基于流速法與環(huán)境流量的生態(tài)需水研究

閆少鋒，熊 瑤，謝文俊

(1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)院，武漢 430064;2.長江勘測設(shè)計(jì)研究院，武漢 430010)

生態(tài)流量是維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康可持續(xù)發(fā)展的基本要素，保障河流生態(tài)流量是落實(shí)五大發(fā)展理念、推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、保障區(qū)域水安全和生態(tài)安全的基本要求。劉昌明院士曾指出，21世紀(jì)的水文水資源問題正面臨著巨大的挑戰(zhàn)，主要包括如何滿足社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展對水資源日益增長的需要，維持生態(tài)需水和控制因發(fā)展而帶來的水污染，不斷改善水生態(tài)環(huán)境[1]。十九大報(bào)告指出，我國社會(huì)主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾，人們對水資源、水生態(tài)環(huán)境的要求日益增長。

湖北省降雨充沛，水資源條件得天獨(dú)厚，加之長江、漢江穿省而過，客水資源豐富。而近年來，隨著氣候的變化、人口快速增長、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，河流水體污染日益嚴(yán)重，水生態(tài)環(huán)境日趨惡化。同時(shí)，受歷史發(fā)展的局限性的影響，長期以來，眾多河流均存在生態(tài)需水一直被擠占的問題，甚至部分河流還出現(xiàn)斷流等嚴(yán)重情況，嚴(yán)重制約了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。本文在流速法的基礎(chǔ)上，考慮環(huán)境流量因素，深入研究河流生態(tài)需水量的計(jì)算。以期為河流水生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供重要依據(jù)，為流域生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供具體可行的措施和方法，為水資源管理提出科學(xué)合理的建議。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)資料

1.1 研究區(qū)域

本文選取湖北省漢北河作為研究對象。漢北河位于湖北省江漢平原內(nèi)，河流東西走向，西起天門市區(qū)，流經(jīng)天門市、漢川市，最終于新溝鎮(zhèn)匯入漢江，河流全長約92.8 km，如圖1所示。漢北河瀕臨漢江、天門河、府寰河，水土資源豐富，自然條件優(yōu)越，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)十分發(fā)達(dá)。本流域范圍內(nèi)，多年平均降水量950～1 200 mm，汛期5-9月降水量占全年的70%左右，降水年際變化大，年內(nèi)分配不均。

1.2 數(shù)據(jù)資料

數(shù)據(jù)資料主要包括水文站點(diǎn)徑流數(shù)據(jù)、漢北河河道斷面實(shí)測數(shù)據(jù)以及河內(nèi)水生生物資料：①水文徑流數(shù)據(jù)為天門水文站1956-2018年日徑流數(shù)據(jù)以及基于MIKE11對整個(gè)河流各斷面的模擬徑流數(shù)據(jù)；②漢北河實(shí)測河道斷面，斷面間隔約為1 km；③水生生物生存的水力要求資料。

2 研究方法

2.1 改進(jìn)流速法

流速法即以流速作為反映生物棲息地指標(biāo)，來確定河道內(nèi)生態(tài)需水量[2]。其原理是根據(jù)斷面關(guān)鍵指示性物種確定生態(tài)流速，再依據(jù)斷面(v-Q)關(guān)系得到斷面生態(tài)流量[3]。

Q=vA

(1)

式中：Q為河流斷面徑流量，m3/s；v為河流流速，m/s；A為河流斷面面積，m2。

據(jù)公式(1)可知，流速和流量為正相關(guān)關(guān)系，流量隨著流速的增大而增大。所以從理論上來講，適宜的流速就能保證流量處在較好范圍。

本文在流速法的基礎(chǔ)上，考慮環(huán)境流量指數(shù)，深入研究河流生態(tài)需水，如表1所示。河流生物體的生命與環(huán)境流量指數(shù)(Environmental Flow Components，EFC)的發(fā)生時(shí)間、頻率、量、持續(xù)時(shí)間及它們之間的變化率緊密相關(guān)[4]。

