武連洲，白 濤，黃 強

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；3.西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048)

氣候變化和人類活動在不同程度上影響了水循環(huán)過程和水資源分布[1]，造成部分流域災(zāi)害頻發(fā)、河道斷流、河道生態(tài)環(huán)境惡化。截至2021年，我國已建成約9.8萬座水庫，通過蓄水補枯改變了河道天然徑流時空分布，在帶來巨大防洪、發(fā)電和供水等社會經(jīng)濟效益的同時，也使河道生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能面臨潛在威脅[2-3]。研究顯示生態(tài)調(diào)度可有效保障河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)用水要求，是“后壩工時代”流域生態(tài)修復(fù)和水資源利用的重要管理措施之一[4]。因此，河道內(nèi)生態(tài)需水過程作為水庫調(diào)度模型的重要邊界條件，其計算方法一直是水資源管理領(lǐng)域的基礎(chǔ)問題之一[5]。

目前，河道生態(tài)需水沒有統(tǒng)一的定義和計算方法[6]。在管理與應(yīng)用層面，河道生態(tài)需水指河道生態(tài)需水量和需水流量；在需求對象層面，河道生態(tài)需水指河道內(nèi)和河道外生態(tài)需水，其中，河道內(nèi)生態(tài)需水在工程規(guī)劃與運行中應(yīng)用更廣泛。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在河道內(nèi)生態(tài)需水領(lǐng)域開展了大量的研究，研究方法主要包括水文分析法、水力學(xué)分析法、棲息地法和整體法，其中水文分析法對于計算資料要求相對較低，應(yīng)用性更強[7]?，F(xiàn)階段，研究人員從徑流情勢、生物習(xí)性和工程運行等方面進一步改進傳統(tǒng)水文分析法，以提高結(jié)果的合理性和可行性。劉劍宇等[8]采用概率分布函數(shù)擬合變異前日流量序列，確定概率密度最大處的流量為河道內(nèi)生態(tài)流量，并應(yīng)用于鄱陽湖流域。華祖林等[9]提出了一種以河流形態(tài)、河道水生生物、水質(zhì)和景觀為要點的實用計算方法，從維持河流連通等4個維度，完善了高度人工化城市河流生態(tài)水位和生態(tài)流量確定方法。葛金金等[10]采用5種水文學(xué)方法計算沙潁河的適宜生態(tài)流量，基于水量需求、水文節(jié)律和滿足率3方面因素，推薦了季節(jié)性河流的適宜生態(tài)流量。龍凡等[11]充分考慮河道徑流規(guī)律，提出了以徑流豐平枯條件概率為基礎(chǔ)的流量歷時曲線改進法。李棟楠等[12]以瀾滄江中下游3座水庫(糯扎渡、景洪和橄欖壩水庫)為例，建立了考慮發(fā)電目標(biāo)和生態(tài)約束的梯級水庫調(diào)度模型，定量分析了發(fā)電目標(biāo)和生態(tài)流量約束之間的均衡關(guān)系，發(fā)現(xiàn)發(fā)電量增大會導(dǎo)致生態(tài)流量相對于自然過程的改變度增加。河道生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)生物的多樣性導(dǎo)致生態(tài)需水過程的多樣性，生態(tài)需水過程理應(yīng)有一個閾值區(qū)間，而水庫的實際運行又要求生態(tài)需水是確定過程，以保證可行性和可操作性。因此，如何充分利用水文分析法的優(yōu)勢，在閾值區(qū)間內(nèi)獲取合理的生態(tài)需水過程，仍缺乏相關(guān)的研究。

本文基于變化范圍法(range of variability approach， RVA)生態(tài)需水閾值區(qū)間，集成了多種水文學(xué)法，提出了下包線法。整合了一致性審查、河道內(nèi)生態(tài)需水計算和評價，構(gòu)建了考慮徑流非一致性的河道內(nèi)生態(tài)需水計算框架，并應(yīng)用于陜西省引漢濟渭跨流域調(diào)水工程。

