涂晶晶,陳森林,艾學(xué)山,畢玉曉
(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)
河流生態(tài)流量特征圖及生態(tài)流量評價方法
涂晶晶,陳森林,艾學(xué)山,畢玉曉
(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)
以水電站大壩下游河道為研究對象,從分析天然日流量特征出發(fā),基于月中值流量和月內(nèi)典型特征流量繪制了河流生態(tài)流量特征圖,作為水庫下泄生態(tài)流量的確定依據(jù)?;诖撕恿魃鷳B(tài)流量特征圖,建立了判斷生態(tài)流量滿足程度的7 d流量偏差率、7 d生態(tài)需水保證率、月均生態(tài)需水適宜度及基于此3個指標的生態(tài)需水綜合指標,并給出了各指標的評價依據(jù)和評價方法。結(jié)果表明,河流生態(tài)流量特征圖符合各時段河流天然流量的基本特征,可作為指導(dǎo)水庫生態(tài)泄流的依據(jù);所建立的生態(tài)流量評價方法能夠反映實際下泄流量與天然流量的變化程度,可用于評價河流的生態(tài)流量滿足程度。
河流生態(tài)流量;生態(tài)流量特征圖;生態(tài)流量評價;水庫調(diào)度
河流生態(tài)流量是指為保護河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境,需要保留在河流、湖泊、沼澤內(nèi)的水量及過程,即維持河道內(nèi)水生生物生存和生物多樣性,以及防止河道泥沙淤積、水質(zhì)污染、海水入侵、河道斷流、湖泊萎縮所需要的河道流量[1]。然而,成千上萬座大壩和分水渠的建設(shè)和運行改變了全球的水文循環(huán),導(dǎo)致世界范圍內(nèi)河流生態(tài)系統(tǒng)的功能退化和生物多樣性的消失[2]。大型水庫可直接控制其下游的泄流過程,但目前大多水庫運行調(diào)度中沒有充分考慮河道生態(tài)流量需水,致使水庫的泄流量過程與河流原有的天然流量過程有較大的差異,給下游的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)帶來不利影響[2-3]。20世紀40年代Tennant提出了生態(tài)流量的概念,首次提出河流最小流量并給出了確定方法[4-5];隨后關(guān)于河流生態(tài)流量的定量研究不斷被發(fā)展、完善,人們逐步認識到河流的健康與流量、流速等天然流量特征參數(shù)及生物的生活習(xí)性有密切聯(lián)系,最小流量并不能完全滿足生態(tài)流量需求,到21世紀初,提出的生態(tài)流量計算方法已超過200種[5-6]。隨著研究的不斷深入,越來越多的科學(xué)家和河流管理者意識到,天然流量過程才是對河流生態(tài)系統(tǒng)最好的流量過程[1,7-9]。
完全回歸天然流量過程對生態(tài)系統(tǒng)健康有明顯的積極作用,但同時將削弱修建水庫的經(jīng)濟作用及社會作用。對于調(diào)節(jié)性能好、以發(fā)電為主要任務(wù)的水庫,如果能夠給定該河流下游的生態(tài)流量過程,可以通過水庫調(diào)度來近似實現(xiàn)天然徑流。因此,如何給定水庫下游河段所需的生態(tài)流量過程,確定的流量過程是否合理成為此問題的核心。本文圍繞這些問題,基于天然水流情勢建立了生態(tài)流量特征圖,用以模擬河流的生態(tài)流量過程,并建立由流量的連續(xù)性、可靠性和用水總量等3個方面及其綜合指標組成的生態(tài)流量評價方法,分別對所模擬的流量過程和水庫實際下泄流量過程逐月進行生態(tài)流量評價;最后,以實例說明所建生態(tài)流量特征圖和生態(tài)流量評價方法的可行性和實用性。