表1 環(huán)境流量組分Tab.1 Environmental flow component

Richter[5]提出一套分類算法來界定表1中的特枯流量、枯水流量、高脈沖流量、小洪水、大洪水5類流量事件，其主要根據(jù)不同流量閾值進(jìn)行劃分，具體如表2所示[4,6-8]。

表2 5種流量事件界定方法Tab.2 Five ways to define traffic events

2.2 斷面選取

如圖1所示，對漢北河地形的開展勘測工作，共測量斷面地形80余個(gè)?；谒拇蠹音~的生活習(xí)性，將其生長期分為四個(gè)時(shí)期：上溯洄游期、產(chǎn)卵繁殖期、幼魚索餌期以及越冬期。針對魚類不同生長期的需求，選擇不同的斷面[9]。

(1)上溯洄游期。選擇若干斷面形態(tài)差異較大的斷面，進(jìn)行一維水動(dòng)力學(xué)模擬后，選擇其中流量條件最難滿足的斷面作為標(biāo)準(zhǔn)。

(2)產(chǎn)卵繁殖期。四大家魚喜好在河道彎曲處產(chǎn)卵，因此將斷面選擇范圍確定在斷面8至12之間、24至27之間、32至36之間、39至43之間、70至73之間，同時(shí)斷面20以后的河道斷面較寬，可形成河漫灘。四大家魚幼魚生長需要淹沒淺灘，因此考慮選取處在斷面20之后的斷面，因此選擇斷面25、34、41、71作為四大家魚產(chǎn)卵繁殖期的最佳棲息地，基于斷面距離以及斷面同質(zhì)化的考慮，選擇斷面25、71作為四大家魚繁殖期的最佳棲息地。同時(shí)，上文提及的四大家魚在幼魚繁殖期內(nèi)最好產(chǎn)生一次平灘流或者漫灘流，因此以斷面71為主。

(3)幼魚索餌期。四大家魚在幼魚索餌期內(nèi)最好發(fā)生大于1次的平灘流或漫灘流，以能夠沖刷河漫灘，為幼魚帶來廣闊的活動(dòng)空間并且有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)來源，在計(jì)算中，以流量能夠完全覆蓋斷面的河漫灘為準(zhǔn)。

(4)越冬期。因?yàn)樗拇蠹音~具有洄游習(xí)性，故越冬期斷面選擇產(chǎn)卵繁殖期斷面后的斷面。四大家魚喜歡在河流深處越冬，因此盡量選擇河道較深的斷面。斷面84的位置在整個(gè)范圍內(nèi)相對靠后，最低河底高程為15 m，滿足大于10 m的要求。

3 結(jié)果分析

3.1 斷面水文突變檢驗(yàn)

本文采用滑動(dòng)軼和檢驗(yàn)方法對天門水文站1956-2018年的徑流量進(jìn)行突變檢驗(yàn)，旨在檢驗(yàn)兩種或兩種以上的觀察變量的分布有無顯著差異。

分別對天門水文站1956-2018年的年平均徑流系列與5-7月(產(chǎn)卵繁殖期)平均徑流量進(jìn)行突變檢驗(yàn)，結(jié)果顯示：天門水文站多年年徑流量系列未出現(xiàn)變異點(diǎn)，即沒有發(fā)生突變現(xiàn)象；對天門水文站逐年5-7月徑流量進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果顯示：5、6月未出現(xiàn)變異點(diǎn)，僅2016年7月出現(xiàn)了變異情況。因此，1956-2015年、2017-2018年，天門水文站徑流量無顯著變異。

3.2 環(huán)境流量計(jì)算

基于天門水文站1956-2015年、2017-2018年日流量數(shù)據(jù)，對天門水文站的環(huán)境流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)劃分，并選取典型年，如表3、圖2所示。分析結(jié)果顯示：2005年為豐水年(P=25%)流量為42.5 m3/s，1984年為平水年(P=50%)流量為27.4 m3/s，1979為枯水年(P=75%)流量為22.2 m3/s。