1 河道內(nèi)生態(tài)需水的特點

河道內(nèi)生態(tài)需水通常指為保證河流生態(tài)系統(tǒng)健康、維持某一特定生態(tài)功能需要保持的特定流量[13]，主要具有以下特點：

a.波動性。水生物種在演化過程中對于生存環(huán)境形成了規(guī)律性的期望需求，包括水質(zhì)、流速、水溫和流態(tài)等方面。以流量需求為例，若遭遇干旱或洪水，則大概率造成河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)破壞。

b.季節(jié)性。流域氣候和下墊面條件的季節(jié)性特征使得河道生態(tài)需水具有季節(jié)性。我國北方大部分河流處在干旱、半干旱和半濕潤氣候帶，具有明顯的季節(jié)性特征，因此應(yīng)該根據(jù)水生植物和岸棲植物的生存所需，適時考慮徑流季節(jié)性變化。

c.時效性。水生物種的繁衍規(guī)律使得河道內(nèi)生態(tài)需水具有時效性。在以往的生態(tài)調(diào)度研究中，魚類通常是典型的河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)保護對象，處于食物鏈的頂端，其資源動態(tài)情況代表了河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的完善和健康程度。以長江四大家魚(青魚、草魚、鰱魚、鳙魚)為例，每年5—6月為洄游產(chǎn)卵時間段，為了創(chuàng)造適宜的水力環(huán)境和脈沖條件，必須保障洄游期具有持續(xù)的漲水條件。因此，應(yīng)該充分結(jié)合水生物種繁衍所需，考慮相應(yīng)保護物種在特定時間段的生態(tài)流量需求。

d.區(qū)間性。生態(tài)系統(tǒng)中物種的多樣性導(dǎo)致生態(tài)需水過程的多樣性，若要同時滿足上述波動性、季節(jié)性和時效性，則生態(tài)需水過程必然是區(qū)間過程。

2 河道內(nèi)生態(tài)需水的計算方法

針對河道內(nèi)生態(tài)需水的特點，本文提出了基于RVA生態(tài)需水閾值區(qū)間的下包線法，同時選取水文分析法中比較常用的Tennant法[14]、年內(nèi)展布法[15]、Q90法[16]、頻率法[17]計算生態(tài)需水過程，以期在保證生態(tài)基流的基礎(chǔ)上進一步提高生態(tài)需水標(biāo)準(zhǔn)。

鑒于水庫群間水力聯(lián)系、運行模式、目標(biāo)和社會需求等不同，大部分情況下水庫興利目標(biāo)與河道生態(tài)系統(tǒng)保護目標(biāo)相矛盾，不合理的蓄泄方案往往造成河道斷流或者沖刷。因此，在水庫調(diào)度計算中設(shè)置河道內(nèi)生態(tài)需水標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)避免部分水庫單純追求興利效益最大，僅僅保證最低生態(tài)系統(tǒng)需求的現(xiàn)象，而應(yīng)盡可能提高生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，在合理的空間范圍內(nèi)提高河道生態(tài)保護效益。本文設(shè)置3種生態(tài)需水過程，即最小、適宜、理想河道內(nèi)生態(tài)需水過程，分別對應(yīng)保障河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境、提供適宜的生存環(huán)境、最大化生態(tài)系統(tǒng)功能。

