南方季節(jié)性河流河道內(nèi)生態(tài)需水研究
——以長江荊南三口為例

何 蒙，呂殿青，代 穩(wěn)，2

(1.湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410006；2.六盤水師范學(xué)院，貴州 六盤水 553004)

南方季節(jié)性河流河道內(nèi)生態(tài)需水研究
——以長江荊南三口為例

何 蒙1，呂殿青1，代 穩(wěn)1，2

(1.湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410006；2.六盤水師范學(xué)院，貴州 六盤水 553004)

考慮南方季節(jié)性河流年內(nèi)徑流分布嚴(yán)重不均的問題，依據(jù)1951—2015年長江荊南三口5站實(shí)測原型年徑流量序列，采用Mann-Kendall等方法檢測其徑流序列的突變年份，通過GEV概率密度最大流量、汛期最小輸沙量等方法分別計(jì)算了荊南三口河道內(nèi)生態(tài)需水量、輸沙需水量和水質(zhì)凈化需水量。結(jié)果表明：①水文序列的突變年份判別為1970年，由此將水文序列劃分為變異前(1951—1970年)和變異后(1971—2015年)兩段。②水文變異前，河道內(nèi)年生態(tài)需水量、輸沙需水量和水質(zhì)凈化需水量分別為1239.27×108m3、910.01×108m3、425.70×108m3；水文變異后，河道內(nèi)年生態(tài)需水量、輸沙需水量和水質(zhì)凈化需水量分別為563.32×108m3、501.13×108m3、111.54×108m3。③在季節(jié)上，為保障季節(jié)性河流河道內(nèi)全年均滿足生態(tài)流量，1、2、3、4、11、12月份應(yīng)滿足的生態(tài)需水量為1647.28m3/s，5—10月份應(yīng)滿足的生態(tài)需水量分別為873.87m3/s、2499.59m3/s 、5812.76m3/s 、4346.89m3/s 、3901.18m3/s 、1721.70m3/s。④從綜合角度考慮，水文變異下長江荊南三口季節(jié)性河流河道內(nèi)年生態(tài)需水量為752.71×108m3，年輸沙需水量為910.01×108m3，年水質(zhì)凈化需水量為425.70×108m3。

生態(tài)需水量；輸沙需水量；水質(zhì)凈化需水量；季節(jié)性河流；荊南三口

隨著人類活動(dòng)的加劇以及其對生態(tài)環(huán)境影響程度的增強(qiáng)，河流生態(tài)需水問題成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。在全球范圍內(nèi)，生態(tài)環(huán)境需水的計(jì)算方法有200多種[1]，主要包括水文設(shè)定法、水力參數(shù)法和棲息地模擬法等。胡波等人[2]采用生態(tài)需水系數(shù)-水文參數(shù)耦合模型分別計(jì)算了瀾滄江與紅河的河道內(nèi)生態(tài)需水量與生態(tài)需水流量；倪晉仁等[4]結(jié)合觀測資料與河流生態(tài)需水確定原則對黃河下游河流最小生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行了初步研究；于魯冀等人[5]利用斜率法、曲率法和多目標(biāo)評價(jià)法3種改進(jìn)濕周法計(jì)算分析了賈魯河不同頻率年河道內(nèi)生態(tài)需水量，但在生態(tài)需水量的界定方面至今尚無統(tǒng)一的概念。許炯心將天然河流劃分為常流河流與季節(jié)河流，常流河流是指河道內(nèi)常年維持一定流量的河流，而季節(jié)性河流是指一年中某一季或某一段較長的時(shí)間干涸無水的河流[6]。依據(jù)地理學(xué)的定義，河流是由河道和河道中足夠流動(dòng)的水構(gòu)成，而足夠流動(dòng)的水則是河流各項(xiàng)功能的基礎(chǔ)，也是生態(tài)環(huán)境功能的基礎(chǔ)。一般而言，季節(jié)性河流多出現(xiàn)在干旱地區(qū)，但在我國南方豐水地區(qū)，也存在季節(jié)性缺水河流。我國南方季節(jié)性缺水河流，水資源總量豐富，但時(shí)空分布跨度大，許多河流在枯水時(shí)期出現(xiàn)了諸如斷流、水環(huán)境容量驟降等導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)功能損壞的現(xiàn)象[7]。20世紀(jì)50年代以來，長江荊南三口5站在枯水期除松滋河西支的新江口有較少的流量外，其余4站每年均發(fā)生不同程度的斷流現(xiàn)象，尤其是特枯年景，如2006年的沙道觀和管家鋪斷流時(shí)間均達(dá)半年以上[8]，使生態(tài)需水量極度貧乏，同時(shí)河道水體含沙量大，嚴(yán)重?fù)p害河道水生態(tài)系統(tǒng)。在氣候變化和人類活動(dòng)的共同作用下，地表水文過程發(fā)生了顯著的變化，而生態(tài)需水不僅是水資源配置的一個(gè)基本理論問題，更是水資源管理中一個(gè)實(shí)際應(yīng)用問題，為保障南方季節(jié)性河流生態(tài)系統(tǒng)的良性發(fā)展，在水文變異基礎(chǔ)上對河流系統(tǒng)的河道內(nèi)生態(tài)需水進(jìn)行研究很有必要。本文在運(yùn)用Mann-Kendall、累積距平法等方法判別水文突變年份的基礎(chǔ)上，從水文變異前后尺度上，計(jì)算長江荊南三口年與月的河道內(nèi)生態(tài)需水量、年輸沙需水量和年水質(zhì)凈化需水量，為制定該地區(qū)水資源管理、水資源開發(fā)利用和優(yōu)化水利工程生態(tài)水調(diào)度方案等提供參考。