河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性很大程度上依賴于河流水流的天然動態(tài)變化的連續(xù)性特征,即河流水文情勢[2]。河流水文情勢是河流生態(tài)系統(tǒng)的驅(qū)動力,對河流的健康具有重要的影響,因此,可通過研究河流水文情勢來確定河流生態(tài)流量過程。對于一條河流,水文情勢雖然具有隨機性,但是也存在一定的規(guī)律性,可通過分析其多年的日流量過程分析其河流生態(tài)流量過程[3]。河流水文情勢可以從河流流量量級、流量歷時、發(fā)生時間和變化率等幾個方面分析[1]。
a. 流量的等級和頻率。依據(jù)流量量級將流量分為5個等級:枯流量、基流量、中高流量、小洪水和大洪水。不同等級的流量營造不同的生境,均對河流生態(tài)系統(tǒng)起著不可替代的作用,各等級流量的生態(tài)作用如表1所示。
b. 流量歷時。由于不同的物種對不同流量的承受能力不同,因此某一具體的流量歷時經(jīng)常對物種的生存產(chǎn)生重大的影響。
c. 流量發(fā)生時間分布。流量發(fā)生的時間對生態(tài)環(huán)境的影響極為關(guān)鍵,這是由于許多物種的生命周期與流量變化發(fā)生的時間是密切相關(guān)的。
表1 各等級流量生態(tài)作用
d. 流量變化率。流量的變化率是指水流從一個流量變化到另外一個流量的速率,包含上漲率和下降率,變化率的大小可以較為直觀地反映出河流的水文情勢變化。
生態(tài)流量的確定不僅僅是確保河道內(nèi)應(yīng)該留有多少水,而是需要在一定程度上重塑河流的天然流態(tài)[1,6-7]。根據(jù)河流歷史天然流量信息,提取能夠反映該河流天然水流情勢的流量特征值,通過水庫調(diào)度重現(xiàn)該過程,可以很大程度上維持河流的生態(tài)流量。
2.1 生態(tài)特征流量的選取
通過分析天然條件下長序列日流量數(shù)據(jù),依據(jù)河流的天然流態(tài)特征及Richter1996年提出的IHA指標體系[10-11],選取各月枯流量、基流量、中高流、小洪水、大洪水等5種特征流量對應(yīng)的流量大小、發(fā)生時間、歷時以及發(fā)生頻率等,作為生態(tài)特征流量的要素。
2.2 各生態(tài)特征流量值的確定
a. 枯流量的確定??萘髁繛楹恿髁髁枯^小時期的流量,往往制約著城市的發(fā)展規(guī)模、灌溉面積、通航的容量和時間,同時,也是決定水電站保證出力的重要因素。選擇月中值流量較小的月份作為枯流量發(fā)生的月份,統(tǒng)計歷年該月低于中值流量的各流量中值,并選取多年該流量的中值作為枯流量,同樣,枯流量發(fā)生的歷時選取歷年相應(yīng)流量發(fā)生歷時的中值。
b. 基流量的確定?;髁考椿旧鷳B(tài)流量,是維系及保護河流生態(tài)功能所需、在河道內(nèi)保留的基本流量,統(tǒng)計天然流量過程中各月的歷年中值流量,并取其中值作為該月的基本生態(tài)流量。
c. 中高流量的確定。中高流量幾乎在每個月都有發(fā)生,但各月發(fā)生的頻率和歷時不同,分析統(tǒng)計健康河流過程歷年各月中高流量的流量中值,并統(tǒng)計其發(fā)生頻率和歷時,將中高流過程發(fā)生流量及歷時簡化為中高流脈沖。
d. 小洪水的確定。設(shè)定歷史日流量資料系列中兩年一遇的洪水為小洪水,統(tǒng)計各月歷年發(fā)生的小洪水情況,將該月高于小洪水流量閾值的流量中值作為小洪水的洪峰值,各小洪水發(fā)生的時間長度的中值作為該月的小洪水歷時。取其典型流量過程線特征作為代表性的小洪水過程,由于小洪水發(fā)生頻率為兩年一遇,因此在實際應(yīng)用中該月的小洪水根據(jù)出現(xiàn)頻率情況確定。
e. 大洪水的確定。大洪水通??赡芙o沿岸人們的財產(chǎn)帶來災(zāi)害,但同時對河流生態(tài)系統(tǒng)具有一定的積極作用[12]。設(shè)定重現(xiàn)期為20年的洪水為大洪水,與小洪水確定方法類似,統(tǒng)計歷年發(fā)生大洪水的月份及其歷時,并確定代表性大洪水過程。由于大洪水發(fā)生頻率較低,一般年份在生態(tài)特征流量里可不予考慮,只有當(dāng)來水大于20年一遇時,可適當(dāng)按照來水泄放大洪水過程。
2.3 生態(tài)特征流量圖繪制
