一種基于生態(tài)流量的水資源開發(fā)利用率閾值估算方法

張曉璐，劉德地

（武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，湖北 武漢 430072）

0 引 言

水資源開發(fā)利用率閾值是進(jìn)行水資源開發(fā)利用、安全評價、風(fēng)險調(diào)控與綜合管理的控制性指標(biāo)，國際上常以年取水量與年可獲得水資源量的比值作為水資源開發(fā)利用率，取40%作為其閾值，并以此為依據(jù)判斷一個區(qū)域水資源利用狀況是否處于安全或者高壓力狀態(tài)［1］，但隨著該閾值在水資源管理科學(xué)研究與實踐中的廣泛應(yīng)用，其確定依據(jù)和合理性越來越受到人們的高度關(guān)注。Balcerski［2］最早定義了水資源利用指數(shù)為年可獲得水資源量與年取水量的比值，并認(rèn)為其小于5時，水資源開始限制經(jīng)濟發(fā)展。1972年Szesztay［3］首次在實際中應(yīng)用Balcerski的方法分析了歐洲30 個國家的水資源利用狀況，1976年Falkenmark and Lindh［4］將水資源開發(fā)利用率定義為水資源利用指數(shù)的倒數(shù)，進(jìn)一步解釋了在歐洲當(dāng)水資源開發(fā)利用率超過20%時，水資源的進(jìn)一步開發(fā)將會增大必要的基礎(chǔ)設(shè)施工程投入，從而影響國家的經(jīng)濟發(fā)展。1993年Kulshreshtha［5］根據(jù)當(dāng)時的用水情況預(yù)測了在氣候變化情境下世界上各個研究區(qū)域的水資源開發(fā)利用率，提到在未來日本的水資源開發(fā)利用率將保持在40%以下，這相對亞洲其他國家是較不脆弱的。1997年Raskin［6］將水資源開發(fā)利用率分為4 個等級，將40%設(shè)定為水資源高壓力閾值，并在全球范圍內(nèi)評價了各個區(qū)域從1995年到2025年間水資源壓力狀態(tài)的變化，但并未明確給出40%閾值的確定依據(jù)和參考文獻(xiàn)。Hanasaki等［7］也認(rèn)為水資源開發(fā)利用率閾值為40%的來源和科學(xué)依據(jù)不明，然而自Raskin［6］水資源狀況的研究報告發(fā)布后，大量有關(guān)水資源安全、水資源壓力的評價報告和論文均以40%作為水資源安全指標(biāo)的閾值［1，8-12］。我國眾多研究者對水資源開發(fā)利用率有著不同的定義和計算，王建生［13］提出地表水資源可利用量和水資源可利用總量的計算方法，對我國各水資源一級區(qū)和全國水資源可利用率進(jìn)行了計算和分析。祝曉宇［14］等則基于水資源調(diào)入調(diào)出關(guān)系，分析了我國各水資源一級區(qū)地表水資源開發(fā)利用率及其變化趨勢。左其亭［15］評述了現(xiàn)有水資源利用率的概念和計算公式，認(rèn)為現(xiàn)有的水資源利用率概念不清，并提出了扣除非供人類使用的生態(tài)需水等后計算的凈水資源利用率的概念和計算公式。馬濤等［16］總結(jié)了非常規(guī)水資源的現(xiàn)狀開發(fā)利用量和開發(fā)利用模式并分析了其中存在的主要問題，提出了針對性對策以更好地支撐非常規(guī)水資源開發(fā)利用管理和實踐來緩解水資源危機。李麗娟和鄭紅星［17］認(rèn)為海、灤河流域出現(xiàn)生態(tài)問題的根本原因是水資源的過度開發(fā)，應(yīng)考慮河流的基本生態(tài)環(huán)境需水量來幫助把握水資源開發(fā)利用的程度。王西琴和張遠(yuǎn)［18］從水質(zhì)和水量綜合角度探討了水資源開發(fā)利用率閾值，在同時考慮水資源消耗系數(shù)、污徑比和生態(tài)流量的前提下，給出了我國七大流域水資源利用率閾值。劉曉燕等［19］通過耦合分析黃河的輸沙需水及不同魚類和濕地對生態(tài)需水和流量的要求，并考慮水庫群難以調(diào)蓄的洪水，對黃河未來可供人類利用水量進(jìn)行了預(yù)測，說明了水資源開發(fā)利用閾值具有動態(tài)性特征。還有一些研究者［20-25］從水足跡視角分析了當(dāng)前水資源利用結(jié)構(gòu)特征，從考慮生態(tài)用水的角度下綜合評價了我國不同省市或流域的水資源可持續(xù)利用情況，為接下來各流域城市制定和調(diào)整水資源可持續(xù)開發(fā)利用管理政策提供了新方向。

