侯昕玥，徐宗學(xué)，殷旭旺，武 瑋

(1. 大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，遼寧 大連 116023；2. 北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875； 3. 城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；4. 濟(jì)南大學(xué)，資源與環(huán)境學(xué)院，濟(jì)南 250022)

生態(tài)基流，指維持河流基本形態(tài)、保證河流生態(tài)系統(tǒng)基本功能不受損害的最低流量。滿足此流量，可以保證河道不斷流，并且能夠避免水生生物群落遭受到不可恢復(fù)性的破壞[1]。近幾年，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)水資源的開發(fā)利用主要著重于在農(nóng)業(yè)、工業(yè)及生活用水等方面，目前人們對(duì)河道內(nèi)、外用水的需求日益增加，而生態(tài)環(huán)境需水通常不被大家了解和重視，河流生態(tài)系統(tǒng)及其水文情勢(shì)受擾動(dòng)的廣度和深度不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致河道生態(tài)基流不能得以保障，河道頻繁出現(xiàn)斷流現(xiàn)象[2]。

河道生態(tài)基流的研究主要涉及生態(tài)、水利、環(huán)境、農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。目前，計(jì)算生態(tài)基流的方法大致可分以下四種：水文學(xué)方法、水力學(xué)方法、生境(棲息地)模擬法和綜合分析(整體)法。楊志峰等[3]對(duì)生態(tài)基流計(jì)算方法進(jìn)行系統(tǒng)的分析后表明，水文學(xué)法、生境模擬法等幾類方法相對(duì)更適合我國(guó)。而生境模擬法需要大量生物數(shù)據(jù)和水文資料，計(jì)算過程較繁瑣，目前在國(guó)內(nèi)還處于探索階段。國(guó)內(nèi)應(yīng)用水文學(xué)法進(jìn)行生態(tài)基流的研究已取得豐富成果。于松延等[4]基于多種水文學(xué)方法對(duì)渭河流域關(guān)中段的生態(tài)基流進(jìn)行了估算；石永強(qiáng)等[5]采用多種水文學(xué)法估算了襄陽市主要河流的生態(tài)基流；黃強(qiáng)等[6]對(duì)原Tennant法進(jìn)行了改進(jìn)，引入了環(huán)境比降和季節(jié)系數(shù)，彌補(bǔ)了原Tennant法不能反映河流多沙特性和流量季節(jié)特性的不足；楊裕恒等[7]針對(duì)北方地區(qū)補(bǔ)水城市河流與未補(bǔ)水河流定位存在較大差異，提出了流量還原或還現(xiàn)的方法，對(duì)不同類型的河流流量進(jìn)行修正，利用典型年均流量代替多年平均流量并考慮了魚類產(chǎn)卵期所需最低流速，對(duì)Tennant法進(jìn)行了改進(jìn)。

小清河歷史上一直以水質(zhì)清澈而聞名，但從上世紀(jì)80年代以來，流域周邊社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，導(dǎo)致水源枯竭、河水污染、生態(tài)環(huán)境惡化，成為嚴(yán)重影響沿河地區(qū)又好又快發(fā)展的一大社會(huì)焦點(diǎn)問題[8]。小清河流域地處山東省中北部，是“山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)”、“黃河三角洲農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)”、“黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)”和“省會(huì)城市群經(jīng)濟(jì)圈”的連接紐帶，因此小清河在山東省區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的地位不言而喻[9]。2012年10月，濟(jì)南市被水利部確定為國(guó)家第一批“水生態(tài)文明城市”試點(diǎn)城市，隨后濟(jì)南市全面開展了水生態(tài)建設(shè)相關(guān)工作。本文選取Tennant法、Texas法等7種水文學(xué)方法分別對(duì)小清河濟(jì)南段的生態(tài)基流量進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)結(jié)合河流水文特征，篩選出一種適合此研究區(qū)域的計(jì)算方法，并對(duì)其進(jìn)行不同水平年生態(tài)基流的計(jì)算，最終得到豐、平、枯水年分別需要滿足的逐月生態(tài)基流量，并結(jié)合實(shí)際徑流量進(jìn)行生態(tài)基流保證程度分析。本文研究結(jié)果可為小清河濟(jì)南段水量合理調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)河流水資源保護(hù)及水生態(tài)健康維護(hù)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

