6月、10—11月平均流量為446.90～638.53 m3/s，為平水期;7—9月平均流量在900 m3/s以上，為豐水期。根據(jù)表1計(jì)算出的各年型基流比例，分別計(jì)算不同年型各水期的生態(tài)基流，結(jié)果見表2。

2.2 Tennant法

Tennant法是將年平均流量的百分比作為生態(tài)基流[18]，河流的生態(tài)基流即為多年平均流量的一定比例（10%～30% ）。根據(jù)Tennant法河流生態(tài)健康狀況8個(gè)等級標(biāo)準(zhǔn)[19-20]，以及魯臺(tái)子斷面1973—2017年實(shí)測月徑流資料，計(jì)算生態(tài)流量，結(jié)果見表3。一般用水期和魚類產(chǎn)卵育幼期分別取相應(yīng)時(shí)段年平均流量的10%（35.03 m3/s）和30%（271.79 m3/s）作為生態(tài)基流。

2.3 最枯月平均流量多年平均值法

該方法將最枯月實(shí)測平均流量的多年平均值作為河流的生態(tài)基流，計(jì)算公式：

式中：Qb為河流生態(tài)基流，m3/s;Qij為第i年第j月的實(shí)測平均流量，m3/s;n為統(tǒng)計(jì)年數(shù)[21]。

根據(jù)魯臺(tái)子站1973—2017年實(shí)測月平均流量數(shù)據(jù)資料，生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果為105.7 m3/s，占多年平均流量的17%。

2.4 90%保證率法

該方法是選用P-Ⅲ型曲線對多年最枯月平均流量進(jìn)行頻率分析，生態(tài)基流即為90%保證率對應(yīng)的流量[22]。根據(jù)魯臺(tái)子站1973—2017年實(shí)測月平均流量數(shù)據(jù)，生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果為43.3 m3/s，占多年平均流量的7%。

3 生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果比較與保障程度分析

3.1 結(jié)果比較

采用上述4種方法對淮河阜陽段進(jìn)行生態(tài)基流計(jì)算，這4種方法計(jì)算結(jié)果存在一定差別，見表4。由表4可以看出，基流比例法的計(jì)算結(jié)果基本可以涵蓋其他方法的計(jì)算結(jié)果，表明該方法是合理的。為了滿足橄欖蟶蚌國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源以及濕地生態(tài)的保護(hù)要求，同時(shí)根據(jù)Tennant法的河道流量與河流健康狀況的關(guān)系，即當(dāng)河道流量小于多年平均流量的10%時(shí)，河流生態(tài)狀況開始惡化[23]，因此淮河阜陽段生態(tài)基流暫定為枯水年計(jì)算結(jié)果67.17～218.23 m3/s，占多年平均流量的11%～35%，符合Tennant法的推薦比例。其中豐水期不小于218.23 m3/s，平水期不小于94.32 m3/s，枯水期不小于67.17 m3/s。

3.2 生態(tài)基流保障程度分析

河流生態(tài)需水能否得到滿足是河流健康評價(jià)的基礎(chǔ)[24]，將1973—2017年淮河魯臺(tái)子站各代表年（取豐水年中的2005年、平水年中的2004年、枯水年中的1988年、特枯年中的2001年為代表年）各時(shí)段逐日流量與表4中計(jì)算的相應(yīng)生態(tài)基流進(jìn)行對比，對其保障程度進(jìn)行分析，分析淮河實(shí)際流量是否滿足生態(tài)需水，以根據(jù)生態(tài)需水的盈缺過程進(jìn)行合理的生態(tài)調(diào)度。生態(tài)基流保障程度[7，17]：

從表5可以看出，除特枯年外，豐水年、平水年和枯水年的保障程度都達(dá)到90%;從年內(nèi)各時(shí)段來看，豐水期較平水期和枯水期偏低，其中特枯年（2001年）豐水期保障程度最低，僅為32%，原因是豐水期生態(tài)基流大，有時(shí)較難滿足。為了進(jìn)一步提高豐水期的保障程度，根據(jù)Tennant法（271.79 m3/s）枯水年豐水期（218.23 m3/s）、特枯年豐水期（114.54 m3/s）的計(jì)算結(jié)果，將該河段生態(tài)基流上限值定為201.52 m3/s，以進(jìn)一步提高豐水年和平水年的生態(tài)基流滿足程度。有些學(xué)者將生態(tài)基流值定為保障程度90%的流量值[7]，本文生態(tài)基流除了特枯年外均滿足這一要求，體現(xiàn)了計(jì)算方法的合理性。

4 結(jié) 語

采用基流比例法、Tennant法、最枯月平均流量多年平均值法和90%保證率法對淮河干流阜陽段生態(tài)基流進(jìn)行了計(jì)算，各方法計(jì)算結(jié)果存在一定差異。通過對比分析認(rèn)為，淮河阜陽段生態(tài)基流為67.17～201.52 m3/s，這個(gè)范圍能更好反映不同年型不同水期的生態(tài)基流。將斷面代表年實(shí)際逐日流量與基流比例法計(jì)算的淮河干流阜陽段各水平年各時(shí)期的生態(tài)基流進(jìn)行比較，分析淮河干流阜陽段生態(tài)基流保障程度表明，該河段除了特枯年以外各年型均能得到保障。計(jì)算得到的生態(tài)基流上限值占多年平均流量的32%，為了使河流健康狀況達(dá)到更好水平，還需采取生態(tài)調(diào)度、跨流域調(diào)水等措施，待引江濟(jì)淮工程實(shí)施后，可逐步提高生態(tài)基流值，從而保障生態(tài)環(huán)境安全。