1 研究區(qū)概況與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源

荊江是指長江干流枝城至城陵磯河段的別稱，全長約360km。荊南三口(荊江南岸的松滋河、虎渡河、藕池河口)是指分泄長江水進(jìn)入洞庭湖北部地區(qū)所組成的水網(wǎng)[9]。其在豐水季節(jié)，水流豐沛，甚至洪水奔涌，且含沙量大；而枯水季節(jié)，河水?dāng)嗔?，河床裸露：為典型的南方季?jié)性缺水河流。

本文選取位于荊南三口河系的5個(gè)主要水文控制站點(diǎn)(即松滋口的新江口站和沙道觀、虎渡口的彌陀寺站、藕池河的管家鋪站和康家崗站)的總年徑流量與總輸沙量數(shù)據(jù)作為判別變異點(diǎn)、計(jì)算年生態(tài)需水量、輸沙需水量的原始數(shù)據(jù)，采用其月徑流量觀測數(shù)據(jù)作為逐月計(jì)算生態(tài)需水量的原始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來自于湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院和湖南省水文資源勘測網(wǎng)站上的水情日報(bào)表。部分缺失數(shù)據(jù)通過與相鄰的水文站水文序列建立回歸關(guān)系進(jìn)行插補(bǔ)(相關(guān)系數(shù)達(dá)0.8以上)。

2 研究方法

在氣候和人類活動(dòng)的雙重影響下，水文序列往往發(fā)生變異，使得前后水文序列的總體分布不一致，不符合水文資料的一致性要求。于是選用長江荊南三口五站1951—2015年總徑流量作為考察水文變異的指標(biāo)，通過水文變異點(diǎn)來劃分水文變異前后水文序列，并據(jù)此利用荊南三口總年徑流量、月均流量、月輸沙量計(jì)算水文變異前后長江荊南三口河道內(nèi)生態(tài)需水量、輸沙需水量和水質(zhì)凈化需水量，以便作比較分析。

2.1 水文突變年份的檢驗(yàn)

近60多年來長江中上游地區(qū)修建了荊江系統(tǒng)裁彎、葛洲壩水利樞紐、三峽水庫等眾多水利工程，從而改變了荊江河段的水沙輸送量及分配時(shí)間。受其影響，荊南三口一方面水沙量減少，另一方面在枯水季節(jié)，除松滋河西支的新江口外，其余4站每年均發(fā)生不同程度的斷流現(xiàn)象，且斷流天數(shù)呈逐期增加趨勢(表1)。因此需要檢驗(yàn)水文序列的異點(diǎn)，便于比較水文變異前后荊南三口河道內(nèi)生態(tài)需水量、輸沙需水量和水質(zhì)凈化需水量。

考慮單一檢測方法有其適用流域的局限性，本研究分別運(yùn)用M-K檢驗(yàn)法[10-11]、累計(jì)距平法[9]及滑動(dòng)t檢驗(yàn)法[12]聯(lián)合判斷長江荊南三口5個(gè)控制站(新江口站、沙道觀、彌陀寺、管家鋪和康家崗)近65年的總年徑流(5站年徑流量之和)突變年份。然后將以上三種方法的檢測結(jié)果進(jìn)行綜合分析，確定荊南三口河系徑流序列的變異點(diǎn)。

