基于多種水文學(xué)法的涇河生態(tài)基流估算＊

于昊含，李超超△，包淑萍，顧靖超

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏水文水資源監(jiān)測(cè)預(yù)警中心，寧夏 銀川 750021；3.寧夏水利科學(xué)研究院，寧夏 銀川750021)

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，水資源不合理開發(fā)利用使河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能遭到破壞[1]。大量本應(yīng)該用于維持生態(tài)平衡與良性運(yùn)轉(zhuǎn)的水資源被用于工業(yè)制造、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，自然水文平衡遭到破壞，出現(xiàn)了一系列諸如河道斷流、濕地萎縮、水質(zhì)惡化和生物多樣性減少等生態(tài)問題[2]。因此重視生態(tài)基流問題，在保證農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活用水的同時(shí)，科學(xué)計(jì)算生態(tài)基流，明確河流維持基本生態(tài)要求的需水量，是實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。

目前生態(tài)基流的計(jì)算方法主要分為四種：水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地法和整體法。其中，水文學(xué)法是根據(jù)水文指標(biāo)對(duì)河流生態(tài)基流進(jìn)行界定，常見的方法有：Tennant 法、流量歷時(shí)曲線法、7Q10 法、近十年最枯月平均流量法和最小月平均徑流法等。張潔[3]采用Tennant 法分別計(jì)算各站生態(tài)基流，認(rèn)為Tennant法適用于常年流水性河流；孟慧穎[4]分析認(rèn)為，流量歷時(shí)曲線法適用于水文資料系列達(dá)到20 年以上的河流，而保證率法適合水量較小，開發(fā)利用程度較高同時(shí)擁有較長(zhǎng)系列水文觀測(cè)資料的河流；曹建中[5]利用多種方法對(duì)六盤山取水點(diǎn)進(jìn)行生態(tài)基流計(jì)算，最后認(rèn)為Tennant 法是最適合該取水點(diǎn)的計(jì)算方法。水力學(xué)法是借助水力學(xué)原理，尋求流量與河流中某些生物指示系數(shù)之間的關(guān)系，從而確定生態(tài)基流的方法[6]。主要的方法有濕周法和R2CROSS 法。濕周法適用于寬淺矩形渠道和濕潤(rùn)河網(wǎng)地區(qū)[7]；R2CROSS 法適用于淺灘棲息地類型的河流[8]。棲息地法的計(jì)算中包括了生物等因素的影響，并根據(jù)所需物種需要的物理?xiàng)l件確定生態(tài)基流，為建設(shè)適合水生生物的生存環(huán)境提供保障。代表方法包括IFIM/PHABSIM 法等[9]。整體法包括例如BBM 法、整體研究法和水文-生態(tài)響應(yīng)關(guān)系法等等。其中，陳昂[10]等認(rèn)為BBM 法是分析專家建議，構(gòu)建流量狀態(tài)的組成部分，利用這些部分確定生態(tài)基流；阮曉紅[11]等揭示了整體研究法能夠克服棲息地模擬法中只針對(duì)單一生物需求的缺點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)計(jì)算的關(guān)鍵在于從生態(tài)系統(tǒng)的整體考慮。本文對(duì)比多種計(jì)算方法的適用范圍以及優(yōu)缺點(diǎn)，見表1，最終確定使用水文學(xué)法進(jìn)行涇河流域生態(tài)基流的計(jì)算。

表1 河道生態(tài)基流多種方法比較

續(xù)表1

考慮整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的需水要求，本文參考已有的成果，選擇多種水文學(xué)方法：Tennant 法、近十年最枯月平均徑流法、逐月最小徑流法、90%保證率法、Texas 法和NGPRP 法對(duì)涇河流域生態(tài)基流進(jìn)行分析估算，結(jié)合涇河自身特點(diǎn)及生態(tài)要求，對(duì)比多種方法的適用性，選擇合適的計(jì)算方法。對(duì)涇河生態(tài)

基流的計(jì)算，可為涇河流域?qū)崿F(xiàn)生態(tài)治理提供理論依據(jù)，促進(jìn)涇河流域生態(tài)環(huán)境向好發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

