孟春芳，宋孝玉，田珂寧，劉學(xué)勇，郭樹賢，王宇，葉炳效

衛(wèi)河水系新鄉(xiāng)段環(huán)境流量最小值研究

孟春芳1, 2，宋孝玉1*，田珂寧3，劉學(xué)勇2，郭樹賢2，王宇2，葉炳效2

（1.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048；2.河南省新鄉(xiāng)水文水資源勘測局，河南 新鄉(xiāng) 453000；3.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，鄭州 450008）

【目的】研究衛(wèi)河水系新鄉(xiāng)段環(huán)境流量最小值，促進(jìn)河流生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)劃與保護(hù)研究?！痉椒ā繉h(huán)境流量最小值分為生態(tài)需水量、水質(zhì)自凈需水量和輸沙需水量3部分。首先采用Tennant法計(jì)算生態(tài)需水量，采用一維水質(zhì)模型計(jì)算水質(zhì)自凈需水量，根據(jù)汛期輸送單位泥沙所需水量來計(jì)算輸沙需水量。其中，計(jì)算生態(tài)需水量時(shí)，Tennant法基于徑流突變前的自然水流（1963—1982）。計(jì)算水質(zhì)自凈需水量時(shí)，鑒于河流的水污染特征存在明顯的空間差異，提出通過聚類分析和判別分析識別導(dǎo)致水污染空間變化的顯著水質(zhì)指標(biāo)。為驗(yàn)證環(huán)境流量推薦值的合理性，采用變動范圍法（RVA）計(jì)算獨(dú)立的環(huán)境流量值與環(huán)境流量推薦值進(jìn)行比較。最后，將環(huán)境流量的推薦值與自然水流（1963—1982）的多年平均流量進(jìn)行比較從而分析環(huán)境流量的盈缺狀況，并以月為單位評估了環(huán)境流量保證率?！窘Y(jié)果】干流自上而下7個(gè)水文站的生態(tài)需水量存在較大差異。在污水達(dá)標(biāo)排放情景下，修武站和合河衛(wèi)站的水質(zhì)自凈需水量分別為0.74 m3/s和5.98 m3/s。各站輸沙需水量大致在8月達(dá)到最高值，沿程輸沙需水量存在較大差異。環(huán)境流量的盈缺分析表明，7個(gè)水文站中合河衛(wèi)站、汲縣站、劉莊站出現(xiàn)明顯缺水。環(huán)境流量保證率表現(xiàn)為：7個(gè)水文站汛期的保證率均明顯低于非汛期。淇門站的保證率最高，合河衛(wèi)站的保證率最低?！窘Y(jié)論】衛(wèi)河水系新鄉(xiāng)段7個(gè)水文站環(huán)境流量的推薦值為：修武站的環(huán)境流量范圍是0.74～7.28 m3/s，合河衛(wèi)站的環(huán)境流量為5.98 m3/s，汲縣站環(huán)境流量范圍為0.85～18.51 m3/s，淇門站為1.55～65.73 m3/s，合河共站為0.47～34.61 m3/s，黃土崗站為0.53～36.63 m3/s，劉莊站為0.17～61.54 m3/s。

環(huán)境流量；衛(wèi)河；新鄉(xiāng)；Tennant法；一維水質(zhì)模型

0 引言

【研究意義】水資源的大規(guī)模開發(fā)和徑流調(diào)節(jié)極大地改變了河流的自然水文情勢，引起河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的變化，導(dǎo)致嚴(yán)重水資源短缺、水污染、生態(tài)系統(tǒng)退化[1-2]。環(huán)境流量是評價(jià)河流水資源開發(fā)利用是否合理的重要指標(biāo)，對維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康至關(guān)重要[3]。在已經(jīng)開展的研究中，歐盟國家多采用生態(tài)流量的概念，美國和澳大利亞等國多采用環(huán)境流量的概念，二者在概念內(nèi)涵等方面基本趨同[3]。在我國，因研究目的不同，有環(huán)境流量、生態(tài)流量、生態(tài)基流、生態(tài)環(huán)境需水量等術(shù)語。2020年水利部頒布的《水利部關(guān)于做好河湖生態(tài)流量確定和保障工作的指導(dǎo)意見》指出：河湖生態(tài)流量是為了維系河流、湖泊等水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，需要保留在河湖內(nèi)符合水質(zhì)要求的流量（水量、水位）及其過程。目前，我國河流水資源開發(fā)利用與生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)之間的矛盾十分突出，保障合理的環(huán)境流量有助于河流生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和水資源高效利用。

