任黎 高家琛 楊灝宇 馬平森

摘要：氣候和人類活動改變了河道徑流的一致性，因此考慮水文變異的河流生態(tài)流量計算對保護河流生態(tài)系統(tǒng)具有現(xiàn)實意義。以云南省漾弓江為例，采用4種時間序列檢驗法對三義斷面和金河斷面1959～2019年徑流序列進行突變檢驗，利用平水年逐月最小生態(tài)徑流法和逐月頻率年內展布法計算不同時期的生態(tài)流量，并用改進的Tennant法進行評價。結果表明：變異年份確定為1997年和2011年，計算得到兩斷面在天然狀態(tài)、次天然狀態(tài)、現(xiàn)狀和不考慮水文變異條件下最小和適宜的生態(tài)流量，次天然狀態(tài)的生態(tài)流量更利好河流生態(tài)系統(tǒng)，現(xiàn)狀河流生態(tài)系統(tǒng)遭到了一定的破壞，不考慮變異的生態(tài)徑流過程與天然狀態(tài)接近。生態(tài)流量的確定應更多考慮天然狀態(tài)的生態(tài)徑流過程并參考次天然狀態(tài)。最后提出了2020～2030年漾弓江生態(tài)流量保障工作目標及建議。

關 鍵 詞：生態(tài)水文學法; 水文變異點; 最小生態(tài)流量; 適宜生態(tài)流量; 改進Tennant法; 漾弓江

中圖法分類號： TV211

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.013

0 引 言

氣候變化的不確定性和高強度人類活動加快驅動了流域地表水文循環(huán)及演變過程，其水文效應之一就是徑流序列的一致性被破壞[1-3]，即水文變異。水文變異勢必對原本處于穩(wěn)定狀態(tài)的河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重影響，采用近年或全系列徑流資料作為生態(tài)流量計算的基礎資料會影響結果的合理性[4]。因此，研究不同變異時期的河流生態(tài)流量有利于保障河流生態(tài)系統(tǒng)的良性發(fā)展。

得益于水文資料獲取方便、通用性較強等特點，在眾多生態(tài)流量研究方法中，水文學法得到廣泛利用[5]。潘扎榮等提出年內展布計算法，并應用于淮河生態(tài)流量計算[6]。王東升等結合Tennant法和金沙江地區(qū)的經(jīng)驗計算生態(tài)基流，并評價了生態(tài)基流保障程度[7]。LI等提出了一種生態(tài)流量計算準則隨流態(tài)變化的改進Tennant法，并在對不同流態(tài)河流的應用中得到驗證，較原有方法具有更好的變異性和可移動性[8]。FU等提出了一種Tennant法主觀參數(shù)的定量方法，并將其應用于新疆葉爾羌河流域[9]。徐偉等提出了一種利用長系列降水徑流資料的改進7Q10法，在灤河最小生態(tài)流量的計算中取得了比傳統(tǒng)方法更好的結果[10]。王鴻翔等提出一種年內展布法和IHA-RVA法組合的水文學方法，綜合評價了湘江內斷面的生態(tài)流量，與Tennant設定的分期相符[11]。上述研究均在探索生態(tài)流量計算方法的改進與應用，但未明確水文序列的一致性，針對這種情況，有學者展開水文變異條件下的生態(tài)需水研究。劉劍宇等綜合診斷鄱陽湖水文變異情況，得出了計算生態(tài)流量的最優(yōu)分布函數(shù)，通過對比前后生態(tài)需水滿足率，證實水文變異對河道內生態(tài)需水產(chǎn)生一定的影響[12]。肖才榮等應用滑動秩和檢驗法分析東江水文變異及成因，以變異前各月流量序列的最適概率分布函數(shù)推求生態(tài)流量[13]。WANG等結合M-K檢驗和F檢驗方法分析了雙江長系列徑流變異點，采用水文學方法評價生態(tài)流量，并應用雙質量曲線法識別出不同人類活動對徑流變化的影響[14]。XING等引入基尼系數(shù)計算研究站點的徑流分布均勻度，檢測變異點并選擇合理的子序列，利用3種水文方法的加權計算結果表示綜合生態(tài)流量[15]。徐淑琴等以識別出的水文變異點劃分人類干擾期，推求生態(tài)流量并得出水庫生態(tài)系統(tǒng)退化主要受人類擾動影響的結論[16]。王強等利用DTVGM模型還原變異點后的徑流序列，提出適用于水文變異條件下潦河生態(tài)流量計算方法[17]。

