基于水文學法的連江高道斷面生態(tài)流量研究

鄭鍵鵬

(廣東省水文局 清遠水文分局，廣東 清遠 511599)

1 概述

隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，人類社會對水資源的需求導致部分河流水資源在數(shù)量、質量、可利用量及時空分布上均發(fā)生了一定程度的變化，加之人們對良好水生態(tài)環(huán)境的需求不斷增大，水資源的供需矛盾進一步激化。人類對水資源的過度開發(fā)，會加大生態(tài)用水與經(jīng)濟發(fā)展之間的矛盾，也會加劇對水生態(tài)平衡的破壞，導致河流水文情勢的改變、河道河床的下切，甚至是水生態(tài)系統(tǒng)退化等結果的出現(xiàn)[1]。因此，確定合理的生態(tài)流量對保證河道基本的生態(tài)功能和形態(tài)具有現(xiàn)實的迫切性。

河流生態(tài)流量是指保證河道生態(tài)環(huán)境用水需求的最小流量，用以分析河流維持自然生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定所需流量和人類用水間的相互平衡的關系[2]。世界范圍內(nèi)針對流域生態(tài)流量計算的方法超過200種[3]，具體劃分為水文學、水力學發(fā)、棲息地法和生態(tài)模擬法等，其中水文學法是目前國內(nèi)外研究生態(tài)流量領域里應用最廣泛的，可直接依據(jù)歷史流量計算結果，具有快速、簡單、經(jīng)濟的特點[4]。常用于計算生態(tài)流量的水文學包括Tennant法、Texas 法、Tessman法、NGPRP 法、90%保證率法和最枯月平均流量法等，不同方法的適用條件、范圍和優(yōu)缺點[5]有較大差異，在選取時應結合實際。

隨著沿河開發(fā)活動及水資源利用日益增多，連江流域沿途一些地區(qū)忽視河湖保護，污染河道、破壞河流生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)象非常突出，直接影響沿岸城市發(fā)展和人民群眾生活質量。連江流域作為具有水文自然調節(jié)作用的天然河道，其飲用水水源地數(shù)量極多，流域內(nèi)劃有16個具有漁業(yè)功用的水功能區(qū)，1個為河流型水功能區(qū)，其余15個為水庫型水功能區(qū)，除保障居民飲水和農(nóng)業(yè)灌溉外，水功能區(qū)還用于魚卵動物的生長繁殖等。因此，為維護連江流域生態(tài)健康，開展流域生態(tài)流量研究、確定適合流域的生態(tài)流量具有重要意義。

2 研究區(qū)概況

2.1 流域概況

連江流域位于北江右岸，發(fā)源于連州市星子鎮(zhèn)潭嶺村三姊妹峰，流經(jīng)連州、陽山、英德3縣(市)，于英德連江口鎮(zhèn)江口咀匯入北江(連江流域所屬縣區(qū)范圍示意見圖1)。作為珠江流域北江水系里最大的一級支流，連江流域干流全長275 km，集水面積為10 061 km2，平均比降0.765‰，全河共有集水面積100 km2以上支流30條，其中最大支流青蓮水的集水面積為1 221 km2。流域地勢自西北向東南降低，呈扇羽狀的喀斯特地形，是典型的山溪河流，具有河床坡陡、流急、峽灘多而曲折、水位落差大等特點。流域地處亞熱帶氣候區(qū)，一年四季受季風影響，降雨集中、洪水多發(fā)、漲落明顯，多年平均降雨量在1 560～1 990 mm之間，自上游至下游逐步遞增，年內(nèi)分配不均，汛期(4—9月)雨量占全年的73%左右。

圖1 連江流域所屬縣區(qū)范圍示意

2.2 控制站概況

高道水文站作為連江匯入北江干流較近的站點，為連江流域的控制斷面，站點位于英德市西牛鎮(zhèn)，地屬連江下游，至河口距離23 km處匯入北江，集水面積為9 007 km2，占連江流域總集水面積的89.5%。高道站上下游以山丘、水田為主，地勢起伏變化較大，河床坡度較小(見圖2)。

圖2 連江流域控制斷面高道水文站示意

3 研究數(shù)據(jù)與方法選用

3.1 數(shù)據(jù)確定

生態(tài)流量的計算建立在人類活動影響最小的狀態(tài)[6]。本文以連江流域高道段為研究區(qū)域，選取高道水文站1991—2020年共30 a的歷史實測徑流數(shù)據(jù)，計算流域的生態(tài)流量。數(shù)據(jù)均來源于珠江流域水文年鑒(見圖3)。

