劉中培， 李鑫， 竇明， 魏懷斌， 陳瑩

(1.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院,河南 鄭州 450046; 2.“煤炭開采水資源保護與利用”國家重點實驗室,北京 100011;3.鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,河南 鄭州 450001; 4.水利部水資源管理中心,北京 100038)

基本生態(tài)流量的確定對流域水資源管理和調(diào)度具有重要意義,基本生態(tài)流量保證率也是河流是否健康的重要衡量指標之一[1]。生態(tài)流量的研究起始于20世紀40年代的美國,隨著經(jīng)濟的繁榮發(fā)展與人類自身活動的日益頻繁,生態(tài)流量的研究也隨之取得了重大突破[2-4]。Tennant對美國的11條河流進行了詳細的野外調(diào)查研究,于1976年提出了蒙大拿法,開創(chuàng)了用水文學(xué)法研究河流生態(tài)流量的歷史先河[5]。之后,國內(nèi)外學(xué)者又提出了類似的水文學(xué)法,包括近10年最枯月平均流量法、最小月平均流量法和流量歷時曲線法等[6]。應(yīng)用廣泛的蒙大拿法是依據(jù)美國的氣候條件劃分汛期和非汛期的,與我國的劃分方法相差較大,并且目前我國關(guān)于基本生態(tài)流量保證率的研究仍然相對較少[7]。因此,本文以淮河干流河南段為研究對象,基于1951—2015年共65 a詳實的歷史水文數(shù)據(jù),采用最小月平均流量法、近10年最枯月平均流量法和蒙大拿法對淮河干流河南段的基本生態(tài)流量進行研究,評估現(xiàn)狀條件下河流基本生態(tài)流量的滿足程度,以期為河流生態(tài)調(diào)度提供科學(xué)支撐。

1 基本生態(tài)流量計算

1.1 控制斷面選取

計算基本生態(tài)流量時,應(yīng)根據(jù)生態(tài)環(huán)境保護的要求以及基礎(chǔ)資料的條件選用典型的河流控制斷面。主要考慮因素應(yīng)當包括:水文、省界、重要城市、入海河流河口、重要水利工程及閘壩的控制斷面和重要生態(tài)環(huán)境敏感的保護目標河段等[8]?；谏鲜鲈瓌t,結(jié)合淮河干流河南段的具體情況,選取長臺關(guān)、息縣和淮濱3個水文站的控制斷面為基本生態(tài)流量計算的主要控制斷面,各控制斷面的位置如圖1所示。

圖1 淮河干流河南段控制斷面分布圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

淮河干流河南段各水文站處在同一氣候類型區(qū),并且2015年之前淮河干流河南段無大型閘、壩等水利樞紐工程,長臺關(guān)站、息縣站和淮濱站的徑流具有較好的相關(guān)性和一致性。本文利用徑流量相關(guān)分析和累積徑流量相關(guān)分析得出:2011年之前,淮河干流河南段徑流受人類活動影響很小,近似天然徑流過程;2011年之后,淮河干流河南段徑流受到人類活動影響的程度增大。因此,計算所采用的數(shù)據(jù)為長臺關(guān)、息縣和淮濱3個水文站控制斷面1951—2010年的實測流量資料和2011—2015年還原后的流量資料。

1.3 最小月平均流量法

最小月平均流量法是把河流多年的最小月平均實測徑流量的平均值作為河流的基本生態(tài)需水量[9]。計算公式如下:

(1)

式中:Wb為河流的年生態(tài)需水量,108m3;Qij為第i年第j月的月平均流量,m3/s;T為換算系數(shù),T=31.536×106;n為統(tǒng)計年數(shù)。

為與其他結(jié)果進行比較,本文采用河流多年最小月流量的平均值計算河流的基本生態(tài)流量,即將河流多年的最小月平均實測徑流量換算為流量。按照最小月平均流量法計算得到長臺關(guān)站的基本生態(tài)流量為3.70 m3/s，占多年平均流量的10.87%；息縣站的基本生態(tài)流量為16.70 m3/s，占多年平均流量的14.63%；淮濱站的基本生態(tài)流量為23.50 m3/s，占多年平均流量的13.89%。

1.4 近10年最枯月平均流量法

近10年最枯月平均流量法采用90%保證率下的最枯月連續(xù)平均流量作為河流的基本生態(tài)流量[10]。我國規(guī)定一般河流均采用最近10年的最枯月平均流量計算。因此,該方法被稱為近10年最枯月平均流量法,其主要側(cè)重于河流環(huán)境需水量的計算[11]。計算公式同式(1),其中n=10。

選取2006—2015年徑流系列,按照近10年最枯月平均流量法的計算公式計算得到:長臺關(guān)站的基本生態(tài)流量為3.50 m3/s,占多年平均流量的10.48%;息縣站的基本生態(tài)流量為19.20 m3/s,占多年平均流量的16.84%;淮濱站的基本生態(tài)流量為30.00 m3/s,占多年平均流量的17.68%。

