大夏河流域生態(tài)流量目標確定及保障措施分析

張 萌，黃維東，，張金霞，張昌順，吳彥昭

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070;2.甘肅省水文站，甘肅 蘭州 730000)

黨的十九屆五中全會提出要深化實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、全面提升資源利用效率，對資源的開發(fā)與利用要為全局計、為子孫謀，其中水資源的可持續(xù)發(fā)展是最關鍵的問題之一[1]。水資源短缺、生態(tài)用水擠占、生態(tài)流量保障不足是制約河流健康可持續(xù)的主要問題，一條健康的河流不僅維持生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能完善，而且還具有一定的經(jīng)濟和社會價值[2]。大夏河流域是甘南高原的重要水源涵養(yǎng)區(qū)，是黃河上游的一級支流，對黃河流域生態(tài)保護與高質量發(fā)展起著舉足輕重的作用。近年來受人類活動和氣候變化的影響特別是區(qū)域用水的加劇、梯級水電站建設等，使擋水建筑物至發(fā)電廠房形成減水河段，河道斷流現(xiàn)象時有發(fā)生，對河道內(nèi)動植物棲息環(huán)境、用水戶取水等產(chǎn)生一定影響。

生態(tài)流量的計算本質上就是求解其閾值問題。1976年，Tennant Donald Leroy[3]率先提出一種快速且簡單的計算方法來確定河流最小保持量；1996年，Brian等[4]提出水文指標法并用來規(guī)劃生態(tài)系統(tǒng)管理以及衡量保護目標；2004年，徐志俠等[5]提出計算河道水體最小生態(tài)需水的方法；2012年，Julian D等[6]總結了常用計算方法的重要優(yōu)點和缺點；2018年，褚俊英等[7]構建了城市河湖生態(tài)流量計算與保障程度分析模型；2021年，Bower Luke M等[8]提供了一個基于統(tǒng)計流量——生態(tài)關系的靈活框架。有關生態(tài)流量的研究一直在不斷深化，針對現(xiàn)階段最適合于我國的計算方法是水文指標法，并常取生態(tài)流量滿足率作為生態(tài)流量目標確定是否合理的評價指標[9]。

本文以大夏河流域作為研究區(qū)，依據(jù)長系列的水文資料，采用水文學法中的Qp法[10]、Tennant法[11]、7Q10法[12]、逐月最小生態(tài)徑流計算法[13]和流量歷時曲線法[14]共5種方法進行分析計算，結合流域徑流特性分析和生態(tài)流量滿足程度，確定出較合理的生態(tài)流量目標，并給出相應的生態(tài)流量保障措施，為流域的河流健康與水資源可持續(xù)利用提供科學依據(jù)。

1 流域概況

1.1 自然地理

大夏河流域位于東經(jīng)102°02′—103°22′、北緯34°52′—35°48′之間，發(fā)源于青海省同仁縣東南部達布熱，西向東流經(jīng)青海省黃南藏族自治州、甘肅省甘南藏族自治州夏河縣、臨夏回族自治州臨夏縣、臨夏市、東鄉(xiāng)縣最后匯入劉家峽水庫。大夏河全長約203km，流域面積7154km2，整體呈蘑菇形，大部分地區(qū)海拔1900～2300m，多年平均氣溫2.7℃，由北向南逐漸降低，多年平均年降水量465.0mm，多年平均水面蒸發(fā)量720.7mm，年均地表徑流量10.25億m3，年均輸沙量243.53萬t，年均含沙量3.44kg/m3，年侵蝕模數(shù)353.32t/km。

1.2 水資源及開發(fā)利用現(xiàn)狀

根據(jù)第三次全國水資源調(diào)查評價成果，大夏河流域水資源量及用水量，如圖1所示。流域水資源總量10.31億m3，其中青海省1.49億m3、甘肅省8.82億m3；地表水資源量10.25億m3，與地表不重復的地下水資源量0.06億m3。2010—2016年流域平均年用水量1.8579億m3，其中農(nóng)業(yè)用水量1.4275億m3，占總用水量的76.8%；工業(yè)用水量0.0849億m3，占總用水量的4.6%；生活用水量0.3220億m3，占總用水量的17.3%；生態(tài)環(huán)境用水量0.0235億m3，占總用水量的1.3%。