表1 荊南三口各時(shí)期平均斷流天數(shù)[8]

2.2 河道內(nèi)生態(tài)需水量計(jì)算方法

對于河流生態(tài)系統(tǒng)而言，流量、水位、流速、水質(zhì)等都是限制生物發(fā)展的重要生態(tài)因子。其中流量不僅與河流生態(tài)系統(tǒng)的限制性因子有關(guān)，而且是其系統(tǒng)的重要限制因子，因此可將流量作為計(jì)算河道內(nèi)生態(tài)需水量的原始數(shù)據(jù)。在生物生長與發(fā)展的過程中會(huì)存在其最適生存環(huán)境，而生物在最適環(huán)境中，具有個(gè)數(shù)最多、生長速度最快、生長得最好的特征，隨著生態(tài)環(huán)境偏離最優(yōu)狀態(tài)，該生物雖然可以出現(xiàn)生長，但生長速度減慢，且當(dāng)生態(tài)因子繼續(xù)偏離最適值，超過耐受上限，該物種就不再生長，個(gè)數(shù)減少，直到消失。而長期的自然選擇使得生物適應(yīng)出現(xiàn)頻率較高的環(huán)境因子，所以頻率最大的流量最適合河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)[13]。因此，本文采用廣義極值(GEV)分布的頻率最大處流量作為河道內(nèi)生態(tài)需水量，并運(yùn)用P-Ⅲ型分布90%頻率流量與其結(jié)果進(jìn)行比較。

2.2.1 GEV概率密度最大流量法

GEV概率密度分布函數(shù)為：

(1)

(2)

式中：σ是尺度參數(shù)，影響分布尺度；μ是位置參數(shù)，影響分布水平位置；ξ是形狀參數(shù)，影響分布尾部情況，ξ=0、ξ>0和ξ<0分別對應(yīng)Gumbel分布、Weibull分布和Frechet分布。

運(yùn)用線形矩法對GEV分布進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。將觀測到的n個(gè)樣本值的變量X從小到大排列。xj為序列中第j個(gè)值。前三階的L-矩l1、l2、l3及L-偏態(tài)系數(shù)t3為：

(3)

(4)

(5)

(6)

由式(3)～(6)可估算出GEV參數(shù)：

(7)

(8)

(9)

式中：Γ(1+ξ)為伽馬函數(shù)。

對(1)式進(jìn)行最值分析，得頻率最大處流量(即各月河道內(nèi)生態(tài)流量)為：

(10)

2.2.2P-Ⅲ型90%保證率法

P-Ⅲ型曲線與水文現(xiàn)象符合較好，在水文計(jì)算中廣為采用，P-Ⅲ型頻率分配(密度)曲線有很復(fù)雜的數(shù)學(xué)形式，此處不做詳細(xì)贅述，僅將簡易計(jì)算方式列出：將觀測到的n個(gè)樣本值的變量X從大到小排列，xi為序列中第i個(gè)值：

(11)

(12)

經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得90%頻率各月河道內(nèi)生態(tài)流量為：

(13)

式中：Cv為離差系數(shù)，表示系列的相對離散程度；Ki為模比系數(shù)；Cs為偏差系數(shù)，它反映隨機(jī)變量偏離均值的情況；Ф為離均系數(shù)，此處根據(jù)90%頻率和偏差系數(shù)Cs查附表Ф值(福斯特-雷布京)表，再用(13)式計(jì)算x90%值即各月河道內(nèi)生態(tài)流量。

2.3 河道內(nèi)輸沙需水和水質(zhì)凈化需水量計(jì)算方法

水流和泥沙既是塑造河流形態(tài)的物質(zhì)基礎(chǔ)，又是水生動(dòng)植物生長繁殖的必備水文條件。由于長江荊南三口具有斷流期長、含沙量大、水污染嚴(yán)重等水文特征，因此在研究該地區(qū)河道內(nèi)生態(tài)需水量時(shí)，還應(yīng)當(dāng)考慮河流輸沙需水量和水質(zhì)凈化需水量。輸沙需水量的計(jì)算采用汛期最小輸沙量法[14]，計(jì)算公式如下：

(14)

式中：W為輸沙需水量(108m3)，St為多年平均輸沙量(t)，Cmax為多年最大月平均含沙量的平均值，Cij為第i年j月的月平均含沙量(t/m3)；n為統(tǒng)計(jì)年數(shù)。