1.5 流量歷時曲線法

流量歷時曲線法是采用歷年來的流量資料繪制各月的流量歷時曲線,然后把某一個累積頻率對應(yīng)的流量(Qp)作為生態(tài)流量[12]。Qp中的頻率P可以選擇90%或95%,也可以根據(jù)實際情況進行適當?shù)男拚?。流量歷時曲線法是水文學(xué)法中第二種廣泛應(yīng)用的方法,這種方法一般需要30 a以上的流量系列[13]。

由于歷時曲線法可以計算不同時段的生態(tài)流量,在各月基本生態(tài)流量計算結(jié)果(P=95%)的基礎(chǔ)上,將淮河干流河南段的基本生態(tài)流量按非汛期(10月至次年5月)和汛期(6—9月)進行匯總,結(jié)果見表1。

表1 流量歷時曲線法的基本生態(tài)流量計算結(jié)果

1.6 蒙大拿法

蒙大拿法是根據(jù)觀測資料設(shè)立的流量與水生棲息地環(huán)境情況之間的經(jīng)驗關(guān)系和歷史流量資料來計算年內(nèi)不同時間段的基本生態(tài)流量的,該方法簡單便捷[14]。國外將水生生物的生育期分為一般用水期(10月至次年3月)和魚類產(chǎn)卵育幼期(4—9月)兩個時間段,同時這兩個時間段也是年內(nèi)水量較枯和較豐時段(非汛期、汛期);而我國非汛期和汛期的時間段劃分方法與國外的不同。因此,在運用蒙大拿法確定淮河干流河南段的基本生態(tài)流量時,將該方法中的10月至次年3月和4—9月兩個時間段更改為10月至次年5月和6—9月。這樣改進后的蒙大拿法可以更加準確地計算出淮河干流河南段的基本生態(tài)流量。

淮河流域?qū)儆谒Y源短缺地區(qū),受季風(fēng)氣候影響,徑流年際、年內(nèi)變差大,且主要集中在汛期(6—9月),非汛期的徑流比重較小[7]。結(jié)合淮河干流河南段的徑流特點,本次計算將非汛期(10月至次年5月)和汛期(6—9月)的流量占同時段多年平均流量的10%作為基本生態(tài)流量標準,淮河干流河南段基本生態(tài)流量的計算結(jié)果見表2。

表2 蒙大拿法的基本生態(tài)流量計算結(jié)果

1.7 基本生態(tài)流量確定

各方法計算的基本生態(tài)流量結(jié)果及占多年平均天然流量的百分比如圖2所示。由圖2可知，對于長臺關(guān)、息縣和淮濱站,蒙大拿法計算的基本生態(tài)流量值最小,占多年平均流量的10%。基于《河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》(SL/Z 72—2014)中的規(guī)定：“對于大江大河,河流流量占多年平均流量的5%～10%,仍有一定河寬、水深和流速,可以滿足魚類洄游、生存和旅游、景觀的一般要求,可以作為保持絕大多數(shù)水生生物短時間生存所必須的基本生態(tài)流量”，本次研究選用蒙大拿法的計算結(jié)果為基本生態(tài)流量,即淮河干流長臺關(guān)站的基本生態(tài)流量為3.41 m3/s,息縣站的基本生態(tài)流量為11.43 m3/s,淮濱站的基本生態(tài)流量為16.97 m3/s。

圖2 不同方法計算得到的基本生態(tài)流量及占多年平均天然流量的百分比

2 河流基本生態(tài)流量保證率評估

2.1 保證率評估方法

淮河干流河南段基本生態(tài)流量綜合保障程度[15]可用如下公式進行評估:

(2)

式中:R為基本生態(tài)流量保證率;D為評價時段的總天(月或年)數(shù);d為評價時段D中滿足基本生態(tài)流量的天(月或年)數(shù)。

2.2 基本生態(tài)流量保證率評估結(jié)果

2.2.1 月平均基本生態(tài)流量保證率評估結(jié)果

將長臺關(guān)站1951—2015年共65 a的逐月流量數(shù)據(jù)組成月流量系列,分別與該站的基本生態(tài)流量3.41 m3/s進行比較,統(tǒng)計滿足基本生態(tài)流量的月份。據(jù)統(tǒng)計,780個月份中,滿足基本生態(tài)流量的月份為708個,占比為90.77%,即長臺關(guān)站的基本生態(tài)流量保證率為90.77%。同理可得,息縣站和淮濱站的基本生態(tài)流量保證率分別為96.03%和95.05%。長臺關(guān)、息縣、淮濱3個水文站的月平均基本生態(tài)流量保證率的計算結(jié)果見表3。

