基于多種水文學(xué)法的襄陽市主要河流生態(tài)基流估算

石永強(qiáng)， 左其亭,2

(1. 鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450001；2. 鄭州大學(xué)水科學(xué)研究中心，鄭州 450001)

改革開放以來，隨著人口的增加、工業(yè)化和城市化進(jìn)程的迅速推進(jìn)，我國對水資源的需求不斷增加，水資源開發(fā)力度不斷增強(qiáng)。然而，由于認(rèn)識上的局限性，在發(fā)展經(jīng)濟(jì)和開發(fā)利用水資源的過程中，往往會(huì)忽略生態(tài)系統(tǒng)的用水需求，大量本應(yīng)用于維持生態(tài)系統(tǒng)良性運(yùn)轉(zhuǎn)的水資源被用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活當(dāng)中，自然水文循環(huán)過程受到嚴(yán)重干擾甚至破壞，生態(tài)系統(tǒng)因所需水資源無法得到滿足而急劇退化或受損，出現(xiàn)了一系列諸如河道斷流、濕地萎縮、水質(zhì)惡化、生物多樣性減少等生態(tài)環(huán)境問題，威脅著人類的生存和發(fā)展[1]。水作為河流的主要組成部分，在河流生態(tài)系統(tǒng)中起著重要的、無可替代的決定作用，水資源的多少和水質(zhì)的好壞直接決定著河流生態(tài)系統(tǒng)的健康與否。因此，重視河流生態(tài)系統(tǒng)對水資源的需求，在生產(chǎn)、生活用水的同時(shí)，科學(xué)合理確定維護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)所需水量，是實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用和人水和諧的關(guān)鍵所在。

為避免河流生態(tài)系統(tǒng)退化，美國魚類和野生動(dòng)物保護(hù)協(xié)會(huì)于20世紀(jì)40年代首次提出了河道最小環(huán)境流量的概念[2,3]；1998年Gleick提出了基本生態(tài)需水的概念，即提供一定質(zhì)量和數(shù)量的水給天然生境，以保護(hù)物種多樣性和生態(tài)完整性[4]；劉靜玲等將生態(tài)基流定義為維持或恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與功能所需的最小流量[5]。可見國內(nèi)對生態(tài)基流目前尚無統(tǒng)一的定義，基本上可以認(rèn)為生態(tài)基流是維持河流基本形態(tài)和基本生態(tài)功能的河道內(nèi)最小流量。近年來國內(nèi)學(xué)者在生態(tài)基流確定方面進(jìn)行了大量研究工作[6,7]，如羅小勇等采用Tennant法、最小月90%保證率法以及10 a最枯月平均流量法計(jì)算了漢江各控制斷面的生態(tài)基流量，最后選取最小月90%保證率法的計(jì)算結(jié)果作為生態(tài)基流的值[8]；于松延等利用Tennant法、Texas法等多種水文學(xué)方法對渭河關(guān)中段生態(tài)基流進(jìn)行計(jì)算，最后認(rèn)為Tennant法最優(yōu)[9]。目前已有研究多針對1條河流采用不同方法進(jìn)行生態(tài)基流計(jì)算，然后選取某一種方法的計(jì)算結(jié)果作為該河道的生態(tài)基流。然而一條河流可能同時(shí)適用多種方法，且各種方法的計(jì)算結(jié)果之間并沒有明顯的優(yōu)劣之分，這種情況下生態(tài)基流如何確定尚缺乏研究。本文擬采用多種水文學(xué)法方法對襄陽市幾條代表河流進(jìn)行生態(tài)基流計(jì)算，在對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合每條河流的具體特點(diǎn)及生態(tài)系統(tǒng)的要求，確定出各條河流生態(tài)基流的推薦值。開展襄陽市主要河流的生態(tài)需水計(jì)算，可為襄陽市水資源的合理開發(fā)利用提供依據(jù)，促進(jìn)襄陽市水生態(tài)系統(tǒng)健康和水生態(tài)文明建設(shè)。