水質(zhì)凈化生態(tài)需水量就是改善河道內(nèi)水質(zhì)所需要的基本水量，我國一般采用近10a最枯月平均流量或90%最枯月平均流量法[15]?？紤]出現(xiàn)水文變異情況時(shí)，水文變異前后水文序列長度未必相等，且荊南三口枯水期長期斷流，全年徑流基本集中在汛期，因此采用90%保證率汛期最小月平均流量法計(jì)算荊南三口的自凈需水量。

3 結(jié)果與分析

3.1 水文序列突變年份

將1951—2015年長江荊南三口5站總年徑流量的Mann-Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量分為兩段，并將結(jié)果與α=0.05對應(yīng)的正態(tài)分布區(qū)間Uα∈(-1.96,1.96)進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，1951—2015年荊南三口徑流變化過程在整體上呈現(xiàn)減少趨勢，可信度達(dá)到95%。UF、UB統(tǒng)計(jì)量如圖2，在1951—2015年荊南三口徑流變化過程中，出現(xiàn)突變年份是1969年和1988年。

為驗(yàn)證用M-K檢驗(yàn)法檢驗(yàn)的荊南三口徑流量變化過程中的突變年份，本文采用徑流量累計(jì)距平法和滑動(dòng)t檢驗(yàn)法作進(jìn)一步檢驗(yàn)。由累計(jì)距平法所得結(jié)果可知，荊南三口徑流過程在1951—2015年發(fā)生兩次突變(圖3)，其突變年份分別是1970年和1980年。由滑動(dòng)t檢驗(yàn)法所檢驗(yàn)的結(jié)果為1970年(圖4)。

將以上三種方法檢測出的突變年份進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明：用M-K檢測的1969年前后為突變點(diǎn)的可信度達(dá)到95%，1980年為突變年份的可信度不顯著，而累計(jì)距平法和滑動(dòng)t檢驗(yàn)法檢測出的突變年份均包含1970年，與M-K法檢測出的突變年份基本無異。由此，可以判定長江荊南三口徑流序列在1970年前后發(fā)生突變。而在此期間下荊江正在實(shí)施系統(tǒng)裁彎取直工程，說明此工程對荊南三口徑流量改變的影響較為顯著。

3.2 河道內(nèi)生態(tài)需水量

根據(jù)以上變異年份將所研究水文序列分為變異前(1951—1970年)與變異后(1971—2015年)兩時(shí)段。一般而言，計(jì)算河道內(nèi)生態(tài)需水時(shí)，只考慮水文變異點(diǎn)前水文序列，但由于荊南三口的河流為季節(jié)性河流，全年徑流量大部集中在5—10月份，而1、2、3、4、11及12月份，除松滋河西支的新江口外，其余4站每年均發(fā)生不同程度的斷流現(xiàn)象。河流斷流則說明河道內(nèi)沒有流動(dòng)的水，根本無法滿足河道內(nèi)生物生存、繁衍所需要的水量。更為重要的是，以荊江系統(tǒng)裁彎工程、葛洲壩水利樞紐和三峽水庫等水利工程建設(shè)為代表的人類活動(dòng)已對荊南三口水沙環(huán)境造成了不可逆轉(zhuǎn)的影響。從這一角度出發(fā)，本研究課題組認(rèn)為，在對比分析水文變異前后生態(tài)需水量變化的基礎(chǔ)上，將水文變異后的計(jì)算結(jié)果作為荊南三口季節(jié)性河流河道內(nèi)生態(tài)需水量更有現(xiàn)實(shí)意義。由于水文現(xiàn)象既具有必然性, 又具有隨機(jī)性, 因此計(jì)算河道內(nèi)生態(tài)流量除運(yùn)用GEV概率密度最大流量法外, 還要與P-Ⅲ型90%保證率法進(jìn)行比較。

3.2.1 GEV概率密度最大流量法計(jì)算結(jié)果

運(yùn)用GEV概率密度最大流量法，對荊南三口水文變異前(1951—1970年)1月平均流量序列進(jìn)行矩參數(shù)估計(jì)，得到變異前1月份參數(shù)：

ξ= -0.16173，σ= 54.9334，μ=100.7246

由(10)式計(jì)算變異前1月份頻率最大流量為:

x=σ/ξ[(ξ+1)-ξ-1]+μ=110.27(m3/s)

