基于生態(tài)水文學(xué)法的湘江生態(tài)流量研究

(華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450045)

河流生態(tài)流量研究屬于河流生態(tài)水文學(xué)的范疇，主要是分析河流流域維持自然生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定所需流量和人類用水之間的相互平衡的關(guān)系，在完成我國水利生態(tài)化建設(shè)、制定最優(yōu)的水資源調(diào)度方案和開展高效的生態(tài)保護(hù)措施等方面具有非常重要的指引作用[1]。隨著人口的增加和社會經(jīng)濟的發(fā)展，河流受到各種形式人類活動的干擾，河流天然水文情勢發(fā)生改變[2]。多年以來，流域降雨量減少、河道河床下切、洞庭湖水位下降和人類活動影響等原因，導(dǎo)致湘江出現(xiàn)低水位。因此，生態(tài)流量的合理計算對促進(jìn)流域水資源可持續(xù)開發(fā)利用和實現(xiàn)合理的水資源優(yōu)化配置有著重要的研究意義。

目前對于河流生態(tài)流量的計算方法比較多，歸納起來可以分為：綜合分析法、水文學(xué)法、生境模擬法和水力學(xué)法等[3]。近幾年來國內(nèi)在河流生態(tài)流量的研究方面有了突破性的進(jìn)展，其中水文學(xué)法的應(yīng)用最為普遍[4]。許多學(xué)者還采用水文學(xué)法、水力學(xué)法等多種方法進(jìn)行對比計算研究，一般選用Tennant法進(jìn)行驗證[5]。其中，康玲等[6]采用水文學(xué)方法的變動范圍法分析計算了漢江的最小和適宜生態(tài)流量，同時以丹江口為例利用逐步優(yōu)化算法建立了基于河流生態(tài)流量的水庫生態(tài)調(diào)度模型。潘扎榮等[7]針對河流生態(tài)水文過程對徑流的年內(nèi)動態(tài)需求，提出采用年內(nèi)展布法計算淮河流域河道基本生態(tài)流量。王高旭等[8]針對不同的保護(hù)目標(biāo)分級計算河道生態(tài)流量，采用相對流量-河流規(guī)模模型和魚類生境法分別對黃河中下游的最小生態(tài)流量和適宜生態(tài)流量進(jìn)行了計算。

本研究在綜合評價現(xiàn)有河流生態(tài)流量計算方法的基礎(chǔ)上，提出了一種綜合年內(nèi)展布法和IHA-RVA法[9]的水文學(xué)方法，綜合評價了湘江湘潭斷面的最小生態(tài)流量和適宜生態(tài)流量，并對計算結(jié)果進(jìn)行了合理性分析，對于開展湘江河道生態(tài)修復(fù)具有重要的研究意義。

1 研究區(qū)概況

湘江是長江水系的主要支流之一，同時也是湖南省最大的河流，被稱作湖南省的母親河，對兩岸人民生活用水和人文發(fā)展都有著重要的作用。湘江全長約為856 km，流經(jīng)永州、衡陽、株洲、湘潭、長沙等市縣。湘潭水文站位于湘江干流下游，控制流域面積81 638 km2，為湘江入洞庭湖的控制站。近幾十年來，長江與洞庭湖之間的江湖關(guān)系變化較大，湘江入湖的水資源量減少，泥沙不斷淤積，河道逐漸萎縮，水系中的水生動植物大量消亡，帶來湖區(qū)水資源、水生態(tài)、水環(huán)境與防洪等問題[10]。

2 研究方法

河流生態(tài)流量是保持河道不斷流，保護(hù)水生生物正常生長和維持水體具備一定稀釋自凈能力的基本條件。河流生態(tài)流量是一個與河流特性相關(guān)的流量范圍，而不是某個特定不變的值，它可以分為忍耐下限、最適宜范圍和忍耐上限。為了計算方便，通常將河流生態(tài)流量分為最小和適宜生態(tài)流量進(jìn)行計算，其中河流最小生態(tài)流量是維持河道生態(tài)系統(tǒng)生物物種不消亡，河道生態(tài)系統(tǒng)健康以及基本功能不嚴(yán)重退化所需要保持的最小流量；適宜生態(tài)流量是指維持河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和生物多樣性不受損所需的最適宜的流量。本研究基于河流生態(tài)流量基本理論以及當(dāng)前已有生態(tài)流量計算方法，綜合考慮湘江湘潭水系基本特征，選用了年內(nèi)展布法對湘潭水系生態(tài)流量進(jìn)行綜合評價。

2.1 基本原理

河流水文過程具有周期性變化規(guī)律，并伴隨著相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)與特定的生態(tài)作用。河流水生生物的生命史已經(jīng)適應(yīng)河流的天然水文情勢，河流生態(tài)系統(tǒng)處于相對平衡的一種狀態(tài)。而天然最小月均流量能夠滿足河流基本生態(tài)環(huán)境功能、水生生物生存及群落結(jié)構(gòu)對水量的基本需求，天然適宜生態(tài)流量能夠提供河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的適宜流量[7，11]。然而，由各月最小月均流量和適宜生態(tài)流量構(gòu)成的年內(nèi)過程不能很好地反映出河流的水文特征，而河流多年月均流量過程能夠很好地反映出河流歷史水文情勢變化特征。因此，本研究認(rèn)為河道生態(tài)流量計算方法應(yīng)該基于河流天然徑流過程的自身特征來確定與量化水文指標(biāo)，并結(jié)合多年的同期平均徑流進(jìn)行生態(tài)流量計算，即基于長時間序列的天然月均徑流資料，選取多年年均徑流量與年內(nèi)各月最小(適宜)月均徑流量的年均值這兩個典型的水文特征變量確定關(guān)鍵水文指標(biāo)——同期均值比，并結(jié)合典型年徑流量過程或多年平均徑流量過程進(jìn)行河道內(nèi)生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)流量的年內(nèi)過程計算。