漾弓江為金沙江一級支流，是云南省重要的跨州市河流之一。漾弓江干流中上游人口集中，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水需求量大，下游河道水能蘊藏量大，電站集中。水資源高強度開發(fā)使經(jīng)濟社會用水與河流生態(tài)流量保障產(chǎn)生矛盾。針對這一現(xiàn)狀，依據(jù)《水利部關于做好河湖生態(tài)流量確定和保障工作的指導意見》（水資管[2020]67號）的斷面選取原則，并結合流域生態(tài)保護與水量調度管理要求，云南省水利廳確定三義斷面和金河斷面為生態(tài)流量控制斷面?；诖耍疚囊詢蓚€生態(tài)流量控制斷面為研究對象，分析水文序列的變異性并劃分變異時期，計算并評價不同時期的生態(tài)流量，以期為漾弓江流域生態(tài)需水標準的制定提供數(shù)據(jù)和決策參考。

1 區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 漾弓江概況

漾弓江位于云南省西北部，介于東經(jīng)100°06′～100°22′和北緯26°31′～27°05′之間，河流長度122.1 km，總落差1 976 m，河道平均比降15.7‰。流域涉及麗江市和大理州境內區(qū)縣，流域徑流面積2 149.5 km2，麗江市和大理州各占51%和49%。漾弓江流域屬低緯度高原山地季風氣候，多年平均氣溫13.5 ℃，干季為12月至次年5月，濕季為6～11月。流域內涉及的外流域調水工程主要有已建的拉市海調蓄水工程和2030年前規(guī)劃建設完成的金安橋水電站綜合利用工程。拉市海調蓄水工程位于玉龍縣拉市鄉(xiāng)境內，其引水至漾弓江的隧洞工程自1996年開始運行，主要承擔著漾弓江上中游農(nóng)田灌溉、城鎮(zhèn)、工業(yè)和環(huán)境供水任務，年引水量控制在1 500萬m3之內。達到最終規(guī)模的金安橋水電站綜合利用工程其多年平均供給城市用水4 348萬m3，回歸水將大量匯入漾弓江。

1.2 數(shù)據(jù)來源

漾弓江干流自上游至下游依次有木家橋站、三義站、鶴慶站和金河站等水文測站。本次主要討論三義站斷面和金河站斷面，其多年徑流實測資料來自麗江市和大理州水文局，云南省水勘院做徑流還原工作后得到兩斷面1959～2019年日均天然徑流量。流域示意圖見圖1。

2 研究方法

2.1 水文變異點識別

單一的水文變異點檢測方法存在局限性，為增強可信度，本文選取在水文突變研究中應用較多的累積距平法、Mann-Kendall法、滑動T檢驗法和Yamamoto法4種方法[18]進行水文變異點綜合識別。

2.2 平水年逐月最小生態(tài)徑流法

逐月最小生態(tài)徑流法以天然月徑流的最小值作為該月的最小生態(tài)流量[19]，以此得到年逐月最小生態(tài)徑流過程，該法易受極端枯水年的影響，不利于水生生物的保護。NGPRP法[20]，以水文年平水年組各月流量90%保證率的流量值作為最小生態(tài)流量，一定程度上彌補了逐月最小生態(tài)徑流法的缺點，但年型劃分和保證率選取均提高了對徑流序列長度的要求。針對本文劃分人類干擾期進一步縮短了單一時期序列長度的情況，提出平水年逐月最小生態(tài)徑流法，取各時期平水年組各月流量最小值作為生態(tài)流量，更適用于水文變異下的最小生態(tài)流量研究。以距平法進行年型劃分：

