汾河中游河道生態(tài)流量分析

李夢瑤， 付興濤

(太原理工大學 水利科學與工程學院， 山西 太原 030024)

1 研究背景

隨著經濟社會的發(fā)展，人類的用水需求不斷增加，對河流的開發(fā)利用及人為干預加大[1]，使河流的天然水文情勢發(fā)生改變[2]，導致河流流量減小、水質破壞，從而影響河流生態(tài)系統(tǒng)的健康。早期我國對于河流生態(tài)系統(tǒng)修復問題的認識多局限于河流受污染水體水質的改善及恢復，而對生態(tài)系統(tǒng)的結構及功能恢復治理缺乏研究[3]。隨著生態(tài)理念的不斷發(fā)展，人們逐漸認識到，科學合理地確定河流生態(tài)流量是維持河流生態(tài)系統(tǒng)平衡、恢復生態(tài)系統(tǒng)功能的基礎。國內學者對生態(tài)流量的研究已形成一系列理念和方法[4]，鐘華平等[5]對4大類河道生態(tài)需水估算方法的適用條件及范圍進行了相關評述；門寶輝等[6]對Tennant法的計算標準做出了修正并運用于南水北調西線一期工程，為調水工程規(guī)模的確定奠定了基礎；高雪山等[7]基于生態(tài)水力半徑法對武江流域的生態(tài)流量和生態(tài)水位進行了估算，計算結果符合Tennant法推薦的河流生態(tài)用水標準，并對魚類的生活習性及河流的季節(jié)性變化進行了綜合考慮及分析。

汾河流域是我省嚴重缺水區(qū)域之一，河道渠化嚴重，流域水資源開發(fā)利用率達到80%以上，擠占了大量生態(tài)環(huán)境用水。近年來河流地表徑流量大大減少，水域面積不斷萎縮，河流水質污染嚴重，不少學者對汾河流域的生態(tài)流量進行了分析研究，李揚等[8]對汾河下游河道的生態(tài)基流進行了分析計算，得到了不同生態(tài)環(huán)境標準下的生態(tài)流量；楊蕊等[9]基于改進的Tennant 法對汾河中游的環(huán)境流量進行了計算與分析，其結果反映了汾河中游徑流量在年際和年內季節(jié)變化的實際特征；張沛雷[10]以河津水文站為控制斷面，分析計算了汾河入河口的基本生態(tài)流量及現狀滿足程度。

目前對汾河流域生態(tài)流量的研究成果主要集中在運用國外引進的水文學方法或其改進方法對汾河流域的生態(tài)流量進行分析計算，沒有體現生態(tài)流量不同季節(jié)、不同時段的時空變化動態(tài)特征，也沒有考慮國外引進方法在汾河流域的適用性。因此，本研究以汾河中游為研究對象，選擇蘭村與趙城水文站作為典型斷面，基于兩個水文站1980-2016年的天然、實測流量系列資料，采用水文學方法中的Tennant法、Qp法、逐月頻率法、年內展布法、基流比例法和水力學方法中的濕周法計算分析汾河中游河段的生態(tài)流量，并進行合理性及保障性分析，最終給出汾河中游逐月生態(tài)流量推薦過程，為汾河中游生態(tài)修復工作提供參考。

2 研究區(qū)概況

汾河是黃河第二大支流，也是山西省最大的河流，發(fā)源于管涔山，干流自北向南縱貫太原、臨汾兩大盆地，于萬榮縣廟前村附近匯入黃河，全長716 km，控制流域面積為39 721 km2，占全省國土總面積的25.3%，汾河流域水系概況及水文站分布見圖1。汾河中游地處中緯度內陸，為東部季風氣候區(qū)與蒙新高原氣候區(qū)的過渡地帶，是半干旱大陸性季風氣候區(qū)，季節(jié)差異較大[11]。該區(qū)域多年平均氣溫為7.0～13.7 ℃，多年平均降水量約為500 mm，降水年際變化大，年內分配不均勻，夏季溫度高，降雨多，6-9月份降水量占全年的70%，而冬、春季節(jié)寒冷干燥，降水甚少，山區(qū)多局部暴雨，形成了特定的富水區(qū)。

