基于ME-Tennant法的河道生態(tài)流量過程評價(jià)模型研究

，，，，

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 南京 210098； 2. 湖南省農(nóng)村水電及電氣化發(fā)展局，長沙 410007)

1 研究背景

引水式水電站一般建于坡降較大的中小型山區(qū)河流，利用管道或渠道將水流引至可形成較大落差的下游。其修建導(dǎo)致局部河段的徑流量急劇減小，使壩址到電站廠房尾水間形成減脫水河段，對河道水文情勢及生態(tài)質(zhì)量造成負(fù)面影響。2016年，國家能源局發(fā)布《水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，要求對因水電開發(fā)造成環(huán)境保護(hù)、水土流失問題相對突出的中小型流域進(jìn)行生態(tài)修復(fù)；同年2月，水利部印發(fā)《農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造河流生態(tài)修復(fù)指導(dǎo)意見》，提出在進(jìn)行農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造時(shí)應(yīng)科學(xué)確定河道生態(tài)流量及下泄措施，為河流生態(tài)功能自然修復(fù)創(chuàng)造條件。

研究河流生態(tài)流量過程是開展河流生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)及修復(fù)工作的前提[1]。目前，國內(nèi)外學(xué)者多采用幾種方法分別計(jì)算生態(tài)流量過程，綜合分析后確定符合研究流域特征的方法。張強(qiáng)等[2]使用5種水文學(xué)方法計(jì)算珠江流域生態(tài)流量，經(jīng)Tennant法分析后選擇逐月最小生態(tài)徑流法和逐月頻率法確定最小和適宜生態(tài)流量；石永強(qiáng)等[3]使用4種水文學(xué)方法并根據(jù)生態(tài)需求確定襄陽市主要河流的生態(tài)基流；于松延等[4]采用6種方法計(jì)算渭河關(guān)中段生態(tài)基流量，結(jié)合徑流年內(nèi)分布特點(diǎn)進(jìn)行分析確定Tennant法最優(yōu)，Texas法其次。

河流生態(tài)流量過程計(jì)算方法已取得較多研究成果，但在方法選擇上的主觀因素較大，且多側(cè)重于定性說明，沒有明確的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)?；诖耍疚奶岢鰧⑽镌治龇?Matter Element Analysis)與Tennant法耦合的ME-Tennant生態(tài)流量過程評價(jià)模型，旨在客觀評價(jià)不同方法計(jì)算出來的生態(tài)流量過程，為生態(tài)流量過程的確定提供一種新方法。

2 生態(tài)流量過程常用計(jì)算方法

生態(tài)需水量是指維持河流生態(tài)環(huán)境功能所需要的一定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下的水量[5]，生態(tài)流量過程則是生態(tài)需水量隨時(shí)間而連續(xù)變化的過程[6]，強(qiáng)調(diào)其在時(shí)空尺度上與天然徑流年內(nèi)豐枯變化相適應(yīng)的變化特性，反映了河流在不同時(shí)期的生態(tài)需水要求。

目前，全球關(guān)于生態(tài)流量計(jì)算方法超過200種，歸納起來有水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地模擬法和整體分析法4種方法[7]。由于我國大部分河流缺乏生態(tài)資料，難以使用棲息地模擬法和整體分析法，水力學(xué)方法需要實(shí)地資料，耗時(shí)耗力，而水文學(xué)方法僅需歷史徑流資料，適用于現(xiàn)階段我國中小型河流生態(tài)流量研究。以下分析了幾種常用的水文學(xué)算法。

2.1 逐月最小生態(tài)流量法

逐月最小生態(tài)流量法[8]以歷史多年徑流系列中各月的最小月平均流量作為該月的生態(tài)流量，組成最小生態(tài)流量過程。

2.2 年內(nèi)展布法

年內(nèi)展布法[9]通過引入同期均值比指標(biāo)，得到各月生態(tài)流量與各月多年平均流量之間的關(guān)系，以此確定最小生態(tài)流量過程，計(jì)算過程如下所述。

(2)計(jì)算多年平均流量和最小年平均流量的同期均值比η,即

(1)

(3)計(jì)算各月的生態(tài)流量，即

(2)

2.3 NGPRP法

NGPRP(Northern Great Plains Resource Program)法[10]考慮不同水平年的差別，將水文系列分為枯水年、平水年和豐水年組，取平水年組各月流量90%保證率的流量值作為最小生態(tài)流量。對于年型的劃分，釆用距平百分率法來確定，即

Pi=(Qi-Qa)/Qa×100% 。

(3)