目前結(jié)合生態(tài)對水資源開發(fā)利用率的研究常根據(jù)生態(tài)流量利用比例進(jìn)行估算，其中的生態(tài)流量法采用Tennant法［26］，如賈紹鳳和柳文華［27］認(rèn)為Tennant法中河流保有60%的多年平均年徑流量可以保障河流大多數(shù)生物生長是河流水資源開發(fā)利用率不超過40%的合理依據(jù)，而Tennant 法存在以下不足：①采用多年平均年徑流量的百分比表示生態(tài)流量，沒有考慮其逐月或年際變化；②采用多年平均月徑流量的百分比表示生態(tài)流量的改進(jìn)Tennant 法，未能克服極端年際流量的影響；③不同流域或同個流域不同河段都采用同一個生態(tài)流量百分比，未考慮不同流域或不同河段間的差異性。針對Tennant 法的不足，本文在應(yīng)用SWAT 模型模擬徑流，得到反映時空分布的各子流域徑流的基礎(chǔ)上，通過基于多層次生境條件的改進(jìn)Tennant法（Modified Tennant Method based on Multilevel Habitat Conditions，MTMMHC 法）［28，29］計算各月份在豐、平、枯年份的各級生態(tài)流量，進(jìn)一步根據(jù)河道內(nèi)水量平衡原理，建立水資源開發(fā)利用率閾值與河道內(nèi)生態(tài)流量的互補關(guān)系，將河道內(nèi)水量計算問題轉(zhuǎn)化為河道出口斷面流量的監(jiān)測問題，通過保證子流域出口的生態(tài)流量來確保整個子流域的水資源開發(fā)符合要求?？紤]到目前較難做到實時監(jiān)測和反饋，僅使用平均流量來計算，最終得到各子流域（表征不同河段）各月份在不同水平年的各級水資源開發(fā)利用率閾值，研究路線見圖1。MTMMHC 法充分考慮了流量的年內(nèi)和年際變化以及極端年際流量與流量年內(nèi)分布不均的影響，最終結(jié)果改進(jìn)了水資源開發(fā)利用率閾值在不同水平年和河段為單一值的情況，體現(xiàn)了其時間和空間變異性，可為水資源綜合開發(fā)利用管理及調(diào)水工程的運行管理提供支撐。

圖1 基于生態(tài)流量的水資源開發(fā)利用率閾值研究路線圖Fig.1 Research roadmap of water exploitation index based on ecological flow

1 研究方法

1.1 SWAT分布式水文模型

SWAT模型是美國農(nóng)業(yè)部和農(nóng)業(yè)研究局開發(fā)的流域尺度的分布式水文模型。在SWAT模型中每一個水文響應(yīng)單元均涉及截留、融雪、地表徑流、壤中流、地下徑流和蒸散發(fā)等［30］（圖2），地表徑流量的計算主要采用SCS 徑流曲線數(shù)法［31］和Green &Ampt 下滲法［32］，本文選用SCS 徑流曲線數(shù)法，壤中流采用動力儲水模型計算，地下徑流只有淺層地下水對該流域的河川徑流有補給時才產(chǎn)流，蒸散發(fā)的計算主要采用Penman-Monteith法［33］、Priestley-Taylor 法［34］和Hargreaves 法［35］，本文選用Penman-Monteith法；河道匯流演算方法采用Muskingum法［36］。

圖2 SWAT模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of SWAT model structure

1.2 MTMMHC法計算生態(tài)流量

生態(tài)流量采用MTMMHC 法計算，其主要優(yōu)勢在于：①同傳統(tǒng)Tennant 法以平均流量的單一百分比作為生態(tài)流量不同，通過它可以計算出不同月份不同水平年的生態(tài)流量，其中水平年的劃分基于月平均流量序列的不同保證率，能充分考慮流量的年內(nèi)變化和年際變化（時間變異性）；②它以不同水平年組不同月份的月中值流量代替Tennant 法中年平均流量或月平均流量，考慮了極端年際流量及流量年內(nèi)分布不均的影響（時間變異性）；③采用MTMMHC 法計算流域內(nèi)不同子流域的各級生態(tài)流量，即在不同河段采用不同的生態(tài)流量，能改進(jìn)在整個流域采用同一個生態(tài)流量的情況（空間變異性）。

MTMMHC 法采用逐月流量歷時曲線（Flow Duration Curve，F(xiàn)DC）改進(jìn)法［29，37］計算最小生態(tài)流量（Minimum Ecological Flow，MEF）即生態(tài)基流，考慮了MEF的年際變化和逐月變化。其主要步驟是：首先，根據(jù)月平均流量的保證率P對各月的日流量系列劃分豐（P＜25%）、平（25%＜P＜75%）和枯（P＞75%）水平年組；其次，使用各個月份在不同水平年組的日均流量構(gòu)建逐月FDC；最后，取90%歷時點流量Q90和95%歷時點流量Q95的平均值作為各個月份在不同水平年的MEF：