2.2 基本步驟

(1)

(2)

(3)

(4)

在計算最小生態(tài)流量過程基礎(chǔ)上，采用IHA-RVA法計算河道適宜生態(tài)流量。其計算原理是河流適宜生態(tài)流量變動范圍應(yīng)超過天然可變范圍(即RVA閾值)，這樣才能夠維持河流健康生態(tài)系統(tǒng)。RVA閾值描述流量過程線的可變范圍，也即天然生態(tài)系統(tǒng)可以承受的變化范圍，這為估算河流生態(tài)流量系列提供了參考。通常，RVA閾值取以各指標(biāo)的平均值±δ(標(biāo)準(zhǔn)差)或者以頻率為75%和25%作為各個指標(biāo)的上下限。本研究以RVA下限流量作為適宜生態(tài)流量下限[12-13]?；陂L時間序列的天然月均流量資料，選取多年年均徑流量和RVA下限流量的年均值(適宜生態(tài)流量下限)這2個典型的水文特征變量確定關(guān)鍵水文指標(biāo)——同期均值比，并結(jié)合典型年徑流量過程或多年平均徑流量過程計算河道內(nèi)生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)流量的年內(nèi)過程。

3 結(jié)果與討論

根據(jù)湘江多年相關(guān)的天然水文徑流資料分析，選取1959～1990年湘江水系的湘潭站作為典型水文斷面的天然月均流量資料，進(jìn)行河道生態(tài)流量計算，并以Tentant法進(jìn)行驗證。根據(jù)湘江湘潭控制站最小年均流量、適宜年均流量以及多年平均流量，計算控制斷面的同期均值比，計算結(jié)果見表1。其中湘江湘潭控制斷面的多年月均流量過程見表2。

表1 控制斷面均值比Tab.1 Results of average flow at typical station

表2 控制斷面多年天然月均徑流過程Tab.2 Natural monthly average flow process of typical station m3/s

根據(jù)表1和表2數(shù)據(jù)，計算湘江湘潭控制站的最小和適宜生態(tài)流量，其計算結(jié)果見表3。圖1為湘潭生態(tài)流量過程。為了分析本研究成果的合理性，采用Tennant法評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比。Tennant法也稱Montana法，是利用河流的多年徑流流量資料來確定河流生態(tài)流量，以年平均流量的百分比作為基流量。分析結(jié)果表明多年平均流量的10%是保持河流生態(tài)系統(tǒng)健康的最小流量，多年平均流量的40%能為大多數(shù)水生生物提供較好的棲息條件[14-15]。對比分析湘江湘潭水文斷面的河道最小生態(tài)流量和河道適宜生態(tài)流量的計算值和Tennant法評價結(jié)果見表4。

表3 河流最小和適宜生態(tài)流量Tab.3 The minimal and optimal river ecological flow m3/s

圖1 生態(tài)流量過程Fig.1 Ecological flow process

根據(jù)計算結(jié)果與Tennant法的比較可知，最小生態(tài)流量在一般用水期(10月至翌年3月)各個水文斷面生態(tài)流量占多年年均水位的4.7%～18.0%，根據(jù)Tennant法評價標(biāo)準(zhǔn)均處在差至一般的范圍，此時河道徑流量條件要保持一定的水深、流速、河寬，滿足魚類生存、洄游、景觀一般要求，是保持絕大多數(shù)水生生物在較短的時間能夠滿足生存的最低流量推薦值。在魚類產(chǎn)卵育幼期(4～9月)各水文斷面生態(tài)水位占多年年均徑流量的28.1%～75.8%，處于一般到最佳的范圍，其中虎渡口和松滋口均處于最佳狀態(tài)，能夠為大多數(shù)水生生物提供良好的棲息條件。

表4 河流生態(tài)流量Tennant法評價Tab.4 Evaluation of river ecological flow by Tennant method

適宜生態(tài)流量在一般用水期占多年平均水位的12.0%～26.9%，按照Tennant法評價均處在較好范圍。在魚類產(chǎn)卵育幼期，各水文斷面生態(tài)水位占多年年均徑流量的71.4%～113.3%處于最佳范圍內(nèi)，此時水深和流速都是最佳的程度，河流的生態(tài)系統(tǒng)非常健康，能夠提供給水生生物棲息和產(chǎn)卵、育幼的良好環(huán)境以及保持生物物種多樣性[15]。因此利用生態(tài)流量年內(nèi)展布計算法計算的最小生態(tài)流量和利用IHA-RVA法計算出的河道適宜生態(tài)流量與Tennant法設(shè)定的分期相符，能夠滿足河流生態(tài)目標(biāo)的需求。

4 結(jié) 論

(1) 利用年內(nèi)展布法和IHA-RVA法計算出湘潭站水文斷面的最小生態(tài)流量為639.6 m3/s，占多年平均天然流量的32.2%；適宜生態(tài)流量為983.4 m3/s，占多年平均天然流量的49.5%。

(2) 參照Tennant法評價標(biāo)準(zhǔn)可知，利用生態(tài)流量年內(nèi)展布法和IHA-RVA法計算出的最小生態(tài)流量和適宜生態(tài)流量都與Tennant法設(shè)定的分期相符，能夠滿足河流生態(tài)目標(biāo)的需求，計算結(jié)果較為合理。該研究結(jié)果可為荊江三口河道生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)基礎(chǔ)參考。