1 研究區(qū)概況

襄陽市位于湖北省西北部，漢江中游平原腹地，地跨東經(jīng)110°45′-113°43′，北緯31°14′-32°37′，位于“南水北調(diào)”中線水源地——丹江口水庫的下游，處于承東啟西、南北暢聯(lián)的區(qū)域性交通樞紐地位，歷史上素有“南船北馬”、“七省通衢”之稱。境內(nèi)河流縱橫，水系發(fā)育，有大小河流985條，流域面積在50 km2以上的有131條，100 km2以上的有66條，絕大部分屬漢江流域，西南部屬沮漳河流域。境內(nèi)河流水面面積占全市面積的5.4%。該地區(qū)屬北亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，具有南北過渡型氣候特征。四季分明，光熱充足，雨熱同季。多年平均降雨量919.6 mm，徑流深309.5 mm，總體呈西南向東北遞減，山區(qū)大于崗地。降雨年內(nèi)分布不均，主要集中在4-10月，占全年的80%以上。襄陽境內(nèi)主要河流有漢江、清河、唐白河、唐河、滾河、南河、北河、蠻河、沮河、漳河等，見圖1。

根據(jù)自然地理特征、生態(tài)系統(tǒng)類型、生態(tài)服務(wù)功能重要性、生態(tài)環(huán)境敏感性、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展分區(qū)特點(diǎn)及生態(tài)環(huán)境問題，襄陽市生態(tài)功能區(qū)劃分為鄂西山地森林生態(tài)區(qū)和鄂中北丘陵崗地農(nóng)林生態(tài)區(qū)。鄂西山地森林生態(tài)區(qū)包括谷城、?？岛湍险?縣，該生態(tài)區(qū)主要生態(tài)功能為水源涵養(yǎng)、水土保持、水質(zhì)保護(hù)及生物多樣性維護(hù)。鄂中北丘陵崗地農(nóng)林生態(tài)區(qū)包括襄州區(qū)、樊城區(qū)、襄城區(qū)、老河口市、宜城市和棗陽市，該生態(tài)區(qū)主要生態(tài)功能為生物多樣性與景觀保護(hù)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

2 河流生態(tài)基流的水文學(xué)計(jì)算方法

目前，國內(nèi)外關(guān)于河流生態(tài)流量的計(jì)算方法已有200多種，大致可分為水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地模擬法和整體法4大類。在現(xiàn)階段，由于生物資料并不充分，無法使用棲息地法模擬法，整體法和水力學(xué)法需要大量的時(shí)間以及人力物力，應(yīng)用較為困難[]。水文學(xué)法以歷史流量資料為基礎(chǔ)，采取一定的規(guī)則，來確定生態(tài)流量的推薦值，其優(yōu)點(diǎn)在于操作簡單，因此常用于流域規(guī)劃層面，作為戰(zhàn)略性的評估方法，提供最初的評價(jià)，或者在不允許進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研的情況下使用。常用的水文學(xué)方法包括以下幾種：

(1)Tennant法。該方法由Tennant等人在對美國11條河流進(jìn)行詳細(xì)野外調(diào)研的基礎(chǔ)上提出，構(gòu)建了水深、流速、河寬等棲息地參數(shù)和流量之間的關(guān)系，設(shè)定河流多年平均流量的百分比作為生態(tài)流量估算的標(biāo)準(zhǔn)，不同月份采用的百分比不同(見表1)。其中，多年平均流量的10%可以作為支撐多數(shù)水生生物短期生存棲息地的最小瞬時(shí)流量[1]。

表1 Tennant法中棲息地質(zhì)量和流量的關(guān)系Tab.1 The relationship between the quality ofhabitat quality and flow in Tennannt method

(2)7Q10法。7Q10法將90%保證率下，連續(xù)最枯7 d實(shí)測徑流量的平均值作為河道生態(tài)基流的設(shè)計(jì)值。該方法在20世紀(jì)70年代傳入我國，主要應(yīng)用于有納污需求的河流中，如果在沒有排污目標(biāo)的河流中應(yīng)用，該方法所取得的值一般要大于河流實(shí)際的生態(tài)環(huán)境需水量。

(3)最枯月平均流量法。最枯月平均流量法比較簡潔，直接取最枯月平均實(shí)測流量的多年平均值作為河流的生態(tài)基流量。該方法常需要長系列水文資料，在人類影響比較劇烈的流域，結(jié)果可靠性偏低。該方法采用的公式為：

(1)

式中：Qb為河道生態(tài)基流，m3/s；Qij為第i年第j月實(shí)測平均流量，m3/s；n為統(tǒng)計(jì)年數(shù)。

(4)保證率法。一般采用90%保證率下最枯月平均流量作為生態(tài)基流。保證率法比較適合水量較小，同時(shí)開發(fā)利用程度較高的河流，要求有較長序列(一般不低于20 a)的水文觀測資料。