綜合各生態(tài)特征流量的確定方法,可以得出各月的生態(tài)特征流量,將這些特征流量繪制在橫坐標為時間、縱坐標為各月生態(tài)特征流量值的圖中,即可得到生態(tài)特征流量圖。在生態(tài)特征流量圖中,各月的基流量以及其他特征流(枯流、中高流、小洪水、大洪水)流量的大小、歷時及發(fā)生頻率均以圖形的形式直觀表現(xiàn)。特征流量線與時間所包圍的面積即為年生態(tài)需水總量。該生態(tài)特征流量圖直觀地反映了河流的天然流量變化過程的主要特征,可作為發(fā)電水庫下泄生態(tài)流量過程的重要依據(jù)。
在以天然流量為標準下基本滿足生活發(fā)電需求,因此生態(tài)流量特征圖可以作為水庫生態(tài)泄流的基本依據(jù),但它是否符合生態(tài)流量要求,需要一定的評價指標來確定[13]。本文以歷年河流天然流量特征作為其生態(tài)流量的確定依據(jù),從流量變化、持續(xù)時間和發(fā)生時間等3個方面建立了7 d流量偏差率、7 d生態(tài)需水保證率、月均生態(tài)需水適宜度3個主要評價指標,并將此3個指標轉(zhuǎn)換為一個綜合指標評定河流健康狀態(tài)。
3.1 7 d流量偏差率
將多年逐月連續(xù)7 d天然日流量(不足天數(shù)用下個月的天數(shù)補)的平均值中值作為標準值,以實際生態(tài)用水過程中連續(xù)7 d的平均流量與該標準值的偏離程度為指標,稱為7 d流量偏差率。該指標反映生態(tài)用水流量與歷史同期天然流量的偏差程度,可為
(1)
式中:Ci為7 d流量偏差率;Qei為第i月連續(xù)7 d生態(tài)用水流量的平均流量;Q7i為歷年第i月與Qei時間相應(yīng)的連續(xù)7 d天然日流量的平均值的中值。
因為生態(tài)流量與天然流量越接近越好,因此,Ci值越接近1,說明計算流量越接近天然流量。
3.2 7d生態(tài)需水保證率
采用歷年逐月連續(xù)7 d(不足天數(shù)用下個月的天數(shù)補)的天然來水流量的平均值的中值作為指標值,以實際生態(tài)用水過程中連續(xù)7 d的平均流量大于該標準值的保證率作為評價指標,反映生態(tài)流量的滿足程度,則i月的7 d生態(tài)需水保證率Pi為
(2)
Pi∈[0,1],且該值越大說明滿足天數(shù)越多,即連續(xù)生態(tài)需水保證率越高。
3.3 月均生態(tài)需水適宜度
將該月實際生態(tài)用水流量中值和特征極值與天然來水流量中值和特征極值的離散程度之和定義為月均生態(tài)需水離散系數(shù),反映各月生態(tài)用水量與天然流量的離散程度。
(3)
月均生態(tài)需水適宜度指標為
(4)
3.4 生態(tài)流量綜合指標
以上指標分別從不同角度對比生態(tài)流量特征圖與天然流量過程,從連續(xù)流量過程及特征流量全面整體分析生態(tài)用水流量與天然流量差異,生態(tài)用水總量指數(shù)反映總水量情況,7 d流量偏差率從連續(xù)7 d流量值上評價生態(tài)流量的偏差,7 d生態(tài)需水保證率從滿足生態(tài)流量的時間上評價生態(tài)流量的保證程度,而月生態(tài)需水滿足度從水量角度分析生態(tài)流量與天然流量的滿足程度,用幾何平均值將3種指標綜合為一個生態(tài)流量綜合指標,用Wi表示。其計算公式為
(5)
其中,Wi∈[0,1]。Wi越接近1,說明3個指標都越符合河流的天然來流,即視為河流越健康。因此根據(jù)Wi值可將河流健康狀態(tài)分為5個等級:0.8 綜上所述,生態(tài)需水量設(shè)定的合理與否可以根據(jù)生態(tài)需水量對天然流量的滿足程度由綜合系數(shù)指標反映與檢測。 4.1 東江水庫概況 東江水庫位于長江流域湘江水系耒水上游(圖1),控制流域面積4 719 km2。流域多年平均降雨量1 645 mm,壩址多年平均流量144 m3/s,于1992年樞紐工程全面竣工,在其下游9 km處修建有具日調(diào)節(jié)能力的小東江水電站。