歷史上曾記載，汾河中游流域的清徐段、臨汾段是鯉魚、鯰魚等水生生物的重要產卵場，沿岸曾遍布國家Ⅱ級重點保護的野生植物野大豆，但近年來因汾河流域水生態(tài)環(huán)境惡化，歷史上重要的產卵場都已不復存在，且河畔和濕地生長的水生植物物種單一，兩岸已少見野大豆連片生長，面臨絕跡。

圖1 汾河流域水系概況及水文站分布

3 生態(tài)流量計算

3.1 Tennant法

Tennant法是由美國學者Tennant對11條河流斷面數據分析后提出的[12]，該方法建立了河道內流量與河流生態(tài)環(huán)境狀況之間的對應關系，以年平均流量的10%為分界線，河寬、流速和水深等水力參數隨流量的變化幅度是不同的，當流量小于該分界線值時，各水力參數隨流量的變化幅度較大，反之較小[13]?；谶@種經驗關系，該方法不需要現場測量，用歷史流量資料就可以確定生態(tài)流量，使用簡單、方便。Tennant法確定的河道內各生態(tài)環(huán)境狀況等級對應的流量百分比見表1。

表1 河道內各生態(tài)環(huán)境狀況等級對應的流量百分比 %

我國《河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》(SL/Z 712—2014)[14]中規(guī)定，表1“好”分級之下的百分比取值可用于用水緊張、水資源短缺的地區(qū)。汾河流域屬于資源性缺水區(qū)域，且開發(fā)利用率達80%以上，結合汾河流域的自然特征及徑流規(guī)律，一般將6-9月劃分為汛期，1-5月、10-12月劃分為非汛期，分別取汛期多年平均流量的20%、非汛期的10%作為相應月份的生態(tài)流量，計算結果見表2。

3.2 Qp法

Qp法又稱不同頻率最枯月平均值法，該方法基于河流節(jié)點長系列(n≥30 a)天然月平均流量資料，用每年的最枯月平均流量排頻，選擇不同頻率下(一般選擇90%或95%)的最枯月平均流量作為節(jié)點基本生態(tài)流量的最小值，適用于開發(fā)利用程度高的河流[15]。對于汾河流域，12-翌年2月屬于冰凍期，將這3個月排除在該方法之外，對蘭村及趙城斷面進行3-11月的頻率計算，根據汾河中游的開發(fā)利用程度及來水情況，選擇90%保證率對應的流量作為生態(tài)流量，計算出蘭村及趙城斷面的生態(tài)流量分別為2.90、7.94 m3/s。

表2 汾河中游典型斷面各月份生態(tài)流量Tennant法計算結果 m3/s

3.3 基流比例法

為了體現生態(tài)流量在年際間的變化，吳喜軍等[16]提出了基流比例法，該方法的基本思路是將徑流系列劃分為豐水年、平水年及枯水年，豐水年的河道流量大于枯水年，而河流生態(tài)系統(tǒng)在一定時間內處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，所需的河流生態(tài)流量變化幅度也很小，因此豐水年的生態(tài)流量占其平均流量的比例應小于枯水年，這樣才能滿足枯水年河道生物生存的水流條件。基流比例法是一種計算生態(tài)流量較為簡便的方法，根據各水文年型平均徑流量之間的關系，推求其基流比例及生態(tài)流量值。

采用基流比例法計算生態(tài)流量首先要進行水文年型的劃分，本文根據《水文情報預報規(guī)范》(GB/T 22482—2008)[17]中距平百分率法劃分水文年型并根據Tennant法的推薦基流百分比，首先假定豐水年的基流比例為20%，再逐一計算出其他各水文年型的基流比例，平水年、枯水年、特枯年的基流比例相應增大?；鞅壤吧鷳B(tài)流量的計算方法見公式(1)～(2)。

(1)

Qei=Qi·Ti

(2)