通常情況下，采用RVA法[18]中月均流量等33個指標(biāo)參數(shù)的75%和25%發(fā)生概率的值作為各指標(biāo)的上、下限，即RVA閾值，有學(xué)者把月均流量參數(shù)的50%和25%發(fā)生概率的值作為河道內(nèi)生態(tài)需水閾值區(qū)間的上、下限，認(rèn)為閾值區(qū)間內(nèi)的任何流量值都適宜河道生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展。結(jié)合上述各水文學(xué)方法優(yōu)缺點與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，本文基于RVA法提出了集合多種水文學(xué)法計算成果的綜合計算方法——下包線法，即在利用水文分析統(tǒng)計規(guī)律的基礎(chǔ)上，綜合對比多種方法取交集，在RVA閾值區(qū)間內(nèi)提取確定性生態(tài)需水過程，作為水庫調(diào)度模型的生態(tài)約束輸入。主要步驟為：①確定各種方法計算的生態(tài)需水過程，利用RVA法確定生態(tài)需水閾值區(qū)間；②篩選RVA閾值區(qū)間與多種需水過程有交集的月份，對比分析后取下包線；③若無相交的生態(tài)需水過程，則取RVA生態(tài)需水閾值區(qū)間下限(一般取25%)對應(yīng)的點，完善下包線過程。

3 河道內(nèi)生態(tài)需水計算結(jié)果評價體系

隨著社會經(jīng)濟水平的發(fā)展，相應(yīng)的水文監(jiān)測實施制度日趨完善，然而由于各地發(fā)展水平參差不齊以及歷史因素的影響，流域中部分區(qū)域的水文資料存在缺失、不完整的問題。因此，本文以資料的精度與翔實情況為切入點，通過河道內(nèi)生態(tài)需水計算結(jié)果評價體系選擇適宜于河道生態(tài)系統(tǒng)的需水過程。

3.1 生態(tài)需水過程評價方法的選擇

a.資料完善的情況下采用RVA法評價河道內(nèi)生態(tài)需水過程和水文改變程度[19]。RVA法在河流生態(tài)水文變化指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，定量評估水文指標(biāo)參數(shù)的改變程度，包括月均流量、年均極值、年極值出現(xiàn)時間、高低流量頻率與歷時、流量變化率與頻率，共計5組33個水文指標(biāo)。將所有計算的生態(tài)需水過程與生態(tài)需水閾值進行對比，觀察其是否處于閾值區(qū)間，以確定生態(tài)需水過程的合理性。RVA法優(yōu)勢明顯，指標(biāo)翔實，能系統(tǒng)地反映河道的生態(tài)健康程度。

b.資料不完善、缺失的情況下采用Tennant法評價河道內(nèi)生態(tài)需水過程[20]。利用Tennant法將河流生態(tài)環(huán)境狀況分為8個等級，將利用其他方法獲得的流量過程與多年平均月徑流進行反算，觀察在現(xiàn)狀生態(tài)需水條件下河道可能處于的生態(tài)環(huán)境等級。

3.2 生態(tài)需水計算結(jié)果評價指標(biāo)

為了加強生態(tài)需水過程與水資源管理方面的聯(lián)系，設(shè)定了以下統(tǒng)計指標(biāo)定量評價生態(tài)需水計算結(jié)果：

a.生態(tài)供水年保證率PS。河道內(nèi)生態(tài)需水計算是為了更好地指導(dǎo)調(diào)度運營部門進行河道生態(tài)供水。在沒有任何水庫調(diào)節(jié)的情況下，以河流天然徑流過程作為河道的生態(tài)供水，PS計算方法與常規(guī)的供水保證率相同。PS值越大表示供水保證程度越高。

c.生態(tài)供水缺水指數(shù)Ie。生態(tài)供水過程應(yīng)盡可能與河道內(nèi)生態(tài)需水過程相吻合，本文選用生態(tài)供水缺水指數(shù)描述生態(tài)供水過程與生態(tài)需水過程的波動情況，其值越小表示與河道內(nèi)生態(tài)需水過程之間的吻合度越高，波動性越小，其計算公式為

(1)