使用多種水文學(xué)方法對生態(tài)基流進(jìn)行計(jì)算，可避免因使用單一方法而造成計(jì)算結(jié)果不合理。然而，不同水文學(xué)法的計(jì)算結(jié)果可能會(huì)有所差異，且不同河流適用的計(jì)算方法可能不同，給生態(tài)基流的最終確定造成困難。本文選取Tennant法、7Q10法、90%保證率法和最枯月平均流量法等4種水文學(xué)方法對生態(tài)基流進(jìn)行計(jì)算，在對計(jì)算結(jié)果對比分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合每條河流的徑流特征，判斷計(jì)算結(jié)果的合理性。然后結(jié)合河流的生態(tài)需水要求，最終確定襄陽市各條河流的生態(tài)基流的推薦值。

3 基于多種水文學(xué)法的襄陽市主要河流生態(tài)基流估算

3.1 代表河流控制斷面的選取

考慮到根據(jù)各流域氣候和水文特點(diǎn)，每條河流可選擇1個(gè)或多個(gè)斷面，作為生態(tài)基流的控制斷面。控制斷面選取依據(jù)下述原則：①主要河流的重要控制斷面；②重要大中型水利樞紐的控制斷面；③重要水生生物棲息地及濕地等敏感水域控制斷面。為便于監(jiān)控，所選擇的控制斷面應(yīng)盡可能與水文測站相一致。

依據(jù)上述性原則，結(jié)合資料收集情況，本文選取滾河張集水文站、蠻河挽魚溝水文站、漳河打鼓臺水文站、南河臺口(二)水文站監(jiān)測斷面作為作為代表河流控制斷面。

3.2 代表河流控制斷面徑流量演變趨勢分析

在對生態(tài)基流進(jìn)行計(jì)算之前，需對徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以了解徑流的演變趨勢，判斷其適用的計(jì)算方法。常用的趨勢分析方法有線性傾向估計(jì)、二次平滑、及肯德爾秩次相關(guān)法等，本文采用線性傾向估計(jì)法確定河流徑流量的變化趨勢，各斷面的年徑流的變化情況見圖2。

滾河張集水文站1953年設(shè)立，1965年撤銷，共有13 a實(shí)測徑流資料。通過圖2可以看出，滾河年徑流量變化較為劇烈，最大值出現(xiàn)在1954年，為11.8 億m3，1957年的年徑流量為最小值，為0.741 億m3，極值比達(dá)到了11.9。由于數(shù)據(jù)系列較短，沒有規(guī)律性的變化趨勢。蠻河挽魚溝斷面的年徑流量序列均為1985-2014年，共有30 a實(shí)測徑流資料，年徑流量的最大值為4.40 億m3，最小值為1.09 億m3，極值比為4.05，多年平均年徑流量約2.5 億m3。序列值在均值上下波動(dòng)，振幅較小，呈現(xiàn)出略微下降的趨勢。漳河打鼓臺斷面的年徑流量序列均為1985-2014年，共有30 a實(shí)測徑流資料，年徑流量的最大值為6.20 億m3，最小值為1.45 億m3，極值比為4.28，多年平均年徑流量約3.2 億m3，漳河打鼓臺斷面的年徑流量變化趨勢與蠻河挽漁溝斷面具有較高的一致性。南河臺口(二)斷面年徑流量序列均為1970-2005年，共有36 a實(shí)測徑流資料，年徑流量的最大值為14.80 億m3，最小值為4.45 億m3，極值比為3.33，多年平均年徑流量約9.1 億m3，序列值在均值上下波動(dòng)，振幅較小，呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢。

圖2 襄陽市代表河流控制斷面年徑流量變化Fig.2 The annual runoff change of representative river control sections in Xiangyang city

3.3 代表河流生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果及分析

生態(tài)基流及河流生態(tài)系統(tǒng)的演進(jìn)過程與水生生物的生活史階段有關(guān)。河流水生生物的生長與水、熱同期，在汛期及非汛期對水量的要求不同，因此生態(tài)基流有汛期和非汛期之分。襄陽市河流以雨水補(bǔ)給為主，由于降水年內(nèi)分配不均，年徑流的季節(jié)性變化也很大。地表水年徑流量主要集中在汛期(4-9月)，其量約占全年的67%～83%?？菁?10-1月)只占年徑流的17%～33%。由于汛期生態(tài)基流多能得到滿足，通常對各條河流進(jìn)行生態(tài)基流計(jì)算時(shí)指的是非汛期生態(tài)基流。

本文選取Tennant法(多年平均流量的10%)、7Q10法、90%保證率最枯月平均流量法和最枯月平均流量法計(jì)算各條代表河流控制斷面的非汛期(10-3月)生態(tài)基流；對于汛期(4-9月)，取多年平均流量的30%作為生態(tài)基流的值。幾條代表河流典型斷面非汛期生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 代表河流控制斷面非汛期生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果 m3/s