式中：i=1，2，3，分別為豐、平、枯水平年；j=1，2，…，12，分別為1-12月；MEF（ij）為第i水平年第j月份的最小生態(tài)流量，m3∕s；Q90（ij）為第i水平年第j月份FDC 上的90%歷時點流量，m3∕s；Q95（ij）為第i水平年第j月份FDC上的95%歷時點流量，m3∕s。

MTMMHC 法以50%歷時點流量Q50代替Tennant 法中多年平均年徑流量（Average Annual Flow，AAF），即為最優(yōu)生態(tài)流量（Optimum Ecological Flow，OEF）的上限：

式中：OEFmax（ij）為第i水平年第j月份最優(yōu)生態(tài)流量上限，m3∕s；Q50（ij）為第i水平年第j月份FDC上的50%歷時點流量，m3∕s。

基于Tennant 法的等差數(shù)列分級思想，MTMMHC 法將MEF（ij）～OEFmax（ij）初步等分為10級，將第6級設(shè)定為最優(yōu)生態(tài)流量的下限即最適宜生態(tài)流量：

式中：OEFmin（ij）為第i水平年第j月份最優(yōu)生態(tài)流量下限，m3∕s。

MTMMHC 法以10%Q50代替Tennant 法中10%AAF作為MEF（ij）～OEFmin（ij）各級的等差以優(yōu)化其分級數(shù)量，OEFmin（ij）～OEFmax（ij）不再分級，即初步等分后的6～10 級僅保留了OEFmin（ij）和OEFmax（ij），生態(tài)流量總分級數(shù)最大為7，那么MEF（ij）～OEFmin（ij）（包括兩端點）分級數(shù)最大為6。各子流域MEF（ij）～OEFmin（ij）的分級數(shù)為MEF（ij）～OEFmin（ij）分級數(shù)nij的平均值，為方便計算，最終取各子流域MEF（ij）～OEFmin（ij）分級數(shù)的眾數(shù)作為所有子流域MEF（ij）～OEFmin（ij）分級數(shù)N：

式中：N為所有子流域MEF（ij）～OEFmin（ij）的分級數(shù)，N≤6（MEF（ij）～OEFmin（ij）分級數(shù)最大值為6）；nij為第i水平年第j月份MEF（ij）～OEFmin（ij）的分級數(shù)；Mode（·）為求眾數(shù)函數(shù)；Average（·）為求平均值函數(shù)；Round（·）為四舍五入函數(shù)。

最終MEF（ij）～OEFmin（ij）間各級生態(tài)流量為：

式中：Em（ij）為第i水平年第j月份第m級生態(tài)流量，m3∕s，m=1，2，…，N-1。

1.3 水資源開發(fā)利用率閾值估算

生態(tài)需水（Ecological Water Requirements，EWRs）是維持河道生態(tài)系統(tǒng)平衡的基本水量，也就是河道生態(tài)系統(tǒng)在不同時間尺度上的需水總量，其計算公式如下：

式中：Qall為河道總水量，m3；Ea為河道生態(tài)流量占比，即不同時間尺度生態(tài)流量占其多年平均同期徑流的比值，本文取其為各月份在不同水平年的各級生態(tài)流量占各水平年組多年平均月徑流量（Average Monthly Flow，AMF）的比值。

生態(tài)用水（Ecological Water Use，EWU）指生態(tài)系統(tǒng)維持一定的穩(wěn)定狀態(tài)時實際所利用的水量［38］，可以理解為在一定開發(fā)和消耗水平下剩余在河道內(nèi)供其維持生態(tài)平衡的水量，其計算公式如下：

式中：u為水資源開發(fā)利用率；k為水資源消耗系數(shù)。

根據(jù)河道內(nèi)水量平衡原理，當(dāng)EWRs=EWU時，河道生態(tài)系統(tǒng)處于適宜狀態(tài)；當(dāng)EWRs＜EWU時，河道內(nèi)水量不僅能維持當(dāng)前河段內(nèi)河道生態(tài)系統(tǒng)平衡，還有富余的水分；當(dāng)EWRs＞EWU時，河道內(nèi)水量不足以維持河道生態(tài)系統(tǒng)的正常功能，出現(xiàn)生態(tài)缺水［38］。

因此，要保證河流生態(tài)系統(tǒng)不受破壞，需要滿足：

即：

從而得到，水資源開發(fā)利用率：

故水資源開發(fā)利用率閾值為：

若在跨流域調(diào)水河流或流域內(nèi)調(diào)水河段，調(diào)出的水不會回到原流域或河段或在某一斷面取水，回歸水不能回歸到當(dāng)前河段，而是排放到其他河段或只考慮水資源一次利用，而不考慮或無法考慮其多次利用時，取水量與耗水量相等，即水資源消耗系數(shù)k取為1，則水資源開發(fā)利用率閾值為：