小清河，山東省中部渤海水系河流[10]。其干流發(fā)源于濟(jì)南市西郊，流經(jīng)淄博、濱州、東營(yíng)和濰坊最終入海，全長(zhǎng)232 km，在濟(jì)南市河段長(zhǎng)度為70.3km[11](如圖1所示)。小清河干流河道是山東省重點(diǎn)河道之一，具有通航、灌溉、養(yǎng)殖、排污等功能，也是濟(jì)南市及周邊地區(qū)唯一的排洪河道，承擔(dān)著濟(jì)南市泄洪的重要任務(wù)[12]。小清河主要支流呈羽毛狀多分布在南岸，為山洪和泉水河道；北岸支流很少，全部為平原坡水排澇河道[13]。小清河流域受溫帶季風(fēng)氣候的影響，每年的6-9月為汛期，11月至翌年的3月為非汛期，年內(nèi)汛期和非汛期流量變化大[14]。本文選取黃臺(tái)橋水文站作為監(jiān)測(cè)斷面，其控制流域面積351 km2。

圖1 研究區(qū)域概況圖Fig.1 Study area overview map

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

黃臺(tái)橋水文站位于小清河干流上游，多年平均流量年內(nèi)變化較明顯，汛期流量顯著大于非汛期流量。以2012年為例，非汛期流量均值為11.96 m3/s，汛期為22.85 m3/s，而汛期流量的最大值達(dá)99.5 m3/s。生態(tài)基流的計(jì)算要選用受人類活動(dòng)影響較小的天然徑流過程，通過對(duì)長(zhǎng)系列水文資料的分析，楊裕恒等[7]發(fā)現(xiàn)自1997年小清河被治理后，人類活動(dòng)等各方面加大了對(duì)河道內(nèi)徑流量的影響。因此本文選用1967-1996年黃臺(tái)橋站實(shí)測(cè)逐日流量數(shù)據(jù)進(jìn)行生態(tài)基流計(jì)算。受季風(fēng)氣候及降水的影響，我國(guó)北方地區(qū)的河流流量隨季節(jié)變化較明顯，汛期與非汛期流量差異顯著，因此河流生態(tài)基流也應(yīng)隨汛期和非汛期的變化而變化[15]。故文中采用多種水文學(xué)方法計(jì)算出逐月的生態(tài)基流量，充分體現(xiàn)了汛期與非汛期的流量差異。

2.2 生態(tài)基流計(jì)算的水文學(xué)法

(1)Tennant法。也叫蒙大拿法，是水文學(xué)法中應(yīng)用最為廣泛的方法，該方法由Tennant于1976年提出。1964-1974年，Tennant等對(duì)美國(guó)11條河流進(jìn)行了詳細(xì)的野外調(diào)查，來檢驗(yàn)該方法[16]。Tennant法是將多年平均流量的百分比作為基流量的推薦值，具有宏觀、定性指導(dǎo)意義，研究表明，多年平均流量的10%作為保持河流生態(tài)系統(tǒng)健康的最小流量，多年平均流量的30%是能夠?yàn)榇蠖鄶?shù)水生生物提供較好的棲息條件的基流量[17]。本文選取多年平均流量的10%作為生態(tài)基流量。

(2)最枯日平均流量多年平均值法?；谧羁菰缕骄髁慷嗄昶骄捣ㄍǔＨ?0年內(nèi)最枯月平均流量作為生態(tài)基流量[18]。為保證選取資料的一致性，便于對(duì)比分析，本文取30年內(nèi)最枯日均流量作為當(dāng)月生態(tài)基流量，并稱此方法為最枯日平均流量多年平均值法(以下簡(jiǎn)稱最枯日法)。計(jì)算公式如下：

式中：Qm為第m月的生態(tài)基流量(m=1，2，…，12)，m3/s；Qij為第i月第j天的平均流量，m3/s；n為統(tǒng)計(jì)年數(shù)[4]。

(3)90%保證率最枯日平均流量法。因?yàn)?0%保證率最枯月平均流量法是取90%設(shè)計(jì)保證率下最枯月平均流量作為生態(tài)基流量[19]。本文通過對(duì)日平均流量進(jìn)行分析，計(jì)算出90%保證率下每月最枯日平均流量作為生態(tài)基流量[20]，并稱此方法為90%保證率最枯日平均流量法(以下簡(jiǎn)稱90%最枯日法)。