涇河是西北黃土高原上的一條重要河流，位于東經(jīng)106°14′～108°42′，北緯34°46′～37°19′之間，流域面積45421 km2，橫跨寧夏、甘肅、陜西三省部分地區(qū)。其中，甘肅境內(nèi)面積占流域面積的67%。涇河干流發(fā)源于寧夏涇源縣老龍?zhí)?，河流由西北流向東南，在崆峒峽進(jìn)入平?jīng)鍪芯硟?nèi)，在寧縣政平與馬蓮河匯合后進(jìn)入陜西省。流域多年降水量545.6mm，徑流量9.93 億m3。流域內(nèi)主要支流有馬蓮河、柔遠(yuǎn)河、四郎河、蒲河、茹河、納河、黑河、達(dá)溪河和石堡子河等。支流馬蓮河全長(zhǎng)374 km，流域面積19080 km2，在甘肅境內(nèi)16900 km2，多年徑流量4.47 億m3。涇河流域是隴東經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，工礦業(yè)集中，人口密集。2005 年，流域內(nèi)年取水量4.10 億m3，其中地表水3.09 億m3，地下水1.01 億m3；工業(yè)用水1.13 億m3，農(nóng)業(yè)用水1.98 億m3，生活用水0.99 億m3；年排污量達(dá)5800萬t。涇河源水文站是六盤山東麓區(qū)域的代表站，位于涇源縣涇河源鎮(zhèn)。測(cè)站流域面積152km2，由西向東流，河道落差大，河道比降1.74%，山地植被良好，林草茂密，覆蓋度平均可達(dá)70%～80%，陰坡大于陽(yáng)坡。

2 數(shù)據(jù)來源與生態(tài)基流水文學(xué)計(jì)算方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文所采用降水、徑流數(shù)據(jù)包括1956-2019 年涇河源站逐月降水和逐月徑流資料，來源于寧夏水文水資源勘測(cè)局，對(duì)原始資料進(jìn)行分析計(jì)算得到各年年徑流量、多年平均徑流量等特征值。

2.2 生態(tài)基流水文學(xué)計(jì)算方法

現(xiàn)階段，由于缺乏大量的生物資料，適用棲息地法計(jì)算生態(tài)基流有較大困難[42]，而整體法和水力學(xué)法包含了更具體的河流信息卻耗費(fèi)大量人力物力。水文學(xué)法是根據(jù)水文指標(biāo)對(duì)生態(tài)基流進(jìn)行界定，具有操作簡(jiǎn)便、成本較低的特點(diǎn)[43]，是目前生態(tài)流量計(jì)算方法開發(fā)最多的一類方法。本文將采用以下水文學(xué)方法，對(duì)涇河生態(tài)基流進(jìn)行估算。

2.2.1 Tennant 法

Tennant 法是1964-1974 年在美國(guó)3 個(gè)洲的11條河流進(jìn)行了周密的野外分析研究[44]，在196 英里長(zhǎng)的58 個(gè)斷面上調(diào)查了38 個(gè)流量下的生物信息、化學(xué)信息和物理信息對(duì)冷水和暖水漁業(yè)的影響，在1976 年由Tennant 提出來的，屬于非現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定類型的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定法[45]。Tennant 法中，用事先確定的多年平均流量的百分?jǐn)?shù)為基準(zhǔn)，將保護(hù)河流生態(tài)環(huán)境的河流流量推薦值分為最大允許極限值、最佳狀態(tài)值、極好狀態(tài)值、很好狀態(tài)值、良好狀態(tài)值、一般或較差狀態(tài)值、差或最小狀態(tài)值和極差狀態(tài)值等，1 個(gè)高限標(biāo)準(zhǔn)、1 個(gè)最佳范圍標(biāo)準(zhǔn)和6 個(gè)低限標(biāo)準(zhǔn)，又根據(jù)水生生物在不同的季節(jié)對(duì)環(huán)境的要求不同這一特點(diǎn)，分為4～9 月份魚類產(chǎn)卵育肥期和10～3 月份（下一年）為一般用水期。

本文以多年平均徑流量的百分?jǐn)?shù)來描述生態(tài)基流，并依據(jù)北方河流的諸多特點(diǎn)，選取10%進(jìn)行計(jì)算。

2.2.2 近十年最枯月平均徑流法

以河流年最枯月流量的多年平均值作為河流的基本環(huán)境需水量，該方法采用近10 年實(shí)測(cè)流量作為計(jì)算依據(jù)[46]。計(jì)算公式為:

式中:Wb——河流生態(tài)基流，m3/s；

Qmin——第i 年實(shí)測(cè)最枯月平均流量，m3/s；

n——統(tǒng)計(jì)年數(shù)。

2.2.3 逐月最小徑流法

以河流最小月平均實(shí)測(cè)徑流量的多年平均值作為河流的基本生態(tài)環(huán)境需水量。據(jù)此，將1956-2019年的長(zhǎng)序列徑流資料分為1～12 月份共計(jì)12 組，選取每組序列的最小值作為該月的生態(tài)流量，從而得到全年的生態(tài)流量過程[47-49]。

2.2.4 90%保證率法

該方法把最小月平均流量按從大到小的順序排序，并獲得頻率P，并把P 與對(duì)應(yīng)的最小月平均流量擬合頻率曲線，并確定90%保證率所對(duì)應(yīng)的流量作為生態(tài)基流。