表3 環(huán)境流量參數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Environmental flow parameter statistics

對3個(gè)典型年環(huán)境流量組分進(jìn)行劃分，如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 豐水年流量組分曲線Fig.3 Component curve of annual flow rate of wet year

圖4 平水年流量組分曲線Fig.4 Component curve of annual flow rate of normal flow year

圖5 枯水年流量組分曲線Fig.5 Component curve of annual flow rate of low flow year

統(tǒng)計(jì)不同典型年的特枯流量、低流量、高脈沖流量、小洪水、大洪水的天數(shù)與發(fā)生時(shí)間，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表4 不同典型年的環(huán)境流量統(tǒng)計(jì)Tab.4 Environmental flow statistics for different typical years

對豐、平、枯3個(gè)典型年的環(huán)境流量進(jìn)行分析，結(jié)果顯示：3個(gè)典型年中均包含極端低流量、低流量、高脈沖流量以及小洪水事件，且各典型年內(nèi)的環(huán)境流量事件的發(fā)生時(shí)間、頻率、歷時(shí)等不相同。極低流量事件發(fā)生在部分月份，發(fā)生天數(shù)為35～36 d，發(fā)生天數(shù)基本相同；低流量事件貫穿典型年全年，發(fā)生天數(shù)為238～240 d，遠(yuǎn)大于極低流量天數(shù)，是環(huán)境流量組合中存在最為普遍的流量事件，為水生生物提供了基本流量要求。高脈沖流量事件發(fā)生月份跨度較大，發(fā)生天數(shù)為80～83 d，發(fā)生天數(shù)基本相同，且在魚類產(chǎn)卵繁殖期前后均有高脈沖流量事件，為魚類繁殖提供了較好的條件。

對比圖3、圖4、圖5 3種典型年可發(fā)現(xiàn)：豐水年的高脈沖流量主要更加密集的出現(xiàn)在4-8月份期間，平水年稍顯分散，枯水年的高脈沖流量最為分散，甚至于出現(xiàn)于生產(chǎn)繁殖期的后期，平水年、枯水年流量不適于四大家魚的產(chǎn)卵需求；豐水年的小洪水事件發(fā)生在2月份，平水期、枯水期的小洪水事件均發(fā)生在汛期6、7月份。此外，圖3、圖4、圖5比較可以看出，平水年、枯水年年徑流量分配不均現(xiàn)象較為明顯，其中枯水年尤為明顯。因此，除豐水年外，如需滿足四大家魚的生存需求，保證河流水生態(tài)系統(tǒng)的健康，需要人為干預(yù)對上游流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，或者通過引水補(bǔ)充河流水量。

3.3 生態(tài)流量計(jì)算

基于天門水文站的水文數(shù)據(jù)以及河道斷面測量數(shù)據(jù)，對關(guān)鍵斷面的水位、徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，確定關(guān)鍵斷面的水位、流量關(guān)系，分析四大家魚不同生長期對生態(tài)流量的需求：

(1)上溯洄游期。由于多年來漢北河上游河段入流相對穩(wěn)定，因此四大家魚上溯洄游期的需求僅考慮流速要求即可。前文分析可知，在四大家魚上溯洄游期，河流速度不宜高于1.1 m/s，因此設(shè)定上溯洄游期的最大流速為1.1 m/s。斷面71是1.1 m/s流速對應(yīng)的流量值最低的斷面，為保證四大家魚順利洄游，選擇此斷面對應(yīng)的流量作為上溯洄游期最高流量要求，根據(jù)其流量～流速關(guān)系曲線，四大家魚上溯洄游期的流量需小于145.75 m3/s。根據(jù)漢北河上游水文站實(shí)測流量值以及MIKE11模擬流量數(shù)據(jù)，在上溯洄游期(3-4月)基本不會(huì)發(fā)生影響四大家魚洄游的高流量事件。