圖1 大夏河流域用水量

大夏河流域干流無蓄水工程，支流建有槐樹關水庫。水電開發(fā)起始于20世紀90年代末，2003年后開始大規(guī)模的建設，目前大夏河干流已建和在建水電站共26座，包括低壩引水式電站22座、渠道式電站2座和河床式電站2座。

1.3 生態(tài)現(xiàn)狀

地表徑流量減少。繪制大夏河夏河、雙城和折橋1979—2016年徑流量趨勢變化圖，如圖2所示，夏河站、雙城站、折橋站年徑流量均呈下降趨勢，每年平均減少0.0134億、0.0008億、0.0414億m3。

圖2 大夏河流域實測年徑流量多年變化趨勢圖

生物多樣性衰退。大夏河流域上、中游主要是黃河裸裂尻魚、擬鯰高原鰍、厚唇裸重唇魚等高原冷水魚類的重要產(chǎn)卵場和棲息地。流域水生態(tài)保護對象以維持河流基本流量、基本生態(tài)廊道、基本自凈能力、維持土著魚類棲息條件為主。近幾年，大夏河魚類物種多樣性明顯下降，野生魚的種類和數(shù)量也有所減少。

2 資料及方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

選取大夏河夏河、雙城、折橋水文站點1979—2016年實測水文資料進行分析，所選站點均為國家基本水文站，資料觀測和整編嚴格執(zhí)行國家有關水文測驗和整編規(guī)范，具有一定的代表性和可靠性，滿足分析計算的需要。

2.2 生態(tài)流量計算方法

(1)Qp法：Qp法也稱為不同頻率最枯月平均值法，根據(jù)月流量或水位，利用每年的最枯月排頻，選擇不同頻率下的最枯月平均流量、月平均水位或徑流量作為生態(tài)環(huán)境需水量的最小值[10]。本文基于1979—2016年實測逐月平均流量數(shù)據(jù)，采用P-Ⅲ型曲線分析P=90%、P=95%的最枯月平均流量。

(2)Tennant法：Tennant法又稱為蒙大拿法，根據(jù)實測數(shù)據(jù)建立流量與河流生態(tài)環(huán)境狀況之間的經(jīng)驗關系，不同河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況對應不同流量百分比[11]。本文根據(jù)“中”級的河流生態(tài)環(huán)境狀況，分別將流域豐水期(5—11月)流量占同時段多年平均流量的30%和枯水期(12月—次年4月)流量占同時段多年平均流量的10%作為流域生態(tài)流量值。

(3)7Q10法：該方法以90%保證率最枯連續(xù)7d的平均水量作為河流最小流量設計值，我國在《制訂地方水污染物排放標準的技術原則與方法》中對該方法進行了修改，規(guī)定一般采用近10a最枯月平均流量或90%保證率最枯月平均流量為河流最小流量[12]。本文選取2007—2016年作為近10a來確定最枯月的平均流量。

(4)逐月最小生態(tài)徑流計算法：該方法認為最小生態(tài)徑流是連續(xù)變化的過程應逐月計算，在盡可能長的天然月徑流系列中取最小值作為該月的生態(tài)徑流量，各月徑流最小值組成全年最小生態(tài)徑流過程[13]。本文以實測流量替代天然月流量，將長系列數(shù)據(jù)中各月最小值作為該月的最小生態(tài)需水量，從而形成各站點全年的生態(tài)流量過程。

(5)流量歷時曲線法：該方法是采用歷年流量資料繪制各月的流量歷時曲線，把某一個頻率對應的流量作為生態(tài)流量，其頻率可選取90%或95%，也可以根據(jù)具體情況進行調(diào)整，一般需要30a以上的流量系列[14]。本文選擇頻率為95%的流量來表示生態(tài)流量。

2.3 生態(tài)流量滿足程度分析方法

生態(tài)流量滿足度定義為一定時期內(nèi)，河道徑流量大于生態(tài)需水閾值的序列長度與總序列長度的比值。生態(tài)流量滿足程度采用式(1)、(2)計算：

(1)

(2)

式中，Pm—第m月滿足生態(tài)流量保證程度；Tm—第m月月均實測流量滿足生態(tài)流量月份數(shù)；Pd—某年日均實測流量滿足生態(tài)流量保證程度；Td—某年滿足生態(tài)流量日數(shù)。

