陳乃嘉，苗添升

（松遼水利委員會(huì)流域規(guī)劃與政策研究中心，吉林長(zhǎng)春 130021）

0 引言

為了實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧相處，在水資源的開發(fā)利用過程中，考慮經(jīng)濟(jì)和生活用水的同時(shí)，必須重視生態(tài)環(huán)境用水。應(yīng)該保持生態(tài)系統(tǒng)最低需水量，并保持必需的水質(zhì)和河流的地形要素，從而保證河流和湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康[1]。任何取水、用水方式都不能使河流剩余水量低于河流最低需水量即生態(tài)基流。大量科研人員和研究機(jī)構(gòu)對(duì)生態(tài)基流的取值模式和機(jī)能進(jìn)行了研究。蘇恒和徐宗學(xué)等[2]采用Tennant，NGPRP等6種水文學(xué)方法對(duì)西江大湟江口河段逐月生態(tài)基流進(jìn)行計(jì)算；胡可可和何建村等[3]探究了生態(tài)基流時(shí)空分布與保證率變化，揭示生態(tài)基流對(duì)氣候變化的響應(yīng)；李彬瑜和薛萬來等[4]采用Tennant法、90%保證率最枯月平均流量法、基流比例法估算永定河官?gòu)d下游段生態(tài)基流；姚云澤和姜翠玲等[5]綜合運(yùn)用Qp法、Tenant法、頻率曲線法、典型水文頻率年法、NGPRP法、近10年最枯月月平均流量法、TEXAS法等7種水文學(xué)方法，對(duì)灤河相關(guān)斷面的生態(tài)基流量進(jìn)行測(cè)算和分析；林夢(mèng)珂和魏娜[6]等提出了用于計(jì)算生態(tài)基流的改進(jìn)年內(nèi)展布法；成波和李懷恩[7]采用當(dāng)量因子法計(jì)算了河道生態(tài)基流，探索分析了河道生態(tài)基流的時(shí)間變化特征。

上述典型的生態(tài)基流研究?jī)?nèi)容主要集中于生態(tài)基流計(jì)算方法的改進(jìn)和生態(tài)基流理念的適用性分析，而生態(tài)基流的取值模型不僅要隨著地理?xiàng)l件、河流特征和河流功能的變化而變化，還應(yīng)該根據(jù)不同時(shí)間段生態(tài)基流需求量的不同而不同。這是因?yàn)椴煌瑫r(shí)間段河流生物需水量和環(huán)境影響不同，如果對(duì)于整個(gè)年度采用相同的生態(tài)基流取值模型，則不能滿足河流不同時(shí)段生態(tài)差異性的需求。文中在對(duì)不同生態(tài)基流計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比和適用性分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)山區(qū)河流的生態(tài)基流計(jì)算模型進(jìn)行研究，結(jié)合不同時(shí)段河流魚類需水量和水面蒸發(fā)量的差異性，提出了基于時(shí)變效應(yīng)的山區(qū)河流生態(tài)基流計(jì)算模型。該模型在考慮河流生態(tài)和環(huán)境影響不同時(shí)段差異性的基礎(chǔ)上，能夠滿足不同時(shí)段河流生態(tài)需水量的要求，并準(zhǔn)確評(píng)估河流的生態(tài)需水量。

1 生態(tài)徑流量的概念

徑流量是指一定時(shí)段內(nèi)通過河流某一斷面的水量，徑流量是維護(hù)河流運(yùn)行、生態(tài)和周圍環(huán)境的核心要素。生態(tài)徑流是在河流生態(tài)尺度上提出的徑流概念。廣義范圍內(nèi)，生態(tài)徑流不僅要滿足生態(tài)系統(tǒng)需求，同時(shí)還應(yīng)滿足天然狀態(tài)下該徑流過程的溫度、水生物、水質(zhì)、動(dòng)植物的需求。狹義概念中，保證河流天然狀態(tài)下生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和不受損害的徑流稱為生態(tài)徑流。

以狹義的生態(tài)徑流定義為基礎(chǔ)，根據(jù)河流天然徑流的變化特征及其生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)的特點(diǎn)，可以將生態(tài)徑流分為最小生態(tài)徑流、適宜生態(tài)徑流和最大生態(tài)徑流。最小生態(tài)徑流量是指保證水生生物存在所需要的水量，或者說是河流中可以滿足生態(tài)要求的最小徑流量。最小生態(tài)徑流不僅滿足生態(tài)水量需求，還必須滿足生態(tài)對(duì)水體質(zhì)量和水量持續(xù)時(shí)間的要求，河流的最大允許取水量由天然徑流量與最小生態(tài)徑流量的差確定。適宜生態(tài)徑流量為對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和物種的生存、繁衍最為適合的徑流過程。因河流水文過程是隨機(jī)變化的，適宜生態(tài)徑流應(yīng)具有一個(gè)合適的變化范圍。最大生態(tài)徑流量是滿足河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和健康條件所允許的最大流量過程，是河流所匹配的地形條件下的最大需水量，如果徑流量超過此過程會(huì)造成岸坡破壞和生態(tài)環(huán)境改變，導(dǎo)致某些物種消失，造成不可恢復(fù)的生態(tài)災(zāi)害。