2.2.5 Texas 法

在考慮了季節(jié)變化因素的基礎(chǔ)上，將最小流量的取值定義在50%保證率下月流量取值。參考吳喜軍[48]等人對(duì)我國(guó)北方河流生態(tài)基流的研究，選取20%作為本文的特定百分率。

2.2.6 NGPRP 法

該方法充分考慮豐水年、平水年和枯水年天然水文情勢(shì)差別，將水文系列根據(jù)不同水平年差別分為枯水年組、平水年組和豐水年組。不僅重視干旱年、標(biāo)準(zhǔn)年和濕潤(rùn)年的差別，還將氣候條件以及接受范圍內(nèi)的頻率因素考慮在內(nèi)，但唯一的缺點(diǎn)就是生物學(xué)基礎(chǔ)不強(qiáng)。取平水年組各月流量90%保證率流量值作為最小生態(tài)流量。本文采用距平百分率法[49]進(jìn)行豐、平、枯年的劃分，計(jì)算公式為：

式中：E——斷面的距平百分比，%；

Qi——斷面第i 年平均徑流量，m3/s；

Qa——斷面多年平均徑流量，m3/s。

距平百分率的劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 豐、平、枯年劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 徑流特征及生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果分析

3.1 徑流特征分析

圖1 是涇河源站多年平均月徑流量圖，得到徑流量最大的月份是7 月為845 萬m3，其次為8 月為732 萬m3，9 月為713 萬m3，這三個(gè)月多年平均徑流量的和占總數(shù)50.2%，可以得到?jīng)芎幽陜?nèi)變化劇烈，豐枯明顯的結(jié)論。圖2 表示涇河流域徑流量變化，總體變化呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。1956-1962 年呈上升的趨勢(shì)，1963-1970 年呈減少趨勢(shì)，1971-1975 年隨時(shí)間序列呈上升趨勢(shì)，1976-2009 年隨時(shí)間序列呈波動(dòng)性下降的趨勢(shì)，2010-2019 年之間2014 年為最大值，2017 年為最小值。Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)法結(jié)果顯示，Z=-1.36，Z 為正值表示增加趨勢(shì)，負(fù)值表示減少趨勢(shì)。說明年徑流呈減小的趨勢(shì)，且絕對(duì)值小于顯著水平（α=0.05）時(shí)的水平值1.96，說明年徑流的減少趨勢(shì)不顯著。

圖1 涇河源站多年平均月徑流量

圖2 五年滑動(dòng)平均徑流量曲線

利用M-K 檢驗(yàn)法和滑動(dòng)t 檢驗(yàn)法對(duì)涇河流域1956-2019 年徑流時(shí)間序列進(jìn)行突變分析。在M-K突變點(diǎn)檢驗(yàn)中，取UF 和UB 曲線交點(diǎn)為突變點(diǎn)，由圖3 可知兩條曲線在95%的臨界線±1.96 之間有三個(gè)交點(diǎn)，分別為1992 年、2011 年和2013 年?；瑒?dòng)t 統(tǒng)計(jì)量曲線如圖4 所示，依據(jù)數(shù)據(jù)資料長(zhǎng)度取滑動(dòng)步長(zhǎng)為5 年，以α=0.01 為判別突變的顯著水平，自1956 年以來t 的統(tǒng)計(jì)量有6 次超過0.01 顯著水平，分別為1972 年、1993 年、1999 年、2001 年、2011 年和2019 年。綜合分析，1956-2019 年涇河流域徑流突變點(diǎn)發(fā)生在2011 年，徑流變化通過了顯著性檢驗(yàn)。

圖3 徑流量M-K 突變點(diǎn)檢驗(yàn)分析

圖4 徑流量滑動(dòng)t 檢驗(yàn)

3.2 生態(tài)基流計(jì)算

生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果見表3，根據(jù)表3 繪制多種水文學(xué)方法計(jì)算生態(tài)基流過程線如圖5 所示。

圖5 不同方法生態(tài)基流過程線

表3 年平均生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果對(duì)比 單位：m3/s

由數(shù)據(jù)計(jì)算繪制折線圖得：

由圖5 可以得到：

從結(jié)果的差異性分析，NGPRP 法克服了無法展現(xiàn)年內(nèi)變化的問題，但由于該方法是取平水年組90%保證率流量作為生態(tài)基流，計(jì)算得到的結(jié)果十分接近多年平均徑流量，這是該計(jì)算方法結(jié)果偏大的原因；Texas 法的計(jì)算值與Tennant 法的計(jì)算值基本走向趨勢(shì)大體一致，其中Texas 法根據(jù)北方河流的變化特點(diǎn)，取50%保證率下的月平均流量的20%作為生態(tài)基流，而Tennant 法取多年平均徑流量10%作為生態(tài)基流，只考慮了維持河流不退化的所需水量，并沒有其他環(huán)境功能的水量，所以Texas 法整體大于Tennant 法；90%保證率法只考慮了達(dá)到河流水質(zhì)污染的生態(tài)水量，沒有考慮生物、年內(nèi)變化等因素所以計(jì)算結(jié)果最小。

