洞庭湖區(qū)三口水系生態(tài)基流研究

李凱軒，李志威, 2，胡旭躍, 2，陳 幫，王贊成

(1.長沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，長沙 410114； 2.長沙理工大學(xué) 洞庭湖水環(huán)境治理與水生態(tài)修復(fù)湖南省重點(diǎn)實驗室， 長沙 410114； 3.湖南百舸水利建設(shè)股份有限公司，長沙 410007)

1 研究背景

為加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和城市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的進(jìn)程，近幾十年來人類過度開發(fā)利用水資源，改變水系原有的天然水文情勢，擠占水生態(tài)系統(tǒng)中的河流生態(tài)流量，造成局部地區(qū)出現(xiàn)資源型缺水、水質(zhì)惡化和生物多樣性減退等問題[1-2]。生態(tài)基流是指在生態(tài)需水與人類用水矛盾加劇的背景下，滿足水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)目標(biāo)，保證水系發(fā)揮基本生態(tài)功能和維持基本形態(tài)結(jié)構(gòu)必需的下限流量[1]。若低于此值，河流無法實現(xiàn)生態(tài)水文連通或連而不通，生態(tài)系統(tǒng)將遭到破壞且在短期內(nèi)不可恢復(fù)[2-3]。

生態(tài)基流的計算是河流生態(tài)水文學(xué)研究和水生態(tài)保護(hù)的關(guān)鍵所在，國外學(xué)者從20世紀(jì)40年代開始對其進(jìn)行深入探討，并逐步形成了4類主要方法，包括水文學(xué)法、水力學(xué)法、生物棲息地法和整體分析法[4]。國內(nèi)學(xué)者將國外方法引入、改進(jìn)和創(chuàng)新，并討論不同方法的適應(yīng)性和優(yōu)缺點(diǎn)[1-2,5-6]。水文學(xué)法基于整條河流或部分河段的長序列流量數(shù)據(jù)，計算過程簡單，是目前在我國得到最廣泛運(yùn)用和適用性最高的計算方法[7]。水力學(xué)法涉及水力參數(shù)的選定和度量，只要不打破該參數(shù)的閾值，河流就能維持適宜的生態(tài)流量[8]。利用該方法可得出全年生態(tài)基流固定值，但無法體現(xiàn)不同月份下生態(tài)基流的差異，不適用于水文變化顯著的季節(jié)性河流。生物棲息地法和整體分析法分別考慮水生生物的適宜棲息條件和水生態(tài)系統(tǒng)的整體功能，計算要求豐富和高精度的生態(tài)資料，但部分?jǐn)?shù)據(jù)難以獲取，實際可操作性較低[1]。

三峽水庫蓄水后，洞庭湖區(qū)三口水系分流量減少的趨勢雖有所緩解且斷流情況變化不顯著，但生態(tài)缺水仍較為嚴(yán)重，局部地區(qū)的水生態(tài)、水安全和居民用水受到較大威脅[9-10]。目前關(guān)于三口水系生態(tài)基流計算的方法較少，多基于歷史早期的水文資料，計算結(jié)果不適于揭示三峽水庫蓄水至今的生態(tài)基流滿足情況。本研究綜合5種水文學(xué)方法的6種計算結(jié)果，提出一種確定生態(tài)基流的方法，得到三峽水庫蓄水后三口水系的生態(tài)基流推薦值及其保證率，為實現(xiàn)江湖關(guān)系調(diào)整后分流量減少情況下的水資源綜合利用和水生態(tài)保護(hù)提供參考。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

洞庭湖區(qū)三口水系(圖1)是指長江中游荊江河段在松滋口、太平口和藕池口的分泄水流，主要流經(jīng)湖北省以南和湖南省以北的洞庭湖泛洪平原，進(jìn)入西、南、東洞庭湖后于城陵磯附近重新匯入長江。松滋河全長約243.2 km，是連通松滋口和洞庭湖的泄洪河道，因1870年的長江特大洪水沖開荊江南岸堤防而形成，在大口處分支為松滋西河和松滋東河，其流量分別由新江口水文站和沙道觀水文站測得?；⒍珊訌奶娇诜至骱螅鹘?jīng)彌陀寺水文控制站，最終與松滋河交匯后進(jìn)入目平湖，全長約133.3 km。藕池河于藕池口分泄長江超額洪水，分為東、中、西三支，全長約332.8 km。其中藕池河西支的流量由康家崗水文站控制，藕池河中、東支的總流量由管家鋪水文站控制。