東江水庫是一個以發(fā)電為主,兼有防洪、航運、城鎮(zhèn)工業(yè)及生活用水等綜合利用的大型水電工程,其庫容系數(shù)高達1.16,為多年調(diào)節(jié)水庫,系目前國內(nèi)已建和擬建水電工程中調(diào)節(jié)性能最好的水庫之一,主要供華中地區(qū)電力需求,在電網(wǎng)中主要起補償和調(diào)峰、調(diào)頻等作用[14]。 圖1 耒水流域水系 4.2 東江水庫的天然來水及出庫流量特征分析 表2 東江水庫特征流量 根據(jù)以上統(tǒng)計結(jié)果可繪制東江水庫月流量來水箱須圖(圖2)。箱須圖是利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)中5個統(tǒng)計量描述數(shù)據(jù)的一種統(tǒng)計方法,它可以輔助分析數(shù)據(jù)的對稱性、數(shù)據(jù)分布的分散程度等[15],方盒和線段的長短表明數(shù)據(jù)的四分位距大小,中間值為中值。由圖2可以看出東江水庫每月天然來水流量的分散程度。同理繪制水庫運行(1993—2010年)后實際泄流流量特征箱須圖(圖3)。 圖2 天然來水量特征箱須圖 圖3 水庫實際泄流量特征箱須圖 為分析出庫流量與天然來水流量的差異,圖3中增加了天然來水過程的中值(黑粗線所示),由圖2和圖3對比分析可得:①水庫壩址斷面的流量最低值和最高值均出現(xiàn)在天然來水情況下,且最低值在50 m3/s以下,最高值在3—5月都超過400 m3/s。②建庫后各月極低流量整體提高,而極高流量則出現(xiàn)原來很高的變小而原來較低的增大的現(xiàn)象,且各月的極高值均沒有超過400 m3/s,即3—5月的極高值都明顯降低,而在枯季的11月、12月和1月,極高值均超過建庫前相應(yīng)值的1倍多;③建庫后的出流量在25%~75%區(qū)間內(nèi)明顯增多,極低流量與極高流量的距離也有縮短,即流量分布的分散程度降低,流量呈平緩狀態(tài);④將本來泄流中值流量較小的11月、12月、1月和3月轉(zhuǎn)變?yōu)橹兄盗髁枯^大的時期,而豐水期的4—6月中值流量反而變成下泄流量最小的時期。由此可見,水庫修建后,大壩下游的流量過程比入庫流量過程有很大的改變。 表3 兩種泄流情況下的生態(tài)流量指標值及評價等級 4.3 東江水庫生態(tài)流量特征圖繪制 根據(jù)前述各特征流量的選取方法,分別確定東江水庫各月的基流量、枯流量、中高流量、小洪水和大洪水的特征值。特征流量圖繪制具體分為3個步驟: a. 統(tǒng)計歷年各月中值流量的中值流量,作為各月基本生態(tài)特征流量; b. 統(tǒng)計歷年各月其他特征流量,并明確各月出現(xiàn)該特征流量的量級、時間、歷時和重現(xiàn)期等信息; c. 綜合以上兩個步驟,以月份為橫坐標,流量為縱坐標,首先繪制各月中值流量,而后加入各月枯流量、中高流量、小洪水和大洪水信息,同時標注各流量的重現(xiàn)期,即可得到東江水庫生態(tài)特征流量圖(圖4)。 本文根據(jù)嘉興A配送中心的配送站點分布及配送運量,對其配送線路進行優(yōu)化。根據(jù)配送中心目前運營中的突出問題,將其優(yōu)化目標設(shè)定為路程最短和成本最低。 圖4 東江水庫生態(tài)特征流量 4.4 東江水庫泄流的生態(tài)流量評價 4.4.1 建庫后水庫實際泄流及按生態(tài)特征流量圖泄流的評價結(jié)果 以壩址多年天然流量過程的統(tǒng)計特征作為評價標準,以本文給出的生態(tài)流量評價指標計算方法進行各指標計算,分別對水庫建成后實際運行的1993—2010年間的18年出庫流量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計值和本文所得到的東江水庫下游河流生態(tài)流量特征圖作為水庫的泄流過程線進行了評價,得到這兩種泄流情況下各月的生態(tài)流量指標值及評價等級(表3)。 表3計算結(jié)果顯示,建壩后水庫的實際運行中,由于對發(fā)電效益、電網(wǎng)穩(wěn)定運行等經(jīng)濟和社會指標考慮較多,沒有充分考慮生態(tài)用水的過程,使得實際泄流在很大程度上改變了河流原有的天然流量狀態(tài)。