(4)流量歷時(shí)曲線法。又稱Hoppe法，是根據(jù)日流量資料繪制流量歷時(shí)曲線[21]。確定流量歷時(shí)的方法是將所有的日平均流量記錄根據(jù)量值劃分成20～30個(gè)平均流量組(從大到小排列)，計(jì)算各組的天數(shù)，從第二級(jí)流量開始計(jì)算累計(jì)天數(shù)，之后確定每級(jí)流量的時(shí)間比例(最小等級(jí)流量的時(shí)間比例是100%)，最后繪制時(shí)間比例與流量等級(jí)之間的對(duì)數(shù)曲線[22]。本文將90%對(duì)應(yīng)的流量作為生態(tài)基流量[23]。

(5)NGPRP法[24]。該法是將水文年按豐、平、枯水年分組，取平水年組90%設(shè)計(jì)保證率流量作為生態(tài)基流量。

(6)7Q10法。即采用90%保證率下最枯連續(xù)7天的平均流量作為該月河流生態(tài)基流的推薦值，該方法是美國(guó)考慮水質(zhì)因素確定河道內(nèi)生態(tài)基流的方法[4]。

(7)Texas法。一般取50%保證率下，河流逐月月平均流量的一定百分比作為生態(tài)基流量[25]。吳喜軍等[26]基于基流比例法研究表明，北方河流百分比的取值為20%，認(rèn)為該取值適合中國(guó)北方河流生態(tài)基流的計(jì)算。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果比較

本文選取上述7種方法對(duì)小清河流域黃臺(tái)橋站的生態(tài)基流進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表1。由表中可知7種計(jì)算結(jié)果之間存在一定的差異性。

表1 黃臺(tái)橋站不同水文學(xué)方法生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果 m3/sTab.1 Ecological baseflow estimated by using different hydrological methods at the Huangtaiqiao Station

根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制黃臺(tái)橋站生態(tài)基流過程線(圖2)。從生態(tài)基流量計(jì)算結(jié)果來看，7種計(jì)算方法中，最枯日法、Hoope法和NGPRP法的計(jì)算結(jié)果偏大，其中Hoope法計(jì)算結(jié)果最高；剩余4種方法中，Tennant法的計(jì)算結(jié)果最小。從整體變化趨勢(shì)來看，除7Q10法外，剩余6種方法計(jì)算得到的生態(tài)基流流量 汛期普遍大于非汛期。從汛期生態(tài)基流量的最大值出現(xiàn)的月份來看，Hoope法、最枯月法和7Q10法存在滯后性。

圖2 黃臺(tái)橋站多種水文學(xué)方法生態(tài)基流過程線Fig.2 Ecological baseflow estimated by using different hydrological methods at the Huangtaiqiao Station

結(jié)合小清河流域汛期與非汛期流量變化明顯這一水文特征，為篩選出適合小清河流域的生態(tài)基流計(jì)算方法，本文運(yùn)用SPSS 19軟件將7種計(jì)算結(jié)果(12個(gè)月)與2005-2014年(近10年)逐月月平均流量進(jìn)行相關(guān)性分析。與多年平均的逐月流量之間進(jìn)行相關(guān)性分析充分考慮了汛期與非汛期流量的變化，生態(tài)基流量與逐月月平均流量之間極顯著相關(guān)則說明，該方法下生態(tài)基流的計(jì)算結(jié)果能夠很好地反映河流流量汛期與非汛期的變化，相關(guān)性分析結(jié)果見表2。由表中可知，與2005-2014年逐月月平均流量相比，7Q10法計(jì)算結(jié)果與逐月月平均流量之間相關(guān)性不顯著；90%最枯日法計(jì)算得到的生態(tài)基流量與逐月月平均流量之間顯著相關(guān)；Tennant法、最枯日法、Hoope法、NGPRP法和Texas法的計(jì)算結(jié)果與逐月月平均流量極顯著相關(guān)。在極顯著相關(guān)的5種計(jì)算方法中篩選適合小清河流域生態(tài)基流的計(jì)算方法，其中Texas法的顯著程度最大，其次是NGPRP法和Tennant法，故相比其他方法Texas法更適合于小清河流域。因Texas法是將河流逐月月平均流量的一定百分比作為生態(tài)基流量，而文中結(jié)合北方河流水文特征，將此百分比取值為20%，與此同時(shí)取50%保證率，綜合了可接受頻率因素。北方河流汛期與非汛期流量變化明顯，因此選取Texas法計(jì)算北方河流生態(tài)基流量較為適宜。