2 計(jì)算方法

現(xiàn)有生態(tài)基流計(jì)算方法在針對(duì)問題、適用對(duì)象和應(yīng)用復(fù)雜程度上各有特點(diǎn)，不同生態(tài)基流計(jì)算方法對(duì)比如表1所示。目前較為常用的有4種計(jì)算方法：逐月最小生態(tài)徑流計(jì)算法主要用于計(jì)算最小生態(tài)徑流；逐月頻率計(jì)算法主要用于計(jì)算適宜生態(tài)徑流；Tennant法用于對(duì)不同方案的適宜徑流量進(jìn)行檢驗(yàn)；新逐月頻率計(jì)算法將每個(gè)月的保證率都取為50%，可靠度更高。

3 時(shí)間尺度上山區(qū)生態(tài)基流取值模型

河流生態(tài)基流計(jì)算的目的是求出可以保證河流健康狀況的最小生態(tài)徑流量。由于不同生態(tài)群落有不同的繁殖和發(fā)育規(guī)律，最小生態(tài)徑流量與河道水流年內(nèi)變化特征一樣，是一個(gè)連續(xù)變化的過程，因此，最小生態(tài)徑流量在1年中不是一個(gè)常量。根據(jù)河流生態(tài)影響因素隨時(shí)間的變化，提出了一種時(shí)間尺度上的山區(qū)生態(tài)基流取值模型。

表1 不同生態(tài)基流計(jì)算方法對(duì)比

山區(qū)河流主要有兩個(gè)特點(diǎn)：一是山區(qū)河流因?yàn)榇嬖诃h(huán)境特殊性，多位于森林、濕地等動(dòng)植物種類豐富的地方，因此，該類河流的生態(tài)需求更為顯著；二是山區(qū)河流一般規(guī)模不大，河面較為狹窄，水源地多為山區(qū)地形積蓄的水源，沒有穩(wěn)定的規(guī)模較大的湖泊進(jìn)行水源補(bǔ)給，因此，山區(qū)河流受環(huán)境變化影響明顯，生態(tài)基流的取值需要考慮環(huán)境變化對(duì)徑流的影響。山區(qū)生態(tài)基流的取值模型需要考慮兩個(gè)因素：生態(tài)因素和環(huán)境因素。表2列出了兩種因素對(duì)河流生態(tài)基流的影響。生態(tài)因素主要為生態(tài)基流的需求，環(huán)境因素主要為生態(tài)基流的損耗，兩者的疊加為生態(tài)基流的實(shí)際需水量。

表2 山區(qū)生態(tài)基流影響因素對(duì)比

4 實(shí)例分析

某山區(qū)河段長(zhǎng)度達(dá)16.2 km，為水電站減水段，河段內(nèi)有6條支溝匯入。2009年3—5月，對(duì)該河段布設(shè)的大斷面和區(qū)間匯流進(jìn)行了流量測(cè)量。河流內(nèi)存在齊口裂腹魚、重口裂腹魚類等指示物種，經(jīng)過對(duì)魚類生活習(xí)性的調(diào)查，得出不同時(shí)段生態(tài)基流處理方案如表3所示。非集中產(chǎn)卵場(chǎng)分布的河段，生態(tài)流量只需滿足魚類正常生活環(huán)境要求即可，應(yīng)用生態(tài)水力學(xué)方法計(jì)算結(jié)果作為全年流量推薦值；對(duì)于有集中產(chǎn)卵場(chǎng)分布的河段，生態(tài)流量不僅需要滿足魚類生活環(huán)境要求，還應(yīng)滿足魚類產(chǎn)卵流量和生境面積的要求，產(chǎn)卵期推薦值采用生境模擬法計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合魚類產(chǎn)卵對(duì)水面漲落過程的需求，在不同時(shí)段采用不同生態(tài)基流。

表3 河流魚類生活習(xí)性及生態(tài)基流處理方案

環(huán)境因素造成的河流水量蒸發(fā)主要分為4個(gè)時(shí)段，如表4所示。夏季蒸發(fā)量最大，生態(tài)補(bǔ)水最多；冬季蒸發(fā)量很低，不進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水。

表4 不同時(shí)間段河流蒸發(fā)量及生態(tài)補(bǔ)水

基于表3和表4的結(jié)果得到該河道生態(tài)環(huán)境需水量年內(nèi)過程線，如表5所示。該需水量年內(nèi)過程線考慮了魚類生存繁衍要求及不同時(shí)段的蒸發(fā)量，更符合實(shí)際山區(qū)河流生態(tài)基流的需求。

表5 河道生態(tài)環(huán)境需水量年內(nèi)過程線

5 結(jié)語(yǔ)

生態(tài)基流不僅要考慮河流生態(tài)需水，同時(shí)應(yīng)該考慮環(huán)境因素下生態(tài)流量的變化。兩者在年度時(shí)間段內(nèi)均不是固定值，而是隨著季節(jié)不斷變化。依據(jù)山區(qū)河流特性，提出的基于魚類繁衍和水量蒸發(fā)的山區(qū)河流時(shí)間尺度上的山區(qū)生態(tài)基流取值模型，考慮了生態(tài)因素和環(huán)境因素在時(shí)間尺度上的差異性，得到了生態(tài)環(huán)境需水量年內(nèi)過程線，該取值模型更符合山區(qū)河流實(shí)際生態(tài)需求，可以為相關(guān)山區(qū)河流生態(tài)基流的確定提供參考。