小清河濟南段生態(tài)基流估算研究

侯昕玥，徐宗學，殷旭旺，武 瑋

(1. 大連海洋大學水產(chǎn)與生命學院，遼寧 大連 116023；2. 北京師范大學水科學研究院，北京 100875； 3. 城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100875；4. 濟南大學，資源與環(huán)境學院，濟南 250022)

生態(tài)基流，指維持河流基本形態(tài)、保證河流生態(tài)系統(tǒng)基本功能不受損害的最低流量。滿足此流量，可以保證河道不斷流，并且能夠避免水生生物群落遭受到不可恢復性的破壞[1]。近幾年，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對水資源的開發(fā)利用主要著重于在農(nóng)業(yè)、工業(yè)及生活用水等方面，目前人們對河道內(nèi)、外用水的需求日益增加，而生態(tài)環(huán)境需水通常不被大家了解和重視，河流生態(tài)系統(tǒng)及其水文情勢受擾動的廣度和深度不斷擴大，導致河道生態(tài)基流不能得以保障，河道頻繁出現(xiàn)斷流現(xiàn)象[2]。

河道生態(tài)基流的研究主要涉及生態(tài)、水利、環(huán)境、農(nóng)業(yè)等多個領域。目前，計算生態(tài)基流的方法大致可分以下四種：水文學方法、水力學方法、生境(棲息地)模擬法和綜合分析(整體)法。楊志峰等[3]對生態(tài)基流計算方法進行系統(tǒng)的分析后表明，水文學法、生境模擬法等幾類方法相對更適合我國。而生境模擬法需要大量生物數(shù)據(jù)和水文資料，計算過程較繁瑣，目前在國內(nèi)還處于探索階段。國內(nèi)應用水文學法進行生態(tài)基流的研究已取得豐富成果。于松延等[4]基于多種水文學方法對渭河流域關(guān)中段的生態(tài)基流進行了估算；石永強等[5]采用多種水文學法估算了襄陽市主要河流的生態(tài)基流；黃強等[6]對原Tennant法進行了改進，引入了環(huán)境比降和季節(jié)系數(shù)，彌補了原Tennant法不能反映河流多沙特性和流量季節(jié)特性的不足；楊裕恒等[7]針對北方地區(qū)補水城市河流與未補水河流定位存在較大差異，提出了流量還原或還現(xiàn)的方法，對不同類型的河流流量進行修正，利用典型年均流量代替多年平均流量并考慮了魚類產(chǎn)卵期所需最低流速，對Tennant法進行了改進。

小清河歷史上一直以水質(zhì)清澈而聞名，但從上世紀80年代以來，流域周邊社會經(jīng)濟發(fā)展迅速，導致水源枯竭、河水污染、生態(tài)環(huán)境惡化，成為嚴重影響沿河地區(qū)又好又快發(fā)展的一大社會焦點問題[8]。小清河流域地處山東省中北部，是“山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)”、“黃河三角洲農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)”、“黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟區(qū)”和“省會城市群經(jīng)濟圈”的連接紐帶，因此小清河在山東省區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的地位不言而喻[9]。2012年10月，濟南市被水利部確定為國家第一批“水生態(tài)文明城市”試點城市，隨后濟南市全面開展了水生態(tài)建設相關(guān)工作。本文選取Tennant法、Texas法等7種水文學方法分別對小清河濟南段的生態(tài)基流量進行計算，同時結(jié)合河流水文特征，篩選出一種適合此研究區(qū)域的計算方法，并對其進行不同水平年生態(tài)基流的計算，最終得到豐、平、枯水年分別需要滿足的逐月生態(tài)基流量，并結(jié)合實際徑流量進行生態(tài)基流保證程度分析。本文研究結(jié)果可為小清河濟南段水量合理調(diào)度提供科學依據(jù)，對河流水資源保護及水生態(tài)健康維護具有一定的指導意義。

1 研究區(qū)概況

小清河，山東省中部渤海水系河流[10]。其干流發(fā)源于濟南市西郊，流經(jīng)淄博、濱州、東營和濰坊最終入海，全長232 km，在濟南市河段長度為70.3km[11](如圖1所示)。小清河干流河道是山東省重點河道之一，具有通航、灌溉、養(yǎng)殖、排污等功能，也是濟南市及周邊地區(qū)唯一的排洪河道，承擔著濟南市泄洪的重要任務[12]。小清河主要支流呈羽毛狀多分布在南岸，為山洪和泉水河道；北岸支流很少，全部為平原坡水排澇河道[13]。小清河流域受溫帶季風氣候的影響，每年的6-9月為汛期，11月至翌年的3月為非汛期，年內(nèi)汛期和非汛期流量變化大[14]。本文選取黃臺橋水文站作為監(jiān)測斷面，其控制流域面積351 km2。