【研究進(jìn)展】環(huán)境流量的計(jì)算方法主要分為：以Tennant為代表的水文學(xué)法[2]，以濕周法為代表的水力學(xué)法[4]，以河流內(nèi)流量增量法為代表的生境模擬法[5]，以水文變化的生態(tài)限度法（ELOHA）為代表的整體分析法[1]。Tennant法只需要長期的流量數(shù)據(jù)，因此被廣泛應(yīng)用[1]。水力學(xué)法要求河段水沙關(guān)系和河床穩(wěn)定，應(yīng)用范圍相對較窄[6]，可為其他方法提供水力學(xué)支持。生境模擬法根據(jù)關(guān)鍵物種（如魚類）的生存環(huán)境要求計(jì)算環(huán)境流量，應(yīng)用頻率僅次于水文學(xué)法[6]?；谒?生態(tài)響應(yīng)關(guān)系的ELOHA法代表著環(huán)境流量研究的發(fā)展方向，在不少國家得到了實(shí)際應(yīng)用[1]。越精確的方法往往需要長期的水文和生態(tài)數(shù)據(jù)，然而這些數(shù)據(jù)在許多河流中并不能廣泛獲得。以上4大類方法主要考慮水文情勢因子對生態(tài)系統(tǒng)的影響。在人類活動頻繁的地區(qū)，尤其是我國北方地區(qū)，水質(zhì)、輸沙等因素都可能成為影響河流生態(tài)系統(tǒng)健康的重要因子[7]。如李麗娟等[8]計(jì)算海灤河生態(tài)環(huán)境需水時(shí)，考慮了維持水生生物生長、入滲補(bǔ)給、水質(zhì)自凈等方面。汪妮等[9]計(jì)算渭河干流生態(tài)環(huán)境需水時(shí)，考慮了基本生態(tài)環(huán)境需水、河流稀釋自凈、輸沙等方面。徐宗學(xué)等[10]計(jì)算渭河關(guān)中段生態(tài)基流時(shí)，考慮了維持水生生物基本生長、水質(zhì)、魚類等方面?！厩腥朦c(diǎn)】然而，以往研究在計(jì)算水質(zhì)自凈需水量時(shí)，往往根據(jù)我國河流大部分水污染屬于有機(jī)污染型而選取水質(zhì)指標(biāo)，如：BOD5、CODCr、NH3-N等。在嚴(yán)重污染河流，污染物來源多元化，顯著污染指標(biāo)隨時(shí)空變化，水污染呈現(xiàn)明顯的時(shí)空差異[11]。因此，有必要識別導(dǎo)致污染時(shí)空變化的顯著水質(zhì)指標(biāo)，根據(jù)不同污染特征選取相應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)計(jì)算水質(zhì)自凈需水量，充分考慮河流污染的時(shí)空差異性，使計(jì)算結(jié)果更貼近實(shí)際情況，為河流水質(zhì)自凈需水量計(jì)算提供參考。

多元分析方法中的聚類分析和判別分析可以實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)降維，有效識別水污染的時(shí)空變化特征并識別顯著水質(zhì)指標(biāo)，已在地表水、地下水方面取得了不錯(cuò)效果[11-13]。茲采用前期研究[11]識別出的顯著水質(zhì)指標(biāo)CODCr和BOD5計(jì)算水質(zhì)自凈需水量。

【擬解決的關(guān)鍵問題】近年來，衛(wèi)河水系新鄉(xiāng)段受人類活動（水庫蓄水、抽水灌溉、引黃灌溉、徑流調(diào)節(jié)、污水排放等）的頻繁干擾，部分河段枯水期常常斷流、河道淤塞、水質(zhì)惡化、河流生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化[14-16]。根據(jù)衛(wèi)河水系新鄉(xiāng)段河流特點(diǎn)，從生態(tài)需水、水質(zhì)自凈需水和輸沙需水3個(gè)方面確定衛(wèi)河水系新鄉(xiāng)段的環(huán)境流量最小推薦值。其中，基于徑流突變前的自然水流，采用Tennant法計(jì)算維持河流生態(tài)系統(tǒng)所需的生態(tài)需水量。采用一維水質(zhì)模型法計(jì)算符合水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)的水質(zhì)自凈需水量，水質(zhì)指標(biāo)通過聚類分析和判別分析識別。采用汛期輸沙需水量作為維持水沙動態(tài)平衡的輸沙需水量。然后，采用變化范圍法(RVA)計(jì)算環(huán)境流量并作為獨(dú)立值與本文環(huán)境流量推薦值進(jìn)行比較。最后，將環(huán)境流量推薦值與自然水流進(jìn)行比較以分析盈缺狀況，并以月為單位評估環(huán)境流量保證率。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

衛(wèi)河是海河上游的重要支流，發(fā)源于山西省陵川縣，東西向橫穿河南省新鄉(xiāng)市（34°55′N—35°50′N、113°25′E—115°0′E），在徐萬倉與漳河匯合，最后匯入海河，見圖1。新鄉(xiāng)市流域面積3 718 km2，占全市總面積的45.1%，境內(nèi)干流長約80 km。共渠是衛(wèi)河的最大支流，從南部黃河引水，在合河鎮(zhèn)匯入衛(wèi)河，共用約3 km河道后分開，最后在鶴壁市匯入衛(wèi)河，主要承擔(dān)引黃灌溉農(nóng)田和排泄北部太行山區(qū)洪水的功能。淇門站多年平均流量為24.01 m3/s，劉莊站多年平均流量為4.99 m3/s。研究區(qū)北部為太行山區(qū)，南部為沖積平原。屬于大陸性季風(fēng)氣候，多年平均蒸發(fā)量898.0 mm，平均氣溫14 ℃。多年平均降水量為610.8 mm，年降水量約70%發(fā)生在夏季（6—9月）。

1.2 數(shù)據(jù)來源

水文和水質(zhì)數(shù)據(jù)均來自河南省水文水資源勘測局。研究區(qū)有7個(gè)水文站，其中4個(gè)（修武站、合河衛(wèi)站、汲縣站、淇門站）位于衛(wèi)河干流，3個(gè)（合河共站、黃土崗站、劉莊站）位于共渠干流。水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)共19個(gè)，干流9個(gè)（G1—G9），支流10個(gè)（Z1—Z10）。干流9個(gè)水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)中，6個(gè)位于衛(wèi)河，2個(gè)位于共渠，1個(gè)位于衛(wèi)河和共渠的共用河道。干流水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)目標(biāo)和15個(gè)水質(zhì)指標(biāo)見表1。流量、泥沙資料序列為1963—2018年，水質(zhì)資料序列為2013—2018年。