圖3 高道站徑流量和流量的年內(nèi)變化

3.2 方法選用

水文學法是依據(jù)流域較長的歷史實測水文資料來計算生態(tài)流量[7]，其重點模擬生物所適應的天然流量節(jié)律[8]。本文選用Tennant法、90%保證率法、最枯月平均流量法、Tessman法、Texas法和NGPRP法共6種水文學法計算連江流域高道斷面的生態(tài)流量，具體見表1。

表1 生態(tài)流量計算方法

4 生態(tài)流量計算與結果分析

4.1 結果與分析

計算結果見表2，其中Tennant法分別以10%、20%和30%計算。結果可知，高道斷面多年平均徑流過程豐枯變化顯著，其中4—9月為汛期，流量約占全年的70%；10月—次年3月為非汛期，流量約占全年的30%。

表2 生態(tài)流量計算結果 m3/s

繪制結果的年內(nèi)變化過程線(見圖4)。從變化規(guī)律看，各結果基本相似，生態(tài)流量在汛期(4—9月)先升高后降低，在非汛期(10月—次年3月)變化平穩(wěn)。結合圖3可知，生態(tài)流量結果在年內(nèi)也表現(xiàn)出豐枯交替的特征。

圖4 各方法生態(tài)流量結果年內(nèi)變化過程線示意

從計算結果看：

1)NGPRP法的計算結果為全年最大值，是其余方法結果的外包值，在結果上最接近多年月均流量。

2)Tessman法的生態(tài)流量結果全年偏大。該方法在枯水月的生態(tài)流量結果為多年月均流量，該取值通過抬高枯水月份的流量大小，保障由于枯水期來水量少造成的水量緊缺問題，因此在非汛期大于其他方法的結果。

3)90保證率法和最枯月平均流量法的結果均為固定值，沒有體現(xiàn)季節(jié)波動。兩者在使用范圍上基本一致，但前者更多應用于納污需求較大的河流，后者則直接選取最枯月均流量的多年平均值。除了水功能區(qū)數(shù)量較多外，連江流域內(nèi)自上而下建有蓑衣灘、黃茅峽等多宗梯級航運兼水力發(fā)電的樞紐，河流水質目標類別較高、排污需求較大，因此，兩種方法的計算結果均不滿足河流實際的需求，故不適用于連江流域。

4)Tennant法研究認為，維持河流水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的最低要求是生態(tài)流量占同時段多年平均流量的10%，保護水生生物環(huán)境的適宜流量要求是占同時段多年平均流量的20%，而為大多數(shù)水生生物提供良好棲息生存空間的流量要求是占同時段多年平均流量的30%[22]。為滿足河道的最低需求，計算結果應不低于多年平均的10%，從結果來看，3種不同Tennant法的生態(tài)流量結果在年內(nèi)變化與實際吻合，各峰值均出現(xiàn)在汛期的6月，考慮到連江流域的季風氣候，3種結果滿足了各月的最低、較好、極好3個不同等級的環(huán)境狀況。

5)Texas法是根據(jù)經(jīng)驗頻率取50%保證率下各月流量的特定百分率來估算該月的生態(tài)流量，一般情況下，國內(nèi)以20%的特定百分率取值。從結果看，Texas法直觀展現(xiàn)了河流的徑流過程，大小上也與Tennant法—20%接近。

4.2 方法比選

連江流域沒有相關的生態(tài)流量研究成果，依據(jù)上述計算方法，得到各種不同的生態(tài)流量結果，為了優(yōu)選出更符合流域生態(tài)實際的方法，擬從3個方面進行比較，包括滿足率分析、魚卵發(fā)育期生態(tài)需水保障和生態(tài)環(huán)境狀況評價，選擇出適合流域斷面的生態(tài)流量定值。

4.2.1滿足率分析

滿足率可判斷生態(tài)流量對河道的適應性。將9種生態(tài)流量結果與30 a實測流量資料對比，分析逐日、豐水年、平水年和枯水年不同水期下的滿足程度。結果見表3。各方法在豐水年和平水年時期，滿足率均接近100%，而在枯水年時期的滿足率結果在54.2%～100%，僅Tessman法在不同水期的滿足率均最小。