Pt=Qt-Q—/Q—（1）

式中：Pt為距平值（-0.1<Pt<0.1時，第t年劃分為平水年）;Qt為第t年年均流量，m3/s;Q—為多年平均流量，m3/s。

2.3 逐月頻率年內展布計算法

逐月頻率年內展布計算法融合了年內展布法和逐月頻率計算法，可體現(xiàn)同時期內河流總體過程，展現(xiàn)其變化特征[21]。計算原理參照文獻[21]。

2.4 改進Tennant法

Tennant法[22]設定了8種多年平均流量比例將魚類等動物保護、娛樂、相關環(huán)境資源與河流流量聯(lián)系了起來，又根據(jù)水生生物對環(huán)境的需求，劃分魚類產(chǎn)卵育肥期和一般用水期，宏觀上指導河流生態(tài)保護的基本需水量。傳統(tǒng)Tennant法存在統(tǒng)一劃定多年平均流量比例的問題，未結合流域特性分析流量季節(jié)性變化的缺點[23]。為使Tennant法評價標準更符合漾弓江特有的地理氣候特性，引入季節(jié)修正系數(shù)并結合中位數(shù)理論改進Tennant法，選取典型年的流量過程以反映其徑流季節(jié)變化過程。同時，考慮到流域內存在小裂腹魚省級水產(chǎn)種質資源保護區(qū)，其重點保護對象小裂腹魚和秀麗高原鰍的主要產(chǎn)卵繁殖期與枯期的3～5月重合，因此本文Tennant法以汛期（6～11月）和枯期（12月至次年5月）劃分一般用水期和魚類產(chǎn)卵育肥期，有利于保護珍稀魚種。

KXit=QXQ—X（2）

式中：KXit為汛期流量模數(shù)，其中i為控制站序號，t為年份;QX為各控制站汛期流量值，m3/s;Q—X為各控制站汛期平均流量，m3/s。

KXt=ni=1KXitn（3）

式中：KXt為汛期河流的模數(shù);非汛期河流的模數(shù)KFt求解步驟同上。

minCv=KFt-1+KXt-12（4）

式中：minCv為偏差變量的最小值，對應的年份t即為典型年。

bm=Q典mQ均m（5）

式中：bm為季節(jié)修正系數(shù)，m=1或2，表示汛期或非汛期。

中位數(shù)有不受極端值影響的特點[24]，故選取中位數(shù)代替平均數(shù)計算推薦基流的穩(wěn)定性和代表性更強。改進后的Tennant法生態(tài)流量標準見表1。

3 結果與討論

3.1 水文變異點綜合識別

以金河斷面滑動T檢驗為例（見圖2），設置子區(qū)間為5，T統(tǒng)計量共有1997，2002年和2011年3處超過了0.05顯著性水平臨界值（偏移量越大代表變異程度越大），即變異程度1997年>2002年>2011年。把4種檢驗方法所檢測出的水文變異點按變異程度以先后順序列出（見表2）?？煽闯鲈诒姸鄼z驗結果中，兩斷面在1997年和2011年出現(xiàn)的頻次和位次均明顯占優(yōu)，為突變最明顯的兩個變異點。漾弓江流域自1996年建成運行拉市海引水隧洞，工程影響下的徑流序列勢必發(fā)生改變，與檢驗結果相吻合，說明了檢驗結果可靠性。結合上述變異點檢驗結果，劃分1959～1996年為天然期，1997～2010年為第一變異期，2011～2019年為第二變異期。下文生態(tài)流量的推求結果包括3個時期各自所對應的天然、次天然和現(xiàn)狀生態(tài)流量。

3.2 生態(tài)流量計算

計算天然狀態(tài)、次天然狀態(tài)、現(xiàn)狀和不考慮水文變異條件下最小和適宜生態(tài)流量，將4種狀態(tài)條件下最小生態(tài)流量記為N-Min，S-N-Min，C-Min，Non-Min，4種狀態(tài)條件下適宜生態(tài)流量記為N-Suit，S-N-Suit，C-Suit，Non-Suit，其生態(tài)流量過程線如圖3所示。