3.4 逐月頻率法

逐月頻率法認為生態(tài)流量與自然徑流過程是相適應的[18]，相應地會發(fā)生年內豐枯變化過程，不同時期生態(tài)系統(tǒng)對生態(tài)流量有不同的需求，所以不同季節(jié)按照自然徑流過程，取不同的頻率進行生態(tài)流量計算，取春秋季75%保證率、夏季50%保證率、冬季80%保證率的月徑流量值作為河流相應月份的生態(tài)流量，以該方法計算的蘭村及趙城斷面逐月生態(tài)流量見表4。

表3 不同水文年型蘭村及趙城斷面的生態(tài)流量基流比例法計算結果 m3/s

表4 蘭村及趙城斷面生態(tài)流量逐月頻率法計算結果 m3/s

3.5 年內展布法

(3)

(4)

(5)

(6)

3.6 濕周法

濕周法的基本假設是濕周與水生生物棲息地有直接的聯系，給水生生物棲息地提供一定的濕周，就能滿足水生生物生存的水流條件[20]。通常濕周隨著河流流量的增加而增大，濕周-流量關系曲線存在一個臨界點，濕周超過臨界點時其隨流量的增加變化不明顯，小于臨界點時隨流量的增加變化較大，相應的生物學意義是，當流量大于該臨界點流量時，生物生境對流量的變化不敏感，反之，生物生境對流量的變化很敏感[21]，該方法一般用于寬淺型河道的生態(tài)流量計算[22]。

Gippel等[23]通過對濕周法的研究指出，濕周-流量關系的擬合一般可以采用對數函數和冪函數進行，用數學方法來確定突變點(即曲線上的拐點)，并提出了斜率1法和曲率最大法兩種方式來確定突變點。對于汾河流域，其河道斷面形狀一般可近似為U型或三角形，選擇冪函數曲線擬合結果較好，無量綱化的擬合形式見公式(7)。

p=qd

(7)

式中：p為相對濕周;q為相對流量;d為與斷面形狀有關的參數，對于實際河流，一般d<0.5。

由于本研究中沒有獲得趙城斷面的逐日水位過程數據，無法確定趙城斷面的濕周-流量關系，因此本文只將蘭村斷面的流量與濕周無量綱化進行擬合，采用斜率1法和曲率最大法兩種求解方式得到的蘭村斷面生態(tài)流量分別為2.20和1.02 m3/s。但是濕周-流量關系曲線的斜率是漸變的，曲線上不存在明顯的突變點(即曲線上的拐點)，取斜率不等于1的點與斜率等于1對應的點作為臨界點不存在物理上的分歧，因此采用斜率1法計算生態(tài)流量有一定的不確定性[21]；而曲率最大法的計算結果是生態(tài)流量占多年平均天然流量的9.84%，接近10%，該流量可以提供生物生存所需要生境流量的50%，因此選取曲率最大法的計算結果作為濕周法的生態(tài)流量值。

表5 蘭村及趙城斷面各月份生態(tài)流量年內展布法計算結果 m3/s

4 結果與分析

4.1 不同方法計算結果對比

將多種方法計算的蘭村斷面和趙城斷面逐月生態(tài)流量過程繪制成圖2進行對比，結果表明：整體而言，蘭村斷面濕周法的生態(tài)流量計算結果最小，Tennant法次之，趙城斷面Tennant法計算的生態(tài)流量值最小，Qp法次之，逐月頻率法計算的兩個斷面生態(tài)流量值均明顯大于其他方法的計算結果；兩個斷面采用不同方法計算出的汛期生態(tài)流量大小有相同的規(guī)律，即逐月頻率法>年內展布法>Tennant法>Qp法>濕周法(趙城斷面無濕周法計算結果)，非汛期生態(tài)流量計算值整體趨勢為逐月頻率法>Qp法>年內展布法>濕周法(趙城斷面無濕周法計算結果)>Tennant法。從反映年內豐枯季節(jié)變化來看，逐月頻率法和年內展布法能較好地體現年內豐枯季節(jié)變化過程，Tennant法僅能體現出汛期與非汛期的較小差異，Qp法和濕周法計算出的生態(tài)流量均為固定數值，不能體現年內的季節(jié)變化。