式（12）為水資源開發(fā)利用率閾值與河道內(nèi)生態(tài)流量之間的互補關(guān)系，其實質(zhì)為河道內(nèi)生態(tài)用水與河道外社會經(jīng)濟活動用水的相互耦合，反映了生態(tài)用水的動態(tài)性特征，實現(xiàn)了從單一考慮水資源開發(fā)利用對經(jīng)濟社會發(fā)展的工程影響［2-4］（如最早的水資源開發(fā)利用率閾值為20%）和考慮固定比例生態(tài)流量對水資源開發(fā)利用的影響［27］（如水資源開發(fā)利用率閾值為40%），到考慮動態(tài)生態(tài)環(huán)境需水對水資源開發(fā)利用影響的轉(zhuǎn)變，但水資源開發(fā)利用率閾值還需綜合考慮水資源系統(tǒng)中供水子系統(tǒng)、水力發(fā)電子系統(tǒng)和水生態(tài)環(huán)境保護系統(tǒng)之間相互轉(zhuǎn)換的紐帶關(guān)系等，如還可從水資源系統(tǒng)回彈性角度進(jìn)行估算。

2 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)

2.1 漢江流域概況

漢江是長江第一大支流，其干流發(fā)源于陜西省秦嶺南麓，干流流經(jīng)陜西、湖北兩省，在武漢匯入長江，干流全長1 577 km，流域水系呈現(xiàn)葉脈狀，支流眾多，流域跨度大，面積達(dá)15.9 萬km2。漢江流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)區(qū)，氣候溫和濕潤，降水量豐沛，水資源總量非常豐富，但降水年內(nèi)分配不均，主要集中在夏季，暴雨多發(fā)生于7-10月［39］，徑流年際變化大，多集中在5-10月［40］。漢江流域是我國重要的戰(zhàn)略水源地，隨著“南水北調(diào)”中線、“引漢濟渭”、興隆水利樞紐、“引江濟漢”、“鄂水北調(diào)”等工程的實施，漢江流域和調(diào)水工程受水區(qū)的水資源系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境均發(fā)生了改變［41］。作為諸多水資源工程的水源地，漢江流域有著沉重的水資源負(fù)擔(dān)，不同河段不同季節(jié)水資源開發(fā)利用率閾值的研究能夠為其工程規(guī)劃提供合理的參考，有助于維持其河流生態(tài)系統(tǒng)平衡。

2.2 數(shù)據(jù)收集與處理

2.2.1 氣象數(shù)據(jù)

漢江流域氣象數(shù)據(jù)來源于中國國家氣象局，選取了漢江流域13 個國家氣象站點［圖3（a）］1980-2000年所測得的逐日氣象數(shù)據(jù)資料（包括降水量、最低最高氣溫等），用于驅(qū)動SWAT水文模型進(jìn)行徑流模擬。

2.2.2 徑流數(shù)據(jù)

觀測徑流數(shù)據(jù)來源于長江委水文局，選取了漢江干流上包括白河（32.82°N，110.12°E）、黃家港（32.52°N，111.52°E）、襄陽（32.03°N，112.17°E）和皇莊（31.19°N，112.56°E）4 個水文站［圖3（a）］作為干流主要測站，徑流數(shù)據(jù)包括這4 個站點1980-2000年的逐日平均徑流量。

2.2.3 數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）

DEM 數(shù)據(jù)［圖3（b）］來源于中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)分辨率為1 km，需對DEM原始數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、裁剪和填洼等處理。

圖3 漢江流域SWAT模型輸入數(shù)據(jù)Fig.3 Input data of SWAT model in Hanjiang River basin

2.2.4 土地利用/覆被數(shù)據(jù)（Land-Use and Land-Cover，LUC）

LUC 數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心，采用2015年空間分辨率為1 km 的柵格數(shù)據(jù)。LUC 類型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6 個一級類型以及水田、旱地、有林地和灌木林等25 個二級類型。根據(jù)SWAT 模型中LUC 分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重新分類，最終獲得7種LUC類型［圖3（c）］。

2.2.5 土壤數(shù)據(jù)

土壤數(shù)據(jù)來源于聯(lián)合國糧農(nóng)組織和維也納國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所構(gòu)建的世界土壤數(shù)據(jù)庫（Harmonized World Soil Database，HWSD），數(shù)據(jù)分辨率為1 km。經(jīng)美國華盛頓州立大學(xué)開發(fā)的土壤水特性軟件SPAW 中的土壤水分特征（Soil-Water-Characteristics，SWCT）參數(shù)估計模塊計算出研究區(qū)域內(nèi)所含土壤的有關(guān)物理參數(shù)，結(jié)合SWAT 模型的土壤類型劃分標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)內(nèi)物理特性相近的土壤類型歸為同一類型，最終得到11種土壤類型［圖3（d）］。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 SWAT水文模型的參數(shù)率定與檢驗

