基于水力水文學(xué)法的大渡河上游生態(tài)流量確定

金 純，姜翠玲,吳 為

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.江蘇匯智工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000)

河流是水生生物發(fā)育和繁衍的重要場所，過度取水會影響魚類及水生生物的棲息環(huán)境[1]。生態(tài)流量作為維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康的重要條件[2-3]，對于保持河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定，保護生物多樣性起到了很大的作用。為了保護河流生態(tài)系統(tǒng)，河流生態(tài)流量的研究和確定方法也越來越受到重視。目前全球已有200多種生態(tài)流量計算方法[4-5]，這些方法大致可以分為4類：水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地模擬法和整體法[6]。

水文學(xué)法是最常用的方法，主要利用長系列流量資料估算生態(tài)流量。一般選擇簡單的水文指標來設(shè)定最小生態(tài)流量，如平均流量的百分率或者天然流量頻率曲線上的保證率[7-8]，代表方法有Tennant法、7Q10法、Texas法、流量歷時曲線法、Q90法等。水力學(xué)法通過收集流量、大斷面以及目標物種的水力特性喜好度等資料來計算生態(tài)流量[6]。通過建立水力學(xué)參數(shù)與流量之間的關(guān)系曲線確定一個閾值，該閾值表明隨著流量的減少，生境質(zhì)量顯著下降，此時對應(yīng)的流量即為保證生態(tài)環(huán)境不再惡化的最小流量[9]。常用的水力學(xué)法有濕周法、R2-CROSS法等。棲息地模擬法關(guān)注指示物種的具體需求，綜合考慮了生物棲息地特征與水文特征之間的關(guān)系，通過建立有效棲息地面積-流量關(guān)系曲線來確定生態(tài)流量[8-10]，IFIM法是最常見的棲息地模擬法。整體法是水文、水力、棲息地模擬法和專家知識的結(jié)合，綜合研究流量、泥沙運輸、河床形狀與河岸帶群落之間的關(guān)系，其中最具代表性的是BBM法和整體研究法[11]。

但是，迄今為止，尚不存在理想的生態(tài)流量計算方法。任何現(xiàn)有的方法都是基于特定的河流或地區(qū)，存在局限性。水文學(xué)法由于原理簡單和計算快速等，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。但是，水文學(xué)法僅僅是基于歷史流量數(shù)據(jù)的經(jīng)驗估計，并未直接考慮生物需求。以濕周法為代表的水力學(xué)法包含更多的河流信息，能夠為水生生物棲息地提供足夠的保護，且數(shù)據(jù)容易獲取。但是，濕周法計算得到的生態(tài)流量是一個確定的值，不能反映生態(tài)流量的年內(nèi)變化。棲息地模擬法考慮了生物因素，但對數(shù)據(jù)的要求高，所需的生態(tài)資料不易獲得。整體法考慮較為全面，但需要花費大量的人力和物力。由于河流生態(tài)流量計算的復(fù)雜性，不同計算方法的側(cè)重不同，適用范圍不同[12]，單一的計算方法缺乏對生態(tài)系統(tǒng)的全面考慮[13]，因此在研究河流生態(tài)流量時，應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)的實際情況，采用多種不同的計算方法，綜合確定生態(tài)流量[14-15]。

西南地區(qū)蘊含著豐富的水能資源，近幾十年來興建了許多水利工程，用于發(fā)電、供水和灌溉。水利工程的建設(shè)造成河流水文情勢、棲息地的改變，進而影響生物種群的生存和繁衍[16-17]。大渡河流域水資源開發(fā)利用程度較高，且功能單一，以發(fā)電為主，生態(tài)功能處于次要地位，水電開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護之間的矛盾突出。雙江口水電站壩址位于大渡河上游足木足河與綽斯甲河匯口處以下2 km河段，是大渡河流域水電梯級開發(fā)的上游控制性水庫工程，能較大幅度地提高其下游梯級電站的枯期出力[18-19]。雙江口水電站的修建，勢必會對大渡河上游的生態(tài)環(huán)境造成影響。本研究以大渡河上游為研究對象，分別采用水力學(xué)法中的濕周法和水文學(xué)法中的Tennant法、Tessman法和逐月最小徑流法計算生態(tài)流量，同時考慮魚類產(chǎn)卵育幼的需要，對比分析各種方法的優(yōu)缺點，來確定大渡河上游最小生態(tài)流量。