圖1 洞庭湖區(qū)三口水系及主要水文站的位置Fig.1 Location of the three major outlets rivers into the Dongting Lake area and main hydrological stations

三口水系年均徑流量由下荊江裁彎前(1959—1966年)的1 335.70億m3削減為三峽水庫蓄水后(2003—2018年)的481.40億m3。沙道觀、彌陀寺、康家崗、管家鋪4個水文站常年出現(xiàn)斷流現(xiàn)象(圖2)，相關(guān)學(xué)者預(yù)測4個水文站在2016—2026年的平均斷流天數(shù)分別為203、207、279、188 d[11]，部分河流斷流形勢仍較為嚴(yán)峻[12]。本研究搜集到新江口、沙道觀、彌陀寺、康家崗和管家鋪5個水文站2003—2018年逐日平均流量和1973—2002年逐月平均流量數(shù)據(jù)，適用于計算三峽水庫蓄水后三口水系的生態(tài)基流推薦值及其保證率。

圖2 松滋河、虎渡河和藕池河的4個水文站在不同 水平年的年平均斷流天數(shù)Fig.2 Annual average days of zero-flow at four hydrological stations of Songzi, Hudu and Ouchi Rivers in different periods

3 研究方法

3.1 水文學(xué)計算方法

(1)Tennant法：取多年平均流量的10%或30%作為河流生態(tài)基流。研究表明多年平均流量的10%是保障河流發(fā)揮其基本功能和維持河道形態(tài)穩(wěn)定的最小生態(tài)流量，低于該值將會使得生態(tài)環(huán)境遭受嚴(yán)重破壞。多年平均流量的30%能為絕大多數(shù)的水生生物提供良好的生存空間，但長期高于該值會使得水生態(tài)系統(tǒng)承受過大壓力[13]。

(2)90%保證率法：對每月的日平均流量進(jìn)行頻率分析，取90%保證率下某一月份的多年最枯日平均流量為當(dāng)月的生態(tài)基流[14]。

(3)NGPRP法：參考距平百分率法，將不同水平年劃分為豐水年、平水年和枯水年。若距平百分率E>20%，則為豐水年；若-20%

(1)

式中：Qa為斷面的多年平均流量(m3/s)；Qk為斷面在第k年的平均流量(m3/s)。

(4)Texas法：考慮到特定河流的季節(jié)性變化特征，取50%保證率下月平均流量的某一指定百分比為計算結(jié)果[16]。本研究參考吳喜軍等[3]的分析結(jié)果，取20%的指定百分比。

(5)最枯日法：通常取最近10 a第i月最枯日平均流量的多年平均值作為當(dāng)月的生態(tài)基流，本研究取2003—2018年共16 a的水文數(shù)據(jù)，以保證各計算方法選取的時間尺度一致。計算公式為[14]

(2)

式中：Qi為第i月的生態(tài)基流(m3/s)；Qij為第i月第j天的平均流量(m3/s)；n為統(tǒng)計年數(shù)。

3.2 生態(tài)基流及其保證率的確定方法

前人通常通過對比多種方法的計算結(jié)果，以一種最適宜方法的計算結(jié)果作為河流全部月份或全年的生態(tài)基流。若不同方法對計算某一條河流的生態(tài)基流都有較好的適用性，且計算結(jié)果較為接近和難以取舍，如何確定該情景下的生態(tài)基流值得進(jìn)一步探討。