圖1 研究區(qū)域概況圖Fig.1 Study area overview map

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

黃臺橋水文站位于小清河干流上游，多年平均流量年內(nèi)變化較明顯，汛期流量顯著大于非汛期流量。以2012年為例，非汛期流量均值為11.96 m3/s，汛期為22.85 m3/s，而汛期流量的最大值達99.5 m3/s。生態(tài)基流的計算要選用受人類活動影響較小的天然徑流過程，通過對長系列水文資料的分析，楊裕恒等[7]發(fā)現(xiàn)自1997年小清河被治理后，人類活動等各方面加大了對河道內(nèi)徑流量的影響。因此本文選用1967-1996年黃臺橋站實測逐日流量數(shù)據(jù)進行生態(tài)基流計算。受季風氣候及降水的影響，我國北方地區(qū)的河流流量隨季節(jié)變化較明顯，汛期與非汛期流量差異顯著，因此河流生態(tài)基流也應隨汛期和非汛期的變化而變化[15]。故文中采用多種水文學方法計算出逐月的生態(tài)基流量，充分體現(xiàn)了汛期與非汛期的流量差異。

2.2 生態(tài)基流計算的水文學法

(1)Tennant法。也叫蒙大拿法，是水文學法中應用最為廣泛的方法，該方法由Tennant于1976年提出。1964-1974年，Tennant等對美國11條河流進行了詳細的野外調(diào)查，來檢驗該方法[16]。Tennant法是將多年平均流量的百分比作為基流量的推薦值，具有宏觀、定性指導意義，研究表明，多年平均流量的10%作為保持河流生態(tài)系統(tǒng)健康的最小流量，多年平均流量的30%是能夠為大多數(shù)水生生物提供較好的棲息條件的基流量[17]。本文選取多年平均流量的10%作為生態(tài)基流量。

(2)最枯日平均流量多年平均值法。基于最枯月平均流量多年平均值法通常取10年內(nèi)最枯月平均流量作為生態(tài)基流量[18]。為保證選取資料的一致性，便于對比分析，本文取30年內(nèi)最枯日均流量作為當月生態(tài)基流量，并稱此方法為最枯日平均流量多年平均值法(以下簡稱最枯日法)。計算公式如下：

式中：Qm為第m月的生態(tài)基流量(m=1，2，…，12)，m3/s；Qij為第i月第j天的平均流量，m3/s；n為統(tǒng)計年數(shù)[4]。

(3)90%保證率最枯日平均流量法。因為90%保證率最枯月平均流量法是取90%設計保證率下最枯月平均流量作為生態(tài)基流量[19]。本文通過對日平均流量進行分析，計算出90%保證率下每月最枯日平均流量作為生態(tài)基流量[20]，并稱此方法為90%保證率最枯日平均流量法(以下簡稱90%最枯日法)。

(4)流量歷時曲線法。又稱Hoppe法，是根據(jù)日流量資料繪制流量歷時曲線[21]。確定流量歷時的方法是將所有的日平均流量記錄根據(jù)量值劃分成20～30個平均流量組(從大到小排列)，計算各組的天數(shù)，從第二級流量開始計算累計天數(shù)，之后確定每級流量的時間比例(最小等級流量的時間比例是100%)，最后繪制時間比例與流量等級之間的對數(shù)曲線[22]。本文將90%對應的流量作為生態(tài)基流量[23]。

(5)NGPRP法[24]。該法是將水文年按豐、平、枯水年分組，取平水年組90%設計保證率流量作為生態(tài)基流量。

(6)7Q10法。即采用90%保證率下最枯連續(xù)7天的平均流量作為該月河流生態(tài)基流的推薦值，該方法是美國考慮水質(zhì)因素確定河道內(nèi)生態(tài)基流的方法[4]。

(7)Texas法。一般取50%保證率下，河流逐月月平均流量的一定百分比作為生態(tài)基流量[25]。吳喜軍等[26]基于基流比例法研究表明，北方河流百分比的取值為20%，認為該取值適合中國北方河流生態(tài)基流的計算。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)基流計算結(jié)果比較

本文選取上述7種方法對小清河流域黃臺橋站的生態(tài)基流進行計算，結(jié)果見表1。由表中可知7種計算結(jié)果之間存在一定的差異性。

表1 黃臺橋站不同水文學方法生態(tài)基流計算結(jié)果 m3/sTab.1 Ecological baseflow estimated by using different hydrological methods at the Huangtaiqiao Station