1 研究區(qū)域概況

大渡河是岷江水系最大的支流，發(fā)源于青海省果洛山東南麓，于樂山市匯入岷江，全長1 062 km，流域面積77 400 km2(不含青衣河)。綽斯甲河口以上為河源，瀘定以上為上游，瀘定—銅街子河段為中游，銅街子以下為下游。大渡河河床落差大，達4 175 m，流域水電資源豐富，是我國西電東輸基地之一。

大渡河流域魚類資源豐富，共有7目17科73屬111種，上游的魚類種數(shù)基本維持在10～13種，以裂鰒魚類、條鰍亞科魚類和鮡科魚類為主[20]。其中，我國特有種類川陜哲羅鮭(Huchobleekeri)是國家Ⅱ級保護魚類，被《中國瀕危動物紅皮書》列入瀕危物種，在動物地理學(xué)、魚類系統(tǒng)發(fā)育與氣候變化等方面具有重要的研究價值。歷史上，川陜哲羅鮭曾分布于整個大渡河水系[21]，由于生態(tài)環(huán)境變化、水利水電工程建設(shè)、非法捕撈等原因，川陜哲羅鮭目前主要分布在大渡河上游足木足河干流茶堡河匯口—柯河鄉(xiāng)河段[20]。

足木足、大金水文站處于大渡河上游，分別位于雙江口水電站的上下游(圖1)，有著較為完整的水位、流量、大斷面數(shù)據(jù)資料。理論上，生態(tài)徑流計算應(yīng)使用還原后的天然徑流資料，但由于缺少大渡河的用水資料，無法進行還原計算?？紤]到江口水電站于2015年開工建設(shè)，在此之前大渡河上游并未修建任何大型的水利工程，1970—1987年大渡河干流雖然受到了人類活動的影響，但處于自身能夠逐漸恢復(fù)的范圍之內(nèi)，實測徑流資料可作為天然徑流進行生態(tài)流量計算。這個時期，河道受人類活動影響相對較小，河流的生態(tài)環(huán)境沒有遭到破壞。因此本研究選擇大渡河流域的足木足和大金水文站2個典型斷面作為控制斷面進行計算。表1給出了兩個水文站的基本信息。

圖1 研究區(qū)域概況

表1 典型水文站的基本信息

2 研究方法

本研究采用水力學(xué)法中的濕周法確定足木足、大金水文站斷面水生生物棲息地保護所需的最小流量，采用水文學(xué)法中的Tennant法、Tessman法和逐月最小徑流法分別計算足木足、大金水文站斷面生態(tài)流量，同時考慮魚類繁殖產(chǎn)卵所需要的流量，驗證計算結(jié)果的合理性。

2.1 濕周法

濕周法的基本假設(shè)認為濕周直接關(guān)系到水生生物棲息地的有效性，河流臨界濕周被認為是水生生物棲息地保護的最低要求[22]。臨界濕周對應(yīng)于濕周-流量關(guān)系曲線上從陡峭到平坦的突變點，以此估算最小生態(tài)流量。

對于河床形態(tài)穩(wěn)定的河道，其斷面的濕周-流量關(guān)系曲線可擬合為對數(shù)函數(shù)或冪函數(shù)。近似矩形或梯形的河道斷面形態(tài)，濕周-流量關(guān)系曲線可采用對數(shù)函數(shù)擬合；近似三角形或拋物線型的河道斷面形態(tài)，濕周-流量關(guān)系曲線可采用冪函數(shù)擬合[23-24]。

確定臨界點的傳統(tǒng)方法包括曲率法(曲率絕對值最大)和斜率法(斜率為1)[25]。斜率為1對應(yīng)的臨界點表示在該點單位流量的增加會引起單位濕周的增加，但突變性不明顯。相對而言，曲率最大對應(yīng)的臨界點可以更好地反映突變點的意義[26]，因此，本研究采用曲率最大法確定臨界點，估算河道內(nèi)最小生態(tài)流量。

2.2 Tennant法

Tennant方法是目前世界上廣泛應(yīng)用的方法，1964—1974年，Tennant通過對美國3個州的11條河流進行詳細的實地研究，發(fā)現(xiàn)河流流量達到多年平均流量的10%能夠維持大多數(shù)水生生物短期生存棲息的需要；河流流量達到多年平均流量的30%就可以為大多數(shù)水生生物提供良好的生存棲息條件[27]。Tennant法將全年劃分為兩個時期：一般用水期(10月至次年3月)和魚類產(chǎn)卵育幼期(4—9月)[27-28]。根據(jù)多年天然平均流量百分比和河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境條件的對應(yīng)關(guān)系，直接計算不同時期河道內(nèi)生態(tài)流量[29]。