整體來看，圖3（a）～（d）所展現(xiàn)的生態(tài)流量過程線趨勢一致性良好。兩斷面在4種狀態(tài)下的最小和適宜生態(tài)流量基本遵循1～5月緩慢降低，5月以后急劇增加，8月達到峰值后降低的趨勢，需水高峰期在7～9月，5月河道內徑流量最小;兩斷面同月最小和適宜生態(tài)流量值基本遵循次天然狀態(tài)>天然狀態(tài)>現(xiàn)狀，表現(xiàn)為天然狀態(tài)和現(xiàn)狀相對于次天然狀態(tài)均出現(xiàn)一定程度的坦化;兩斷面不考慮變異的非汛期最小生態(tài)流量過程與現(xiàn)狀接近，汛期與天然狀態(tài)接近，不考慮變異的適宜生態(tài)流量過程與天然狀態(tài)生態(tài)流量過程十分接近。

3.3 改進Tennant法

把木家橋、三義、鶴慶、金河4個站點作為4個控制站，確定典型年的方法是利用天然徑流量得出各年的Cv值，Cv最小值對應的年份即為典型年，經(jīng)計算該值為0.067，對應的典型年為1986年，流量模數(shù)時序圖見圖4。求出汛期和非汛期的季節(jié)修正系數(shù)分別為b1=1.07和b2=0.94。

根據(jù)中位數(shù)原理，求得61 a來三義斷面和金河斷面各自的逐月天然徑流中位數(shù)，作為推薦基流的基礎資料，并按照汛期和非汛期劃分的時段求中位數(shù)的平均值作為推薦基流值。經(jīng)計算，三義斷面汛期推薦基流值為7.56 m3/s，非汛期推薦基流值2.05 m3/s;金河斷面汛期推薦基流值為31.81 m3/s，非汛期推薦基流值7.72 m3/s。改進Tennant法的評價標準見表3。

3.4 生態(tài)流量評價

由表4可知，對比三義斷面天然狀態(tài)最小生態(tài)流量，非汛期（12月至次年5月）次天然狀態(tài)、現(xiàn)狀和不考慮變異的最小生態(tài)流量分別增加45.74%、減少20.16%和21.71%，汛期（6～11月）則分別增加29.36%、減少32.03%和13.14%。非汛期和汛期天然狀態(tài)和次天然狀態(tài)的最小生態(tài)流量均能達到最佳。對比三義斷面天然狀態(tài)適宜生態(tài)流量，非汛期（12月至次年5月）次天然狀態(tài)、現(xiàn)狀和不考慮變異的適宜生態(tài)流量分別增加38.86%、減少17.11%和6.58%，汛期（6～11月）則分別增加16.75%、減少31.08%和0.81%。非汛期4種狀態(tài)的適宜生態(tài)流量均能達到最佳，汛期除現(xiàn)狀外均能達到最佳。

由表5可知，對比金河斷面天然狀態(tài)最小生態(tài)流量，非汛期（12月至次年5月）次天然狀態(tài)、現(xiàn)狀和不考慮變異的最小生態(tài)流量分別增加24.89%、減少1.97%和26.64%，汛期（6～11月）則分別增加18.60%、減少21.76%和12.30%。非汛期除不考慮變異外其余3種狀態(tài)的最小生態(tài)流量均能達到最佳，汛期天然狀態(tài)和次天然狀態(tài)能達到最佳。對比金河斷面天然狀態(tài)適宜生態(tài)流量，非汛期（12月至次年5月）次天然狀態(tài)、現(xiàn)狀和不考慮變異的適宜生態(tài)流量分別增加25.73%、減少1.54%和1.72%，汛期（6～11月）則分別增加19.27%、減少22.21%和2.3%。非汛期和汛期4種狀態(tài)的適宜生態(tài)流量均能達到最佳。

3.5 討 論

3.5.1 水文變異原因

次天然狀態(tài)下的生態(tài)流量值明顯占優(yōu)，分析其原因是自第一次變異期開始，自拉市海引水隧洞的外流域調水顯著增加了漾弓江干流的徑流量?，F(xiàn)狀最小和適宜生態(tài)流量過程值均低于次天然狀態(tài)和天然狀態(tài)，其原因包括氣候因素和人為因素。自第二次變異期開始，受云南 2010年初至2014年持續(xù)性氣象與水文干旱的影響，金沙江地區(qū)遭遇了60多年以來最嚴重的一次持續(xù)性極端干旱過程[25]，漾弓江流域的降水量顯著減小。此外，第二變異期正值社會經(jīng)濟快速發(fā)展階段，漾弓江干流上中游沿江農(nóng)灌區(qū)的平均引水量達到7 330萬m3，較前一時期增加了1 753萬m3，農(nóng)灌區(qū)引水量大幅增加，同時麗江市和大理州規(guī)劃的麗江市金山高新技術產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟區(qū)、麗江古城國際空港經(jīng)濟區(qū)和南口工業(yè)園區(qū)3個工業(yè)園區(qū)及大理州鶴慶縣興鶴山地工業(yè)園區(qū)均已設立完成，2020年工業(yè)需水量分別達到1 168萬，419.8萬，74.2萬，173萬m3，因此人類活動也是造成河道內徑流量減少的原因之一。