受數(shù)據(jù)資料限制，僅以自然環(huán)境下河道流量為依托確定了生態(tài)基流，未考慮工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人們?nèi)粘Ｉ钣盟葘ι鷳B(tài)基流的影響，今后在此基礎(chǔ)上還需進(jìn)一步研究和探討。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孟慧穎.河流生態(tài)基流的計(jì)算方法及其適用性分析[J].科技傳播，2013（9）：127-135.

[2] 康萍萍，周林飛，李波，等.遼河干流河道生態(tài)需水量研究[J].水資源保護(hù)，2011，27（3）：11-15.

[3] THARME R E. A Global Perspective on Environmental Flow Assessment： Emerging Trends in the Development and Application of Environmental Flow Methodologies for Rivers[J]. River Research & Applications， 2003， 19（5-6）： 397-441.

[4] 鐘華平，劉恒，耿雷華，等.河道內(nèi)生態(tài)需水估算方法及其評述[J].水科學(xué)進(jìn)展，2006，17（3）：430-434.

[5] TENNANT D L. Instream Flow Regimens for Fish， Wildlife， Recreation and Related Environmental Resources[J]. Fisheries， 1976， 1（4）： 6-10

[6] ORTH D J， LEONARD P M. Comparison of Discharge Methods and Habitat Optimization for Recommending Instream Flows to Protect Fish Habitat[J]. River Research & Applications， 2010， 5（2）： 129-138.

[7] 吳喜軍，李懷恩，董穎，等.基于基流比例法的渭河生態(tài)基流計(jì)算[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（10）：154-159.

[8] DONALD J O， EUGENE M O. Evaluation of the Incremental Methodology for Recommending Instream Flows for Fishes[J]. Transactions of the American Fisheries Society， 1982， 111（4）： 413-445.

[9] KING J， LOUW D. Instream Flow Assessments for Regulated Rivers in South Africa Using the Building Block Methodology[J]. Aquatic Ecosystem Health & Management， 1998， 1（2）： 109-124.

[10] 徐志俠，王浩，陳敏建，等.基于生態(tài)系統(tǒng)分析的河道最小生態(tài)需水計(jì)算方法研究（Ⅱ）[J]. 水利水電技術(shù)，2005，36（1）：31-34.

[11] 門寶輝，劉昌明，夏軍，等.南水北調(diào)西線一期工程河道最小生態(tài)徑流的估算與評價(jià)[J].水土保持學(xué)報(bào)，2005，19（5）：135-138.

[12] 郭利丹，夏自強(qiáng)，李捷.河流生態(tài)徑流量常用計(jì)算方法的對比[J].人民黃河，2008，30（4）：28-30.

[13] 徐志俠，董增川，周健康，等.生態(tài)需水計(jì)算的蒙大拿法及其應(yīng)用[J].水利水電技術(shù)，2003，34（11）：15-17.

[14] 徐志俠，陳敏建，董增川.河流生態(tài)需水計(jì)算方法評述[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，32（1）：5-9.

[15] 鄭志宏，張澤中，黃強(qiáng)，等.生態(tài)需水量計(jì)算Tennant法的改進(jìn)及應(yīng)用[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2010（2）：34-39.

[16] 欒清華，劉存，張俊，等.基于基流比例法的洋河干流生態(tài)基流估算[J].水利水電技術(shù)，2018（6）：101-108.

[17] 侯世文.基于多種水文學(xué)法分析大汶河干流生態(tài)基流[J].水文，2015，35（6）：61-66.

[18] 于松延，徐宗學(xué)，武瑋.基于多種水文學(xué)方法估算渭河關(guān)中段生態(tài)基流[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，49（2）：175-179.

[19] 門寶輝，劉昌明.Tennant法計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的修正及其應(yīng)用[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，40（3）：479-482.

[20] 田景環(huán)，余玲，孫晗含，等.生態(tài)徑流Tennant法的改進(jìn)與應(yīng)用[J].人民黃河，2011，33（4）：68-69.

[21] 石永強(qiáng)，左其亭.基于多種水文學(xué)法的襄陽市主要河流生態(tài)基流估算[J].中國農(nóng)村水利水電，2017（2）：50-54.

[22] 武瑋，徐宗學(xué)，左德鵬.渭河關(guān)中段生態(tài)基流量估算研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2011（10）：68-74.

[23] 許亞雄，趙志懷.基于改進(jìn)Tennant法的河流生態(tài)基流估算[J].水電能源科學(xué)，2017（2）：38-40.

[24] 陸建宇，陸寶宏，王猛，等.沂河流域河流生態(tài)需水研究[J].水資源保護(hù)，2015（3）：67-72，83.

【責(zé)任編輯 呂艷梅】