表3 各方法30年滿足率結果

用pearson法驗證實測逐日流量資料與生態(tài)流量計算結果的線性相關程度，可得相關系數(shù)大小在0.40～0.97范圍，全序列平均值為0.76，說明數(shù)據(jù)關系緊密，相關程度較高。

計算2021年和2022年的滿足率，結果見表4。逐月看，Tennant法-10%的滿足率結果在月均流量和最小流量上都是最大值，而Tessman法和NGPRP法的滿足率較小，兩種方法結果偏離實際。逐日看，除Tessman法和NGPRP法外，其余結果都較大，說明更貼近實際。

表4 各方法2021—2022年滿足率結果

用pearson法驗證相關性，可得近2 a的月均流量與生態(tài)流量計算結果的相關系數(shù)分別為0.80和0.81，說明數(shù)據(jù)的相關程度也較高。

4.2.2魚卵動物生態(tài)需水保障

魚卵發(fā)育期作為河道生態(tài)穩(wěn)定的敏感時期，分析該時期下生態(tài)流量是否滿足魚卵發(fā)育所需水量，是判斷生態(tài)流量計算方法合理與否的一個重要手段，也是維持河道生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要判斷依據(jù)。

連江流域共有魚種98種，隸屬9目20科75種，其中以鯪、鯉、子陵吻蝦虎魚、赤眼鱒等小型魚類種群占優(yōu)勢地位[23]。一般情況下，南方河流大部分魚卵的繁殖期為3—5月，魚類動物的發(fā)育期為6—8月。因此，3—8月作為魚卵動物繁殖發(fā)育的關鍵期，水生生物所需水量反映對河道生態(tài)用水的要求，水量的大小可視為生態(tài)流量的大小。

從多年平均占比和多年滿足率評價生態(tài)流量對魚卵動物繁殖發(fā)育的適應性，結果越大，則代表生態(tài)流量越能滿足生態(tài)需水要求(結果見表5、表6)。

表5 魚卵繁殖期多種方法對比分析

表6 魚卵發(fā)育期多種方法對比分析

在魚卵繁殖期和發(fā)育期，Tessman法和NGPRP法兩者結果的滿足率均偏低，不能滿足魚卵動物初期對水量的需求；而90保證率法和最枯月平均流量法的多年占比結果都低于10%，這不符合魚類生物生長環(huán)境的最低標準，也無法滿足魚類繁衍最低的生態(tài)要求。Tennant法和Texas法無論在多年占比還是在生態(tài)流量的滿足率上，都符合河道魚卵動物對水量的需求，從結果來看，兩者能保障魚卵動物的生態(tài)需水。

3.2.3生態(tài)狀況評價

Tenannt法除了計算生態(tài)流量，還能評價水文學法計算的生態(tài)流量結果的優(yōu)劣[23]，以河流逐月生態(tài)流量占各月多年平均流量的百分數(shù)為基礎，將河道生態(tài)環(huán)境狀況從高到低分級為最大、最佳、極好、非常好、好、中、差和極差共8個標準[24]，同時結合水生生物對季節(jié)性的要求，分為汛期和非汛期兩種類別(評價標準見表7)。

表7 Tennant法生態(tài)流量評價標準

結合30 a系列的多年平均流量，用tennant法評價各方法生態(tài)流量結果。定義百分率大于等于60%為最大(紅色)，百分率在20%到60%之間為適宜(黃色)，百分率小于20%為最小(綠色)(評價結果見圖5)。

圖5 Tennant法評價結果示意

4—9月的汛期來水量大，河道流量較大，而10月—次年3月的非汛期偏枯，河道內(nèi)的流量較小。從表6可以看出，各方法在全年長度上均出現(xiàn)3種不同的評價結果，對于90%保證率法、最枯月平均流量法和Texas法-20%這3種方法，生態(tài)狀況評級基本為最小或適宜，說明河道流量分配給生態(tài)的流量僅能滿足最小程度的生態(tài)穩(wěn)定。對于Tessman法和NGPRP法，兩者的評價結果都較大，生態(tài)評價結果均在適宜及以上，但實際上，河道流量不能出現(xiàn)絕大部分都分配到生態(tài)系統(tǒng)的情況，且兩種方法計算出的生態(tài)流量偏大，其合理性較差。