3.5.2 生態(tài)流量計算及評價結果分析

（1） 天然狀態(tài)下兩斷面最小和適宜生態(tài)流量均能達到最佳，說明天然狀態(tài)下人類擾動較小，但這一時期的河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性并不高，例如三義斷面天然狀態(tài)下汛期的最小生態(tài)流量很接近最佳流量范圍的底限流量。

（2） 次天然狀態(tài)下生態(tài)流量過程反映漾弓江最佳生態(tài)需水水平，代表人類擾動的正向影響。兩斷面最小生態(tài)流量和適宜生態(tài)流量同樣達到最佳，相較于天然狀態(tài)無論汛期或非汛期提升幅度均在15%以上，外流域調水使河流生態(tài)系統(tǒng)抗干擾能力得到提高，有利于水生生物的進一步生長繁殖。其中金河斷面最小生態(tài)流量在汛期和非汛期的提升幅度與適宜生態(tài)流量相差不大，而三義斷面最小生態(tài)流量在汛期和非汛期的提升幅度均明顯高于適宜生態(tài)流量，說明調水更顯著地提高了徑流量低值，對水生生物的利好作用體現(xiàn)在遭受極端干旱影響的概率進一步降低。

（3） 現(xiàn)狀下生態(tài)流量過程反映了漾弓江的缺水情況，代表人類活動和氣候的負面影響。兩斷面中僅金河斷面非汛期最小生態(tài)流量能達到最佳，汛期最小生態(tài)流量均劣于非汛期，三義斷面現(xiàn)狀的汛期最小生態(tài)流量評級僅為良好并接近一般，說明第二變異期內的氣候和人類活動對汛期的影響更為強烈，而從相對于天然狀態(tài)生態(tài)流量的降低率來看，這種影響在金河斷面體現(xiàn)得更為明顯。兩斷面適宜生態(tài)流量評價結果雖優(yōu)于最小生態(tài)流量，但相較于天然狀態(tài)適宜生態(tài)流量均有不同程度的下降，汛期下降同樣更為明顯，汛期正值各行業(yè)用水高峰期，此時河道生態(tài)系統(tǒng)面臨的風險更高。

（4） 不考慮變異的生態(tài)流量過程反映漾弓江整體生態(tài)需水水平。兩斷面的最佳生態(tài)流量均能達到最佳，最小生態(tài)流量在非汛期和汛期的評價等級均為極好和好，從整體來看其生態(tài)流量過程較接近于天然狀態(tài)的生態(tài)流量過程，尤其適宜生態(tài)流量過程相較于最小生態(tài)流量過程的相似度更高。

3.5.3 決策參考

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，漾弓江流域現(xiàn)狀河道生態(tài)系統(tǒng)已遭到一定程度的破壞，實際的生態(tài)調查結果也發(fā)現(xiàn)漾弓江存在土著魚類資源減少、水生生物多樣性下降、部分河段水環(huán)境惡化等情況。因此，三義和金河斷面的生態(tài)流量保障成果應更多地考慮天然狀態(tài)的徑流過程。隨著未來漾弓江流域的進一步開發(fā)，人類活動影響的強度和范圍還將繼續(xù)擴大，伴隨著可能極端氣候的出現(xiàn)，河流生態(tài)流量評價的滿意度會進一步降低，在水量條件允許的情況下建議把次天然狀態(tài)的徑流過程納入?yún)⒖挤秶畠取Ｑ饔蛭挥谠颇系嶂幸こ淌芩畢^(qū)范圍內，至2030年滇中引水工程配套工程（二期）建成通水后，輸水總干渠將與流域內各水源工程連通，屆時流域內河流生態(tài)環(huán)境將隨著水資源供需矛盾的緩解而得到大幅的改善。因此在2020～2030年間，漾弓江流域生態(tài)流量保障工作的目標在于避免并力爭改善河流生態(tài)系統(tǒng)的進一步惡化。建議建立2020～2030年漾弓江流域生態(tài)流量調度方案，其中三義和金河兩斷面下泄流量的控制指標參考現(xiàn)狀生態(tài)流量過程或適當提高，同時嚴格執(zhí)行《云南省小水電站清理整改實施方案》（云水發(fā)[2019]56號）中明確的退出或整改措施，緩解生態(tài)流量調度壓力。