3 徑流特性分析

3.1 徑流年內(nèi)分配

根據(jù)大夏河流域夏河站、雙城站和折橋站1979—2016年的月徑流量數(shù)據(jù)，繪制逐月平均徑流量，由圖3可知，3站徑流量年內(nèi)分配特點基本一致，并且徑流主要集中在5—11月，此時3站5—11月平均徑流量合計分別為1.81億、5.54億、6.70億m3，約占年平均徑流量的79.7%、79.8%、80.1%。3站年內(nèi)徑流量最大月均出現(xiàn)在9月，分別為0.35億、1.03億、1.38億m3；最小月均出現(xiàn)在2月，分別為0.07億、0.21億、0.27億m3。從季節(jié)尺度上看，3個站點多年平均徑流量均為夏季(6—8月)最多，冬季(12月—次年2月)最少。大夏河流域徑流年內(nèi)分配不均勻，主要受降水、蒸發(fā)、下墊面條件等因素的影響。

圖3 大夏河流域多年平均徑流量年內(nèi)分配圖

3.2 徑流年際變化

采用差積曲線法繪制了夏河、雙城、折橋站1979—2016年徑流量的差積曲線，如圖4所示。曲線上升或下降表示該時段平均徑流量較往年在增加或減少，是一種判斷水文系列豐平枯變化的常用方法?？梢钥闯龃笙暮恿饔蚰觌H變化幅度較大，上、中、下游年徑流量差積曲線變化基本一致，豐、平、枯水年交替出現(xiàn)，少部分時段豐枯變化稍有差異，但差異不大。1979—1983年為平水年，1984—1990年為連續(xù)豐水年，1991—2002年為連續(xù)枯水年，2003—2016年為連續(xù)平水年。

圖4 大夏河流域年徑流量差積曲線

3.3 徑流演變趨勢

利用坎德爾秩次相關、斯波曼秩次相關、線性趨勢相關這3種方法，對3站歷年徑流量進行趨勢檢驗分析，綜合判斷趨勢變化情況，結果見表1。全流域徑流變化均呈顯著減少趨勢，其主要原因是流域降水量總體在減少，平均每年減少0.025mm，同時近幾十年來人類活動加劇以及氣溫升高，導致流域下墊面條件發(fā)生變化，產(chǎn)匯流機制發(fā)生改變，部分水量被攔蓄消耗。

表1 代表站徑流量趨勢分析表

4 生態(tài)流量確定

4.1 控制斷面計算結果

利用上述5種生態(tài)流量計算方法，分析計算大夏河干流夏河、雙城、折橋3處水文斷面生態(tài)流量值，結果見表2—4，生態(tài)流量不同計算方法逐月過程如圖5所示。

圖5 不同計算方法生態(tài)流量過程

表2 夏河站生態(tài)流量不同方法計算結果

表3 雙城站生態(tài)流量不同方法計算結果

表4 折橋站生態(tài)流量不同方法計算結果

比較不同生態(tài)流量計算方法的結果可得：

(1)不同方法計算結果差距較大。QP法生態(tài)流量計算結果總體偏小，尤其是95%保證率下的總體計算結果最小，占多年平均徑流量的6%左右；流量歷時曲線法生態(tài)流量計算結果最大，占多年平均徑流量的14%左右。

(2)不同方法考慮的周期差別大。QP法、7Q10法全年僅有一個生態(tài)流量值，即全年不同時段的生態(tài)流量都相同；Tennant法考慮汛期與非汛期的變化，全年有2個計算值；以上3種方法都沒有考慮徑流自然變化過程。

(3)逐月最小生態(tài)徑流計算法和流量歷時曲線法每個月有相應的生態(tài)流量值，考慮了流域的流量變化過程，比較符合流域自然變化情勢，能極大的協(xié)調(diào)生活、生產(chǎn)用水與生態(tài)需水的矛盾。但是由于流量歷時曲線法計算結果偏大與大夏河流域位于西北缺水地區(qū)的現(xiàn)狀不相符，不利于大夏河流域生態(tài)系統(tǒng)的長期穩(wěn)定。