通過表2可以看出，使用不同方法計(jì)算出的同一個(gè)斷面的生態(tài)基流的值存在差別。對于滾河張家集斷面，Tennant法計(jì)算出的生態(tài)基流值為1.61 m3/s，而其他3種方法計(jì)算結(jié)果為0.27～0.81 m3/s，占多年平均流量的1.7%～5.0%。分析原因可能是因?yàn)樵摂嗝鎸?shí)測徑流系列較短，且滾河上修建了較多的水利工程，徑流受人類影響較大，變幅比較劇烈，不適宜使用后3種方法?？紤]到該流域處在鄂中北丘陵崗地農(nóng)林生態(tài)區(qū)，農(nóng)業(yè)活動(dòng)強(qiáng)度大，對河道水需求較大，為盡可能保證流域內(nèi)農(nóng)業(yè)用水，最終選取生態(tài)基流的最低標(biāo)準(zhǔn)，即多年平均流量的10%作為滾河張集斷面的非汛期生態(tài)基流值，為1.61 m3/s。

蠻河、漳河、南河處在鄂西山地森林生態(tài)區(qū)，該生態(tài)區(qū)主要生態(tài)功能為水源涵養(yǎng)、水土保持、水質(zhì)保護(hù)及生物多樣性維護(hù)，對河流生態(tài)需水的要求較高。對于蠻河挽魚溝斷面，Tennant法計(jì)算出的生態(tài)基流值為0.79 m3/s，而其他3種方法計(jì)算結(jié)果比較接近，為1.02～1.16 m3/s，占多年平均流量的13%～15%。對于漳河打鼓臺斷面，Tennant法計(jì)算出的生態(tài)基流值為1.01 m3/s，其他3種方法計(jì)算結(jié)果比較接近，為1.67～1.99 m3/s，占多年平均流量的17%～20%。考慮到蠻河、漳河對生態(tài)需水的要求較高，最終選取7Q10法、90%保證率法和最枯月平均流量法3者計(jì)算結(jié)果的平均值作為蠻河挽魚溝斷面和漳河打鼓臺斷面的非汛期生態(tài)基流的推薦值，分別為1.10和1.82 m3/s，占多年平均流量的13.9%和18.0%。

對于南河臺口(二)斷面，Tennant法計(jì)算出的生態(tài)基流值為2.84 m3/s，其他3種方法計(jì)算結(jié)果為5.86～7.92 m3/s，遠(yuǎn)大于多年平均流量的10%，占多年平均流量的20%～28%。通過分析可知，該斷面各年份最枯月平均流量值分布比較接近，相差不大，這可能是造成Tennant法的計(jì)算結(jié)果小于其他3種方法的原因。在該斷面所有年份中，最枯月平均流量的最小值為3.38 m3/s，已大于Tennant法計(jì)算結(jié)果2.84 m3/s，因此在確定生態(tài)基流時(shí)不再考慮Tennant法的計(jì)算結(jié)果。又鑒于7Q10法和最枯月平均流量法的計(jì)算結(jié)果偏大，考慮到居民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水需求，最后選取90%保證率最枯月平均流量法的計(jì)算結(jié)果5.86 m3/s作為南河臺口(二)的非汛期的生態(tài)基流。計(jì)算結(jié)果見表3。

3.4 其他主要河流生態(tài)基流估算

襄陽市其他幾條主要河流缺乏逐日徑流序列，只有多年平均流量資料，無法直接對其生態(tài)基流進(jìn)行計(jì)算?？紤]其與上述4條代表河流相似性，結(jié)合其生態(tài)需水要求，分別對每條河流的多年平均流量進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋侗?，進(jìn)而得出襄陽市其他主要河流的非汛期生態(tài)基流推薦值。具體如下：①唐河、唐白河、清河與滾河同處在鄂中北丘陵崗地農(nóng)林生態(tài)區(qū)，農(nóng)業(yè)活動(dòng)強(qiáng)度大，對河道水需求較大，最終選取多年平均流量的10%作為非汛期生態(tài)基流值。②北河靠近南河，兩者的所處的自然地理環(huán)境相似，且都處在鄂西山地森林生態(tài)區(qū)，對河流生態(tài)需水的要求較高因，因此取多年平均流量的20.3%作為北河的非汛期生態(tài)基流值。③沮河與漳河同為沮漳河支流，二者所處的自然地理環(huán)境相似，因此選取多年平均流量的13.9%作為沮河非汛期生態(tài)基流值。④對于漢江，考慮兩岸支流的非汛期生態(tài)基流所占多年平均流量的比例，取最大占比和最小占比的平均值15%作為漢江非汛期生態(tài)基流的比例。