根據(jù)計算結(jié)果繪制黃臺橋站生態(tài)基流過程線(圖2)。從生態(tài)基流量計算結(jié)果來看，7種計算方法中，最枯日法、Hoope法和NGPRP法的計算結(jié)果偏大，其中Hoope法計算結(jié)果最高；剩余4種方法中，Tennant法的計算結(jié)果最小。從整體變化趨勢來看，除7Q10法外，剩余6種方法計算得到的生態(tài)基流流量 汛期普遍大于非汛期。從汛期生態(tài)基流量的最大值出現(xiàn)的月份來看，Hoope法、最枯月法和7Q10法存在滯后性。

圖2 黃臺橋站多種水文學方法生態(tài)基流過程線Fig.2 Ecological baseflow estimated by using different hydrological methods at the Huangtaiqiao Station

結(jié)合小清河流域汛期與非汛期流量變化明顯這一水文特征，為篩選出適合小清河流域的生態(tài)基流計算方法，本文運用SPSS 19軟件將7種計算結(jié)果(12個月)與2005-2014年(近10年)逐月月平均流量進行相關(guān)性分析。與多年平均的逐月流量之間進行相關(guān)性分析充分考慮了汛期與非汛期流量的變化，生態(tài)基流量與逐月月平均流量之間極顯著相關(guān)則說明，該方法下生態(tài)基流的計算結(jié)果能夠很好地反映河流流量汛期與非汛期的變化，相關(guān)性分析結(jié)果見表2。由表中可知，與2005-2014年逐月月平均流量相比，7Q10法計算結(jié)果與逐月月平均流量之間相關(guān)性不顯著；90%最枯日法計算得到的生態(tài)基流量與逐月月平均流量之間顯著相關(guān)；Tennant法、最枯日法、Hoope法、NGPRP法和Texas法的計算結(jié)果與逐月月平均流量極顯著相關(guān)。在極顯著相關(guān)的5種計算方法中篩選適合小清河流域生態(tài)基流的計算方法，其中Texas法的顯著程度最大，其次是NGPRP法和Tennant法，故相比其他方法Texas法更適合于小清河流域。因Texas法是將河流逐月月平均流量的一定百分比作為生態(tài)基流量，而文中結(jié)合北方河流水文特征，將此百分比取值為20%，與此同時取50%保證率，綜合了可接受頻率因素。北方河流汛期與非汛期流量變化明顯，因此選取Texas法計算北方河流生態(tài)基流量較為適宜。

表2 7種計算結(jié)果與近10年逐月月平均流量相關(guān)性分析Tab.2 Correlation analysis of 7 kinds of calculation results and monthly average monthly flow in recent 10 years

注：**.在0.01水平上顯著相關(guān)；*.在0.05水平上顯著相關(guān)。

小清河流域受溫帶季風氣候的影響，其70%的降雨量集中在6-9月，因此其生態(tài)基流量的最大值也應該出現(xiàn)在這一時期，并且北方河流流量具有年際變化大、汛期與非汛期流量具有年內(nèi)變化明顯等特點。由黃臺橋站生態(tài)基流過程線(圖2)可知，7種水文學方法計算的生態(tài)基流最大值均出現(xiàn)在汛期8月。其中90%最枯日法和7Q10法在汛期和非汛期的生態(tài)基流變化不明顯，主要原因是計算方法本身存在局限性，單純選擇最枯日或者最枯7天的流量代替本月的流量進行相關(guān)計算，存在極大的偶然性。最枯日法、Hoope法和NGPRP法的計算結(jié)果在汛期和非汛期的變化顯著，但生態(tài)基流量數(shù)值相對較大，因此只有Texas法和Tennant法的計算結(jié)果較為合理。Tennant法計算的生態(tài)基流量在非汛期12月份出現(xiàn)突變點，其數(shù)值超過了汛期6月的生態(tài)基流量，可能的原因是，其方法本身只是簡單的取多年平均流量的10%的計算結(jié)果作為生態(tài)基流量，而選取的30年數(shù)據(jù)中1994年12月份的實際徑流量明顯增大，進而影響了整體的計算結(jié)果。Texas法計算得到的流量過程線則呈現(xiàn)出完美的單峰形式，汛期和非汛期變化明顯。

綜上所述，選擇Texas法計算黃臺橋站生態(tài)基流量較為合理。計算結(jié)果表明黃臺橋站汛期和非汛期最小生態(tài)基流量出現(xiàn)在6月和3月，其值分別為1.59和1.01 m3/s。

3.2 不同水平年生態(tài)基流計算

為使生態(tài)基流能夠更好地體現(xiàn)北方河流流量年際豐、平、枯變化，為生態(tài)基流保證程度分析提供科學的數(shù)據(jù)依據(jù)。本文采用Texas法對小清河水系黃臺橋站不同水平年生態(tài)基流分別進行計算，結(jié)果見表3。不同水平年計算結(jié)果與Texas法進行對比分析，結(jié)果見圖3。