以同樣的方法可分別計(jì)算出變異前后其它月份頻率最大流量(表2)及頻率最大年徑流量。

水文變異前后頻率最大年徑流量分別為1239.27×108m3和563.32×108m3。如圖5顯示，水文變異前(1951—1970年的20個(gè)年份)年徑流量未滿足河道內(nèi)生態(tài)需水量(1239.27×108m3)的年份有1953、1959、1960、1966、1967、1969與1970等7個(gè)年份；滿足河道內(nèi)生態(tài)需水量的有13個(gè)年份，且這13年的年均徑流量為1514.40×108m3。水文變異后(1971—2015年的45個(gè)年份)，年徑流量未滿足河道內(nèi)生態(tài)需水量(563.32×108m3)的年份有1986、1992、1994、1997、2001、2002、2003、2004、2006、2007、2008、2009、2010、2011、2013、2014及2015年等17個(gè)年份；而滿足河道內(nèi)生態(tài)需水量的有28個(gè)年份，其年均徑流量為771.60×108m3，遠(yuǎn)大于其生態(tài)需水量563.32×108m3。水文變異后，生態(tài)徑流減少量較大，但水利工程對荊南三口水環(huán)境的影響不可逆轉(zhuǎn)，由此課題組認(rèn)為，在按照年徑流量對荊南三口實(shí)施水利工程調(diào)控時(shí)，應(yīng)在滿足河道內(nèi)生態(tài)需水量563.32×108m3的基礎(chǔ)上，再盡可能達(dá)到771.60×108m3的水量, 這將對維持河道水生態(tài)系統(tǒng)健康更為有利。

表2 長江荊南三口各月河道內(nèi)生態(tài)需水量及頻率滿足表

相比于北方缺水地區(qū)的季節(jié)性河流而言，南方豐水地區(qū)的季節(jié)性河流總量豐富、需水量要求大，但時(shí)空分布跨度大，許多河流在枯水時(shí)期出現(xiàn)不同程度的斷流現(xiàn)象，季節(jié)性缺水特征明顯。考慮荊南三口全年徑流高度集中在5—10月份，且枯水期長期斷流等因素，在計(jì)算整個(gè)序列的河道內(nèi)生態(tài)需水量時(shí)還應(yīng)當(dāng)逐月進(jìn)行討論。如果在水文序列中某年某月平均流量大于或等于對應(yīng)月的生態(tài)需水流量，則認(rèn)為該年該月滿足了河道內(nèi)生態(tài)需水量，否則該月未滿足河道內(nèi)生態(tài)需水量。于是將各月滿足生態(tài)需水量的年份除以研究的總年數(shù)，求出滿足生態(tài)流量的頻率(表2)。如表2所示，水文變異前后生態(tài)需水量的滿足頻率基本保持在50%～70%，且各月份滿足頻率在水文變異前后差別不大，甚至某些月份的滿足頻率在水文變異后還略大于變異前，如6、8、9等月份。這是由于水文變異后各月份月均流量減少，河道內(nèi)生態(tài)需水量的標(biāo)準(zhǔn)不同。如7月份的生態(tài)流量從變異前的10992.67m3/s下降至變異后的5812.76m3/s，變異前后相差5000m3/s以上，可見水文變異后，荊南三口河道內(nèi)的生態(tài)流量大幅度減少，生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化。

從圖6長江荊南三口逐月生態(tài)流量曲線可以看出，水文變異前后1、2、3、4、12月份的生態(tài)流量變化較小，5—11月份生態(tài)流量變化較大，尤其是7—9月份，減少量均在4500m3/s以上，這主要是三峽水庫調(diào)洪調(diào)度所致。1—5月份和11—12月份的生態(tài)流量在水文變異前后都未達(dá)到其平均生態(tài)流量，且1、2、3、4、12月份在水文變異前的生態(tài)流量還未及變異后的平均生態(tài)流量(1647.28m3/s)。可見，1、2、3、4、12月份的流量無論在變異前還是在變異后都無法達(dá)到生態(tài)需水的要求。因此，為保障季節(jié)性河流河道內(nèi)全年均滿足生態(tài)流量，應(yīng)將水文變異后的平均生態(tài)流量作為枯水期1、2、3、4、11、12月份的生態(tài)需水量，水文變異后5—10月份的頻率最大流量作為相對應(yīng)月份的生態(tài)需水量。由以上分析可知，在按照月均流量對荊南三口實(shí)施水利工程調(diào)控時(shí)，1、2、3、4、11、12月份應(yīng)滿足的生態(tài)需水量為1647.28m3/s，5—10月份應(yīng)滿足的生態(tài)需水量依次為873.87m3/s、2499.59m3/s、5812.76m3/s、4346.89m3/s、3901.18m3/s、1721.70m3/s。