SWAT 模型構(gòu)建采用ArcGIS 10.2 環(huán)境下的Arc-SWAT 2012 版本。輸入漢江流域的DEM 數(shù)據(jù)，使用模型推薦面積作為集水區(qū)劃分的閾值，通過ArcSWAT自動提取水流方向和河流網(wǎng)絡(luò)，獲取模型所需要的地形參數(shù)、水系、匯流區(qū)域等信息，最終生成26 個子流域（圖4）。在子流域基礎(chǔ)上根據(jù)LUC、土壤數(shù)據(jù)和坡度范圍使模型生成適量的水文響應(yīng)單元（Hydrological Response Unit，HRU），每個子流域中LUC、土壤類型和坡度的唯一組合被定義為HRU，最終模型共生成303個HRU。

圖4 漢江流域子流域劃分及編號Fig.4 Division and numbering of sub-basin of Hanjiang River basin

3.1.1 模型參數(shù)率定

將1980年設(shè)置為模型預(yù)熱期，1981-1995年為模型率定期，1996-2000年為模型檢驗期，通過Arc-SWAT 模型配套軟件SWAT-CUP，應(yīng)用SUFI-2 算法和全局敏感性分析方法，選取SCS 徑流曲線系數(shù)、主河道曼寧系數(shù)和土壤蒸發(fā)補償系數(shù)等13個對徑流影響較大的輸入?yún)?shù)［42，43］，同時對白河、黃家港、襄陽和皇莊4 個水文站1980-2000年的日平均徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定和檢驗。采用相關(guān)系數(shù)（R2）、納什效率系數(shù)（Nash-Sutcliffe Efficiency coefficient，NSE）［44］和偏差百分比（PBIAS）作為評價模型適用性的目標(biāo)函數(shù)［45，46］，各指標(biāo)計算公式分別如下：

式中：Qo，i為第i個觀測徑流，m3∕s；Qm，i為第i個模擬徑流，m3∕s；為觀測徑流平均值，m3∕s；為模擬徑流平均值，m3∕s；n為流量系列長度。

R2反映模擬值和觀測值之間的線性相關(guān)性，其取值范圍為0～1，其值越大，表示模擬值越接近觀測值，模擬效果越好，一般認(rèn)為R2＞0.6 時的模擬情況是可接受的［47］；NSE取值范圍為-∞～1，NSE越接近1，表示模型模擬質(zhì)量越好，模型可信度越高，一般認(rèn)為NSE＞0.5 時的模擬情況是可接受的［48］；PBIAS反映模型模擬值和觀測值的偏差程度，PBIAS=0表示模擬值等于觀測值，PBIAS＞0 表示模擬值小于觀測值，PBIAS＜0 表示模擬值大于觀測值，即PBIAS絕對值越接近0，模型模擬效果越好，一般認(rèn)為PBIAS絕對值＜25%時的模擬情況是可接受的［48］。

3.1.2 漢江流域SWAT水文模型徑流模擬結(jié)果分析與討論

從評價指標(biāo)（表1）來看，4 個水文站的R2均在0.75 以上，PBIAS絕對值均在15%以內(nèi)，除黃家港站檢驗期NSE為0.67 以外，其余NSE均在0.70 以上，各水文站的評價指標(biāo)符合精度要求，說明SWAT模型在漢江流域的徑流模擬結(jié)果是比較可靠的。

表1 漢江流域徑流模擬評價結(jié)果Tab.1 Results of runoff simulation evaluation in Hanjiang River basin

為了更加直觀地展示模擬徑流與觀測徑流在徑流峰值與枯水值的模擬情況以及二者擬合程度，分別繪制各水文站率定期和檢驗期的模擬徑流與觀測徑流過程線（圖5）及散點圖（圖6）。從圖5、6 可知：①各站點在率定期和檢驗期模擬值和觀測值都比較接近，模擬效果均良好，其中皇莊站徑流模擬值和觀測值最為接近，較其他各站效果好，而黃家港站模擬效果略差于其他各站；②各站點當(dāng)徑流觀測值處于峰值時，徑流模擬值也為峰值，但與觀測值相比，模擬值偏低，當(dāng)徑流觀測值為枯水值時，徑流模擬值也為枯水值，但與觀測值相比，模擬值偏高，可見模型對徑流數(shù)據(jù)有一定的平均化作用；③模擬徑流值與觀測徑流值線性相關(guān)性較好，散點分布在擬合直線1∶1的兩側(cè)，但部分點離擬合直線1∶1距離較遠(yuǎn)，這部分點主要為徑流峰值點，由此可見，除徑流峰值外，其余各點模擬效果較好。造成以上現(xiàn)象的原因可能是：皇莊站位于流域下游末端，水量充沛，河流調(diào)蓄能力強，因此模擬效果較好，黃家港站位于丹江口下游附近，觀測徑流受丹江口水庫強大的調(diào)蓄作用影響，豐水期蓄水，枯水期補水，而模型則對天然徑流進(jìn)行模擬，因此徑流模擬效果略差；另外，由于模型本身的不確定性，使其在峰值和枯水值上的模擬相對較差。最后，將率定好的SWAT 模型參數(shù)應(yīng)用到漢江流域其他22 個子流域，便可得到各個出口斷面的徑流模擬值。

