淺丘河道生態(tài)需水量計算方法對比研究
——以鄂北地區(qū)水河為例

王詠鈴，王海波，鄒朝望，尹耀鋒

（湖北省水利水電規(guī)劃勘察設(shè)計院，武漢 430064）

隨著我國經(jīng)濟(jì)實力的增強(qiáng)和人民環(huán)境保護(hù)意識的提升，有關(guān)生態(tài)環(huán)境的研究越來越受重視。關(guān)于河流生態(tài)問題的研究可追溯到20世紀(jì)40年代，美國魚類與野生動物保護(hù)部門提出了河流最小環(huán)境流量的概念，此后陸續(xù)提出一系列生態(tài)需水計算方法。我國對“生態(tài)水利”的研究起步較晚，近幾十年來生態(tài)需水話題越來越受重視，重點在于探討河流最小流量的確定方法，主要是針對西北干旱、半干旱地區(qū)，對淺丘平原河道生態(tài)流量的對比研究相對較少。迄今為止，全球范圍內(nèi)關(guān)于生態(tài)需水的計算，方法達(dá)200多種[1]。國外河流生態(tài)需水計算方法主要分為水力學(xué)方法、水文學(xué)方法、棲息地法以及綜合法等，常用的主要是水文學(xué)及水力學(xué)計算法[2]。水文學(xué)計算方法主要有Tennant法、流量歷時曲線法、Texas法等。水文學(xué)方法一般計算較簡單，對數(shù)據(jù)要求不高，但沒有將水生生物因素直接考慮在內(nèi)，從而導(dǎo)致生物參數(shù)及其相互影響被忽略。水力學(xué)計算方法主要包括濕周法、R2CROSS法等。水力學(xué)方法相較于水文學(xué)法考慮了河道形態(tài)要素，與水文學(xué)方法相比該方法更為準(zhǔn)確，同時也可為其他方法提供水力學(xué)依據(jù)[3]。

總體而言，國內(nèi)外關(guān)于生態(tài)需水已經(jīng)有不少實用性的定量計算方法，但缺乏一套系統(tǒng)、成熟的理論，針對區(qū)域性生態(tài)需水計算方法的選擇及其適用性的研究也相對較少。因此，本文綜合考慮水文、水力、生物因素，選取Qp法、頻率曲線法、最小月平均流量法、Tennant法及生物習(xí)性法，以鄂北地區(qū)淺丘河道——水河為例計算河道生態(tài)需水量，并考慮水文、水質(zhì)條件，比選河道斷面適宜生態(tài)流量的計算方法，為保護(hù)河道生態(tài)環(huán)境等提供重要參考[4]。

1 計算方法及原理

生態(tài)需水一般是指為維護(hù)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)穩(wěn)定、維持水體特定功能，并逐步改善生態(tài)環(huán)境所需的流量或水量[5]。本文采用以下五種方法分別計算斷面生態(tài)需水流量。

1.1 Qp法

Qp法又稱不同頻率最枯月平均值法，是以節(jié)點長系列（n≥30年）天然月平均流量、月平均水位或徑流量（Q）為基礎(chǔ)，用每年的最枯月平均流量進(jìn)行排頻分析。選擇一定頻率下的最枯月平均流量、月平均水位或徑流量平均流量作為節(jié)點基本生態(tài)環(huán)境需水量的最小值[6]。頻率P根據(jù)河湖水資源開發(fā)利用程度、規(guī)模、來水情況等實際情況確定，宜取90%或95%[7]。

1.2 頻率曲線法

頻率曲線法是用長系列水文資料的月平均流量、月平均水位或徑流量的歷史資料構(gòu)建各月水文頻率曲線。將95%頻率相應(yīng)的月平均流量、月平均水位或徑流量作為對應(yīng)月份的節(jié)點基本生態(tài)環(huán)境需水量，組成年內(nèi)不同時段值，用汛期、非汛期各月的平均值復(fù)核汛期、非汛期的基本生態(tài)環(huán)境需水量[8]。