式中：T為運行總時段；Qst、Qdt分別為t時段河道內(nèi)生態(tài)供水流量和需水流量，m3/s。

d.生態(tài)供水閾值區(qū)間保證率PRVA。對于徑流資料豐富的地區(qū)，計算獲得RVA生態(tài)需水閾值區(qū)間，低于或者超過該區(qū)間的時段均不利于河道內(nèi)水生生物的繁衍與生存，故被定義為破壞時段，其他時段被定義為適宜時段。在調(diào)度期內(nèi)統(tǒng)計所有時段的生態(tài)供水過程，計算PRVA，其值越高，表明河段處于適宜狀態(tài)的時段越多，越有利于河道生態(tài)系統(tǒng)的和諧發(fā)展。PRVA計算公式為

(2)

其中

式中：qeut、qedt分別為t時段內(nèi)RVA生態(tài)需水指標(biāo)上、下限，m3/s。

4 考慮徑流非一致性的河道內(nèi)生態(tài)需水計算框架

4.1 徑流非一致性診斷方法

氣候變化和人類活動是影響流域水資源和水循環(huán)的兩個驅(qū)動性因素，已成為當(dāng)前研究熱點問題之一。水文序列是一定時期內(nèi)氣候條件以及人類活動等綜合作用的產(chǎn)物，受多種因素影響，隨著時間的推移，流域內(nèi)徑流序列一致性也有可能遭到破壞，即徑流序列可能發(fā)生變異[21]。本文選取有序聚類法[22]、累積距平法[23]和Mann-Kendall(M-K)秩次檢驗法[24]對徑流序列進行非一致性診斷。

根據(jù)生物進化理論，生物在常年的進化過程中形成了相應(yīng)的生存習(xí)性，對一致性破壞前徑流過程的適應(yīng)性和滿意度更高。本文選用變異前的徑流序列計算河道內(nèi)生態(tài)需水過程，旨在通過合理的水庫調(diào)度，盡可能在現(xiàn)狀生存環(huán)境下還原水生生物生存所需的流量環(huán)境。

4.2 計算框架

結(jié)合一致性審查、河道內(nèi)生態(tài)需水計算和評價，構(gòu)建考慮徑流非一致性的河道內(nèi)生態(tài)需水計算框架，主要包括以下3步：①對徑流序列進行一致性審查，若出現(xiàn)變異點，則將徑流序列分為變異前和變異后兩部分；②以河道內(nèi)魚類為保護對象，充分結(jié)合魚類的洄游產(chǎn)卵期季節(jié)性特點，選取變異前徑流序列計算河道內(nèi)生態(tài)需水過程；③根據(jù)有無詳盡資料，分別選用Tennant法和RVA法分析生態(tài)需水等級，采用評價指標(biāo)定量描述相應(yīng)生態(tài)需水過程的性能，分別推薦理想、最小和適宜的河道內(nèi)生態(tài)需水過程。

5 實例應(yīng)用

陜西省引漢濟渭跨流域調(diào)水工程對緩解關(guān)中地區(qū)水資源短缺壓力、改善渭河生態(tài)具有重要作用，到2030年年調(diào)水量平均可達15億m3，可有效改善省內(nèi)水資源分布與地區(qū)發(fā)展水平不匹配的局面[25]。然而，大量水外調(diào)對水源區(qū)河道生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一定影響，合理的河道內(nèi)生態(tài)需水過程有助于推進引漢濟渭多目標(biāo)調(diào)度實踐。

5.1 徑流一致性審查

本文分別對黃金峽水庫和三河口水庫入庫徑流序列(1954—2009年)進行一致性進行審查，結(jié)果如表1所示。由表1可知，黃金峽和三河口水庫入庫徑流變異點均為1990年。根據(jù)之前的研究[26]，漢江上游和子午河流域的徑流豐枯同步概率達到78%，二者水文變化規(guī)律基本一致，因此變異點一致的結(jié)果合理，同時，該結(jié)果與Chang等[27]對漢江上游石泉—喜河—安康梯級電站聯(lián)合調(diào)度的研究成果相符，結(jié)果可靠。