表3 月平均基本生態(tài)流量保證率

綜上所述,淮河干流河南段的月平均基本生態(tài)流量保證率為93.95%,其中,息縣站的最高,其次為淮濱站的,長臺關(guān)站的最低。

2.2.2 豐、平、枯水年的基本生態(tài)流量保證率評估結(jié)果

長臺關(guān)站1951—2015年共65 a徑流系列中,豐水年共17 a,將豐水年的逐月流量分別與該站的基本生態(tài)流量3.41 m3/s進行比較,統(tǒng)計滿足基本生態(tài)流量的月份，據(jù)統(tǒng)計204個月份中,滿足基本生態(tài)流量的月份為196個,占比為96.08%,即長臺關(guān)站豐水年的基本生態(tài)流量保證率為96.08%；平水年共29 a,滿足基本生態(tài)流量的月份為326個,占比為93.68%,即長臺關(guān)站平水年的基本生態(tài)流量保證率為93.68%；枯水年共19 a,滿足基本生態(tài)流量的月份為186個,占比為81.58%,即長臺關(guān)站枯水年基本生態(tài)流量保證率為81.58%。同理可得：息縣站豐、平、枯水年基本生態(tài)流量保證率分別為97.62%、97.53%、91.67%;淮濱站豐、平、枯水年的基本生態(tài)流量保證率分別為98.68%、95.98%、89.06%。長臺關(guān)站、息縣站、淮濱站豐、平、枯水年的基本生態(tài)流量保證率的計算結(jié)果見表4。

由表4可知:①豐、平、枯水年淮河干流河南段的基本生態(tài)流量的平均月保證率分別為97.46%、95.73%、87.53%;②淮河干流河南段豐水年的基本生態(tài)流量保證率最高,其次為平水年的,枯水年的最低;③豐水年的基本生態(tài)流量保證率淮濱站的最高，其次為息縣站的，長臺關(guān)站的最低;④平水年、枯水年的基本生態(tài)流量保證率均為息縣站的最高,淮濱站的次之,長臺關(guān)站的最低。

表4 豐、平、枯水年基本生態(tài)流量保證率

2.2.3 汛期、非汛期的基本生態(tài)流量保證率評估結(jié)果

長臺關(guān)站1951—2015年共65 a徑流系列中,將汛期、非汛期流量分別組成月流量系列,分別與基本生態(tài)流量3.41 m3/s進行比較,統(tǒng)計滿足基本生態(tài)流量的月份。在汛期(6—9月)的260個月份中,滿足基本生態(tài)流量的月份為241個,占比為92.69%,即基本生態(tài)流量保證率為92.69%;在非汛期(10月至次年5月)的520個月份中,滿足基本生態(tài)流量的月份為467個,占比為89.81%,即基本生態(tài)流量保證率為89.81%。同理可得:息縣站汛期的基本生態(tài)流量保證率為97.69%,非汛期的基本生態(tài)流量保證率為95.19%；淮濱站汛期的基本生態(tài)流量保證率為95.70%,非汛期的基本生態(tài)流量保證率為94.73%。長臺關(guān)、息縣、淮濱3個水文站汛期和非汛期的基本生態(tài)流量保證率的計算結(jié)果見表5。由表5可知:①淮河干流河南段汛期的平均基本生態(tài)流量保證率為95.36%,非汛期的基本生態(tài)流量保證率為93.24%;②汛期的基本生態(tài)流量保證率大于非汛期的基本生態(tài)流量保證率;③汛期和非汛期的基本生態(tài)流量保證率均為息縣站的最高,其次為淮濱站的,長臺關(guān)站的最低。

表5 汛期、非汛期基本生態(tài)流量保證率

3 結(jié)語

本文采用最小月平均流量法、近10年最枯月平均流量法、流量歷時曲線法和蒙大拿法4種水文學(xué)方法對淮河干流河南段的基本生態(tài)流量進行計算,以月為單位評估了1951—2015年月平均、豐水年、平水年、枯水年、汛期、非汛期相應(yīng)斷面的基本生態(tài)流量保證率，得出以下結(jié)論:

1)淮河干流河南段從上游到下游基本生態(tài)流量依次增大。其中,長臺關(guān)站的基本生態(tài)流量為3.41 m3/s,息縣站的基本生態(tài)流量為11.43 m3/s,淮濱站的基本生態(tài)流量為16.97 m3/s。

2)淮河干流河南段豐水年的基本生態(tài)流量保證率最高,其次為平水年的,枯水年的最低,分別為97.46%、95.73%、87.53%;汛期的基本生態(tài)流量保證率大于非汛期的基本生態(tài)流量保證率,分別為95.36%和93.24%。

3)淮河干流河南段月平均、豐水年、平水年、枯水年、汛期、非汛期的基本生態(tài)流量保證率基本表現(xiàn)為息縣站的最高,其次是淮濱站的,長臺關(guān)站的最低。

4)基于淮河干流河南段不同河段、不同時段的基本生態(tài)流量及其保證率,需要加強各支流水庫及其他水利樞紐的聯(lián)合生態(tài)調(diào)度,以提高控制斷面的生態(tài)需水保障程度。