依照上述生態(tài)流量數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)化為生態(tài)徑流量得全年的生態(tài)需水量為752.71×108m3，其結(jié)果比按頻率最大年徑流量所得結(jié)果563.32×108m3更大，且與水文變異后28個(gè)滿足生態(tài)需水量年份的年均徑流量771.60×108m3基本無異。由此可見，對于南方河流徑流分布不均的季節(jié)性河流而言，按月考慮河道內(nèi)生態(tài)需水量更為合理。

3.2.2 與P-Ⅲ型90%保證率法比較

運(yùn)用(11)、(12)式得到水文變異前1月份的模比Ki，求得離差系數(shù)Cv的值為0.53，運(yùn)用適線法(圖7)選取合適的Cs值，并查表得出Ф值，運(yùn)用(13)式求出變異前1月份生態(tài)流量x90%=95.68m3/s。以同樣的方式計(jì)算出P-Ⅲ型90%保證率法中變異前后各月份的生態(tài)流量(表3)。通過比較GEV概率密度最大流量法與P-Ⅲ型90%保證率法的計(jì)算結(jié)果可以看出，無論是水文變異前還是變異后，GEV概率密度最大流量法的計(jì)算結(jié)果皆大于90%保證率法的計(jì)算結(jié)果，說明其計(jì)算結(jié)果也適用于90%保證率下的徑流。通過采用Kolmogorov-Smirnov(K-S)法檢驗(yàn)兩種方法計(jì)算結(jié)果的擬合程度，水文變異前后兩者的漸近顯著性皆為0.996，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.05，說明兩樣本都服從于同一分布。此外，將P-Ⅲ型90%保證率法、GEV概率密度最大流量法與Tennant法[16]進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩種方式所得河道內(nèi)生態(tài)需水量都在Tennant法“好”等級以上。因此，采用GEV概率密度最大流量法計(jì)算河道內(nèi)生態(tài)需水量是可行的。

表3 兩種生態(tài)需水量計(jì)算方法對比 (m3/s)

3.3 輸沙需水量和水質(zhì)凈化需水量

長江荊南三口河系豐水期平均流量較大，輸沙也主要靠豐水期較大的流量完成。根據(jù)公式(14)計(jì)算得出水文變異前年輸沙需水量為910.01×108m3，小于其生態(tài)需水量(即1239.27×108m3)；水文變異后年輸沙需水量為501.13×108m3，也小于其生態(tài)需水量(563.32×108m3)。據(jù)統(tǒng)計(jì)水文變異前僅有1969年的年徑流量未滿足輸沙需水量(910.01×108m3)，其它19個(gè)年份均滿足輸沙需水，且滿足年份的年均徑流量為1389.84×108m3；變異后，有1994、1997、2001、2006、2009、2011、2013、2015等8個(gè)年份無法滿足輸沙需水(501.13×108m3)，其它37個(gè)年份均滿足輸沙需水量，且這37個(gè)年份的年均徑流量為715.47×108m3。根據(jù)90%汛期最枯月平均流量法可得荊南三口水文變異前后年水質(zhì)凈化需水量分別為425.70×108m3、111.54×108m3。據(jù)統(tǒng)計(jì)，變異前后所有年份的徑流量皆能滿足水質(zhì)凈化需水，且變異前后各年份年均徑流量分別為1365.52×108m3、652.74×108m3。

由表4可以看出，在生態(tài)需水量、輸沙需水量和水質(zhì)凈化需水量這三類需水量中，無論是變異前還是變異后生態(tài)需水量的值都最大。但從輸沙需水量的角度來看，由于泥沙是固體物質(zhì)，輸沙對水量的需求也應(yīng)當(dāng)更大；而更重要是，水文變異后荊南三口水量的減少趨勢明顯，但沙量的減少卻并不穩(wěn)定，且變異前后其含沙量都較大，使得水文變異后泥沙淤積更為嚴(yán)重。因此，為保障河道內(nèi)具有良好的輸沙能力，將水文變異前的輸沙需水量(910.01×108m3)作為水文變異下荊南三口季節(jié)性河流河道內(nèi)的輸沙需水量更適宜。從水質(zhì)凈化需水量的角度考慮，隨著荊南三口斷流天數(shù)逐期增加，其水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)也大大降低。改革開放以來，隨著工業(yè)的迅速發(fā)展以及城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，使得水體污染日益嚴(yán)重，所需凈化的水量大，在水文變異后的水資源分布條件下，實(shí)現(xiàn)荊南三口水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)的可能性極低。所以，為達(dá)到水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)，本文將水文變異前的水質(zhì)凈化需水量(425.70×108m3)作為水文變異下荊南三口季節(jié)性河流河道內(nèi)的輸沙需水量。