圖1 衛(wèi)河水系新鄉(xiāng)段河流及監(jiān)測點(diǎn)分布

表1 衛(wèi)河水系新鄉(xiāng)段干流水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)目標(biāo)和指標(biāo)

1.3 研究方法

本文首先采用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法識別年徑流序列（1963—2018年）的突變點(diǎn)，以劃分自然水流和調(diào)節(jié)水流。然后，以自然水流為基礎(chǔ)，采用Tennant法計(jì)算生態(tài)需水量。將顯著水質(zhì)指標(biāo)應(yīng)用到一維水質(zhì)模型以計(jì)算水質(zhì)自凈需水量。根據(jù)汛期輸送單位泥沙所需水量計(jì)算輸沙需水量。環(huán)境流量推薦值取生態(tài)需水量、水質(zhì)自凈需水量、輸沙需水量3項(xiàng)中的最大值。然后，采用RVA法計(jì)算環(huán)境流量并作為獨(dú)立值與本文推薦值進(jìn)行比較。最后，將環(huán)境流量的推薦值與自然水流的多年平均流量進(jìn)行比較從而分析盈缺狀況，并以月為單位評估環(huán)境流量保證率。所有的數(shù)學(xué)計(jì)算采用Microsoft Office Excel 2007（Microsoft Corporation, Redmond, WA, USA），RVA法采用水文改變指標(biāo)軟件（IHA，版本7.1.0.10，美國自然保護(hù)協(xié)會）。

1.3.1 Tennant法

Tennant法基于美國Montana州和其他21個(gè)國家的觀測數(shù)據(jù)，建立了魚類、兩棲動物、軟體動物和其他水生生物的生存環(huán)境與河流不同流量百分比之間的關(guān)系[2]。研究認(rèn)為年平均流量的10%是維持水生命生存的最小瞬時(shí)流量，年平均流量的30%或更多可以維持河流生物完整性和可持續(xù)性[2]。研究河段的資源型缺水問題比較嚴(yán)重，本文關(guān)注最小環(huán)境流量，因此將年平均流量的10%作為河流的生態(tài)需水量。

水資源的大規(guī)模開發(fā)利用和徑流調(diào)控已嚴(yán)重改變了研究河段的自然水流狀態(tài)。自然或近自然的水流狀態(tài)是維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康的理想狀態(tài)[1]。Mann-Kendall非參數(shù)突變檢驗(yàn)法被廣泛應(yīng)用于水文序列的突變點(diǎn)分析[17]。本文采用Mann-Kendal法分析年徑流序列（1963—2018）的突變點(diǎn)（雙尾置信水平=0.05），區(qū)分自然水流和調(diào)節(jié)水流。Mann-Kendall法的計(jì)算步驟見參考文獻(xiàn)[17]。本文Tennant法的計(jì)算基于徑流突變前的自然水流。

1.3.2 一維水質(zhì)模型法

研究河段屬于中小型河流，彎曲系數(shù)較小，寬深比不大，因此采用一維水質(zhì)模型。沿岸支流水污染嚴(yán)重，將支流視作污染源處理。計(jì)算步驟見參考文獻(xiàn)[18]。

河段水污染控制通常采用2種策略，段首控制和段尾控制。段首控制是指計(jì)算河段的上游斷面的污染物濃度達(dá)到河流水質(zhì)目標(biāo)，而段尾控制指計(jì)算河段的下游斷面的污染物濃度達(dá)到河流水質(zhì)目標(biāo)。天然水體對有機(jī)質(zhì)污染物具有稀釋和自凈能力，污染物在河道中呈衰減趨勢。因此，段首控制要求較低污染物輸入，有利于水生態(tài)修復(fù)。段尾控制能容納較高的污染物輸入，可以用于控制污染物排放[19]。研究河段的水污染比較嚴(yán)重，因此采用段尾控制。

計(jì)算情景有2個(gè)：現(xiàn)狀排污和達(dá)標(biāo)排污?，F(xiàn)狀排污是指排放污水的水質(zhì)指標(biāo)濃度為實(shí)際排放值。達(dá)標(biāo)排放是指排放污水的水質(zhì)指標(biāo)濃度達(dá)到河南省地方標(biāo)準(zhǔn)《省轄海河流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB41/777—2013）[20]要求。本文采用的排放標(biāo)準(zhǔn)主要考慮了CODCr和BOD5，其中，CODCr<50 mg/L、BOD5<10 mg/L。支流水質(zhì)應(yīng)滿足支流的水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)。通過實(shí)測法確定衛(wèi)河污染物綜合衰減系數(shù)，CODCr的值為0.08 L/d，BOD5的值為0.16 L/d[21]。2種情景下，計(jì)算河段起始斷面的水質(zhì)指標(biāo)濃度為上游水功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)。

1.3.3 輸沙需水量的計(jì)算方法

維護(hù)河流的水沙動態(tài)平衡，需要一定的水量用于輸沙，否則河道泥沙淤積，也會導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞。研究河段以懸移質(zhì)輸沙為主，通過輸沙量的計(jì)算分析，泥沙輸送主要集中在汛期（6—9月），因此忽略非汛期的輸沙量。汛期水流含沙量高，通常處于飽和輸沙狀態(tài)，因此，可根據(jù)汛期輸送單位泥沙所需水量來計(jì)算輸沙需水量[22]。輸沙需水量計(jì)算式為：

