劉立軍，張 揚(yáng)，郭麗君，嚴(yán) 杰

(1.浙江省水利河口研究院，杭州 310020；2.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310020； 3.浙江廣川工程咨詢(xún)有限公司，杭州 310020)

河流是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，修復(fù)和改善河道生態(tài)，并實(shí)現(xiàn)水資源的合理配置，需科學(xué)合理地確定河道生態(tài)需水。河道生態(tài)需水是將河道生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和生態(tài)過(guò)程維持在一定水平所需要的水量，指一定生態(tài)保護(hù)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的水生態(tài)系統(tǒng)的水需量及其過(guò)程。

1 國(guó)外河道生態(tài)需水計(jì)算方法簡(jiǎn)述

國(guó)外早期關(guān)于河流生態(tài)環(huán)境需水量的研究主要是對(duì)河道枯水流量(Low -Flow)的研究[1-5]。經(jīng)過(guò)多年的研究，已形成一些相對(duì)成熟的河流生態(tài)需水估算方法，基本可以分為水文學(xué)法、水力水法、棲息地評(píng)價(jià)法、整體分析法等 4 大類(lèi)[6]。

水文學(xué)法是根據(jù)河道的徑流資料計(jì)算基本生態(tài)需水量，屬于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，常用方法有Tennant法[7]、7Q10法、德克薩斯(Texas)法[8]、NGPRP法等。水文學(xué)法宜用在對(duì)計(jì)算結(jié)果精度要求不高，并且生物資料缺乏的情況。水文學(xué)法的優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)不需要測(cè)定數(shù)據(jù)，具有簡(jiǎn)單快速的特點(diǎn)；缺點(diǎn)是方法缺乏生物學(xué)資料證明，未考慮流量的豐、枯水年變化，也未考慮河段形狀的變化，若要證明計(jì)算結(jié)果的生態(tài)效應(yīng)，還要進(jìn)行大量的野外工作, 以設(shè)定不同標(biāo)準(zhǔn)和獲取必要的參數(shù)。

水力學(xué)法以保留河流的足夠水量和保持河道的基本形態(tài)為集中目標(biāo)，將流量變化與河道的斷面形狀、比降、水深等水力幾何學(xué)參數(shù)聯(lián)系起來(lái)確定基本生態(tài)需水量，代表方法有濕周法、R2CROSS法[9]、CASMIR法等。濕周法適用于濕潤(rùn)河網(wǎng)區(qū)，但河道的形狀會(huì)影響該法的分析結(jié)果。R2CROSS法適用于一般淺灘式的河流棲息地類(lèi)型。

棲息地評(píng)價(jià)法是在水力學(xué)法的基礎(chǔ)上，考慮水質(zhì)、水生物等因素，以提供一個(gè)適宜的物理生境作為目標(biāo)，根據(jù)流量-棲息地生境或流量-棲息地指示物種的相關(guān)關(guān)系確定生態(tài)需水量，代表方法有IFIM/PHABSIM法[10-13]、RCHARC法、Basque法等。該法使用起來(lái)比較靈活，但實(shí)際操作性不強(qiáng)，不容易被應(yīng)用，適用于已確定物種及其棲息地為生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的河道。由水文學(xué)法到棲息地法，資料條件的要求隨之增高，針對(duì)性也隨之增強(qiáng)。整體分析法綜合考慮了專(zhuān)家意見(jiàn)和生態(tài)整體功能，通過(guò)綜合研究河道內(nèi)流量、泥沙運(yùn)輸、河床形狀與河岸帶群落之間的關(guān)系確定流量的推薦值，并要求這個(gè)推薦值能夠同時(shí)滿(mǎn)足生物保護(hù)、棲息地維持、泥沙沖淤、污染控制和景觀維持等整體生態(tài)功能。整體分析法主要有南非的BBM法和澳大利亞的HEA法，宜用于流域整體的生態(tài)需水評(píng)估。