從圖2中逐月頻率法及年內展布法計算的生態(tài)流量過程可以看出，兩個斷面12、1、2月份的生態(tài)流量值均很小，而3月份的生態(tài)流量值突然增大，這可能是因為汾河流域在12、1、2月份處于冰凍期，河流流量本身很小，3月份受到河流解凍的影響，流量增大，并且蘭村作為汾河二庫的出庫站，該斷面流量主要受汾河二庫下泄流量的影響，2月下旬-4月下旬為灌溉期，水庫集中供水，所以引起蘭村斷面3月份流量的突然增加。

采用基流比例法計算的1980-2016年蘭村和趙城斷面生態(tài)流量及實測年均流量年際變化見圖3。圖3顯示，1980-2016年蘭村和趙城斷面實測年均流量整體上在2008年以前呈逐漸減小趨勢，2008年啟動千里汾河清水復流工程后[24]，年均流量波動增大，各水文年型的實際流量均可滿足基流比例法計算的生態(tài)流量值。根據王秋霞[25]對汾河流域生態(tài)環(huán)境的調查，1996-2007年汾河中游河道內流量減少，斷流河段長度逐年增加，導致實測流量與生態(tài)流量相差甚微，反映了汾河中游河道的生態(tài)環(huán)境惡化情況；另外，基流比例法計算的生態(tài)流量年際過程變化相對穩(wěn)定，這是因為該方法認為河道內生物類型及分布變化不大的情況下，枯水年的生態(tài)流量比例應大于豐水年，才能很好地保證生物生存的水流條件，維持河流的生態(tài)平衡。

4.2 生態(tài)流量保障性分析

4.2.1 年際保障率分析 生態(tài)流量年際保障率為不同年份生態(tài)流量得到保障的月份占全年月份數的比例，用不同方法計算得出的1980-2016年蘭村及趙城斷面生態(tài)流量年際保障率曲線如圖4所示，根據國內外的研究及計算規(guī)范，圖4中以90%保障率為基準，將各保障率曲線與之進行對比。由圖4可看出，蘭村與趙城斷面生態(tài)流量年際保障率曲線整體變化趨勢大致相同，各曲線波動性均較大。1996年之前保障率相對較高并在1996年達到峰值，1997-2008年保障率呈減小趨勢且波動變化較小，在21世紀初期減小至最低值，2008年之后保障率波動增大。對比不同計算方法的生態(tài)流量保障率發(fā)現，蘭村與趙城兩個斷面逐月頻率法計算的生態(tài)流量年際保障率最低，Qp法與年內展布法的計算結果有大致相同的趨勢且差異較小，蘭村斷面濕周法計算的保障率最高，趙城斷面Tennant 法計算的保障率最高。

在計算時段內，除21世紀初期外，蘭村斷面的生態(tài)流量年際保障率整體上小于趙城斷面的年際保障率，蘭村斷面各年份的保障率幾乎均小于90%，而趙城斷面的年際保障率在1997年之前呈波動變化且出現大于90%的年份，2010年之后恢復到90%以上，出現這種差異可能是由于蘭村斷面是汾河二庫的出庫斷面，其斷面流量主要受水庫下泄流量的影響，且水庫附近灌區(qū)較多，取用水量較大，導致實測流量偏小，而趙城斷面是汾河中游和下游的分界斷面，受中游眾多支流匯入作用的影響，水量較蘭村斷面豐富，所以其生態(tài)流量年際保障率整體高于蘭村斷面。