其次從反映徑流年內(nèi)變化的角度出發(fā)，近十年最枯月平均流量法和逐月最小徑流法可以較好地反映出涇河的汛期和非汛期生態(tài)基流變化顯著的特點(diǎn)，NGPRP 次之，Tennant 法和90%保證率法沒有區(qū)分豐水年、平水年和枯水年之間的差異。結(jié)合圖1和圖5 分析，其中近十年最枯月平均徑流法的峰值分別在6 月、8 月和10 月，對(duì)比6 月和10 月的徑流量可知，7 月和9 月生態(tài)基流計(jì)算值偏小，不符合涇河實(shí)際徑流要求；逐月最小徑流法的最大值出現(xiàn)在6 月和8 月，無法滿足多年平均徑流量中7 月生態(tài)基流的要求，且有一定滯后性。

綜上，本文從徑流汛期和非汛期年內(nèi)變化特征、水生生物影響和水質(zhì)等角度出發(fā)，取Tennant法、近十年最枯月平均流量法、逐月最小徑流法、90%保證率法、Texas 法和NGPRP 法的平均值作為涇河的生態(tài)基流。根據(jù)其平均值的計(jì)算結(jié)果，涇河生態(tài)基流量見表4。

表4 涇河生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果 單位：m3/s

3.3 生態(tài)基流滿足程度分析

根據(jù)上述方法生態(tài)基流的計(jì)算結(jié)果，通過與涇河實(shí)際徑流的比較研究，用于檢驗(yàn)流域的實(shí)際徑流是否滿足生態(tài)需水的要求，這是河流健康評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)[42]。由于生態(tài)基流是滿足功能需求的最小流量，考慮“最不利”條件，分別采用年徑流量頻率曲線25%、50%和75%對(duì)應(yīng)選取1989 年（豐水年）、1996年（平水年）和1995 年（枯水年）河道的實(shí)際徑流量與生態(tài)基流計(jì)算值進(jìn)行分析，判斷涇河生態(tài)基流的滿足程度。實(shí)際徑流量與生態(tài)基流計(jì)算值對(duì)比情況如圖6 所示。

圖6 不同水平年實(shí)際涇流與生態(tài)基流對(duì)比圖

由圖6 可知，豐水年、平水年和枯水年滿足程度逐級(jí)遞減，其中，豐水年、平水年和枯水年均能滿足生態(tài)基流的要求。但根據(jù)《寧夏水資源公報(bào)》統(tǒng)計(jì)，涇河河道取用水量呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而年降水量變化趨勢(shì)不顯著，因此，未來涇河流域生態(tài)基流保障能力將減弱，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)涇河流域水資源合理調(diào)配的重視。

4 結(jié)論

本文采用M-K 法和滑動(dòng)t 檢驗(yàn)法針對(duì)涇河流域1956-2019 年徑流進(jìn)行趨勢(shì)分析，運(yùn)用Tennant法等六種水文學(xué)法對(duì)涇河流域生態(tài)基流進(jìn)行估算，最后劃分不同水平年分析所算生態(tài)基流的滿足程度，結(jié)論如下：

（1）涇河源站多年平均徑流量在7 月達(dá)到最大值，占全年18.5%，通過分析涇河流域徑流趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)徑流變化總體不明顯，徑流序列在2011 年出現(xiàn)最強(qiáng)的突變。

（2）綜合考慮涇河徑流變化特征、水生生物因素、水質(zhì)因素等，采用Tennant 法、近十年最枯月平均徑流法、逐月最小徑流法、Texas 法和NGPRP 法計(jì)算結(jié)果的平均值作為涇河生態(tài)基流計(jì)算值，這一結(jié)果為涇河河流生態(tài)治理提供理論依據(jù)，對(duì)進(jìn)一步進(jìn)行該區(qū)域生態(tài)調(diào)控具有重要意義。

（3）通過進(jìn)一步對(duì)不同水平年生態(tài)基流的滿足程度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)豐水年、平水年和枯水年都可以保證生態(tài)基流的要求，但滿足程度逐漸減弱，說明還需要加強(qiáng)對(duì)涇河河流水資源的合理使用，保證生態(tài)環(huán)境用水，避免河流流量長(zhǎng)時(shí)間低于極限值而導(dǎo)致難以恢復(fù)的破壞。