如偏差率Ci在11和12月數(shù)值為0,僅在4—6月對天然流量改變稍小一些,在枯水期的1—2月又過大,最高可達3.30,很大幅度高于天然流量;保證率在4—6月為完全滿足,而在10—12月與1月和2月時則完全不能滿足;離散度Fi結(jié)果在7—8月時較差;綜合評價結(jié)果顯示,1年內(nèi)河流健康等級無“極佳”和“佳”等級出現(xiàn),等級為“中”的有3個月,為“差”的有4個月,為“極差”的有5個月。而按照生態(tài)特征流量圖計算的生態(tài)流量評價指標結(jié)果,偏差率Ci均在0.5以上,最高能達到0.94(5月),保證率P全年各月均達到100%,離散度Fi也較小,綜合指標Wi最小為0.77,最大達到0.93,河流健康等級為“極佳”的有10個月,為“佳”的有兩個月,都能很好地符合天然來水狀態(tài),河流為完全健康狀態(tài)。 表4 典型年(2010年)天然流量標準下不同泄流情況評價指標計算結(jié)果 為進一步驗證所建方法的適用性,選取2010年作為典型年,以該年的天然來水流量過程作為標準,分別以生態(tài)流量特征圖和實際水庫下泄過程為評價對象,進行兩種泄流情況下的生態(tài)流量評價指標計算,計算結(jié)果如表4所示。 由表4可知,2010年,水庫實際泄流計算偏差率最小值為0.27(5月和6月),最大值3.64(11月),除4—6月、9月外,其他月份偏差率均大于1,說明下泄流量過程在12個月中的8個月比天然來水流量增加了,而在來水流量較大的月份下泄流量減小幅度非常大,相當(dāng)于對流量過程進行了重塑;從保證率來看,在10月和11月為0,其他月份也較低,說明生態(tài)需水沒有得到保證;適宜度普遍較高,在1月高達1.0,說明各月下泄水量對天然來水的改變不大;綜合指標最高為0.85,最低為0,年內(nèi)河流健康等級分別有“極佳”1個月,“佳”3個月,“中”5個月,“差”1個月,“極差”2個月,從評價等級結(jié)果知,河流的健康受到一定影響。按生態(tài)特征流量圖計算的結(jié)果,各月的偏差率除3月為1.81外,其他月份均在0.55~1.35之間;保證率也是3月小;適宜度多數(shù)在0.9以上,說明各月下泄的水量差異不大;綜合指標最高為2月的0.91,最小為3月的0.18;年內(nèi)河流健康等級分別有“極佳”9個月,“佳”1個月,“中”1個月,“極差”1個月,可見,按照生態(tài)流量特征圖泄流可以使河流健康保持較好狀態(tài)。 4.4.2 評價結(jié)果分析 根據(jù)上述結(jié)果可知,東江水庫實際運行時下泄流量與天然來水過程相差巨大,勢必對河流天然生態(tài)系統(tǒng)帶來較大影響。而按照生態(tài)流量特征圖法進行的水庫調(diào)度,所得到的結(jié)果更符合河流天然流量狀況,可在一定程度上彌補水庫泄流對河流生態(tài)帶來較大負面影響的不足。用生態(tài)調(diào)度圖指導(dǎo)某一年的水庫調(diào)度也能夠得到令人滿意的結(jié)果,該特征圖可以用來指導(dǎo)水庫的生態(tài)調(diào)度。可見,按本文所建生態(tài)特征流量圖法進行泄流將有助于河流的生態(tài)系統(tǒng)健康。筆者所建立的評價方法能夠用來評價河流的生態(tài)流量滿足程度,而且簡單直觀,易于發(fā)現(xiàn)生態(tài)流量沒有滿足的原因。 筆者在以下幾個方面對生態(tài)流量進行了研究:①通過建立含各種天然流態(tài)特征的生態(tài)流量特征圖描述流域的生態(tài)需水過程,更好地符合河流天然狀態(tài);②將7 d連續(xù)流量作為評價指標,體現(xiàn)了流量的連續(xù)性;以7 d生態(tài)需水保證率為評價指標,體現(xiàn)了生態(tài)需水的可靠性;以月均生態(tài)需水適宜度為指標,體現(xiàn)了生態(tài)需水對水量的要求;③用3個指標的綜合指標評價生態(tài)需水狀況,從定量和定性兩個方面綜合評價生態(tài)流量;④在天然流量標準下,分別用實際泄流和按生態(tài)流量特征圖泄流的流量結(jié)果進行評價,并選取了多年及典型年兩個系列的泄流資料對河流健康狀態(tài)進行評定,同時定性分析水庫下泄與蓄水過程水量平衡,既證明方法的適用性及可行性,又得到了各種情況下水庫下游的生態(tài)流量滿足程度;⑤通過健康等級劃分分析東江水庫運行對河流健康的影響,并對比說明生態(tài)特征流量圖法在指導(dǎo)水庫的生態(tài)泄流中具有較強的可行性和實用性。 