2 問(wèn)題的提出

不同的計(jì)算方法各有其適用條件和適用范圍，選定生態(tài)需水評(píng)估方法應(yīng)考慮河流類(lèi)型、人們的生態(tài)環(huán)境價(jià)值觀、計(jì)算結(jié)果的精度要求、收集資料的費(fèi)用和困難程度等。目前，人們對(duì)生態(tài)環(huán)境價(jià)值的觀念還不統(tǒng)一，國(guó)內(nèi)對(duì)河道生態(tài)需水的研究起步較晚，缺乏現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，缺乏系統(tǒng)建立在定量分析基礎(chǔ)上的綜合水文學(xué)、生態(tài)學(xué)和地理學(xué)的河道生態(tài)需水計(jì)算方法，對(duì)河道生態(tài)與水的關(guān)系研究還不夠深入，對(duì)河道生態(tài)需水的定量研究仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。許多河道生態(tài)需水計(jì)算方法涉及生態(tài)資料并需要實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支持，針對(duì)我國(guó)目前的研究現(xiàn)狀，在現(xiàn)階段水文學(xué)法最適合于我國(guó)河道生態(tài)需水研究[14]，可以作為區(qū)域和流域大空間尺度的宏觀研究手段，但需要對(duì)其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)做進(jìn)一步研究，以適合于我國(guó)河流要求。

流量歷時(shí)保證率(Flow-Duration Guarantee Rate)是反映流量在某一時(shí)段內(nèi)(年內(nèi)某一月、季節(jié)、一年)超過(guò)某一數(shù)值持續(xù)天數(shù)與時(shí)段總天數(shù)的比例。在流量歷時(shí)保證率中，應(yīng)用最廣的是以年為時(shí)段的日平均流量歷時(shí)保證率。繪制年為時(shí)段的日平均流量歷時(shí)曲線(xiàn)時(shí)，由于一年日數(shù)很多，一般以季或月為時(shí)段分組進(jìn)行歷時(shí)統(tǒng)計(jì)[15]。德克薩斯(Texas)法是在Tennant法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮了水文季節(jié)變化因素，采用某一保證率的月平均流量作為生態(tài)流量，月平均流量保證率的設(shè)定考慮了區(qū)域內(nèi)典型動(dòng)物群(魚(yú)類(lèi)總量和已知的水生物)的生存狀態(tài)對(duì)水量的需求。德克薩斯(Texas)法首次考慮了不同的生物特性(如產(chǎn)卵期或孵化期)和區(qū)域水文特征(月流量變化大)條件下的月需水量[14]，比現(xiàn)有的一些同類(lèi)方法前進(jìn)了一步，是一種典型的流量歷時(shí)保證率法。

(1)河道生態(tài)需水與流域生態(tài)系統(tǒng)之間存在相輔相成的關(guān)系，水文條件是生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要的決定因素，濕潤(rùn)區(qū)不可能出現(xiàn)具有顯著干旱區(qū)特性的生態(tài)系統(tǒng)，反之亦然。河道水文條件可以明顯影響河道生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和優(yōu)劣，另一方面，生態(tài)系統(tǒng)也會(huì)對(duì)水文條件產(chǎn)生一定的適應(yīng)性。因此，確定河道生態(tài)需水既要符合流域的水文特征，也要適應(yīng)流域生態(tài)系統(tǒng)的特性。對(duì)于季節(jié)性明顯的河流，河道生態(tài)需水應(yīng)符合水文氣象的季節(jié)性特征，也要適應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水文條件的季節(jié)性要求。以月或季為單位，以流量歷時(shí)保證率為指標(biāo)控制生態(tài)需水過(guò)程，是既能反映季節(jié)特征、又能兼顧生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)性的比較好的方式，且分析計(jì)算比較簡(jiǎn)單，較易推廣應(yīng)用?？紤]到可能存在的雨熱不同季等問(wèn)題，簡(jiǎn)單地以流量歷時(shí)保證率為控制指標(biāo)又顯得簡(jiǎn)單粗暴，與生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)際需求不相符。因此，對(duì)流量歷時(shí)保證率法作適當(dāng)改進(jìn)是必要的。