式中：S為年輸沙需水量（m3）；Sl為多年平均輸沙量（kg）；CW為多年平均汛期含沙量（kg/m3）。

1.3.4 變動范圍法（RVA）

RVA法在IHA（Index of Hydrologic Alteration）的基礎(chǔ)上提出，已被廣泛用于評價(jià)人類活動引起的河流生態(tài)水文特征變化程度[23]。通常取自然流態(tài)時(shí)各個(gè)指標(biāo)發(fā)生概率的25%和75%作為RVA法變化范圍的上限及下限[24]。Ipswich河流漁業(yè)恢復(fù)工作組建議將上下限差的1/4作為該河基流，以恢復(fù)Ipswich河健康的漁業(yè)[25]。舒暢等[26]提出采用均值與RVA閾值差計(jì)算泥曲河的環(huán)境流量，結(jié)果與其他方法一致。馬曉超等[27]提出采用RVA目標(biāo)值差值的50%作為渭河的環(huán)境流量，并與之前的6項(xiàng)研究結(jié)果進(jìn)行了比較。研究河段的資源型缺水問題比較嚴(yán)重，本文關(guān)注最小環(huán)境流量，因此采用上下限差值的1/4作為獨(dú)立的環(huán)境流量，并與本文推薦的環(huán)境流量進(jìn)行比較。

1.3.5 保證率評估方法

衛(wèi)河水系新鄉(xiāng)段的環(huán)境流量保障程度[28]可用如下公式進(jìn)行評估：

式中：為環(huán)境流量保證率；評價(jià)時(shí)段的總天（月或年）數(shù)；為評價(jià)時(shí)段中滿足環(huán)境流量的天（月或年）數(shù)。本文以月為單位，將逐月流量、汛期流量、非汛期流量分別組成月流量系列，評估環(huán)境流量推薦值的保證率。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)需水量計(jì)算

采用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法對1963—2018年7個(gè)水文站的年徑流序列進(jìn)行突變分析，結(jié)合當(dāng)?shù)厮こ探ㄔO(shè)時(shí)間（1980年前后）[14]，將1963—1982年（共20年）的水流作為自然水流（水文參照系統(tǒng)），1983—2018年的水流作為調(diào)節(jié)水流?；?963—1982年7個(gè)水文站的多年平均流量，采用Tennant法計(jì)算生態(tài)需水量，結(jié)果見圖2。

圖2 衛(wèi)河水系新鄉(xiāng)段7個(gè)水文站的生態(tài)需水量

由圖2可知，7個(gè)水文站的生態(tài)需水量存在差別。整體來看，淇門站需水量最大，修武站、合河衛(wèi)站需水量較小。修武站、合河衛(wèi)站、汲縣站的需水過程趨勢大致相同。合河共站、黃土崗站、劉莊站、淇門站的需水過程趨勢大致相同，汛期（6—9月）生態(tài)需水量明顯高于非汛期。

結(jié)果還表明，干流自上而下7個(gè)水文站的生態(tài)需水量存在較大差異，沿程不是完全增加趨勢，即下游生態(tài)需水量不一定大于上游。主要原因可能是衛(wèi)河與共渠相距較近，在合河鎮(zhèn)共用約3 km河道。而且，衛(wèi)河、共渠、淇河3條河在劉莊站和淇門站處呈“于”字型交匯。此外，當(dāng)大流量發(fā)生時(shí)，2條河的部分河段共享漫灘，河水混合。2條河流上都建有橡膠壩和閘門，流量受人工調(diào)節(jié)影響。

受人類活動影響，1963—1982年的水流實(shí)際上是近自然水流。因?yàn)楹恿魃鷳B(tài)系統(tǒng)處于不斷演化過程，很難恢復(fù)絕對自然水流狀態(tài)下的生態(tài)系統(tǒng)。1980年以來，隨著大量水利工程的建設(shè)，研究河段的水流狀態(tài)發(fā)生了顯著變化。因此，將1963—1982年的水流看作水文參照系統(tǒng)，試圖恢復(fù)1963—1982年的水流狀態(tài)，及相應(yīng)的河流生態(tài)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對河流生態(tài)系統(tǒng)的適度保護(hù)。

2.2 水質(zhì)自凈需水量計(jì)算

基于研究河段2018年流量、流速、斷面、水質(zhì)、排污口等數(shù)據(jù)，計(jì)算2種情景下水質(zhì)自凈需水量，結(jié)果見表2。由表2可知，同一水文站在不同情景下的計(jì)算結(jié)果不同，不同水文站在相同情景下的計(jì)算結(jié)果也不同。總體上，現(xiàn)狀排污情景下的水質(zhì)自凈需水量高于達(dá)標(biāo)排污情景。修武站的自凈需水量較小，因?yàn)樯嫌嗡|(zhì)監(jiān)測點(diǎn)G1的水質(zhì)目標(biāo)為Ⅴ類，而下游G2的水質(zhì)目標(biāo)為Ⅳ類，上游來水量越大，污染負(fù)荷越大，因此應(yīng)減少上游來水。修武站現(xiàn)狀排污的需水量為0.24 m3/s，略小于達(dá)標(biāo)排污的0.74 m3/s，表明修武站至合河衛(wèi)站河段污水排放量及濃度對自凈需水量影響不大。修武站的自凈需水量明顯低于多年平均流量。在2種情境下，合河衛(wèi)站的水質(zhì)自凈需水量最大，分別為15.13 m3/s和5.98 m3/s。表明合河衛(wèi)站至汲縣站的水污染非常嚴(yán)重。即使污水排放濃度達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)自凈需水量仍達(dá)到5.98 m3/s，遠(yuǎn)高于多年平均流量?，F(xiàn)狀排污情景下，汲縣站自凈水需水量為1.64 m3/s，明顯低于多年平均流量。2種情景下，淇門站、合河共站、黃土崗站、劉莊站的水質(zhì)自凈需水量均為0，表明這些河段污染物排放量較低，污染物通過降解可以達(dá)到水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)。