表1 入庫徑流一致性審查結(jié)果Table 1 Consistency review results of runoff series

5.2 河道內(nèi)生態(tài)需水過程計算結(jié)果

漢江中上游魚類資源豐富，據(jù)不完全統(tǒng)計共有魚類89種，分布天然魚類產(chǎn)卵場10余處，魚類從河道水位上漲(桃汛期)時開始產(chǎn)卵：3月上旬至4月中旬，鯉魚開始產(chǎn)卵，清明前后達到高峰期；5—6月，細鱗鲴在黃金峽的長新灘、黃龍灘的急流險灘處開始產(chǎn)卵；6月下旬至7月上旬，四大家魚從石泉水庫逆流而上開始產(chǎn)卵[28]。因此，本文設(shè)定漢江上游魚類產(chǎn)卵和育幼期為每年3—7月，并盡可能增大該時間段內(nèi)的河道生態(tài)流量，保障魚類繁衍條件。

在Tennant法中選取Tennant-好(常規(guī)時期和魚類產(chǎn)卵、育幼期的流量占比分別為20%和40%)和Tennant-差(常規(guī)時期和魚類產(chǎn)卵、育幼期的流量占比均為10%)兩個等級，加上工程設(shè)計流量過程、年內(nèi)展布法、Q90法和頻率法總計得到黃金峽水庫下游河道6個生態(tài)需水過程，結(jié)果如圖1所示。其中，在頻率法計算時選取了Gamma分布、廣義極值分布和對數(shù)正態(tài)分布擬合徑流變量的概率密度函數(shù)，采用Kolmogorov-Smirnov檢驗分析分布可行性，采用均方根誤差評價分布擬合優(yōu)度，采用赤池信息準(zhǔn)則確定出最優(yōu)分布。

圖1 黃金峽水庫下游河道生態(tài)需水過程與RVA生態(tài)需水閾值區(qū)間Fig.1 Ecological water demand process and RVA ecological water demand threshold interval in lower reaches of Huangjinxia Reservoir

5.3 河道內(nèi)生態(tài)需水過程推薦結(jié)果

考慮洋縣水文站和兩河口水文站均具有符合條件的日徑流資料，選擇已有資料模式對河道內(nèi)生態(tài)需水進行評價。結(jié)合RVA法研究成果，把年內(nèi)各月平均流量指標(biāo)可能發(fā)生的概率設(shè)定為25%和75%，以此作為河道內(nèi)生態(tài)需水閾值區(qū)間，其中25%和75%分別對應(yīng)閾值區(qū)間的下限和上限。

從圖1可以看出，除了設(shè)計流量過程和Q90法的結(jié)果以外，其他4組生態(tài)需水過程的變化趨勢基本一致，整體上汛期的生態(tài)需水高于非汛期；從12月至次年3月，生態(tài)需水過程設(shè)計值大于或者接近Tennant-好、Tennant-差、年內(nèi)展布法、Q90法的結(jié)果；6組生態(tài)需水過程中，頻率法的結(jié)果中除了7月略高以外，其他月份基本都在RVA生態(tài)需水閾值區(qū)間內(nèi)，Tennant-好對應(yīng)的生態(tài)需水過程在7—9月和4—6月處于RVA生態(tài)需水閾值區(qū)間內(nèi)，年內(nèi)展布法的結(jié)果在6—7月處于RVA生態(tài)需水閾值區(qū)間內(nèi)，表明黃金峽水庫下游河道內(nèi)生態(tài)需水的計算標(biāo)準(zhǔn)相對偏低。

以RVA生態(tài)需水閾值區(qū)間為基礎(chǔ)，在區(qū)間內(nèi)繪制6種調(diào)水過程的下包線，即6—7月采用年內(nèi)展布法計算，8—9月和4—5月選擇Tennant-好計算，10月至次年3月選用頻率法計算，綜合以上3種方法，匯總黃金峽水庫下游河道內(nèi)生態(tài)需水過程計算結(jié)果。