本研究認(rèn)為，針對三口水系這類斷流情況嚴(yán)重且季節(jié)性變化顯著的河流，應(yīng)綜合多種方法的計算結(jié)果以確定不同月份和全年的生態(tài)基流推薦值。首先，分析各水系在不同時期的水文變化特征，將松滋西河、松滋東河、虎渡河和藕池河?xùn)|支的水期細(xì)分為豐水期(6—9月份)、平水期(4—5月份、10—11月份)和枯水期(12月份—翌年3月份)。藕池河西支的水資源短缺問題尤為嚴(yán)重，在此不考慮豐水期，只分為平水期(6—9月份)和枯水期(10月份—翌年5月份)?？菟诟鶕?jù)其徑流量大小進(jìn)一步細(xì)分為一般枯水期和長斷流期(月均流量近似于0的水期)。其次，將Tennant法作為一種經(jīng)驗公式以界定和修正生態(tài)基流，將小于月均流量10%和大于月均流量30%的計算結(jié)果舍去。在豐水期，以Tennant法(30%)的計算結(jié)果為當(dāng)月的生態(tài)基流推薦值。在平水期，以Tennant法(30%)的計算結(jié)果為最高上限，取其他不同方法的平均值。對于一般枯水期，以Tennant法(10%)的結(jié)果為最低下限，取其他不同方法的較低值。長斷流期考慮到河流生態(tài)流量恢復(fù)能力和口門區(qū)輸挖的工程量，將三峽水庫蓄水前(1973—2002年)Tennant法(10%)的計算結(jié)果擬定為當(dāng)月生態(tài)基流推薦值。最后，取各月生態(tài)基流推薦值的平均值為全年生態(tài)基流推薦值。該方法可保證全年和逐月的生態(tài)基流推薦值分別處于年、月均流量10%～30%的合理范圍內(nèi)(表1)。

表1 不同水期逐月生態(tài)基流的確定方法Table 1 Method of determining monthly ecological base flow in different water periods

將統(tǒng)計年份的逐日平均流量與確定的生態(tài)基流推薦值進(jìn)行對比，計算逐月的生態(tài)基流保證率,并由此推算全年的生態(tài)基流保證率。逐月的生態(tài)基流保證率計算公式為[3]

Pi=D/Dt×100%，Qd≥Qi。

(3)

式中:Pi為第i月的生態(tài)基流保證率(%)；Qd為該月斷面逐日流量(m3/s)；Qi為第i月份生態(tài)基流(m3/s)；Dt為第i月份的天數(shù)(d)；D為滿足Qd≥Qi的天數(shù)(d)。

圖3 不同計算方法下5個水文站的逐月生態(tài)基流Fig.3 Monthly ecological base flow at five hydrological stations by different calculation methods

4 研究結(jié)果

4.1 三口水系生態(tài)基流的確定

采用第3.1節(jié)中的多種水文學(xué)方法計算三口水系的逐月生態(tài)基流，結(jié)果如圖3所示。根據(jù)表1中的三口水系生態(tài)基流確定方法，確定三口水系5個水文站在不同月份的生態(tài)基流推薦值，結(jié)果如表2所示。

表2 5個水文站逐月的生態(tài)基流推薦值Table 2 Recommended values of monthly ecological basic flow at five hydrological stations

由逐月生態(tài)基流推薦值推算新江口、沙道觀、彌陀寺、康家崗和管家鋪站的全年生態(tài)基流推薦值，分別為208.18、49.44、75.39、2.52、93.94 m3/s。2003—2018年新江口、沙道觀、彌陀寺、康家崗和管家鋪站的年平均流量分別為763.04、167.66、260.84、11.49、322.72 m3/s。全年生態(tài)基流推薦值在多年平均流量中的占比分別為27.28%、29.49%、28.90%、21.93%、29.11%，處于多年平均流量10%～30%的范圍內(nèi)(表3)，且逐月生態(tài)基流推薦值也處于當(dāng)月流量10%～30%的范圍內(nèi)，驗證得知該方法和結(jié)果合理。

表3 5個水文站的全年生態(tài)基流推薦值及其在多年 平均流量中的占比Table 3 Ratio of annual recommended value of ecological base flow to annual discharge of five hydrological stations