圖2 不同方法計算的汾河中游蘭村及趙城斷面逐月生態(tài)流量過程

圖3 1980-2016年汾河中游蘭村及趙城斷面生態(tài)流量基流比例法計算結果及實測年均流量變化

圖4 不同方法計算的1980-2016年蘭村及趙城斷面生態(tài)流量年際保障率曲線

4.2.2 年內保障率分析 生態(tài)流量年內保障率為各月份在計算年限內生態(tài)流量得到保障的次數占總年數的比例，用不同方法計算得出的1980-2016年蘭村及趙城斷面生態(tài)流量年內保障率曲線如圖5所示。由圖5(a)可見，不同方法計算的蘭村斷面各月份生態(tài)流量保障率整體上有相同的變化趨勢，其中濕周法計算的生態(tài)流量保障率最高，Tennant法次之，逐月頻率法最低，該斷面在1、2及12月份的保障率很低，3月份的保障率除逐月頻率法外均為100%，11月份除逐月頻率法外基本都大于90%，其他月份的保障率呈波動變化趨勢，這可能是由于1、2及12月份處于冰凍期，河道內流量本身很小，無法保障河流流量達到生態(tài)系統(tǒng)的需水量，3月份由于河流解凍及汾河二庫下泄春澆灌溉需水，流量增大，11月份可能由于汾河二庫下泄秋澆灌溉需水，斷面實測流量增加，因此蘭村斷面3及11月份的生態(tài)流量保障率很高；各方法計算的蘭村斷面非汛期生態(tài)流量保障率差異較小，汛期生態(tài)流量保障率濕周法的計算結果最高，逐月頻率法最低。由圖5(b)可知，不同方法計算的趙城斷面各月份生態(tài)流量保障率均呈波動變化且差異較大，整體上Tennant 法計算的保障率最高，Qp法次之，逐月頻率法計算的保障率最低，年內展布法計算的保障率總的波動幅值較大；多種方法計算的趙城斷面3月份保障率較其他月份低，甚至為0，可能是由于中游灌區(qū)春灌取用水量較大，占用了部分生態(tài)流量，導致河道流量減??；汛期除Qp法外其他方法計算的生態(tài)流量保障率均較低，尤其是6-7月，這可能是由于中游水庫汛期蓄水，使河道流量減少，導致汛期生態(tài)流量保障率降低；非汛期生態(tài)流量保障率波動相對較小。

圖5 不同方法計算的1980-2016年蘭村及趙城斷面生態(tài)流量年內保障率曲線

綜上所述，汾河中游河段的汛期保障率較低，可以在水庫蓄水調節(jié)的同時增加下泄流量，以滿足水生生物在汛期的生長需求；3月份是汾河中游河段需重點監(jiān)控的時段，3月份蘭村斷面流量較大，可以很好地滿足生態(tài)系統(tǒng)的流量需求，但中游灌區(qū)春灌取用水量大，導致趙城斷面3月份實測流量大大減少，生態(tài)流量保障率明顯降低，可能會影響生態(tài)系統(tǒng)的平衡與穩(wěn)定，可以考慮在春灌時節(jié)增加水庫的下泄流量，為水生生物提供生長繁殖所需的水量。

4.3 計算結果合理性分析

分析不同方法計算的生態(tài)流量結果發(fā)現，除蘭村斷面的濕周法外，其他方法的計算結果基本上均大于Tennant法的計算結果(圖2)，因為Tennant法取多年平均流量的一定比例作為計算斷面的生態(tài)流量，只考慮了維持河流生態(tài)系統(tǒng)不退化所需的最小流量；Qp法的計算在某種意義上考慮了河流的水質標準，但沒有考慮水生態(tài)方面的因素及年內季節(jié)的水量變化[26]；年內展布法在計算時提出了同期均值比的概念，削減了極端水文事件的影響，同時以河流多年月均徑流過程為基礎，很好地體現了天然徑流的年內豐枯變化過程；逐月頻率法在計算生態(tài)流量的過程中考慮了不同時期生態(tài)系統(tǒng)的不同需求，在枯水期可以滿足生物生存的最低流量要求，豐水期能為水生生物提供良好的生存條件，比其他方法更能保證生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；基流比例法基于枯水年比例應大于豐水年比例的基本思路，有其自身的合理性，計算得出的生態(tài)流量能更好地在枯水年保證水生生物的生存。

將不同方法的計算結果進行對比發(fā)現，采用濕周法、Qp法、年內展布法和逐月頻率法計算的蘭村斷面生態(tài)流量分別占多年天然平均流量的9.84%、27.97%、 7.91%～59.51%和17.94%～104.64%，采用Qp法、年內展布法及逐月頻率法計算的趙城斷面生態(tài)流量分別占多年天然平均流量的22.48%、13.28%～59.88%和26.33%～102.09%；基流比例法對各年型的計算結果均包含在上述方法的計算結果范圍內，并且各年型的實測流量均能滿足該方法計算的生態(tài)流量，能為河道內水生生物提供生存所需的流量過程。逐月頻率法對生態(tài)流量的計算結果較大，對于開發(fā)利用程度高達80%的汾河中游流域，實際情況很難保障該方法計算的生態(tài)流量過程，因此該方法應用于汾河中游缺乏合理性。