表4 長江荊南三口三類需水量比較 (108m3)

4 結(jié)論與討論

根據(jù)長江荊南三口季節(jié)性河流河道內(nèi)徑流演變特征以及生態(tài)需水、輸沙需水、水質(zhì)凈化需水的要求，在水文變異條件下長江荊南三口季節(jié)性河流河道內(nèi)年生態(tài)需水量為752.71×108m3，輸沙需水量為910.01×108m3，水質(zhì)凈化需水量為425.70×108m3。

(1)由于水文現(xiàn)象既具有必然性, 又具有隨機(jī)性, 為保障河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展，其生態(tài)流量應(yīng)要適應(yīng)不同流量保證率下的環(huán)境，因此在計(jì)算河道內(nèi)生態(tài)流量時(shí)，運(yùn)用GEV概率密度最大流量法與P-Ⅲ型90%保證率法進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)二者的擬合程度較高，且計(jì)算結(jié)果都在Tennant法好等級以上，從而認(rèn)為運(yùn)用GEV概率密度最大流量法計(jì)算河道內(nèi)生態(tài)需水量可行。

(2)從年際上看，長江荊南三口水文變異前(1951—1970年的20個(gè)年份)河道內(nèi)年生態(tài)需水量為1239.27×108m3，年徑流量未滿足河道內(nèi)生態(tài)需水量的年份有7個(gè)；水文變異后(1971—2015年的45個(gè)年份)，河道內(nèi)生態(tài)需水量為563.32×108m3，年徑流量未滿足河道內(nèi)生態(tài)需水量的有17個(gè)年份。通過前后對比分析發(fā)現(xiàn)，兩者的生態(tài)徑流相差較大，但以水利工程為代表的人類活動(dòng)已對荊南三口河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境造成了不可逆轉(zhuǎn)的影響。鑒于此，本課題組認(rèn)為把水文變異后的生態(tài)徑流量作為水文變異下荊南三口季節(jié)性河流的生態(tài)需水量更為合理。從季節(jié)上看， 1—5月份以及11、12月份的生態(tài)流量在水文變異前后都未達(dá)到其平均生態(tài)流量，且變異前1、2、3、4、12月份的生態(tài)流量還未及水文變異后的平均生態(tài)流量(1647.28m3/s)。由此可見，1、2、3、4、12月份的流量無論在變異前還是在變異后都無法達(dá)到生態(tài)需水的要求。為保障季節(jié)性河流河道內(nèi)全年均滿足生態(tài)流量，可將水文變異后的平均生態(tài)流量作為枯水期1、2、3、4、11、12月份的生態(tài)需水量，水文變異后5—10月份的頻率最大流量作為相對應(yīng)月份的生態(tài)需水量。據(jù)此，1、2、3、4、11、12月份應(yīng)滿足的生態(tài)需水量為1647.28 m3/s，5—10月份應(yīng)滿足的生態(tài)需水量分別為873.87m3/s、2499.59m3/s、5812.76m3/s、4346.89m3/s、3901.18m3/s、1721.70m3/s。將月均生態(tài)流量轉(zhuǎn)化為生態(tài)徑流量得全年的生態(tài)需水量為752.71×108m3，其結(jié)果比按頻率最大年徑流量所得結(jié)果563.32×108m3更大，且與28個(gè)滿足生態(tài)需水量年份的年均徑流量771.60×108m3基本無異。因此，通過綜合考慮認(rèn)為，將752.71×108m3作為長江荊南三口季節(jié)性河流河道內(nèi)生態(tài)需水量更具合理性。