表2 衛(wèi)河水系新鄉(xiāng)段7個(gè)水文站水質(zhì)自凈需水量與多年平均流量

研究區(qū)水資源短缺，污水處理能力不斷提高，水質(zhì)自凈需水量既要為當(dāng)前管理做參考，又要為遠(yuǎn)景規(guī)劃服務(wù)，因此，本研究采用達(dá)標(biāo)排放情景的計(jì)算結(jié)果作為水質(zhì)自凈需水量。

研究河段汛期（6—9月）的污染物主要來自點(diǎn)源和非點(diǎn)源[11]，非汛期（10—5月）主要來自點(diǎn)源。與點(diǎn)源污染相比，非點(diǎn)源污染具有隨機(jī)性、廣泛性和滯后性的特點(diǎn)，難以進(jìn)行測量和控制[10]。由于數(shù)據(jù)收集困難，本研究僅考慮點(diǎn)源排放的自凈水需水量。

2.3 輸沙需水量計(jì)算

基于1963—1982年衛(wèi)河水系新鄉(xiāng)段汛期月輸沙數(shù)據(jù)的多年平均值計(jì)算輸沙需水量，結(jié)果見圖3。修武站汛期輸沙需水量范圍為1.66～7.28 m3/s。合河衛(wèi)站為1.40～3.81 m3/s，均值為2.40 m3/s，在7個(gè)站中最小。汲縣站汛期輸沙需水量范圍為7.85～18.51 m3/s。淇門站為10.34～65.73 m3/s。合河共站為2.92～34.61 m3/s。黃土崗站為2.45～36.63 m3/s。劉莊站為0.57～61.54 m3/s。各站輸沙需水量基本上在8月達(dá)到最高值，這主要與汛期的輸沙率和含沙量有關(guān)。7個(gè)水文站的輸沙需水量存在較大差異，沿程不是完全增大趨勢，主要原因是輸沙需水量根據(jù)實(shí)測徑流推算，對計(jì)算結(jié)果影響較大。

2.4 環(huán)境流量確定

從一水多功能的角度，按照最大原則確定環(huán)境流量。即取生態(tài)需水量、水質(zhì)自凈需水量、輸沙需水量3項(xiàng)的最大值作為本文環(huán)境流量的推薦值，見圖4。為驗(yàn)證環(huán)境流量推薦值的合理性，基于1963—1982年7個(gè)水文站的逐日流量，采用RVA法計(jì)算獨(dú)立的環(huán)境流量，與本文環(huán)境流量的推薦值進(jìn)行比較，見圖4。

圖3 衛(wèi)河水系新鄉(xiāng)段7個(gè)水文站輸沙需水量

Fig.3 Water demands for sediment transport of 7 hydrometric stations in the XSWR

圖4 衛(wèi)河水系新鄉(xiāng)段7個(gè)水文站的環(huán)境流量過程

由圖4可知，修武站非汛期水質(zhì)自凈需水量最大，而汛期輸沙需水量最大，因此非汛期以水質(zhì)自凈需水量來確定環(huán)境流量，汛期以輸沙需水量來確定環(huán)境流量，環(huán)境流量范圍為0.74～7.28 m3/s。合河衛(wèi)站全年水質(zhì)自凈需水量最大，因此以自凈需水量來確定環(huán)境流量，環(huán)境流量為5.98 m3/s。其余5站非汛期生態(tài)需水量最大，汛期輸沙需水量最大。汲縣站環(huán)境流量范圍為0.85～18.51 m3/s，淇門站為1.55～65.73 m3/s，合河共站為0.47～34.61 m3/s，黃土崗站為0.53～36.63 m3/s，劉莊站為0.17～61.54 m3/s。由于研究的保護(hù)對象是相互聯(lián)系的，很難截然分開，3種計(jì)算方法所得的3種需水量存在重復(fù)部分，所以取3項(xiàng)的最大值作為環(huán)境流量推薦值，有助于河流生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)。

從推薦環(huán)境流量的過程線來看，各站的環(huán)境流量均沒有出現(xiàn)斷流。長期的干旱直接導(dǎo)致棲息地的干燥或水質(zhì)下降，進(jìn)而導(dǎo)致大量水生種群的滅絕或碎片化[29]。最近，小而頻繁的流量脈沖在維持水生生態(tài)系統(tǒng)過程中的重要性也被證明[30]。

除合河衛(wèi)站外，其他水文站非汛期環(huán)境流量均低于汛期，體現(xiàn)了年內(nèi)豐枯變化，與研究河段的年內(nèi)徑流分配一致，滿足了原有河流生態(tài)系統(tǒng)對水流狀態(tài)的需求。溢流和最大流量（年平均流量的200%）對生境質(zhì)量的可持續(xù)性有積極影響[2]。河道與河漫灘之間水、養(yǎng)分和生物的橫向交換可以促進(jìn)水生生物的快速生長[31]。由于本土淡水魚是在特定的水流環(huán)境中進(jìn)化而來，因此，在徑流調(diào)節(jié)河流中，保持適當(dāng)水流或關(guān)鍵水文參數(shù)的高、低變化，有利于實(shí)現(xiàn)對原有河流生態(tài)系統(tǒng)的適度保護(hù)[32]。