式中：Pi為年平均流量的距平百分率(%)，當(dāng)-10%≤Pi≤10%時(shí)，該年劃分為平水年組；Qi為第i年的年平均流量(m3/s)；Qa為多年平均流量(m3/s)。

2.4 逐月頻率法

逐月頻率法根據(jù)歷史月徑流資料，將一年劃分為不同時(shí)期，并選取不同的保證率，分別計(jì)算各個(gè)時(shí)期的流量，得到適宜生態(tài)流量過程。不同學(xué)者采用的保證率選取方法不同，參考已有研究[8,11-12]，本文采用3種不同保證率選取方法進(jìn)行計(jì)算，分別為：①枯水期90%、平水期70%、豐水期50%；②各月均取50%；③冬季取80%、春秋季取75%、夏季取50%。

2.5 Tennant法

Tennant法[13-14]將全年分為魚類產(chǎn)卵育幼期(4—9月份)和一般用水期(10月份—次年3月份)，以多年平均流量的百分比作為推薦生態(tài)流量。在實(shí)際應(yīng)用中，我國許多學(xué)者針對研究區(qū)的具體情況對Tennant法進(jìn)行了改進(jìn)。張玫等[15]將南水北調(diào)西線一期工程調(diào)水地區(qū)分為非汛期(11月份—次年5月份)和汛期(6月份—次年10月份)進(jìn)行河道生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算；鄭志宏等[16]在計(jì)算我國北方河流生態(tài)需水時(shí)，按河流的季節(jié)性將全年劃分為4—6月份、7—10/11月份、11/12—次年3月份共3個(gè)時(shí)段，并重新確定了各個(gè)時(shí)段的基流占比；陳南祥等[17]將黃河流域劃分為非汛期(11月份—次年7月份)和汛期(7—10月份)分析，并以原推薦基流百分比乘以河床比降，使其更適合多沙河流。

上述方法各有適用性及優(yōu)缺點(diǎn)，逐月最小生態(tài)流量法計(jì)算過程簡單，得到的最小生態(tài)流量雖然能夠滿足水生生物的最低生活條件，但不利于生態(tài)系統(tǒng)的長期健康發(fā)展；年內(nèi)展布法引入同期均值比，避免了傳統(tǒng)水文學(xué)法的主觀性與經(jīng)驗(yàn)性，但不適用于會發(fā)生斷流的強(qiáng)季節(jié)性河流；NGPRP法綜合了氣候狀況以及可接受頻率因素，考慮了不同水平年的差別，但是缺乏生物學(xué)依據(jù)；逐月頻率法考慮了生態(tài)系統(tǒng)不同時(shí)期的要求，但是存在如何選取最合理保證率的問題；Tennant法計(jì)算簡單，通常在優(yōu)先度不高的河段中使用，或?yàn)槠渌椒ㄌ峁z驗(yàn)。

3 ME-Tennant法生態(tài)流量過程評價(jià)模型

3.1 建模思路

目前，生態(tài)流量過程的確定通常是采用多種方法進(jìn)行計(jì)算，逐月定性分析后確定適用于研究流域的方法，但主觀因素較大且無明確的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，難以準(zhǔn)確判斷各方法的適用性。因此需要建立合理的評價(jià)模型，對各方法計(jì)算出來的結(jié)果進(jìn)行客觀綜合的評價(jià)。

物元分析法以可拓?cái)?shù)學(xué)為基礎(chǔ)，研究解決不相容問題，直接采用實(shí)測數(shù)據(jù)，將復(fù)雜問題轉(zhuǎn)化為模型，對研究對象作出客觀綜合的分析與評價(jià)，規(guī)范性強(qiáng)、簡便且定量嚴(yán)密。利用物元分析方法，可以建立事物多指標(biāo)評價(jià)模型，并以定量數(shù)值表示評價(jià)結(jié)果，從而能夠客觀綜合地反映事物的評價(jià)等級。因此本文將物元分析法應(yīng)用于生態(tài)流量過程評價(jià)中，將12個(gè)月的生態(tài)流量狀況作為生態(tài)流量過程的評價(jià)指標(biāo)；參照Tennant法確定評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，依此構(gòu)建經(jīng)典域和節(jié)域；依據(jù)各月生態(tài)流量滿足度的重要性確定各月權(quán)重；計(jì)算各評價(jià)等級的綜合關(guān)聯(lián)度，以此確定不同方法得到的生態(tài)流量過程的綜合評價(jià)等級，并最終確定生態(tài)流量過程。