1.3 最小月平均流量法

最小月平均法[9]是以河流最小月平均實測徑流量的多年平均值作為河流的基本生態(tài)環(huán)境需水量。其計算公式為：

式中：Qb為河流基本生態(tài)需水量，m3/s；Qij為第i年第j個月的月平均流量，m3/s；N為統(tǒng)計年數(shù)。

1.4 Tennant法

Tennant法又稱為蒙大拿法（Montana），是依據(jù)觀測資料建立的流量和河流生態(tài)環(huán)境狀況之間的經(jīng)驗關(guān)系。用歷史流量資料就可以確定年內(nèi)不同時段的生態(tài)環(huán)境需水量，取天然年徑流的百分比作為河流生態(tài)需水的推薦值[10]。

不同河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況對應(yīng)的流量百分比見表1。推薦的基流分為汛期和非汛期，推薦值以占徑流量的百分比作為標(biāo)準(zhǔn)。如10%的年平均流量是退化或貧瘠的棲息地條件；20%的年平均流量提供了保護(hù)水生生物棲息地的適當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)；在小河流中，30%的年平均流量接近最佳生物棲息地標(biāo)準(zhǔn)。

表1 不同河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況對應(yīng)的流量百分比Table 1 Percentage of flow corresponding to the ecological environment conditions in different rivers

1.5 生物習(xí)性法

生物習(xí)性法[11]是一種基于生態(tài)保護(hù)對象的生活習(xí)性和流量變化的河道生態(tài)需水量（ecological instream flow requirements，EIFR）估算方法。通過建立流量變化與生物習(xí)性的定量關(guān)系，確定主要生態(tài)保護(hù)對象生活習(xí)性關(guān)鍵月份，既具有水文學(xué)方法的簡便優(yōu)勢，又能盡可能多地考慮生物學(xué)特性，能較好地解決資料缺乏地區(qū)的生態(tài)需水估算問題。EIFR的計算包括兩部分，對于關(guān)鍵月，EIFR為該月中值流量與該月的流量變異系數(shù)的乘積。對其他月份，EIFR為90%超過概率流量與全年各月流量變異系數(shù)最小值之乘積。

相關(guān)研究經(jīng)驗表明，河流流量變異系數(shù)與生物生活習(xí)性存在某種相關(guān)性[11]。根據(jù)研究區(qū)的流量資料系列，其變異系數(shù)由下式求出：

關(guān)鍵月的中值流量為Qmean,i，該月的變異系數(shù)為CVi，則主要保護(hù)生態(tài)對象在該關(guān)鍵月的生態(tài)需水量EIFRv。

對一般月份來講，河流主要保護(hù)對象對流量沒有特別要求，河道只需要維持一定水量作為河流基本流量，采用下式進(jìn)行計算：

式中：Q90%為90%超過概率流量，由流量歷時曲線推求；CVmin為河流12個月變異系數(shù)的最小值，其物理意義是河道需保持90%概率意義下流量最小標(biāo)準(zhǔn)均方差量級的流量作為河流最基本流量。

2 方法在工程中的應(yīng)用

2.1 研究區(qū)概況

圖1 水流域及斷面位置示意圖Fig.1 The overview of the Jueshui River basin and sections

研究區(qū)內(nèi)主要生態(tài)保護(hù)對象為四大家魚（鰱魚、鳙魚、青魚及草魚），其中鰱魚喜高溫，性急躁，善跳躍，生長速度快、產(chǎn)量高，每年4—6月產(chǎn)卵，冬季則潛至深水越冬；鳙魚、青魚性溫順，行動遲緩，4—7月在江河干流中繁殖較為旺盛，生殖后常集中于江河彎道及通江湖泊中肥育，冬季在深水處越冬；草魚性情活潑，在夏季5、6月最為旺盛，11月后則潛入干流或湖泊的深水處越冬。