4 結 論

（1） 本文通過滑動T檢驗等4種時間序列檢驗方法，檢驗了漾弓江干流三義和金河兩個生態(tài)流量保障斷面的水文序列。確定1997年和2011年為變異點，明確1997年變異原因為外流域調水，2011年變異原因為氣候和人類干擾的共同作用，并以變異點劃分天然期、第一變異期和第二變異期。

（2） 利用平水年逐月最小生態(tài)徑流法和逐月頻率年內展布計算法，分別計算得到三義斷面和金河斷面在天然狀態(tài)、次天然狀態(tài)、現(xiàn)狀和不考慮水文變異條件下最小和適宜生態(tài)流量的年內徑流過程線;引入季節(jié)修正系數(shù)并結合中位數(shù)理論改進了Tennant法，使其更適用于漾弓江生態(tài)流量評價。

（3） 改進Tennant法的評價結果表明天然狀態(tài)河流生態(tài)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，次天然狀態(tài)的生態(tài)流量更有利于河流生態(tài)系統(tǒng)，現(xiàn)狀河流生態(tài)系統(tǒng)遭到了一定的破壞，不考慮變異的河流生態(tài)系統(tǒng)狀況與天然狀態(tài)接近。變異因素對現(xiàn)狀汛期的影響更為強烈，這種影響在金河斷面體現(xiàn)得更為明顯。為保護漾弓江河流生態(tài)系統(tǒng)，兩斷面的生態(tài)流量保障成果應更多地考慮天然狀態(tài)的徑流過程并參考次天然狀態(tài)的徑流過程。

（4） 確定2020～2030年漾弓江流域生態(tài)流量保障工作的目標，針對漾弓江流域水量不足的現(xiàn)狀，提出建立生態(tài)流量調度方案和落實小水電站清理整改的建議。

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（編輯：黃文晉）

Calculation of ecological flow in Yanggong River trunk stream considering hydrological variation

REN Li1，GAO Jiachen1，YANG Haoyu2，MA Pingsen2

（1.College of Hydrology and Water Resources，Hohai University，Nanjing 210098，China; 2.Yunnan lnstitute of Water & Hydropower Engineering Investigation，Design and Research，Kunming 650021，China）

Abstract：

Climate and human activities have changed the consistency of river runoff，so the calculation of river ecological flow considering hydrological variation is of practical significance for the protection of river ecosystem.Taking Yanggong River as an example，four time series inspection methods were used to test the abrupt change of runoff series of Sanyi section and Jinhe section from 1959 to 2019.The ecological flows in different periods were calculated by using the monthly minimum ecological runoff method and the monthly frequency annual distribution calculation method，and the improved Tennant method was used to evaluate the runoff.Results showed that the variation years were 1997 and 2011;the minimum and appropriate ecological flow of the two sections were calculated in a natural state，sub-natural state，the present state and the state of not considering hydrological variation.It was found that the ecological flow of the sub-natural state was more favorable to the river ecosystem.The ecosystem of the present state was of certain destruction.The process of ecological runoff without considering variation was close to the natural state.In order to determine the ecological flow scientifically，more consideration should be given to the ecological runoff process in the natural state and the sub-natural state.At last，the work objectives and suggestions for the ecological flow of Yanggong River in 2020～2030 should be put forward.

Key words：

ecohydrological method;hydrological variation points;minimum ecological flow;appropriate ecological flow;improved Tennant method;Yanggong River