3.2 基于Tennant法確定評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

Tennant法作為一種常用的生態(tài)流量評價(jià)方法，在實(shí)際運(yùn)用中，應(yīng)根據(jù)河流所處流域情況、水文情勢以及生態(tài)需求等對其分期與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。引水式水電站下游減脫水河段泄放生態(tài)流量的主要目標(biāo)是控制河道減水程度，防止河道脫流，以充分發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)的自然修復(fù)功能?？紤]到中小型河流徑流年內(nèi)豐枯變化，為使評價(jià)更加準(zhǔn)確，將全年分為枯水期、平水期、豐水期。其劃分方法是先將全年劃分為汛期和非汛期，分別計(jì)算汛期、非汛期系列對應(yīng)頻率25%，75%的流量，作為劃分豐、平、枯水期的界限。各時(shí)期的等級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)不同流域具體特征而定。

3.3 構(gòu)建ME-Tennant法生態(tài)流量過程評價(jià)模型

物元分析法[18]認(rèn)為對于任一事物均可用“事物的名稱N、事物的特征C、該特征對應(yīng)的量值X”3個(gè)要素來描述，并組成物元，表示為R=(N,C,X)。

構(gòu)建ME-Tennant生態(tài)流量過程評價(jià)模型的具體步驟如下所述。

3.3.1 構(gòu)建待評物元

將12個(gè)月的生態(tài)流量狀況作為評價(jià)指標(biāo)，記為12個(gè)特征，建立物元，即

(4)

式中：n=12；P0為待評單元，即生態(tài)流量過程；Ci為待評單元的第i項(xiàng)特征，即第i個(gè)月的生態(tài)流量狀況；Xi為對應(yīng)評價(jià)指標(biāo)Ci的量值，即第i個(gè)月的生態(tài)流量占多年平均流量的百分比。

3.3.2 構(gòu)建經(jīng)典域和節(jié)域物元

根據(jù)評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建經(jīng)典域和節(jié)域物元。

經(jīng)典域物元Rj表示為

式中：Nj為第j個(gè)評價(jià)等級；Xji=[aji,bji]表示處于第j個(gè)等級時(shí)，第i個(gè)月生態(tài)流量占多年平均流量的百分比范圍。

節(jié)域物元Rp表示為

式中：Np為評價(jià)等級的全體；Xpi=[api,bpi]表示各指標(biāo)所有經(jīng)典域取值范圍之和。

3.3.3 確定關(guān)聯(lián)函數(shù)及關(guān)聯(lián)度

定義點(diǎn)xi到Xji=[aji,bji]和Xpi=[api,bpi]的距離分別為：

(7)

(8)

關(guān)聯(lián)函數(shù)Kj(xi)表示物元符合所要求的取值范圍的程度，計(jì)算公式為

(9)

式中|Xji|=|aji-bji|。

3.3.4 確定各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

本文采用模糊層次分析法確定各月份生態(tài)流量狀況的權(quán)重，參見文獻(xiàn)[19]。

3.3.5 計(jì)算第j個(gè)評價(jià)等級的綜合關(guān)聯(lián)度

(10)

式中ωi為第i個(gè)月生態(tài)流量狀況的權(quán)重。

表1 不同方法的生態(tài)流量過程計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculated results of ecological flow process by different methods

3.3.6 等級評定

若Kj=max{Kj(P0)}(j=1,2,…,m)，則生態(tài)流量過程處于第j級。當(dāng)0≤Kj(P0)≤1時(shí)，表示所求生態(tài)流量過程符合該標(biāo)準(zhǔn)等級的要求；當(dāng)-11時(shí)，表示超過標(biāo)準(zhǔn)等級上限。

3.3.7 確定生態(tài)流量過程

根據(jù)各計(jì)算方法求出的生態(tài)流量過程的評價(jià)等級，結(jié)合河流的生態(tài)需水要求，綜合確定生態(tài)流量過程。

4 實(shí)例研究

4.1 研究區(qū)概況

湖南省劉家坪河系溆水二都河的一級支流，發(fā)源于湖南省隆回縣涼風(fēng)界，河流流向變化較大，由東南呈之字形流向西北。全流域氣候溫和、四季分明，面積72 km2，河長30 km，坡降較大，河道內(nèi)無珍稀水生生物。劉家坪水庫位于溆浦縣龍莊灣鄉(xiāng)，地處110°36′E—110°42′E， 27°26′N—27°38′N，控制集雨面積53.63 km2，多年平均流量為1.51 m3/s，壩址以上干流長度21 km，總庫容3 365.2萬m3，具有多年調(diào)節(jié)性能。電站廠房位于大壩下游3 km處，為引水式開發(fā)，廠壩之間存在減脫水河段，偶有基坑積水，河床砂石裸露，無魚類生存之所，需要下泄一定的生態(tài)流量，以滿足生態(tài)環(huán)境的需水要求。