(2)河道生態(tài)需水目標(biāo)與流域水資源開(kāi)發(fā)利用需求有關(guān) 在開(kāi)展水資源開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃時(shí)，需統(tǒng)籌生活、生產(chǎn)和生態(tài)需水。在水資源緊張的區(qū)域，“三生”用水之間的脅迫非常明顯，對(duì)河道生態(tài)需水目標(biāo)無(wú)法定得很高，生態(tài)需水往往只是滿(mǎn)足最基本的生態(tài)需求。在水資源豐富的區(qū)域，水資源開(kāi)發(fā)利用程度可以相對(duì)低一些，河道生態(tài)需水目標(biāo)自然就可以定得高一些，可以要求生態(tài)需水足以創(chuàng)造一個(gè)良好的生態(tài)環(huán)境。以生態(tài)需水量占多年平均徑流量的百分比為指標(biāo)控制生態(tài)需水總量，是統(tǒng)籌兼顧“三生”用水的可行方式。對(duì)特定流域，流量歷時(shí)保證率與流量之間往往有比較穩(wěn)定的相關(guān)關(guān)系，用流量歷時(shí)保證率法確定的生態(tài)流量成果相對(duì)穩(wěn)定，利于推廣應(yīng)用。

(3)河道生態(tài)需水目標(biāo)與民眾對(duì)生態(tài)的認(rèn)識(shí)和需求有關(guān) 生態(tài)系統(tǒng)究竟需要多少水才是最好的？極端環(huán)保主義者強(qiáng)調(diào)以環(huán)境為本或者以自然為本，忽視以人為本，認(rèn)為自然的就是最好的，就會(huì)導(dǎo)致人類(lèi)無(wú)法正常開(kāi)發(fā)利用水資源；若一味強(qiáng)調(diào)改造自然，盲目開(kāi)發(fā)利用水資源，則可能?chē)?yán)重破壞生態(tài)環(huán)境，最終遭受大自然的報(bào)復(fù)。因此，應(yīng)在科學(xué)研究的基礎(chǔ)上，積極引導(dǎo)社會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境的認(rèn)識(shí)，合理確定與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相適應(yīng)的生態(tài)需水。生態(tài)需水目標(biāo)可以用流量歷時(shí)保證率來(lái)表征，便于理解和接受。

3 改進(jìn)流量歷時(shí)保證率法

以長(zhǎng)系列逐日平均流量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，資料系列應(yīng)不少于30年且應(yīng)盡量選擇受人為影響較小的水文數(shù)據(jù)。為反映季節(jié)的變化，建議以月為單位，將各月的逐日流量從大到小依序排列，即：Qij，i=1，2，…，N；j=1，2，…，12，其中：Q1j、QNj分別為年內(nèi)j月流量序列中的最大、最小流量值。

再計(jì)算年內(nèi)j月的歷時(shí)保證率為Pj的流量Qpj，即：

Qpj=Qj|P(Qij≥Qj)=Pj

(1)

參照生態(tài)環(huán)境需水量等級(jí)劃分研究成果[16]，以各月歷時(shí)保證率為50%、60%、75%和90%的流量為各月達(dá)到優(yōu)秀、良好、一般和基流等級(jí)的生態(tài)流量。

結(jié)合降水特征、氣象條件、生態(tài)系統(tǒng)和水資源開(kāi)發(fā)利用的需求，對(duì)流量歷時(shí)保證率法作出適當(dāng)改進(jìn)，在年歷時(shí)保證率基本不變的條件下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)直接對(duì)以月為時(shí)段的流量歷時(shí)保證率法計(jì)算結(jié)果在各月作平滑修正，更好地體現(xiàn)以豐補(bǔ)枯、水熱同步，提出更符合流域特征的生態(tài)需水結(jié)果。

4 計(jì)算案例

浙江省為典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨熱同步，采用流量歷時(shí)保證率法計(jì)算河道內(nèi)生態(tài)需水具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

按降水成因，大致可將浙江全省分為梅雨主控區(qū)、臺(tái)風(fēng)雨主控區(qū)和梅雨臺(tái)風(fēng)雨兼容區(qū)三種類(lèi)型地區(qū)，且以山丘區(qū)中小流域?yàn)橹?。在梅雨主控區(qū)、臺(tái)風(fēng)雨主控區(qū)和梅雨臺(tái)風(fēng)雨兼容區(qū)各選一個(gè)山丘區(qū)流量站進(jìn)行河道內(nèi)生態(tài)流量分析計(jì)算。

表1 流量站信息表Tab.1 Information of stream gauging station

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，各流量站各月平均流量與多年平均流量的比例見(jiàn)圖1。