(2)產(chǎn)卵繁殖期?；跀嗝孢x取原則，圖1所示斷面71、25最適合四大家魚產(chǎn)卵繁殖，因此繪制此斷面的流量～水位曲線圖、流量～流速曲線圖，如圖6、圖7、圖8、圖9所示。四大家魚產(chǎn)卵繁殖期的生態(tài)要求為連續(xù)7 d以上的高脈沖流量事件，能夠淹沒淺灘水深超過0.7 m。斷面71的淺灘最低高程為22.9 m，因此水位需要達(dá)到23.6 m；斷面25的淺灘最低高程為22.3 m，水位需要達(dá)到23 m。結(jié)合各斷面流量—水位關(guān)系圖，確定斷面71、25要求的水深對應(yīng)的流量分別為76.47、45.5 m3/s。除了需要達(dá)到淺灘水深要求外，還需要達(dá)到產(chǎn)卵流速刺激需求，即滿足河流流速大于0.7 m/s，斷面71、25的流速需求對應(yīng)的流量為104.23與57.9 m3/s。綜合以上分析，在四大家魚產(chǎn)卵繁殖期，斷面71、25的生態(tài)流量需求為104.23與57.9 m3/s，因此斷面25更適合四大家魚產(chǎn)卵繁殖，故以斷面25的生態(tài)流量作為四大家魚產(chǎn)卵繁殖期的代表生態(tài)流量，且歷時(shí)大于7 d。

圖6 斷面25流量～水位關(guān)系曲線Fig.6 Flow - water level relationship curve of section 25

圖7 斷面25流量～流速關(guān)系曲線Fig.7 Flow - velocity relationship curve of Section 25

圖8 斷面71流量～水位關(guān)系曲線Fig.8 Flow - water level relationship curve of section 71

圖9 斷面71流量～流速關(guān)系曲線Fig.9 Flow - velocity relationship curve of Section 71

(3)幼魚索餌期?；谇拔膶λ拇蠹音~生活習(xí)性的介紹，四大家魚在幼魚索餌期內(nèi)發(fā)生大于1次的平灘流或漫灘流即可。

計(jì)算斷面71、25的淺灘平均高程，分別為23.8、23.5 m，斷面71、25對應(yīng)的流量分別為82.88與54.2 m3/s，綜合考慮斷面位置與魚類生活習(xí)性，選取斷面71為四大家魚產(chǎn)卵繁殖與幼魚生長的斷面。

(4)越冬期。對幾個(gè)典型斷面進(jìn)行分析，斷面25、71、84均滿足h>10 m的要求，均適合四大家魚越冬。

對四大家魚各生長繁殖關(guān)鍵期的生態(tài)需求對應(yīng)的生態(tài)流量進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，如表5所示。

3.4 基于流量組合結(jié)果、Tennant法的流量分析

Tennant法對生態(tài)流量的時(shí)期劃分分為汛期(4-9月)與非汛期(10-3月)，汛期與非汛期的不同等級生態(tài)流量對應(yīng)的固定百分比不同，汛期高于非汛期。本文基于漢北河的實(shí)際徑流情況，確定本河流汛期為5-9月，非汛期為10-4月，基于Tennant法估算兩種級別的生態(tài)流量組合：即最小生態(tài)流量與適宜生態(tài)流量。

最小生態(tài)流量采用Tennant法中的“差”或“最小”標(biāo)準(zhǔn)，即以多年平均流量的10%作為汛期、非汛期的最小生態(tài)流量值；適宜生態(tài)流量采用Tennant法中的“良好”標(biāo)準(zhǔn)，即以多年平均流量的20%作為非汛期的適宜生態(tài)流量值，采用多年平均流量的40%作為汛期的適宜生態(tài)流量。根據(jù)Tennant法計(jì)算的天門水文站逐月最小與適宜生態(tài)需水量如表6所示[1]。

表6 基于Tennant法的天門水文站多年平均流量以及最小與適宜生態(tài)需水量Tab.6 The annual average flow rate and minimum and suitable ecological water demand of Tianmen hydrology station based on Tennant method