4.2 生態(tài)流量過程計(jì)算

生態(tài)流量過程計(jì)算理論上應(yīng)使用天然徑流資料，但由于從1987年建庫至今，河流已或多或少地受到人類活動影響，所謂的“天然狀態(tài)”只能認(rèn)為是人類活動影響較小的狀態(tài)。經(jīng)分析，劉家坪壩址處1987—2015年的平均流量與多年平均流量相差不大且無明顯突變，可視為受人類活動影響較小，直接用于生態(tài)流量過程的計(jì)算。分別使用逐月最小生態(tài)流量法、年內(nèi)展布法、NGPRP法、逐月頻率法計(jì)算生態(tài)流量，計(jì)算結(jié)果見表1。

4.3 基于ME-Tennant法的生態(tài)流量過程評價(jià)

劉家坪河汛期為5—9月份，其余月份為非汛期，按照前述分期方法，確定枯水期為11月份—次年1月份、平水期為2—5月份及8—10月份、豐水期為6—7月份。參考Tennant法并結(jié)合劉家坪河水文情況確定評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

表2 河流生態(tài)流量過程評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Evaluation criteria of river ecological flow process

根據(jù)劉家坪電站下游河段生態(tài)現(xiàn)狀及泄放生態(tài)流量的目標(biāo)，考慮到劉家坪河流域降雨季節(jié)分明，各月生態(tài)流量狀況的重要程度為：枯水期>平水期>豐水期，越枯的月份重要性越高。根據(jù)模糊層次分析法的步驟，建立反映各月生態(tài)流量重要程度的模糊一致判斷矩陣為

則各月權(quán)重為：W=(ω1,ω2,ω3…ω12) =(0.121, 0.115, 0.082, 0.081, 0.051, 0.050, 0.048, 0.053, 0.079, 0.084, 0.117, 0.119)。

以逐月最小生態(tài)流量法為例，根據(jù)生態(tài)流量過程評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)(表2)構(gòu)建待評物元R、經(jīng)典域物元Rj(j=1,2,…,7,R1,R2,…,R7生態(tài)流量過程評價(jià)等級分別為差、一般、較好、好、很好、最佳、最大)和節(jié)域物元Rp，即：

R=[C1,C2,…,C12]T=[19.90 24.37 21.96 40.57

77.19 85.54 78.15 37.46 12.76 15.53 15.20 13.25]T，

R1=[C1,C2,…,C12]T=[[0,10) [0,20) [0,20)

[0,20) [0,20) [0,30) [0,30) [0,20)

[0,20) [0,20) [0,10) [0,10)]T，

R2=[C1,C2,…,C12]T=[[10,20) [20,30) [20,30) [20,30) [20,30) [30,40) [30,40)

[20,30) [20,30) [20,30) [10,20) [10,20)]T，

R3=[C1,C2,…,C12]T=[[20,30) [30,40) [30,40) [30,40) [30,40) [40,50) [40,50)

[30,40) [30,40) [30,40) [20,30) [20,30)]T，

R4=[C1,C2,…,C12]T=[[30,40) [40,50) [40,50) [40,50) [40,50) [50,60) [50,60)

[40,50) [40,50) [40,50) [30,40) [30,40)]T，

R5=[C1,C2,…,C12]T=[[40,60) [50,70) [50,70) [50,70) [50,70) [60,80) [60,80)

[50,70) [50,70) [50,70) [50,70) [40,60)]T，

R6=[C1,C2,…,C12]T=[[60,100) [70,100) [70,100) [70,100) [70,100) [80,100) [80,100) [70,100) [70,100) [70,100) [70,100)

[60,100)]T，

R7=[C1,C2,…,C12]T=[[100,200] [100,200] [100,200] [100,200] [100,200] [100,200] [100,200] [100,200] [100,200] [100,200] [100,200] [100,200]]T，

Rp=[C1,C2,…,C12]T=[[0,200] [0,200] [0,200] [0,200] [0,200] [0,200] [0,200]

[0,200] [0,200] [0,200] [0,200] [0,200]]T。

按式(7)—式(9)計(jì)算各月生態(tài)流量狀況對各評價(jià)等級的關(guān)聯(lián)度，考慮權(quán)重后按式(10)計(jì)算各評價(jià)等級的綜合關(guān)聯(lián)度，見表3。

表3 各月生態(tài)流量狀況對各評價(jià)等級的關(guān)聯(lián)度Table 3 Degree of the correlation between each evaluation index and each evaluation grade