圖1 各月平均流量與多年平均流量的比例Fig.1 Ratio of monthly average flow to multi-year average flow

由圖1可知，長(zhǎng)風(fēng)站位于梅雨區(qū)，梅雨期降水明顯比較多，臺(tái)風(fēng)雨期明顯少。石柱站位于臺(tái)風(fēng)雨區(qū)，臺(tái)風(fēng)雨期的徑流占比明顯高。分水站位于梅臺(tái)兼容區(qū)，降水特征介于兩者之間。

3個(gè)流量站各月歷時(shí)保證率流量與多年平均流量的比例見(jiàn)圖2～圖4。

圖2 長(zhǎng)風(fēng)站各月歷時(shí)保證率流量與多年平均流量的比例Fig.2 Ratio of monthly duration guarantee rate flow to multi-year average flow at Changfeng Station

圖3 分水站各月歷時(shí)保證率流量與多年平均流量的比例Fig.3 Ratio of monthly duration guarantee rate flow to multi-year average flow at Fenshui Station

圖4 永嘉石柱站各月歷時(shí)保證率流量與多年平均流量的比例Fig.4 Ratio of monthly duration guarantee rate flow to multi-year average flow at Yongjia-Shizhu Station

由圖2-4可知，各站各月歷時(shí)保證率流量能夠比較好地反映流域水文規(guī)律。各月歷時(shí)保證率為50%的累計(jì)徑流量占多年平均徑流量的約40%～50%，歷時(shí)保證率為60%、75%和90%的累計(jì)徑流量與多年平均徑流量的比例分別約為30%～40%，20%～30%和10%～15%。計(jì)算結(jié)果與SL/Z 712-2014《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范》和SL/Z 479-2010《河湖生態(tài)需水評(píng)估導(dǎo)則 (試行)》中的非常好、好、中、差4個(gè)生態(tài)環(huán)境狀況的生態(tài)需水量比較匹配。當(dāng)河道內(nèi)生態(tài)水量只達(dá)到基流等級(jí)時(shí)，所需生態(tài)水量約占多年平均徑流量的10%～15%，與國(guó)內(nèi)的有關(guān)規(guī)范以及常用的以多年平均流量的10%作為基流比較接近。

要使得河道內(nèi)生態(tài)水量達(dá)到優(yōu)秀等級(jí)，則所需生態(tài)水量約占多年平均徑流量的40%～50%，加上可以作為生態(tài)脈沖的洪水[17]，剩余的可利用水量約40%，與常用的水資源開(kāi)發(fā)利用程度上限40%比較接近。但是，河道流量在年內(nèi)的分配是極不均勻的，最豐月與最枯月的比值高達(dá)8～10，豐水期明顯偏多，不利于水資源開(kāi)發(fā)利用；枯水期略偏少，特別是梅雨主控區(qū)的7月、8月和9月，既是高溫期，又是多數(shù)生物的越冬準(zhǔn)備期，河道內(nèi)應(yīng)該有較大的流量。因此，對(duì)流量歷時(shí)保證率法作適當(dāng)修正是有必要的。

以年生態(tài)需水總量占多年平均徑流量的約40%、30%、20%和10%且多年平均年歷時(shí)保證率分別約50%、60%、75%和90%作為達(dá)到優(yōu)秀、良好、一般和基流等級(jí)的生態(tài)需水控制參數(shù)，最大月(4月～6月)需水量和最小月(11月-次年1月)需水量分別取平均值的150%和50%，其他月份綜合考慮水文、氣象和生態(tài)系統(tǒng)需要，需水過(guò)程實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)變化。經(jīng)人為修正得到的三個(gè)站的生態(tài)需水結(jié)果見(jiàn)圖5和表2。

圖5 修正的生態(tài)流量與多年平均流量的比例Fig.5 Ratio of revised ecological flow to multi-year average flow

對(duì)比圖5和圖2-4，修正后的各等級(jí)的年生態(tài)需水量略有減少，主要是豐水期生態(tài)流量減少較多，但枯水期生態(tài)流量略有增加，且年內(nèi)生態(tài)需水過(guò)程更趨平穩(wěn)，水、熱的同步性更好，更能體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的需求。當(dāng)然，修正后，各月流量歷時(shí)保證率有比較大的變化，但多年平均年歷時(shí)保證率基本無(wú)變化。