表2 7種計(jì)算結(jié)果與近10年逐月月平均流量相關(guān)性分析Tab.2 Correlation analysis of 7 kinds of calculation results and monthly average monthly flow in recent 10 years

注：**.在0.01水平上顯著相關(guān)；*.在0.05水平上顯著相關(guān)。

小清河流域受溫帶季風(fēng)氣候的影響，其70%的降雨量集中在6-9月，因此其生態(tài)基流量的最大值也應(yīng)該出現(xiàn)在這一時(shí)期，并且北方河流流量具有年際變化大、汛期與非汛期流量具有年內(nèi)變化明顯等特點(diǎn)。由黃臺(tái)橋站生態(tài)基流過程線(圖2)可知，7種水文學(xué)方法計(jì)算的生態(tài)基流最大值均出現(xiàn)在汛期8月。其中90%最枯日法和7Q10法在汛期和非汛期的生態(tài)基流變化不明顯，主要原因是計(jì)算方法本身存在局限性，單純選擇最枯日或者最枯7天的流量代替本月的流量進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，存在極大的偶然性。最枯日法、Hoope法和NGPRP法的計(jì)算結(jié)果在汛期和非汛期的變化顯著，但生態(tài)基流量數(shù)值相對(duì)較大，因此只有Texas法和Tennant法的計(jì)算結(jié)果較為合理。Tennant法計(jì)算的生態(tài)基流量在非汛期12月份出現(xiàn)突變點(diǎn)，其數(shù)值超過了汛期6月的生態(tài)基流量，可能的原因是，其方法本身只是簡(jiǎn)單的取多年平均流量的10%的計(jì)算結(jié)果作為生態(tài)基流量，而選取的30年數(shù)據(jù)中1994年12月份的實(shí)際徑流量明顯增大，進(jìn)而影響了整體的計(jì)算結(jié)果。Texas法計(jì)算得到的流量過程線則呈現(xiàn)出完美的單峰形式，汛期和非汛期變化明顯。

綜上所述，選擇Texas法計(jì)算黃臺(tái)橋站生態(tài)基流量較為合理。計(jì)算結(jié)果表明黃臺(tái)橋站汛期和非汛期最小生態(tài)基流量出現(xiàn)在6月和3月，其值分別為1.59和1.01 m3/s。

3.2 不同水平年生態(tài)基流計(jì)算

為使生態(tài)基流能夠更好地體現(xiàn)北方河流流量年際豐、平、枯變化，為生態(tài)基流保證程度分析提供科學(xué)的數(shù)據(jù)依據(jù)。本文采用Texas法對(duì)小清河水系黃臺(tái)橋站不同水平年生態(tài)基流分別進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3。不同水平年計(jì)算結(jié)果與Texas法進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見圖3。

表3 不同水平年Texas法生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果 m3/sTab.3 Ecological baselow estimated by using Texas method in different typical years

圖3 90%保證率下不同水平年Texas法和 Texas法生態(tài)基流過程線Fig.3 Ecological baseflow estimated by using Texas method for different typical years with 90% of frequency

由圖3可知，不同水平年生態(tài)基流量與原Texas法得到的多年平均生態(tài)基流量之間存在較大差異，原Texas法的計(jì)算結(jié)果與平水年生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果較接近。不同水平年Texas法既反映了流量的季節(jié)性變化，又考慮了流量豐枯對(duì)生態(tài)基流的影響，并且綜合了頻率因素，因此更符合實(shí)際。李昌文[2]研究表明，一般情況下，生態(tài)基流在非汛期不能低于多年平均徑流量的10%，而在汛期應(yīng)達(dá)到多年平均徑流量的20%～30%為宜。本文中，不同水平年Texas法計(jì)算得到的生態(tài)基流量在非汛期均不低于多年平均徑流量的10%，而汛期的生態(tài)基流只有豐水年和平水年達(dá)到了多年平均徑流量的20%～30%，枯水年的生態(tài)基流推薦值是多年平均徑流量的14%左右。