表4 不同方法的生態(tài)流量過程評價(jià)結(jié)果Table 4 Evaluation results of ecological flow process calculated by different methods

由表3可知，Kj=max{Kj(P0)|(j=1,2,…,7}=0.037 0，故由逐月最小生態(tài)流量法計(jì)算出的生態(tài)流量過程評價(jià)等級為“一般”。

不同方法計(jì)算出的生態(tài)流量過程對各評價(jià)等級的綜合關(guān)聯(lián)度以及評價(jià)結(jié)果見表4。

4.4 評價(jià)結(jié)果分析

由表4可知，計(jì)算最小生態(tài)流量過程時(shí)，逐月最小生態(tài)流量法計(jì)算結(jié)果的評價(jià)等級為“一般”，年內(nèi)展布法和NGPRP法為“較好”。對照生態(tài)流量過程的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評價(jià)等級為“一般”的生態(tài)流量占年平均流量的10%～40%，“較好”為20%～50%。10%的年平均流量是支撐大多數(shù)水生生物短期生存棲息地的最小瞬時(shí)流量，當(dāng)生態(tài)流量小于該流量時(shí)，有近一半的河流底質(zhì)或濕周將暴露，生態(tài)系統(tǒng)將嚴(yán)重受損，理論上計(jì)算的最小生態(tài)流量過程應(yīng)該恰好滿足水生生物的最低生活條件，但為了生態(tài)系統(tǒng)的長遠(yuǎn)發(fā)展，應(yīng)有一定的預(yù)留空間。所以取評價(jià)等級為“較好”的年內(nèi)展布法和NGPRP法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行耦合，取其外包線作為最小生態(tài)流量過程，且不低于10%的多年平均流量，既可保證下游河段不發(fā)生斷流并維持一定水量，同時(shí)為水生生物提供最小生存空間，如圖1所示。

圖1 最小生態(tài)流量過程耦合Fig.1 Coupling of minimum ecological flow process

最小生態(tài)流量過程是對于短期的水文狀態(tài)而言，滿足河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的最小流量過程，為了維持生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，還需確定適宜生態(tài)流量過程。

計(jì)算適宜生態(tài)流量過程時(shí)，逐月頻率法取法①計(jì)算結(jié)果的評價(jià)等級為“較好”，取法③為“好”，取法②為“很好”。在評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中，評價(jià)等級為“好”的生態(tài)流量占年平均流量的30%～60%，“很好”為40%～80%。當(dāng)生態(tài)流量為年平均流量的30%～60%時(shí)，濕潤底質(zhì)明顯增加，河寬、水深和流速能較好地滿足水生生物生長繁育的需要，生態(tài)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)；60%～100%的年平均流量被認(rèn)為是最適宜的生態(tài)流量[20]?？紤]到劉家坪河流域無珍稀水生生物，河道兩岸植被茂密，水土保持完善，有天然降水、地下水和涵養(yǎng)水進(jìn)行水量補(bǔ)充，因此逐月頻率法取法②和③均可滿足河流適宜生態(tài)需水的要求。將2種保證率取法下的生態(tài)流量過程進(jìn)行耦合，取其外包線和內(nèi)包線分別作為適宜生態(tài)流量過程閾值的上下限，如圖2所示。由于劉家坪水電站承擔(dān)著比較重要的發(fā)電任務(wù)，需結(jié)合當(dāng)月實(shí)際來水情況以及發(fā)電需求，在閾值內(nèi)靈活泄放生態(tài)流量，最大限度提高水資源利用率。

圖2 適宜生態(tài)流量過程耦合Fig.2 Coupling of suitable ecological flow process

最小及適宜生態(tài)流量過程各月生態(tài)流量見表5。

表5 生態(tài)流量過程Table 5 Ecological flow process m3/s

5 結(jié) 論

本文提出了ME-Tennant河流生態(tài)流量過程綜合評價(jià)模型，并應(yīng)用于湖南省劉家坪水電站下游減脫水河段，得到適宜生態(tài)流量過程計(jì)算方法的評價(jià)等級比最小生態(tài)流量過程高，符合生態(tài)學(xué)含義，表明該模型具有一定的可信度，進(jìn)而確定了最小和適宜生態(tài)流量過程，為后續(xù)的生態(tài)修復(fù)提供了依據(jù)。

該模型考慮了各月份生態(tài)流量狀況重要程度的差異性，比單純逐月比較生態(tài)流量的占比更加合理，評價(jià)結(jié)果直觀，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。在實(shí)際應(yīng)用中，各月權(quán)重、時(shí)期劃分以及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)都應(yīng)針對研究流域進(jìn)行調(diào)整。