圖5 漢江流域4個水文站率定期（1981-1995）及檢驗期（1996-2000）徑流模擬結(jié)果過程線Fig.5 Runoff simulation results of four hydrological stations in Hanjiang River basin during calibration periods（1980-1995）and validation periods （1996-2000）

圖6 漢江流域4個水文站率定期（1981-1995）及檢驗期（1996-2000）徑流模擬結(jié)果散點圖Fig.6 Scatterplot of runoff simulation results of four hydrological stations in Hanjiang River basin during calibration periods（1980-1995）and validation periods （1996-2000）

3.2 漢江流域生態(tài)流量計算

運用MTMMHC 法分別使用觀測徑流和模擬徑流計算白河、黃家港、襄陽和皇莊水文站的生態(tài)流量，以皇莊站為例進(jìn)行分析以檢驗由模擬徑流所計算生態(tài)流量結(jié)果的合理性，若結(jié)果偏差較小則認(rèn)為模擬數(shù)據(jù)較合理，可通過MTMMHC 法求得其他子流域的生態(tài)流量及Ea。再通過包括Tennant 法、年內(nèi)展布計算法［49］、FDC法在內(nèi)的水文學(xué)法分別計算漢江流域26個子流域出口的MEF，并分別按對應(yīng)的時間尺度計算MEF占AAF或AMF的比值即MEF同期占比Ea（Tennant 法和年內(nèi)展布計算法按年或月尺度計算的Ea相等，F(xiàn)DC 法按月尺度計算Ea），來對比各方法的優(yōu)缺點，以皇莊站為例進(jìn)行對比分析。

各方法MEF計算公式如下所示：

式中：MEFT、MEFN和MEFF分別為由Tennant 法、年內(nèi)展布計算法和FDC 法所計算MEF，m3∕s；η為年內(nèi)展布計算法中同期均值比；AAFmin為多年最小年均徑流量，m3∕s。

MEF同期占比Ea計算公式為：

式中：Ea_y和Ea_m分別為年尺度和月尺度下的生態(tài)基流同期占比；MEFy和MEFm分別為按年尺度和月尺度計算的最小生態(tài)流量，m3∕s。

3.2.1 MTMMHC法生態(tài)流量分級

各子流域出口處MEF（ij）～OEFmin（ij）之間分級數(shù)經(jīng)計算取為3 級，則各子流域出口處生態(tài)流量總共為4 級，各級生態(tài)流量分別表示為MEF、E2、OEFmin和OEFmax。

3.2.2 生態(tài)流量計算結(jié)果分析與討論

表2是皇莊站出口斷面分別由觀測值和模擬值計算的不同月份在不同水平年的各級生態(tài)流量取值，其過程線見圖7。結(jié)合表2和圖7可知：針對皇莊站各月份的不同水平年組，在豐水年由觀測值計算的MEF、E2、OEFmin和OEFmax的最大值均出現(xiàn)在7月或8月，由模擬值計算的除MEF最大值出現(xiàn)在9月，其余均出現(xiàn)在8月；在平水年由觀測值和模擬值計算的MEF、E2、OEFmin和OEFmax的最大值均出現(xiàn)在8月；在枯水年由觀測值計算的MEF、E2、OEFmin和OEFmax的最大值均出現(xiàn)在8月，由模擬值計算的除MEF最大值出現(xiàn)在8月，其余均出現(xiàn)在7月；各級生態(tài)流量的最大值都出現(xiàn)在同一個或者相鄰的月份，各級生態(tài)流量的總體變化趨勢是基本一致的?？傮w上，由觀測值和模擬值計算的MEF、E2、OEFmin和OEFmax分別對應(yīng)接近，對其微小差異可忽略，產(chǎn)生這一微小差距的原因可能是：計算月尺度下生態(tài)流量時，采用模擬日徑流數(shù)據(jù)繪制逐月FDC，MEF的計算與Q90和Q95的大小息息相關(guān)，基于MEF計算的其他各級生態(tài)流量的計算也受到Q90和Q95的影響，而模擬徑流數(shù)據(jù)與觀測徑流數(shù)據(jù)所求得Q90和Q95不同，計算的生態(tài)流量也會因此有略微差距。