至于汛期生態(tài)基流，即生物敏感期(4-9月)，統(tǒng)一取多年平均流量的30%作為推薦值。由此，最終得到漢江及其他主要河流典型斷面生態(tài)基流及生態(tài)需水見表3。

3.5 代表河流生態(tài)基流保障分析

為分析襄陽市主要河流生態(tài)基流的保障情況，對幾條代表河流各月份的平均流量系列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到各90%保證率的各月份流量，并與生態(tài)基流進(jìn)行對比分析，見圖3?？芍獫L河張集斷面的生態(tài)基流保障情況最差，各月份90%保證率的流量均低于生態(tài)基流值。滾河所在地區(qū)農(nóng)業(yè)活動(dòng)強(qiáng)度較大，修筑有大量攔河壩、水庫等蓄水工程，用于農(nóng)業(yè)灌溉，嚴(yán)重?cái)D占了河道生態(tài)基流。蠻河挽魚溝斷面在1、2、4、5、6、9、12月生態(tài)基流無法保障，原因是蠻河流域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對水資源需求量大，再加上居民生活用水，造成河道內(nèi)生態(tài)基流無法保障。漳河打鼓臺在1、2月生態(tài)基流無法保障。南河臺口(二)斷面的生態(tài)基流保障情況最優(yōu)，在90%保證率條件下，各個(gè)月份的生態(tài)基流都能得到保證。

針對河流生態(tài)基流被嚴(yán)重?cái)D占的現(xiàn)象，必須采取一定的措施保證河道的生態(tài)流量，維護(hù)河流健康，提出以下保障措施。

表3 襄陽市主要河流控制斷面生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果Fig.3 The results of ecological base flow of main river control sections in Xiangyang city

圖3 代表河流控制斷面各月份90%保證率流量與生態(tài)基流對比Fig.3 The comparison between 90% assurance flow and ecological base flow of the representative river control sections

(1)推廣節(jié)水技術(shù)，減少河道取用水量。對于以農(nóng)業(yè)用水比重較大的地區(qū)，應(yīng)大力推廣推廣渠道防滲、管道輸水、噴灌、微灌等節(jié)水灌溉技術(shù)，適當(dāng)調(diào)整調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)，加大耐旱作物種植比例，推廣作物節(jié)水抗旱技術(shù)。抓好工業(yè)節(jié)水，提高工業(yè)用水重復(fù)利用率，在高耗水行業(yè)，引入先進(jìn)節(jié)水工藝。

(2)加強(qiáng)江河湖庫水量調(diào)度管理，完善水量調(diào)度方案。統(tǒng)籌防洪、發(fā)電、灌溉等與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)系，采取閘壩聯(lián)合調(diào)度、生態(tài)補(bǔ)水等措施，協(xié)調(diào)上下游生態(tài)環(huán)境需水量的關(guān)系，合理安排閘壩下泄水量和泄流時(shí)段，維持河流基本生態(tài)用水需求，重點(diǎn)保障枯水期生態(tài)基流。

4 結(jié) 語

本文首先對生態(tài)基流水文學(xué)計(jì)算方法進(jìn)行總結(jié)和對比，結(jié)合資料獲取情況，選取Tennant法、7Q10法、90%保證率法和最枯月平均流量法對襄陽市4條主要河流生態(tài)基流進(jìn)行計(jì)算，在對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比和分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合河流生態(tài)需水要求，確定其生態(tài)基流的推薦值，既避免了因某種方法不適用而出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果不合理的情況，又同時(shí)考慮了多種方法的計(jì)算結(jié)果。對于其他缺乏逐日徑流序列資料的河流，考慮每條河流的實(shí)際特征，結(jié)合上述4條代表河流的計(jì)算結(jié)果，分別對每條河流的多年平均流量進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋侗?，進(jìn)而得出襄陽市其他主要河流的生態(tài)基流推薦值。這樣可以保證無長系列逐日徑流資料河流生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果盡量準(zhǔn)確。最后，將90%保證率下的各月平均流量與計(jì)算出的生態(tài)流量過程比較，發(fā)現(xiàn)滾河、蠻河在枯水年份生態(tài)基流被擠占的現(xiàn)象比較嚴(yán)重，在今后的水資源配置工作中需加強(qiáng)生態(tài)用水的分配。

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