4.2 三口水系生態(tài)基流及其保證率對比分析

新江口、沙道觀、彌陀寺、康家崗和管家鋪的逐月生態(tài)基流保證率見圖4，推算其全年生態(tài)基流保證率分別為84.83%、37.52%、51.88%、21.84%、42.60%。松滋西河、松滋東河、虎渡河和藕池中、東支全年的生態(tài)基流水文過程需經(jīng)歷“枯-平-豐-平-枯”5個水期階段，而藕池西支斷流期較早，僅經(jīng)歷“枯-平-枯”3個水期階段。非汛期除新江口站外，其余4個水文站基本一直處于長斷流期，康家崗站即使在汛期生態(tài)基流也非常小。各水文站的生態(tài)基流最高值均出現(xiàn)在7月份，8月份、9月份和6月份依次遞減，且汛期的生態(tài)基流及其保證率都明顯高于非汛期。除新江口站外，其余各站1、2、3、4、12月份的生態(tài)基流都較低甚至接近0。松滋西河的全年生態(tài)基流保證率最高，達(dá)到84.83%。其他河流的全年生態(tài)基流保證率均低于60.00%，特別是藕池西支，全年的生態(tài)基流保證率僅21.84%。除新江口站外，其余各站1、2、3、12月份的生態(tài)基流保證率都近似于0。

圖4 5個水文站的逐月生態(tài)基流保證率Fig.4 Monthly guarantee rate of ecological base flow at five hydrological stations

三口水系的生態(tài)基流尤其是在非汛期得不到保證，主要有以下4點(diǎn)原因：

(1)從三峽水庫的運(yùn)行調(diào)度來看，其蓄水作用降低了長江干流的來流量和中高流量的持續(xù)時長，三口分流量相應(yīng)減小[12,17]，在枯水期的泄水量又難以抵消因長江干流沖刷(水位下降)而引起三口分流量的減少[18]。

(2)從三口水系5站的多年實測水文數(shù)據(jù)來看，汛期來水量占全年總來水量約96.00%，非汛期除松滋西支外，其余河流流量小、斷流期早、斷流延續(xù)時間長。

(3)口門區(qū)的河底高程和口門寬度不同，不同水系的荊江分流量存在差異。如松滋西支較東支的口門門檻低且寬，因此成為松滋河的分洪主流[18]。

(4)此外，河道外的城鎮(zhèn)用水和工業(yè)用水量逐年增加，擠占河道內(nèi)的生態(tài)流量，也是生態(tài)基流得不到保證的原因之一。

為改善生態(tài)基流保證率低的現(xiàn)狀，當(dāng)前洞庭湖區(qū)開展了一系列三口水系綜合整治措施，包括實施引水補(bǔ)水工程、河道疏浚工程和水系連通工程。建議今后繼續(xù)優(yōu)化生態(tài)基流適應(yīng)性管理方案和補(bǔ)水調(diào)度方案，適時加大三峽水庫的下泄流量或提前泄流，增加三口分流量，縮短斷流天數(shù)，以解決因局部地區(qū)生態(tài)流量嚴(yán)重不足而造成的水生態(tài)惡化、生活生產(chǎn)用水不足和行洪困難等問題。

5 結(jié) 論

(1)提出了洞庭湖區(qū)三口水系生態(tài)基流的確定方法，基于三口水系5個水文站2003—2018年逐日平均流量，取不同水文學(xué)法的計算結(jié)果為豐水期、平水期和一般枯水期的逐月生態(tài)基流，并擬定1973—2002年非汛期Tennant法(10%)的計算結(jié)果為長斷流期的逐月生態(tài)基流。經(jīng)驗證，該方法確定的全年和逐月生態(tài)基流分別處于多年平均流量和逐月平均流量10%～30%的合理范圍之內(nèi)。

(2)三口水系中松滋西河的全年生態(tài)基流保證率最高，達(dá)到84.83%。其余河流的全年生態(tài)基流保證率均低于60.00%，特別是藕池河西支，全年的生態(tài)基流保證率僅為21.84%。因此，除松滋西河外，其余河流的逐月生態(tài)基流未得到良好保證。

需要指出的是，本研究僅考慮河流水文變化特征，今后可從生態(tài)保護(hù)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、生物棲息地和生態(tài)系統(tǒng)整體功能等多角度研究洞庭湖區(qū)水系的生態(tài)基流，并分析三峽水庫蓄水前后的生態(tài)基流保證率變化。