4.4 各月份生態(tài)流量過程推薦

研究將生態(tài)流量過程劃分為汛期與非汛期，非汛期又包括冰凍期及一般用水期。通過對不同方法計算的蘭村和趙城兩個斷面生態(tài)流量的保障性分析并結合汾河自然徑流特征，推薦冰凍期1、2及12月份的生態(tài)流量采用Tennant法的計算結果，因為該時段內河道流量本身就很小，只需要考慮維持河流生態(tài)系統(tǒng)不受到不可逆破壞的最小水量即可；一般用水期生態(tài)流量推薦采用Qp法的計算結果，該方法計算所得生態(tài)流量能為水生生物的生存提供良好的條件，但3月份流量受河流解凍及灌區(qū)用水的影響較大，蘭村斷面選擇考慮生物生境的濕周法的計算結果作為生態(tài)流量的推薦值，趙城斷面因資料缺乏沒有采用濕周法計算，可選擇Tennant法的計算結果作為生態(tài)流量推薦值；汛期推薦年內展布法的生態(tài)流量計算結果，體現了年內徑流特征對生態(tài)系統(tǒng)的影響過程。蘭村和趙城兩個斷面各月份生態(tài)流量過程的推薦值見表6。

表6 蘭村和趙城斷面各月份生態(tài)流量過程推薦值 m3/s

5 結 論

本文選擇汾河中游的蘭村及趙城兩個典型斷面為研究對象，采用Tennant法、逐月頻率法、年內展布法等6種水文學與水力學方法對比計算兩個斷面的生態(tài)流量，并進行保障性和合理性分析，最后給出兩個斷面年內逐月生態(tài)流量推薦值，得出的主要結論如下：

(1)逐月頻率法計算得到的生態(tài)流量值最大，年內展布法次之，Tennant法和濕周法計算結果接近且整體最小，相比而言，基流比例法計算的生態(tài)流量年際過程波動相對較小，且實測流量過程可以滿足不同年型對生態(tài)流量的需求；不同方法計算出的兩個斷面汛期及非汛期生態(tài)流量分別有著相似的變化規(guī)律，即1、2、12月份生態(tài)流量計算結果很小，3月份生態(tài)流量值較大。

(2)兩個斷面年際保障率有大致相同的變化趨勢，即1996年之前保障率較高，1997-2008年保障率下降，2008年之后由于清水復流工程的實施，生態(tài)流量年際保障率呈波動增大態(tài)勢。年內各月份生態(tài)流量保障率均呈波動變化，蘭村斷面3、11月份保障率極高，1、2、12月份保障率很低，非汛期生態(tài)流量保障率波動較小且各方法的計算結果差異性不大，汛期保障率普遍較低；趙城斷面生態(tài)流量保障率波動變化且各方法的計算結果差異性較大，3月份保障率極低甚至為0。因此，建議重點關注趙城斷面3月份生態(tài)流量的保障，可以在灌區(qū)取用水及汛期水庫蓄水的同時適當增大水庫的下泄流量，以提高生態(tài)流量的保障率，為水生生物的生長提供良好的水流條件。

(3)對比生態(tài)流量不同方法計算結果的差異性并進行合理性分析發(fā)現，逐月頻率法計算結果偏大，不適用于開發(fā)利用程度高的汾河流域，其他幾種方法的計算結果可根據實際情況應用于兩個斷面。結合汾河的自然徑流特征及生態(tài)流量的保障性分析，給出汾河中游河段的年內生態(tài)流量推薦值，即1、2、12月份推薦Tennant法計算結果，一般用水期推薦Qp法計算結果，汛期推薦年內展布法計算結果，3月份蘭村斷面推薦濕周法計算結果，趙城斷面推薦Tennant法計算結果。推薦的生態(tài)流量過程可以反映年內不同水期的豐枯季節(jié)變化，可以為汾河中游的生態(tài)修復工作提供一定的參考。