將環(huán)境流量推薦值與RVA計(jì)算的獨(dú)立值進(jìn)行比較可知：合河衛(wèi)站的環(huán)境流量遠(yuǎn)高于RVA計(jì)算值。由于合河衛(wèi)站到汲縣站河段的水污染嚴(yán)重，因此需要高的環(huán)境流量來滿足水體自凈需求。其他水文站的環(huán)境流量推薦值曲線與RVA計(jì)算結(jié)果曲線呈相交狀態(tài)，非汛期的計(jì)算結(jié)果比較接近，但是汛期的環(huán)境流量推薦值遠(yuǎn)大于RVA法。汛期較大的環(huán)境流量有益于充分利用汛期洪水較強(qiáng)的輸沙能力，維持河流形態(tài)的動態(tài)平衡[8]。因此，本文推薦的環(huán)境流量值是合理的，有助于河流生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)。

2.5 環(huán)境流量盈缺分析、保證率和保障措施

1）環(huán)境流量盈缺分析

環(huán)境流量的盈缺狀況直接關(guān)系到水量分配，合理的水資源分配有利于河流生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)。將環(huán)境流量的推薦值與自然水流（1963—1982）的多年平均流量進(jìn)行比較，見圖4。如果推薦值比自然水流量小，則該月不缺水，反之缺水。由圖4可知，修武站、淇門站、合河共站、黃土崗站的環(huán)境流量推薦值基本上小于自然水流，因此全年基本不缺水。合河衛(wèi)站只有10、11月能滿足環(huán)境流量的要求，其余月份缺水量較大，為0.83～3.88 m3/s。汲縣站、劉莊站8月環(huán)境流量推薦值大于自然水流，8月汲縣站缺水量為2.35 m3/s，劉莊站為8.63 m3/s。

2）環(huán)境流量保證率評估結(jié)果

將7個(gè)水文站1963—1982年共20 a的逐月流量、汛期流量、非汛期流量分別組成月流量系列，與各站的環(huán)境流量進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)滿足環(huán)境流量的月份，結(jié)果見表3。據(jù)統(tǒng)計(jì)，240個(gè)月中，合河衛(wèi)站的環(huán)境流量保障率最低，僅為22.92%。劉莊站的保證率為54.58%。其余5站的保證率范圍為69.58%～83.33%，其中，淇門站的保證率最高。在汛期（6—9月）的80個(gè)月中，7個(gè)水文站的環(huán)境流量保證率范圍僅為17.50%～53.75%。在非汛期（10月至次年5月）的160個(gè)月中，合河衛(wèi)站的環(huán)境流量保證率僅為25.63%，劉莊站保證率為61.88%。其余5站的保證率范圍為84.38%～98.13%。衛(wèi)河水系新鄉(xiāng)段環(huán)境流量保證率的評估結(jié)果表明，7個(gè)水文站的月平均、汛期、非汛期保證率均不能達(dá)到100%，即河道內(nèi)的水量不能完全滿足環(huán)境流量的推薦值。7個(gè)水文站汛期的保證率均明顯低于非汛期。

表3 衛(wèi)河水系新鄉(xiāng)段7個(gè)水文站環(huán)境流量保證率

3）保障措施

采取合理的措施保證環(huán)境流量，才能有效保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)。通過將7個(gè)水文站1963—1982年共20 a的月流量系列與環(huán)境流量推薦值進(jìn)行比較，可以分析缺水量，以便采取合理的保障措施。

修武站汛期保證率僅為40.00%，最大缺水量為6.99 m3/s，保證率偏低，缺水量較大。主要原因是汛期輸沙需水量大導(dǎo)致環(huán)境流量值高，其次是個(gè)別月河道內(nèi)實(shí)測流量偏小。因此，需要上游進(jìn)行水土流失治理以減少水流含沙量進(jìn)而減少輸沙需水量。其次，由于來水豐枯變化的影響，會導(dǎo)致部分河段流量減少，甚至為0。水利工程的聯(lián)合調(diào)度可以減少來水豐枯變化對河流縱向連續(xù)性的影響[33]。因此，需要加強(qiáng)各支流水庫及其他水利樞紐的聯(lián)合生態(tài)調(diào)度，以增加河道流量。非汛期保證率為84.38%，最大缺水量為0.74 m3/s，保證率較高，缺水量較小。主要原因是個(gè)別月河道內(nèi)實(shí)測流量偏小，因此需要加強(qiáng)水利工程的聯(lián)合調(diào)度以減少來水豐枯變化的影響。

合河衛(wèi)站的汛期和非汛期保證率均偏低，汛期、非汛期最大缺水量分別為5.82、5.98 m3/s，缺水量較大。主要原因是水質(zhì)自凈需水量大導(dǎo)致環(huán)境流量值高。因此需要解決合河衛(wèi)站—汲縣站河段的水污染問題。主要措施有：一是進(jìn)一步控制外部污染物輸入，如實(shí)施更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，提高污水處理廠的處理能力等。二是開展環(huán)境綜合整治，采取積極的水處理措施，治理內(nèi)源污染物。內(nèi)源污染治理措施主要包括河道疏浚護(hù)岸和生態(tài)修復(fù)。河道綜合疏浚可有效減少內(nèi)源污染物的釋放[33]。采用生態(tài)措施可以恢復(fù)受損河流的生態(tài)系統(tǒng)健康[34]。第三，通過生態(tài)調(diào)水和水利工程的智能調(diào)度來增加河道流量，從而增加污染物的稀釋和擴(kuò)散[33]。生態(tài)調(diào)水可以就近引南水北調(diào)水或者黃河水以增加河道流量。