表3 不同水平年Texas法生態(tài)基流計算結(jié)果 m3/sTab.3 Ecological baselow estimated by using Texas method in different typical years

圖3 90%保證率下不同水平年Texas法和 Texas法生態(tài)基流過程線Fig.3 Ecological baseflow estimated by using Texas method for different typical years with 90% of frequency

由圖3可知，不同水平年生態(tài)基流量與原Texas法得到的多年平均生態(tài)基流量之間存在較大差異，原Texas法的計算結(jié)果與平水年生態(tài)基流計算結(jié)果較接近。不同水平年Texas法既反映了流量的季節(jié)性變化，又考慮了流量豐枯對生態(tài)基流的影響，并且綜合了頻率因素，因此更符合實際。李昌文[2]研究表明，一般情況下，生態(tài)基流在非汛期不能低于多年平均徑流量的10%，而在汛期應達到多年平均徑流量的20%～30%為宜。本文中，不同水平年Texas法計算得到的生態(tài)基流量在非汛期均不低于多年平均徑流量的10%，而汛期的生態(tài)基流只有豐水年和平水年達到了多年平均徑流量的20%～30%，枯水年的生態(tài)基流推薦值是多年平均徑流量的14%左右。

3.3 生態(tài)基流保證程度分析

進行河流健康評價時，生態(tài)基流能否得到保證應作為健康評價的基礎標準之一。文中在確定小清河濟南段生態(tài)基流滿足程度時，選取2012年(豐水年)、2008年(平水年)和2014年(枯水年)河道實際徑流與計算得到的生態(tài)基流推薦值進行對比分析。圖4結(jié)果顯示，黃臺橋站不同水平年河道內(nèi)流量都可以滿足生態(tài)基流，生態(tài)基流保證程度高達100%。

圖4 黃臺橋站不同水平年實際徑流與生態(tài)基流對比Fig.4 Comparison between observed streamflow and estimated ecological baeflow with different frequency at the Huangtaiqiao Station

分析其原因可能是，排污、引水等人類活動加大了對徑流量的影響程度，這成為影響徑流量增大的決定性因素[28]。因小清河干流地處平原區(qū)，地勢較低，南岸支流的水最終全部匯入小清河，其中包括大量的污水。與此同時，近年來為滿足小清河污染治理的需求，政府通過從臥虎山水庫引水補充小清河水量[14]。自20世紀80年代以來，流域周邊的工業(yè)迅速發(fā)展，導致河道被嚴重侵占，灌溉、航運和養(yǎng)殖等功能日漸萎縮，除了進入水質(zhì)凈化一、二廠的污水外，其他城市排放的污水均直接匯入小清河，小清河水環(huán)境遭到嚴重破壞[29]。朱琳[28]等提出，小清河流域近年來受人類活動影響較大，2004-2013年，在月平均降水量增加趨勢不顯著的情況下，小清河月平均徑流量明顯增加，這在一定程度上表明，小清河尤其是枯水期的徑流量增加很大程度上來源于人類活動的影響。雖然小清河濟南段生態(tài)基流保證程度為優(yōu)，但是河道內(nèi)水體污染嚴重，若實際徑流量大多是城市排放的污水，雖然能夠保證小清河濟南段不斷流，但不能保障水生生物群落不被破壞。因此，應結(jié)合水生生物適宜的棲息地、流域水質(zhì)和泥沙沉積等多種因素，深入開展生境模擬法和整體法的研究。

4 結(jié) 論

通過本文的研究，得到以下幾點結(jié)論：(1)結(jié)合小清河流域汛期與非汛期流量變化明顯的水文特征，通過SPSS 19軟件將7種水文學方法的計算結(jié)果與2005-2014年逐月月平均流量進行顯著相關(guān)性分析后表明，采用Texas法計算小清河流域黃臺橋段生態(tài)基流最為適宜，其次是Tennant法。Texas法計算得到的汛期和非汛期最小生態(tài)基流量出現(xiàn)在六月和三月，其值分別為1.59和1.01 m3/s。

(2)為使計算結(jié)果更加合理，研究中對Texas法進行了改進，分別計算了不同水平年的生態(tài)基流量，由計算結(jié)果可知，不同水平年生態(tài)基流量與多年平均生態(tài)基流量之間存在較大差異，多年平均生態(tài)基流量與平水年的生態(tài)基流量更為接近。因此在進行水資源配置時應考慮不同水平年生態(tài)基流的差異，采取不同的配置方案。

(3)通過生態(tài)基流保證程度分析可知，小清河水系黃臺橋站生態(tài)基流保證程度為100%。雖然保證程度為優(yōu)，但是河道水污染嚴重，實際徑流大多是城市排放的污水。長此以往，雖然能夠保證小清河水系濟南段不斷流，但無法保證水生生物群落不被破壞。

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