表5生態(tài)流量組合結(jié)果顯示：漢北河在豐水年、平水年的徑流量基本能滿足四大家魚的各個(gè)時(shí)期的需求。因此，只要天門水文站來水量足夠，各個(gè)典型斷面的流量即可滿足漢北河的水生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。將生態(tài)流量組合的計(jì)算結(jié)果與Tennant法進(jìn)行比較，生態(tài)流量組合計(jì)算的5-7月生態(tài)流量僅低于Tennant法計(jì)算結(jié)果中的7月份流量，而生態(tài)流量組合計(jì)算結(jié)果的要求為5-7月份發(fā)生1次連續(xù)7 d流量超過57.9 m3/s的高流量事件，Tennant法的要求是平均流量，要求更高。

表5 四大家魚各時(shí)期生態(tài)流量組合Tab.5 The ecological flow pattern of the four major Chinese carps in different periods

基于生態(tài)流量組合計(jì)算結(jié)果，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行分析，四大家魚上溯洄游期與越冬期的流量需求在歷史流量情況中都能得到滿足，上溯洄游期只推薦了生態(tài)流量的上限值，在實(shí)際操作中河道內(nèi)仍然需要保持一定的流量以維持河流水生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此，采用Tennant法推求的逐月最小與適宜生態(tài)流量值來補(bǔ)充生態(tài)流量組合計(jì)算結(jié)果的缺失部分，并且將計(jì)算的關(guān)鍵斷面生態(tài)流量轉(zhuǎn)換為擁有長系列流量序列的天門水文站對應(yīng)生態(tài)流量。具體操作為：

(1)補(bǔ)充魚類上溯洄游期的水生態(tài)系統(tǒng)基本生態(tài)流量?？紤]整個(gè)河流水生態(tài)系統(tǒng)的需求，采用Tennant法3、4月的適宜生態(tài)流量作為上溯洄游期的基本生態(tài)流量，即TM斷面3、4月內(nèi)的日流量分別為3.36與5.8 m3/s。

(2)補(bǔ)充魚類產(chǎn)卵繁殖期與幼魚索餌期的水生態(tài)系統(tǒng)一般情況下生態(tài)流量?；谏鷳B(tài)組合流量的計(jì)算結(jié)果，提出在魚類產(chǎn)卵繁殖(5-7月)內(nèi)在斷面25需要至少發(fā)生1次的連續(xù)7 d大于57.9 m3/s的高流量事件，在幼魚索餌期(8-10月)內(nèi)需要至少發(fā)生1次流量大于82.88 m3/s的平灘流或漫灘流，但是對高流量事件的時(shí)段沒有具體要求。采用Tennant法對產(chǎn)卵繁殖與幼魚索餌期內(nèi)其他時(shí)間進(jìn)行生態(tài)流量補(bǔ)充，由于該時(shí)期內(nèi)已經(jīng)考慮了水生生物的適宜需求，故采用Tennant法5-10月的最小生態(tài)流量作為該時(shí)期內(nèi)一般情況的生態(tài)流量。

(3)補(bǔ)充魚類越冬期的水生態(tài)系統(tǒng)基本生態(tài)流量需求。由于歷史流量系列中流量的最小值亦能滿足四大家魚越冬期的水位要求，因此生態(tài)組合流量計(jì)算結(jié)果未給出越冬期的生態(tài)流量下限要求，因此采用Tennant法11-2月的適宜生態(tài)流量作為越冬期的基本生態(tài)流量。

綜上，分析天門水文站多年日平均徑流量，如圖10所示。天門水文站徑流數(shù)據(jù)可滿足3、4月份的日流量需分別大于3.36與5.8 m3/s的要求；7月份平均徑流量大于57.9 m3/s，對發(fā)生1次的連續(xù)7 d大于57.9 m3/s的高流量事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示有25年滿足，滿足率僅為40%；8月份多年平均日流量數(shù)據(jù)均小于82.88 m3/s，有24年出現(xiàn)大于82.88 m3/s的日徑流數(shù)據(jù)，約38%的年份滿足至少發(fā)生1次流量大于82.88 m3/s的平灘流或漫灘流。因此，漢北河流量距離滿足產(chǎn)卵繁殖期與魚類索餌期的水量要求還有一定的差距。因此，需要在7、8月份對漢北河補(bǔ)充一定的水量，以滿足魚類需求。