(3)據(jù)計(jì)算，長江荊南三口水文變異前年生態(tài)需水量、輸沙需水量、水質(zhì)凈化需水量分別為1239.27×108m3、910.01×108m3、425.70×108m3；水文變異后三種需水量分別為563.32×108m3、501.13×108m3、111.54×108m3。通過比較荊南三口水文變異前后年生態(tài)需水量、輸沙需水量、水質(zhì)凈化需水量可知，各需水量前后相差都較大，生態(tài)需水量的值最高。從輸沙需水量來看，一方面，水文變異后荊南三口水量的減少趨勢明顯，但沙量的減少卻并不穩(wěn)定，且變異前后其含沙量都較大，使得水文變異后泥沙淤積更為嚴(yán)重；另一方面由于泥沙是固體物質(zhì)，其對水量的需求也更大。因此，將水文變異前的輸沙需水量(910.01×108m3)作為水文變異下荊南三口季節(jié)性河流河道內(nèi)的輸沙需水量更為合理。從水質(zhì)凈化需水量的角度分析，荊南三口隨著斷流天數(shù)的增加，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)也大大降低，且水文變異后的水質(zhì)凈化需水量結(jié)果較小，水污染嚴(yán)重，實(shí)現(xiàn)荊南三口水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)的可能性極低。在這種狀況下，本文將水文變異前的水質(zhì)凈化需水量(425.70×108m3)作為水文變異下荊南三口季節(jié)性河流河道內(nèi)的輸沙需水量。

(4)水流是河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境的物質(zhì)基礎(chǔ)，又是河道內(nèi)生物繁殖的必備水文條件，而河道內(nèi)生態(tài)需水量是受多種環(huán)境、生物和生態(tài)等因子共同影響的，由于資料獲取困難等原因，本文僅用流量對荊南三口河道內(nèi)生態(tài)需水量、輸沙需水量、水質(zhì)凈化需水量進(jìn)行了計(jì)算。如何有效獲取與量化多種環(huán)境、生物和生態(tài)等因子，并將其融入河道內(nèi)生態(tài)需水量的計(jì)算當(dāng)中，還需要進(jìn)一步研究。

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Research on Ecological Water Demand within the Main Rivers of Seasonal Streams at the ThreeDiversion Entrances in ChangjiangJingjiang River

HE Meng1，LU Dian-qing1，DAI Wen1'2

(1.College of Resources and Environment Science, Hunan Normal University, Changsha Hunan 410006, China)

Considering the yearly uneven runoff distribution in the southern seasonal streams, this article adopted Mann-Kendall method to identify the years when runoff sequence suddenly changes based on the annual runoff time series of prototype tests coming from the three divisions and five stations of ChangjiangJingjiang River from 1951 to 2015. Through GEV′s maximum flow of probability density, the minimum sediment runoff of flood season and other methods, ecological water demand, sediment water demand, and water purification water demand within the rivers of Jingjiang three diversions were separately calculated. The result showed that the sudden change of hydrologic sequence was in 1970. Therefore, hydrologic sequence could be divided into ex ante variation from 1951 to 1970 and ex post variation from 1971 to 2015. Before the hydrologic variation, annual ecological water demand, sediment water demand and water purification water demand were respectively 1 239.27×108 m3, 910.01×108 m3, and 425.70×108 m3. After the hydrologic variation, annual ecological water demand, sediment water demand, and water purification water demand are respectively 563.32×108 m3, 501.13×108 m3, and 111.54×108 m3. In seasons, in order to make ecological water demand within seasonal streams meet the whole year's ecological flow, with the ecological flow of 1 647.28 m3/s in January, February, March, April, November, and December must be ensured. From May to October the ecologic flows were separately 873.87 m3/s, 2 499.59 m3/s, 5812.76 m3/s, 4346.89 m3/s, 3901.18 m3/s, and 1721.70 m3/s. From the general perspectives, ecological water demand within the main rivers of seasonal streams at the three diversion entrances in ChangjiangJingjiang River under hydrologic variation was 752.71×108 m3, the sediment water demand was 910.01×108 m3, and water purification water demand was 425.70×108 m3

ecological flow requirement; water requirements for transporting sediment; water requirement for self-purification of the stream; seasonal water-deficient river; three diversion entrances in ChangjiangJingjiang River

2017-01-17

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41571100)；湖南省重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(2011001)；湖南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(16A129)。

何蒙(1992-),女，湖南瀏陽人，碩士研究生，主要從事生態(tài)需水研究。

呂殿青(1975-),女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤生態(tài)與環(huán)境變化研究。

X52

A

1673-9655(2017)04-0022-09