4.3 方法確定

經(jīng)上述分析，可發(fā)現(xiàn)Tessman法和NGPRP法不適用于連江流域，一是生態(tài)流量的滿足率隨水文年而變化，豐水年滿足率高，枯水年滿足率低，但兩種方法結果的滿足率大小在1991—2022年均較低；二是兩者生態(tài)流量沒有很好地滿足實際用水需求，包括魚卵繁殖和發(fā)育期所需的生態(tài)水量，因此不宜作為生態(tài)流量的計算方法。

90%保證率法和最枯月平均流量法的生態(tài)流量滿足率均較高，但沒有體現(xiàn)季節(jié)變化，從表2結果也能發(fā)現(xiàn)其生態(tài)流量計算結果過低，不能滿足水生生物的最低生態(tài)需水量。研究表明，豐枯年份、月份的生態(tài)流量大小要有區(qū)分，一般枯水時期來水量少，該時段水生生物對流量需求最為敏感[25]，因此，在枯水期保障生態(tài)流量更為重要，兩法不適用于計算連江流域的生態(tài)流量。

Texas法是在Tennant法下的改進，但Texas法一般不適用于南方河流，因結果與實際差異較大，在環(huán)境評級上，該法僅體現(xiàn)了滿足功能需求的最低要求，該結果作為保證河流生態(tài)的臨界值，一旦出現(xiàn)河損低于該值，河流的生態(tài)系統(tǒng)將遭到破壞，環(huán)境變差而且難以恢復，因此不能作為合適的生態(tài)流量選擇，應在此基礎上適當預留一定的空間。

綜合來看，Tenannt法既滿足流量在年內(nèi)變化的適用性，又能滿足豐、平及枯水期生態(tài)需求的保證率，根據(jù)2010年水利部水利水電規(guī)劃設計總院印發(fā)的《水工程規(guī)劃設計生態(tài)指標體系與應用指導意見》：“我國南方河流，生態(tài)流量可采用Tennant法取多年平均天然流量的20-30%或以上?！币虼?，選用Tennant法-20%作為連江流域高道斷面計算生態(tài)流量的方法(見表8)。

表8 生態(tài)流量計算方法確定及其計算結果 m3/s

5 結語

本文基于連江流域控制斷面高道站1991—2020年長系列實測徑流數(shù)據(jù)，結合6種水文學方法，計算各月的生態(tài)流量，最后結合滿足率、魚卵期動物生態(tài)需水保障與生態(tài)狀況評價等3個方面對結果進行評價，選擇最合理的方法。結論如下：

1)6種生態(tài)流量計算方法所得結果存在一定的差異，90%保證率法和最枯月平均流量法計算結果全年恒定不變，沒有突出徑流在年內(nèi)的豐枯變化；Tennant法、Tessman法、Texas法和NGPRP法4種方法的結果變化特征基本一致，汛期隨流量增大而增大，非汛期隨流量減少而減少，但生態(tài)流量計算結果差異較大，其中NGPRP法為各方法中的最大值，Tennant法-10%為最小值。

2)從滿足率結果看，各方法計算的生態(tài)流量結果在不同水期的滿足程度不同，在豐水年和平水年的滿足率基本為100%，枯水年則偏小，其中Tessman法在各水期的滿足率均較小，說明該法不適用于連江流域；除NGPRP法的滿足率較小外，其余方法在逐月、逐日水期中的滿足率均大于90%，結合pearson分析法，相關系數(shù)大于0.8，證明生態(tài)流量結果與實測資料有較強的相關性。

3)從魚卵動物生態(tài)需水保障看，Tennant法和Texas法能滿足魚卵3—5月繁殖期和6—8月發(fā)育期的生態(tài)需水要求，為魚卵動物能提供穩(wěn)定健康的生態(tài)環(huán)境。

4)從Tennant法評價結果看，90%保證率法、最枯月平均流量法和Texas法-20%生態(tài)流量的結果對應的河道生態(tài)狀況評價為最小或適宜，滿足生態(tài)流量的最低需求；Tessman法和NGPRP法雖評價較高，但不符合實際用水現(xiàn)狀。

5)由于每種計算方法所需的應用條件不同，選擇合理的生態(tài)流量計算方法還需要充分考慮河流實際情況。綜合水文節(jié)律變化、滿足率分析、魚卵動物生態(tài)需水保障和Tennant法檢驗，選取Tennant-20%方法計算連江流域高道斷面的生態(tài)流量。