根據(jù)河道內(nèi)生態(tài)需水計算評價體系中的指標(biāo)設(shè)置，假設(shè)在沒有任何水利工程的情況下，以天然來水為生態(tài)供水過程，本文計算了包括下包線法在內(nèi)的7組生態(tài)需水過程的評價指標(biāo)，結(jié)果如表2所示。

表2 黃金峽水庫下游河道內(nèi)生態(tài)需水評價指標(biāo)計算結(jié)果Table 2 Results of ecological water demand evaluation indices in lower reaches of Huangjinxia Reservoir

a.在生態(tài)供水閾值區(qū)間保證率、年保證率、最大破壞深度和平均破壞深度方面，Q90法生態(tài)需水過程的指標(biāo)最優(yōu)，但生態(tài)供水缺水指數(shù)最高，表明在該情況下，以“極限流量”維持河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境基本功能的目標(biāo)比較容易滿足，但生態(tài)供水總量較少，忽略了徑流的天然水情變化規(guī)律。

b.在生態(tài)供水缺水指數(shù)方面，頻率法性能最好，表明該種模式更貼近天然徑流的水情變化規(guī)律，計算結(jié)果更適合水生生物的生存與繁衍。

c.隨著Tennant法中生態(tài)環(huán)境狀況等級提升，生態(tài)供水缺水指數(shù)顯著減小，表明水生生物的生存環(huán)境可進一步改善；Tennant-差的指標(biāo)整體上優(yōu)于Q90法和設(shè)計值，尤其是生態(tài)供水缺水指數(shù)，表明在生態(tài)需水總量差距不大的情況下，Tennant法具有一定的優(yōu)勢。

d.下包線法除了生態(tài)供水缺水指數(shù)指標(biāo)相對較差以外，其他指標(biāo)均比頻率法性能好，這與較高的生態(tài)需水標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)，進一步表明天然徑流情況不一定適合生物繁衍生存，有必要進行適當(dāng)豐枯調(diào)節(jié)。

綜上所述，在滿足RVA生態(tài)需水閾值基礎(chǔ)上，可進一步壓縮生態(tài)需水量，分別選取下包線法、Tennant-好和Tennant-差獲得的生態(tài)需水過程作為理想、適宜和最低生態(tài)需水過程。

與黃金峽水庫下游河道內(nèi)生態(tài)需水獲取步驟相同，可以獲得三河口水庫下游河道內(nèi)理想、適宜和最低生態(tài)需水過程推薦結(jié)果(表3)。

表3 三河口水庫下游河道內(nèi)生態(tài)需水過程推薦結(jié)果 單位：m3/sTable 3 Recommended results of ecological water demand in lower reaches of Sanhekou Reservoir unit: m3/s

6 結(jié) 論

a.與其他方法相比，下包線法獲取的河道內(nèi)生態(tài)需水過程在徑流生態(tài)需水閾值區(qū)間內(nèi)，部分月份生態(tài)流量高于生態(tài)需水閾值下限，可有效提高河道內(nèi)生態(tài)需水標(biāo)準(zhǔn)；充分利用生態(tài)需水閾值區(qū)間上限和下限，結(jié)合多種水文學(xué)分析法的優(yōu)勢，可有效避免生態(tài)需水量過大，影響水利工程的興利效益。

b.考慮徑流非一致性的河道內(nèi)生態(tài)需水計算框架的應(yīng)用可充分還原徑流變異前水生物種所需的流量環(huán)境，通過多指標(biāo)評價，推薦多種生態(tài)需水過程，有助于生態(tài)調(diào)度方案的優(yōu)化與決策。

c.引漢濟渭工程設(shè)計生態(tài)需水標(biāo)準(zhǔn)較低，在后續(xù)的研究中可以選擇理想、適宜和最低生態(tài)需水過程為切入點，探討工程調(diào)水與河道生態(tài)系統(tǒng)保障目標(biāo)的潛力，嘗試在保證調(diào)水效益的基礎(chǔ)上，最大化維持水源區(qū)河道生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。