表2 皇莊站以觀測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)計算的各級生態(tài)流量取值對比m3∕sTab.2 Comparison of values of ecological flow at different levels calculated by observed data and simulated data at Huangzhuang hydrological station

將由Tennant 法、年內(nèi)展布計算法、FDC 法和MTMMHC 法計算的MEF對應(yīng)Ea分別表示為Ea_T、Ea_N、Ea_F和Ea_M，皇莊站各方法對應(yīng)Ea見圖8。從結(jié)果上來看：①Ea_T和Ea_N、均為定值，其中Tennant 法不能很好地考慮流量的逐月或年際變化，而年內(nèi)展布計算法雖能夠較好地體現(xiàn)年內(nèi)各月河流天然徑流的變化過程，但從計算上來看，采用最小年均徑流這一最枯的情況代表所有情況，對天然徑流年際豐枯變化的考慮較少；②MEFF和Ea_F在各月均取不同值，雖考慮了年內(nèi)各月流量差異，但未考慮流量的年際豐枯變化；③Ea_M則不僅在年內(nèi)各月都取得不同值，在同一月份的不同水平年也取得不同值，能充分考慮流量年內(nèi)分布不均和年際變化的特點，體現(xiàn)了Ea在豐、平和枯年份的差異性。

圖8 皇莊站分別以Tennant法、年內(nèi)展布計算法、FDC法和MTMMHC法計算的生態(tài)基流同期占比Fig.8 Comparison of the proportion of minimum ecological flow in the same periods calculated by four methods at Huangzhuang hydrological Station

結(jié)合圖7、8 我們可以發(fā)現(xiàn)，在河道流量較大的月份Ea_F和MEFF均較大，MEFM也具有此特征，且MEFM在豐、平、枯年份間是逐漸減小的，但Ea_M并不具在流量大的月份大的規(guī)律，在豐、平、枯年份間也不是逐漸減小的，這與FDC 法很不同。這是因為在河道流量較大的月份，雖然MEF較大，但可能出現(xiàn)AMF遠(yuǎn)大于MEF使Ea較小，或月內(nèi)逐日流量都很大，但AMF與MEF較接近使Ea較大的情況；在河道流量較小的月份，雖然MEF較小，但也可能出現(xiàn)AMF與MEF相差較大使Ea較小，或月內(nèi)逐日流量都很小，但AMF與MEF較接近使Ea較大的情況。相對而言，流量大的月份Ea較小和流量小的月份Ea較大的情況比較容易出現(xiàn)。

圖7 皇莊站以觀測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)計算的各級生態(tài)流量及其占比Fig.7 Comparison of ecological flow and its proportion at different levels calculated by observed data and simulated data at Huangzhuang hydrological Station

3.3 漢江流域水資源開發(fā)利用率閾值結(jié)果分析與討論

在計算漢江流域各子流域出口斷面月尺度不同等級生態(tài)流量的基礎(chǔ)上，求得滿足不同等級生態(tài)流量要求的水資源開發(fā)利用率閾值（當(dāng)月可開發(fā)利用水資源量占當(dāng)月水資源總量的比值），u1、u2、u3和u4分別為MEF、E2、OEFmin和OEFmax所對應(yīng)的水資源開發(fā)利用率閾值。

根據(jù)本文水資源開發(fā)利用率閾值的計算方法，Tennant法對應(yīng)OEFmin即最適宜生態(tài)流量取60%AAF時的水資源開發(fā)利用率閾值對應(yīng)現(xiàn)行40%的標(biāo)準(zhǔn)，故取由MTMMHC 法求得OEFmin對應(yīng)的u3作為本文推薦的最適宜水資源開發(fā)利用率閾值。為反映漢江流域u3的時空分布特征，分別繪制了不同子流域各月份在豐、平、枯年份的u3空間分布圖（圖9～11），由圖9～11 可知：①總體上，豐、平、枯年份豐水期（5-10月）u3相對于除豐水期外的其他月份（1、2、3、4、11和12月）而言較大，且多數(shù)子流域各月u3處于20%～40%及以上，其中7-9月的u3較5、6、10月而言更大，多數(shù)子流域在除豐水期外的月份u3＜20%；②在豐水年豐水期，僅有6 個子流域在各月出現(xiàn)u3＜20%共8 次，出現(xiàn)的頻率僅為5.1%，其余u3都在20%～40%及以上，在7-9月大多數(shù)子流域各月u3在40%～60%及以上，在豐水期外，各子流域在各月u3＜20%出現(xiàn)的頻率為70.5%；③在平水年豐水期，僅有4 個子流域在各月出現(xiàn)u3＜20%共7 次，出現(xiàn)的頻率僅為4.5%，其余u3多數(shù)在20%～40%，在7-9月少于一半頻次u3在40%～60%及以上，有2個子流域在各月出現(xiàn)u3＜20%共3 次，其余則在20%～40%及以上，在豐水期外，各子流域在各月u3＜20%出現(xiàn)的頻率為77.6%；④在枯水年豐水期，多數(shù)子流域各月u3在20%～40%，僅有7 個子流域在各月出現(xiàn)u3在40%～60%及以上共14 次，出現(xiàn)的頻率僅為9.0%，近一半子流域在各月出現(xiàn)u3＜20%共27 次，出現(xiàn)的頻率僅為17.3%，在7-9月僅有6 個子流域在各月出現(xiàn)u3在40%～60%及以上共8次，僅有5個子流域在各月出現(xiàn)u3＜20%共5次，其余均在20%～40%，在豐水期外，各子流域在各月u3＜20%出現(xiàn)的頻率為69.2%；⑤在除豐水期以外的月份中，各水平年u3大多在20%以下，低于現(xiàn)行40%的標(biāo)準(zhǔn)，總體上各子流域u3都較難滿足現(xiàn)行40%的標(biāo)準(zhǔn)；⑥各子流域各月在不同豐、平、枯年份的u3均不同，體現(xiàn)了u3的時間和空間分布差異性。