因此，從可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，逐月最小生態(tài)徑流計算法的生態(tài)流量值是最適宜的。

4.2 生態(tài)流量滿足程度分析

由2000—2016年逐月實測徑流量進行分析，生態(tài)流量月滿足程度如圖6所示。夏河、雙城、折橋控制斷面Qp法、Tennant法、逐月最小生態(tài)徑流計算法計算的生態(tài)流量滿足程度較高，分別為98.3%、96.7%、99.8%；7Q10法、流量歷時曲線法計算的生態(tài)流量滿足程度較低，分別為80.7%、89.0%。

圖6 生態(tài)流量月滿足程度

由2010—2016年逐日實測徑流量進行分析，生態(tài)流量月滿足程度如圖7所示。夏河、雙城、折橋控制斷面Tennant法、7Q10法、流量歷時曲線法計算的生態(tài)流量日滿足程度分別為94.0%～98.9%、78.0%～96.4%、89.4%～96.7%；Qp法的滿足程度較高為99.7%～100%；逐月最小生態(tài)徑流計算法的滿足程度最優(yōu)達到98.8%～100%。

圖7 生態(tài)流量日滿足程度

4.3 生態(tài)流量目標確定

綜合對比不同計算方法的優(yōu)缺點以及生態(tài)流量的月、日滿足程度，可得出逐月最小生態(tài)徑流計算法最適合于大夏河流域，分豐水期(5—11月)和枯水期(12月—次年4月)2個時段確定生態(tài)流量目標值，見表5，即夏河斷面豐水期2.63m3/s、枯水期1.62m3/s；雙城斷面豐水期8.37m3/s、枯水期5.18m3/s；折橋斷面豐水期8.69m3/s、枯水期4.49m3/s。

表5 大夏河主要控制斷面生態(tài)流量保障目標 單位：m3/s

5 生態(tài)流量保障措施建議

為保障大夏河生態(tài)流量目標的實現(xiàn)，對生態(tài)流量的保障提出幾點建議。

(1)加強領導，落實責任。有關單位要加強大夏河生態(tài)流量保障工作的組織領導，落實主要領導負責制；加強組織協(xié)調(diào)和調(diào)度管理，明確任務分工，確保大夏河生態(tài)流量達標，逐步建立健全大夏河生態(tài)流量保障長效機制。

(2)統(tǒng)一調(diào)度，嚴格取水。將大夏河生態(tài)流量保障納入大夏河水量統(tǒng)一調(diào)度與管理中，嚴格按照確定的控制斷面生態(tài)基流指標控制。同時加強取用水管控，取水量不得超過經(jīng)批準的取水計劃；若遇枯水期及出現(xiàn)特枯年份等情況，在保證居民生活用水的前提下，對河道外用水進行管控，最大程度地保證主要控制斷面生態(tài)基流目標。

(3)加強監(jiān)測檢查，建立預警機制。結合主要控制斷面的生態(tài)流量指標，建立預警機制，加強現(xiàn)場檢查，密切跟蹤斷面的流量，接近或達到生態(tài)流量時，采取壓減引水、增大下泄等方法提高斷面流量，保障生態(tài)基流。

(4)建立考核制度，嚴格監(jiān)督問責。建立大夏河生態(tài)流量保障考核制度體系，通過嚴格考核評估和監(jiān)督，強化生態(tài)流量保障在最嚴格水資源管理制度和河長制工作中的地位，督促落實各級政府職責，確保大夏河生態(tài)流量得以充分保障。

6 結語

(1)受氣候變化和人類活動影響，大夏河流域徑流呈顯著減少趨勢，一系列梯級水電開發(fā)對河流水文過程影響十分顯著。

(2)經(jīng)過多種計算方法分析比較，逐月最小生態(tài)徑流計算法計算的生態(tài)流量值更為合理，即夏河斷面豐水期2.63m3/s、枯水期1.62m3/s；雙城斷面豐水期8.37m3/s、枯水期5.18m3/s；折橋斷面豐水期8.69m3/s、枯水期4.49m3/s，可為大夏河流域水資源開發(fā)、利用提供參考。

(3)本文生態(tài)流量計算方法均屬于水文學法，以后還需用水力學、生物模擬法等方法對大夏河生態(tài)流量做深入的研究與分析。