汲縣站汛期保證率僅為46.25%，最大缺水量為14.65 m3/s，保證率偏低，缺水量較大。主要原因是汛期輸沙需水量大導(dǎo)致環(huán)境流量值高。1970—1990年間，為解決天津市的水源危機(jī)，從人民勝利渠引黃濟(jì)津[14]，黃河水含沙量高致使輸沙需水量增加。受該工程影響，1963—1982年的輸沙情況受到人為干擾，目前該工程已經(jīng)停止。近些年引黃水量和黃河水含沙量減少，使得該站的來水來沙、河床條件發(fā)生了變化。河流輸沙需水量隨來水來沙及河床演變等條件的變化而變化[8]，來沙量大時(shí)輸沙需水量就大。來沙量小時(shí)輸沙需水量就小，汲縣站汛期的輸沙需水量就能夠得到滿足。非汛期保證率為93.75%，最大缺水量為0.93 m3/s，保證率較高，缺水量較小。主要原因是個(gè)別月河道內(nèi)實(shí)測流量偏小，因此需要加強(qiáng)水利工程的聯(lián)合調(diào)度，減少來水豐枯變化的影響。

淇門站汛期保證率僅為53.75%，最大缺水量為58.61 m3/s，保證率偏低，缺水量較大。主要原因是汛期輸沙需水量大導(dǎo)致環(huán)境流量值高。衛(wèi)河、共渠、淇河3條河呈“于”字型交匯，淇門站的水流含沙量受上游水土流失和引黃水的影響，因此需要加強(qiáng)上游的水土流失治理，同時(shí)減少引黃水量，以減少水流含沙量從而減少輸沙需水量。非汛期保證率為98.13%，最大缺水量為1.81 m3/s，保證率較高，缺水量較小。因此需要加強(qiáng)水利工程的聯(lián)合調(diào)度，減少來水豐枯變化的影響。

合河共站汛期保證率為48.75%，最大缺水量為34.04 m3/s，保證率偏低，缺水量較大。主要原因是汛期輸沙需水量大導(dǎo)致環(huán)境流量值高。共渠承擔(dān)引黃灌溉農(nóng)田和排泄北部山區(qū)洪水的職能，水流含沙量受引黃水和上游水土流失的影響，因此需減少引黃水量，同時(shí)治理上游水土流失，以減少水流含沙量從而減少輸沙需水量。非汛期保證率為88.13%，最大缺水量為1.46 m3/s，保證率較高，缺水量較小。因此需加強(qiáng)水利工程的聯(lián)合調(diào)度，減少來水豐枯變化的影響。

黃土崗站汛期保證率僅為47.50%，最大缺水量為35.56 m3/s，保證率偏低，缺水量較大。非汛期保證率為91.88%，最大缺水量為1.16 m3/s，保證率較高，缺水量較小。該站水流主要受上游合河共站的來水影響，可采取與合河共站同樣的措施。

劉莊站汛期保證率僅為40.00%，最大缺水量為61.54 m3/s，保證率偏低，缺水量較大。主要原因是汛期輸沙需水量大導(dǎo)致環(huán)境流量值高。因此需要減少引黃水量，同時(shí)治理上游水土流失，以減少水流含沙量從而減少輸沙需水量。非汛期保證率為61.88%，最大缺水量為0.53 m3/s，保證率較高，缺水量較小。因此需要加強(qiáng)水利工程的聯(lián)合調(diào)度，減少來水豐枯變化的影響。

3 討論

1）本文試圖恢復(fù)1963—1982年的水流狀態(tài)，及相應(yīng)的河流生態(tài)系統(tǒng)，以期對河流生態(tài)系統(tǒng)的適度保護(hù)。因此生態(tài)需水量和輸沙需水量的計(jì)算是將1963—1982的水流作為參照系統(tǒng)。但是近些年受引黃水量和黃河水含沙量減少等因素影響，河流的來水來沙、河床條件發(fā)生變化。因此，基于過去實(shí)測輸沙資料的輸沙需水量并不能完全反映現(xiàn)狀或者將來的需求，在計(jì)算輸沙需水量時(shí)，要結(jié)合來水來沙及河床等條件的具體情況[8]。另外，本文計(jì)算采用多年平均流量，沒有考慮來水豐枯變化的影響，可作為進(jìn)一步研究的內(nèi)容。其次，在計(jì)算水質(zhì)自凈需水量時(shí)，各計(jì)算河段起始斷面的水質(zhì)指標(biāo)濃度是上游水功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)，而不是實(shí)際監(jiān)測濃度。如果起始斷面的濃度按實(shí)際計(jì)算，污染嚴(yán)重河段通常沒有納污能力。因此需要加強(qiáng)治理污染源。另外，綜合衰減系數(shù)的取值對水質(zhì)自凈需水量的影響較大，本文值采用多次實(shí)測結(jié)果的平均值[21]。