圖9 各子流域各月份在豐水年組的最適宜水資源開發(fā)利用率閾值Fig.9 The optimal threshold of water exploitation index of each sub-basin in each month in wet year

為保證河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)平衡以及防止水資源的過度開發(fā)，建議漢江流域在豐水年7-9月水資源開發(fā)利用率閾值可取40%，在豐水年豐水期除7-9月的其他月份以及平水年和枯水年的豐水期可取30%，除豐水期外的月份可取20%。

4 結(jié)論與展望

（1）利用SWAT模型模擬漢江流域徑流過程，從徑流過程線來看，徑流模擬在峰值和枯水值上都略有欠缺，但從評價指標(biāo)來看，4個水文站徑流模擬結(jié)果均為良好，模擬精度達(dá)到了評價標(biāo)準(zhǔn)，說明SWAT模型能較好地應(yīng)用于漢江流域徑流模擬。

圖10 各子流域各月份在平水年組的最適宜水資源開發(fā)利用率閾值Fig.10 The optimal threshold of water exploitation index of each sub-basin in each month in normal year

（2）通過MTMMHC 法計算有觀測數(shù)據(jù)的4個子流域出口各月份不同水平年的各級生態(tài)流量，以皇莊站為例分析的結(jié)果表明，觀測和模擬數(shù)據(jù)計算結(jié)果總體趨勢基本一致，二者在數(shù)值上相差不大，認(rèn)為模擬數(shù)據(jù)較為合理，可利用MTMMHC 法計算其他各子流域的生態(tài)流量。通過對比不同生態(tài)流量計算方法所計算生態(tài)基流占多年平均同期流量的比值，證明了MTMMHC法能同時考慮流量的年內(nèi)和年際變化以及體現(xiàn)流量在豐、平和枯年份的差異性的優(yōu)越性。

（3）通過河道內(nèi)生態(tài)流量與水資源開發(fā)利用率閾值間的互補關(guān)系，求得各子流域各月份在豐、平、枯年份的水資源開發(fā)利用率閾值均不同，體現(xiàn)了水資源開發(fā)利用率閾值的時間和空間分布差異，反映了水資源開發(fā)利用率閾值的動態(tài)變化特征。

在以SWAT分布式水文模型模擬所得徑流數(shù)據(jù)確定生態(tài)流量的基礎(chǔ)上，計算了漢江流域各子流域各月份在不同水平年的各級水資源開發(fā)利用率閾值，體現(xiàn)了該閾值的時空分布特征。但文中所用的MTMMHC 法依舊是從水文學(xué)的角度上來計算生態(tài)流量，并不是完全按照生物學(xué)及物質(zhì)循環(huán)角度，后續(xù)的研究中可以進(jìn)一步考慮漢江流域不同魚類和植物的生存環(huán)境以及通過動植物體內(nèi)的物質(zhì)循環(huán)推求其所需流量，以便在更好地滿足生態(tài)需求基礎(chǔ)上進(jìn)行水資源的開發(fā)和利用。此外，水資源開發(fā)利用率閾值不僅僅與河道內(nèi)生態(tài)流量有關(guān)，而且與開發(fā)利用能力、水資源系統(tǒng)特性和能源轉(zhuǎn)化關(guān)系等有關(guān)，比如可從水資源系統(tǒng)回彈性角度進(jìn)一步確定。

圖11 各子流域各月份在枯水年組的最適宜水資源開發(fā)利用率閾值Fig.11 The optimal threshold of water exploitation index of each sub-basin in each month in dry year