3.3 生態(tài)基流保證程度分析

進(jìn)行河流健康評(píng)價(jià)時(shí)，生態(tài)基流能否得到保證應(yīng)作為健康評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)之一。文中在確定小清河濟(jì)南段生態(tài)基流滿足程度時(shí)，選取2012年(豐水年)、2008年(平水年)和2014年(枯水年)河道實(shí)際徑流與計(jì)算得到的生態(tài)基流推薦值進(jìn)行對(duì)比分析。圖4結(jié)果顯示，黃臺(tái)橋站不同水平年河道內(nèi)流量都可以滿足生態(tài)基流，生態(tài)基流保證程度高達(dá)100%。

圖4 黃臺(tái)橋站不同水平年實(shí)際徑流與生態(tài)基流對(duì)比Fig.4 Comparison between observed streamflow and estimated ecological baeflow with different frequency at the Huangtaiqiao Station

分析其原因可能是，排污、引水等人類活動(dòng)加大了對(duì)徑流量的影響程度，這成為影響徑流量增大的決定性因素[28]。因小清河干流地處平原區(qū)，地勢(shì)較低，南岸支流的水最終全部匯入小清河，其中包括大量的污水。與此同時(shí)，近年來為滿足小清河污染治理的需求，政府通過從臥虎山水庫引水補(bǔ)充小清河水量[14]。自20世紀(jì)80年代以來，流域周邊的工業(yè)迅速發(fā)展，導(dǎo)致河道被嚴(yán)重侵占，灌溉、航運(yùn)和養(yǎng)殖等功能日漸萎縮，除了進(jìn)入水質(zhì)凈化一、二廠的污水外，其他城市排放的污水均直接匯入小清河，小清河水環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞[29]。朱琳[28]等提出，小清河流域近年來受人類活動(dòng)影響較大，2004-2013年，在月平均降水量增加趨勢(shì)不顯著的情況下，小清河月平均徑流量明顯增加，這在一定程度上表明，小清河尤其是枯水期的徑流量增加很大程度上來源于人類活動(dòng)的影響。雖然小清河濟(jì)南段生態(tài)基流保證程度為優(yōu)，但是河道內(nèi)水體污染嚴(yán)重，若實(shí)際徑流量大多是城市排放的污水，雖然能夠保證小清河濟(jì)南段不斷流，但不能保障水生生物群落不被破壞。因此，應(yīng)結(jié)合水生生物適宜的棲息地、流域水質(zhì)和泥沙沉積等多種因素，深入開展生境模擬法和整體法的研究。

4 結(jié) 論

通過本文的研究，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：(1)結(jié)合小清河流域汛期與非汛期流量變化明顯的水文特征，通過SPSS 19軟件將7種水文學(xué)方法的計(jì)算結(jié)果與2005-2014年逐月月平均流量進(jìn)行顯著相關(guān)性分析后表明，采用Texas法計(jì)算小清河流域黃臺(tái)橋段生態(tài)基流最為適宜，其次是Tennant法。Texas法計(jì)算得到的汛期和非汛期最小生態(tài)基流量出現(xiàn)在六月和三月，其值分別為1.59和1.01 m3/s。

(2)為使計(jì)算結(jié)果更加合理，研究中對(duì)Texas法進(jìn)行了改進(jìn)，分別計(jì)算了不同水平年的生態(tài)基流量，由計(jì)算結(jié)果可知，不同水平年生態(tài)基流量與多年平均生態(tài)基流量之間存在較大差異，多年平均生態(tài)基流量與平水年的生態(tài)基流量更為接近。因此在進(jìn)行水資源配置時(shí)應(yīng)考慮不同水平年生態(tài)基流的差異，采取不同的配置方案。

(3)通過生態(tài)基流保證程度分析可知，小清河水系黃臺(tái)橋站生態(tài)基流保證程度為100%。雖然保證程度為優(yōu)，但是河道水污染嚴(yán)重，實(shí)際徑流大多是城市排放的污水。長(zhǎng)此以往，雖然能夠保證小清河水系濟(jì)南段不斷流，但無法保證水生生物群落不被破壞。

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