因為東江水庫的巨大調(diào)蓄能力,水庫下泄流量過程可很大程度上受管理者的控制,本文針對生態(tài)流量的確定,提出采用生態(tài)特征流量圖方法確定生態(tài)需水過程,并給出生態(tài)流量評價指標:7 d流量偏差率、7 d生態(tài)需水保證率、月均生態(tài)需水適宜度及綜合指標,從流量和時間兩個方面綜合評定生態(tài)流量對天然流量的滿足度。將這些評價指標應(yīng)用于東江水庫,以天然流量為標準分別計算了長系列和典型年兩種情況下按生態(tài)特征流量圖泄流及實際泄流情況下各月的各評價指標值,并定性給出各種泄流情況下的河流生態(tài)健康狀態(tài)。結(jié)果表明,按照生態(tài)流量特征圖的泄流方式較為符合天然流量過程,可以作為水庫生態(tài)調(diào)度時的重要參考依據(jù)。 [ 1 ] POFF N L,MATTHEWS J H. 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Based on the diagram of river ecological flow characteristics, the deviation rate of 7-day flow, the guarantee rate of 7-day ecological water demand, the monthly average suitability degree of ecological water, and the comprehensive index of ecological water demand based on these three indexes were set up to judge the satisfaction level of ecological flows; and the evaluation basis and evaluation method of each index were given. The results show that the diagram of river ecological flow characteristics conforms to the basic characteristics of river natural flow of each period, and it can be used as a basis for guiding the reservoir ecological discharge; and the evaluation method of ecological flows set up can reflect the changes of discharge flow and natural flow, and it can evaluate the satisfaction degree of river ecological flow. river ecological flow; characteristics diagram; evaluation of ecological flow; reservoir operation 10.3880/j.issn.1004-6933.2015.01.016 涂晶晶(1990—),女,碩士研究生,研究方向為水資源規(guī)劃與管理。E-mail:tujingjing80@163.com 艾學(xué)山,副教授。E-mail:xsai@whu.edu.cn TV213 A 1004-6933(2015)01-0099-07 2014-04-11 編輯:徐 娟)4 實例應(yīng)用
5 結(jié) 語