表2 修正的R和P成果表 %

注：R=年生態(tài)需水量/多年平均徑流量；P為多年平均年歷時(shí)保證率。

參照基于生態(tài)水深-流速法的河段生態(tài)需水量計(jì)算方法[18]中的中型山區(qū)河流魚(yú)類(lèi)水力生境參數(shù)參考標(biāo)準(zhǔn)，魚(yú)類(lèi)生境最低標(biāo)準(zhǔn)要求平均水深≥0.3m、平均流速≥0.3m/s、水域水面面積≥70%。按照這些參數(shù)估算魚(yú)類(lèi)最低生態(tài)需水見(jiàn)表3。

表3 基于生態(tài)水深-流速法的魚(yú)類(lèi)生境最低流量成果表Tab.3 Minimum flow results of fish habitat based on ecological depth-flow velocity method

注：永嘉石柱站附近河道灘地發(fā)育，表中河寬為常水位河寬；R為魚(yú)類(lèi)生境最低流量與多年平均流量的比值。

由表3可以看出，3個(gè)站基于生態(tài)水深-流速法的魚(yú)類(lèi)生境最低流量大致應(yīng)為多年平均流量的15%～20%，界于圖5汛期的生態(tài)流量等級(jí)“基流”和“一般”之間?；诔Ｒ?guī)理解，“基流”往往難以滿(mǎn)足基本的生態(tài)需求，“一般”應(yīng)該能夠基本維持生態(tài)系統(tǒng)的正常狀態(tài)。因此，圖5的成果與基于生態(tài)水深-流速法的河道生態(tài)需水量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有比較好的一致性。

另一方面，計(jì)算結(jié)果也表明，要保證比較好的河道內(nèi)生態(tài)需水量和過(guò)程，流域調(diào)蓄工程仍是必不可少的。以長(zhǎng)風(fēng)站為例，多年平均徑流深超過(guò)1 100 mm，但8月和9月為高溫期且較易發(fā)生干旱，雨熱不同步現(xiàn)象仍是顯著的，不利于生態(tài)系統(tǒng)，需要經(jīng)常通過(guò)工程補(bǔ)水以改善生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量。

5 結(jié) 語(yǔ)

在現(xiàn)階段，水文學(xué)法最適合于我國(guó)河道生態(tài)需水研究，流量歷時(shí)保證率法在一定程度上考慮了區(qū)域內(nèi)典型動(dòng)物群的生存狀態(tài)對(duì)水量的需求，是既能反映季節(jié)特征、又能兼顧生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)性的比較好的方式，且分析計(jì)算比較簡(jiǎn)單，較易推廣應(yīng)用。

河道生態(tài)需水與流域生態(tài)系統(tǒng)之間存在相輔相成的關(guān)系，生態(tài)需水目標(biāo)與流域水資源開(kāi)發(fā)利用需求有關(guān)，也與民眾對(duì)生態(tài)的認(rèn)識(shí)和需求有關(guān)。為使水熱同步性更好，更能體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的需求且年內(nèi)生態(tài)水量過(guò)程更趨平穩(wěn)，對(duì)流量歷時(shí)保證率法作適當(dāng)改進(jìn)是必要。

改進(jìn)流量歷時(shí)保證率法計(jì)算結(jié)果與基于生態(tài)水深-流速法的河道生態(tài)需水量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有較好的一致性，多年平均年歷時(shí)保證率約50%、60%、75%、90%的生態(tài)流量與SL/Z 712-2014《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范》和SLZ479-2010《河湖生態(tài)需水評(píng)估導(dǎo)則 (試行)》中的優(yōu)秀、良好、一般、基流等級(jí)的生態(tài)需水要求匹配度高，說(shuō)明改進(jìn)流量歷時(shí)保證率法方法可行、成果可用。

改進(jìn)流量歷時(shí)保證率法本質(zhì)上仍是水文學(xué)方法，仍未深入研究河道生態(tài)與水的關(guān)系，缺乏生物學(xué)資料證明，也未考慮流量的豐、枯水年變化，仍需進(jìn)一步完善。

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