2.2 數(shù)據(jù)資料

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 年度需水量分析

基于年尺度對比五種計算方法得到的生態(tài)需水總量對比圖（圖2）。發(fā)現(xiàn)兩斷面的共同之處：Qp法的年需水總量最少，生物習(xí)性法的年需水總量最大。斷面1處于水河下游河段，生物習(xí)性法和Tennant法計算得到的全年平均生態(tài)需水流量遠(yuǎn)高于年均天然流量，若采用這兩種方法計算得到的河道適宜生態(tài)需水作為標(biāo)準(zhǔn)，勢必會大幅增加保障河道生態(tài)需水的壓力；斷面2各方法計算結(jié)果均小于天然年均流量。因此，在水河這類天然徑流較小的河道上游斷面不建議采用生物習(xí)性法和Tennant法。

圖2 各方法生態(tài)需水總量對比Fig.2 Comparison of total ecological water demand estimated by different methods

2.3.2 水文節(jié)律變化分析

5種生態(tài)需水量計算方法得到的兩斷面的生態(tài)需水流量結(jié)果見圖3。根據(jù)水河上下游斷面1960—2011年（共計52年）天然徑流資料排頻分析計算，并選取90%枯水年1976年作為典型年進(jìn)行對比分析。從月尺度來看，水河封江口水庫下游斷面的枯水月份與豐水月份月均天然流量數(shù)值相差不大，其中流量相對較低的10至4月中，6個月的總流量值約占全年總流量值的44%，多年月均天然流量沒有明顯的季節(jié)性變化[12]；水河隨岳高速斷面的枯水月份與豐水月份月均天然流量數(shù)值相差較大，其中流量相對較低的10月至4月中，6個月的總流量值約占全年總流量值的20%，多年月均天然流量呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化。對比這5種方法的月生態(tài)需水流量過程發(fā)現(xiàn)：斷面1隨岳高速斷面中，頻率曲線法計算結(jié)果最能吻合天然徑流的月尺度變化規(guī)律；斷面2封江口水庫下游斷面中，生物習(xí)性法計算結(jié)果相較于Tennant法更加匹配斷面天然徑流的變化趨勢，從一定程度上能大致反映河道流量的季節(jié)性變化[2]。

圖3 不同生態(tài)流量計算方法對比Fig.3 Comparison of calculation results with different methods

2.3.3 水質(zhì)變化規(guī)律分析

圖4 生態(tài)流量過程與水質(zhì)變化圖Fig.4 Variation chart of ecological flow process and water quality

河道主要污染物TN的現(xiàn)狀水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)與生態(tài)流量計算結(jié)果的月尺度變化過程如圖4所示。對比分析發(fā)現(xiàn)，斷面1中，頻率曲線法計算結(jié)果相較于其他方法能更好地擬合TN水質(zhì)變化過程，斷面2中生物習(xí)性法更能吻合TN水質(zhì)變化趨勢。因此上下游斷面分別采用生物習(xí)性法、頻率曲線法計算生態(tài)流量更有利于水河的水質(zhì)改善[2]。究其原因，主要是水質(zhì)改善效果與封江口水庫下泄流量過程緊密相關(guān)，通過生物習(xí)性法計算得到的斷面2生態(tài)流量除個別月份外均大于其他方法，且與水質(zhì)變化趨勢相似；通過頻率曲線法計算得到的斷面1生態(tài)流量雖然在某些月份低于生物習(xí)性法和Tennant法，但它與水質(zhì)變化趨勢大體相同。

2.3.4 討論

結(jié)合河道斷面年需水總量、典型年天然徑流變化及主要污染物TN的水質(zhì)變化這三個因素，可以發(fā)現(xiàn)生物習(xí)性法和頻率曲線法在水文節(jié)律和水質(zhì)變化方面都有很好的表現(xiàn)，生物習(xí)性法考慮了水生生物在枯水期對流量的需求，頻率曲線法考慮了不利水文條件下河道的生態(tài)需求。因此，建議在水河上游斷面采用生物習(xí)性法，下游斷面采用頻率曲線法。

3 結(jié)論

綜合考慮全年需水量、天然徑流變化、水質(zhì)變化三方面因素，建議在水河這樣的淺丘河道上下游分別采用生物習(xí)性法、頻率曲線法計算得到斷面適宜生態(tài)需水量。