2）目前，我國多數(shù)河流水生生物的定期監(jiān)測較少，缺乏長系列的水生生物數(shù)據(jù)，很難建立水文—生態(tài)響應(yīng)關(guān)系。衛(wèi)河水系新鄉(xiāng)段環(huán)境流量最小值的確定方法，符合國內(nèi)大多數(shù)河流的資料情況，研究結(jié)果有利于此類河流生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和水資源的高效利用。在生態(tài)資料相對豐富的大型河段，如：長江、黃河等，可以建立水文-生態(tài)響應(yīng)關(guān)系。如王俊娜等[35]以三峽水庫及其壩下河段為例，以水文-生態(tài)響應(yīng)的概念模型及其量化關(guān)系為基礎(chǔ)，綜合估算環(huán)境水流。尚文繡等[36]以維護(hù)黃河土著生物群落完整性為目標(biāo)，結(jié)合棲息地模擬與水文參照系統(tǒng)特征值，建立了一種面向河流生態(tài)完整性的生態(tài)需水過程評估方法。積累水生生物的監(jiān)測數(shù)據(jù)，針對性量化當(dāng)?shù)睾恿鞯乃?生態(tài)響應(yīng)關(guān)系是未來環(huán)境流量研究的發(fā)展方向。

3）環(huán)境流量用于協(xié)調(diào)河流生態(tài)系統(tǒng)與人類生產(chǎn)生活之間的需水矛盾，通常根據(jù)河流的具體保護(hù)目標(biāo)和水文特征來計(jì)算，因此環(huán)境流量值不是唯一的、確定的。河流管理員和利益相關(guān)者可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整環(huán)境流量。

4 結(jié)論

1）干流自上而下7個(gè)水文站的生態(tài)需水量存在較大差異，沿程不是完全增大趨勢。在污水達(dá)標(biāo)排放情景下，修武站和合河衛(wèi)站的水質(zhì)自凈需水量分別為0.74 m3/s和5.98 m3/s。各站輸沙需水量基本上在8月達(dá)到最高值，沿程輸沙需水量存在較大差異。

2）衛(wèi)河水系新鄉(xiāng)段7個(gè)水文站環(huán)境流量的推薦值分別為：修武站環(huán)境流量范圍為0.74～7.28 m3/s，合河衛(wèi)站環(huán)境流量為5.98 m3/s，汲縣站環(huán)境流量范圍為0.85～18.51 m3/s，淇門站為1.55～65.73 m3/s，合河共站為0.47～34.61 m3/s，黃土崗站為0.53～36.63 m3/s，劉莊站為0.17～61.54 m3/s。

3）7個(gè)水文站中合河衛(wèi)站、汲縣站、劉莊站存在明顯缺水。7個(gè)水文站汛期的保證率均明顯低于非汛期。7個(gè)水文站中淇門站的保證率最高，合河衛(wèi)站的保證率最低。

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Minimum Water Flow for Environmental Requirements in Xinxiang Section of the Wei River

MENG Chunfang1,2, SONG Xiaoyu1*, TIAN Kening3, LIU Xueyong2, GUO Shuxian2, WANG Yu2, YE Bingxiao2

(1. State Key Laboratory of Eco-Hydraulics in Northwest Arid Region, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China; 2. Xinxiang Hydrology and Water Resources Survey Bureau, Xinxiang 453000, China; 3. Henan Vocational College of Water Conservancy and Environment, Zhengzhou 450008, China)

【Objective】Surface water in rivers has multiple functions serving direct sectors. The objective of this paper is to analyze the minimum water flow (e-flow) in Xinxiang Section of the Wei River (XSWR) for environmental service. 【Method】We considered three demands: ecological demand for water, demand for water self-purification, and demand for sediment transport. Ecological water demand was calculated using the Tennant method based on the water flow data measured from 1963 to 1982; self-purification demand was simulated using the one-dimensional water quality model; the demand for sediment transport was calculated as the amount of water required to transport unit sediment in flooding season. Spatiotemporal change in water quality due to pollution was calculated using cluster analysis (CA) and discriminant analysis (DA). The e-flow calculated using the range of variability approach (RVA) was compared with the recommended e-flows, as well as the average annual flow measured from 1963 to 1982. 【Result】Ecological water demand varied greatly between the seven hydrometric stations along the river. Under standard sewage discharge, the demand for water self-purification in Xiuwu and Hehewei station was 0.74 m3/s and 5.98 m3/s, respectively. The demand for sediment transport at all stations peaked in August, though it varied significantly between the seven hydrometric stations. Surplus-deficit analysis showed the e-flow in Hehewei, Jixian, and Liuzhuang station was markedly short of water. The guarantee rates of 7 hydrometric stations were as follows: Guarantee rates in flooding season were lower than in non-flooding season; Qimen station had the highest guarantee rate and Hehewei station had the least. 【Conclusion】The e-flow was 5.98 m3/s for Hehewei station, 0.74 to 7.28 m3/s for Xiuwu station, 0.85 to 18.51 m3/s for Jixian station, 1.55 to 65.73 m3/s for Qimen station, 0.47 to 34.61 m3/s for Hehegong station, 0.53 to 36.63 m3/s for Huangtugang station, and 0.17 to 61.54 m3/s for Liuzhuang station.

environmental flow; Wei River; Xinxiang; Tennant method; one-dimensional water quality model

1672 - 3317（2022）07 - 0086 - 10

TV214

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022115

孟春芳, 宋孝玉, 田珂寧, 等. 衛(wèi)河水系新鄉(xiāng)段環(huán)境流量最小值研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2022, 41(7): 86-95.

MENG Chunfang, SONG Xiaoyu, TIAN Kening, et al.Minimum Water Flow for Environmental Requirements in Xinxiang Section of the Wei River[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(7): 86-95.

2022-03-08

新鄉(xiāng)市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（CXGG17023）

孟春芳（1986-），女。博士研究生，主要從事生態(tài)水文研究。E-mail: mengchunfang0722@163.com

宋孝玉（1971-），女。教授，主要從事生態(tài)水文研究。E-mail: songxy@xaut.edu.cn

責(zé)任編輯：趙宇龍