圖10 天門水文站多年日平均徑流量Fig.10 Average daily runoff of Tianmen hydrology station

為確保河流徑流量滿足特殊生態(tài)流量需求，以滿足7月份滿足發(fā)生1次連續(xù)7 d大于57.9 m3/s的高流量事件、8月份發(fā)生一次大于82.88 m3/s的日徑流數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，7、8月份的生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果分別為34.8、20 m3/s，即對7、8月份分別補(bǔ)充流量5.48、1.6 m3/s。結(jié)合Tennant法的計(jì)算結(jié)果，對二者進(jìn)行結(jié)合，得出漢北河生態(tài)流量組合推薦，如表7所示。

表7 適于四大家魚各時(shí)期的天門水文站生態(tài)流量組合推薦Tab.7 The recommended ecological flow of four major chinese carps in different periods at Tianmen hydrology station

綜上，以Tennant法適宜生態(tài)流量與特殊生態(tài)流量組合確定作為適宜生態(tài)需水量，以Tennant法最小生態(tài)流量作為生態(tài)流量組合的最小生態(tài)量，漢北河生態(tài)流量組合的最小、適宜生態(tài)需水量如表7所示。

4 結(jié) 語

本文以青草鰱鳙四大家魚為保護(hù)對象，以湖北省漢北河為研究對象，在流速法的基礎(chǔ)上，考慮環(huán)境流量指數(shù)，深入研究河流生態(tài)需水，主要研究結(jié)果如下。

(1)對天門水文站長時(shí)間序列徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行突變檢驗(yàn)以及開展環(huán)境流量計(jì)算，結(jié)果顯示漢北河徑流主要涉及極低流量、低流量、高脈沖流量以及小洪水流量，且豐水年的流量事件可以很好的滿足四大家魚的生存需求，而在平水年、枯水年則相對分散，不利于四大家魚的生存，需要補(bǔ)充水量。

(2)基于四大家魚在不同生長期：上溯洄游期、產(chǎn)卵繁殖期、幼魚索餌期以及越冬期的不同水力需求進(jìn)行生態(tài)需水量計(jì)算，結(jié)果顯示：四大家魚在上溯洄游期、越冬期的水力需求在豐水年、平水年以及枯水年均可滿足，而產(chǎn)卵繁殖期、幼魚索餌期的水力需求在豐水年、平水年可滿足，枯水年不能滿足，需要補(bǔ)充水量。

(3)在基于改進(jìn)流速法計(jì)算漢北河生態(tài)需水計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，聯(lián)合Tennant法計(jì)算結(jié)果，對二者進(jìn)行綜合考慮，確定漢北河的逐月最小、適宜生態(tài)需水量，年平均生態(tài)需水流量為11.1 m3/s，約占總徑流量的34.6%，結(jié)果較為合理，本計(jì)算方法值得推廣。

現(xiàn)階段，水文學(xué)法是使用最為普遍，且較適合我國河道生態(tài)需水的計(jì)算方法。本文對滿足魚類生存和繁衍的天門河河道內(nèi)生態(tài)需水量進(jìn)行了計(jì)算，相較于水文學(xué)法，本法考慮了區(qū)域內(nèi)典型動(dòng)物群的生存狀態(tài)對水量的需求，是既能反映季節(jié)特征、又能兼顧生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)性的比較好的方式，且分析計(jì)算比較簡單，較易推廣應(yīng)用。本文的研究，旨在對生態(tài)需水計(jì)算方法做一些理論和方法方面的探索工作，提供一種新的可能性，同時(shí)，本方法也具有一定的局限性(對河流中水生生物的生態(tài)需求界定相對粗糙)，還需要在今后的研究中進(jìn)一步豐富和完善。

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