考慮到大渡河上游水域包括川陜哲羅鮭在內(nèi)的12種魚類的繁殖季節(jié)始于3月，止于8月[30]，對Tennant法的計算時段進行調(diào)整，既能繼承傳統(tǒng)Tennant法的合理性，又符合大渡河上游的實際情況。本研究將一般用水期修正為9月至次年2月，取多年平均流量的10%作為河道內(nèi)的最小生態(tài)流量；魚類產(chǎn)卵育幼期修正為3—8月，取多年平均流量的30%作為河道內(nèi)的最小生態(tài)流量。

2.3 Tessman法

Tessman法是對Tennant法的改進，將一年12個月劃分成豐、平、枯3個不同的時期，根據(jù)月平均流量和年平均流量之間的比率確定生態(tài)流量[31-33]。當月平均流量低于年平均流量的40%時，將月平均流量作為生態(tài)流量；當月平均流量在年平均流量的40%～100%時，將年平均流量的40%作為生態(tài)流量；當月平均流量高于年平均流量時，將月平均流量的40%作為生態(tài)流量。

2.4 逐月最小徑流法

逐月最小徑流法[34-35]是根據(jù)歷史多年天然月徑流系列，取各月的最小月平均流量作為當月最小生態(tài)流量。

3 結(jié)果與分析

3.1 水力學(xué)法計算結(jié)果

通過分析足木足、大金水文站1970—1987年實測大斷面資料，可以看出2個水文測站的大斷面形態(tài)基本保持穩(wěn)定，只在局部發(fā)生輕微的變動，可用于濕周法計算生態(tài)流量。選取1976年實測河道大斷面(圖2)和實測水位、流量資料作為分析基礎(chǔ)，計算大渡河上游河道最小生態(tài)流量。

圖2 足木足站和大金站1976年實測大斷面

根據(jù)足木足、大金水文站實測河道大斷面資料確定水位-濕周關(guān)系，根據(jù)實測水位、流量資料確定水位-流量關(guān)系，最終得到濕周-流量關(guān)系。為消除確定變化點時坐標軸比例的影響，本研究將流量和濕周無量綱化。由圖2可以看出足木足水文站的斷面形狀為梯形，大金水文站的斷面形狀為拋物線型。因此，本研究對足木足水文站斷面濕周-流量曲線采用對數(shù)函數(shù)擬合，大金站采用冪函數(shù)曲線擬合。

圖3 足木足站和大金站濕周-流量關(guān)系曲線

由圖3可以看出，曲線擬合精度高，相關(guān)系數(shù)均接近于1，擬合結(jié)果具有代表性。擬合得到足木足站流量-濕周關(guān)系接近對數(shù)函數(shù)曲線，大金站流量-濕周關(guān)系接近于冪函數(shù)曲線，采用曲率最大法計算得到足木足站生態(tài)流量為45.92 m3/s，大金站生態(tài)流量為110.80 m3/s。

3.2 水文學(xué)法計算結(jié)果

根據(jù)大渡河流域足木足、大金兩個水文站1970—1987年的實測月徑流資料分別利用Tennant法、Tessman法、逐月最小徑流法計算河道的生態(tài)流量，結(jié)果見表2。

表2 3種水文學(xué)方法計算的生態(tài)流量 m3/s

3.3 滿足魚類繁殖產(chǎn)卵所需的流量

魚類位于河流生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的頂端，對河流生態(tài)系統(tǒng)的變化極為敏感[36]，因此本研究將魚類作為指示物種?？紤]到流速是魚類繁殖期間的重要水文條件，本研究選擇流速作為關(guān)鍵指標，確定魚類繁殖產(chǎn)卵所需的流量。

足木足、大金水文站均位于川陜哲羅鮭的重點保護河段[21]，足木足上游的麻爾曲河和馬柯河是川陜哲羅鮭的主要產(chǎn)卵場，產(chǎn)卵期為3月下旬至4月上旬，經(jīng)40～50 d后孵出魚苗[37]。洪思揚等[38]研究發(fā)現(xiàn)長絲裂腹魚(Schizothoraxdolichonema)、青石爬鮡(Euchiloglanisdavidi)、中甸葉須魚(Ptychobarbuschungtienensis)及黃石爬鮡(EuchiloglaniskishinouyeiKimura)等幾種代表性魚類產(chǎn)卵所需的流速應(yīng)控制在0.4～1 m/s。茹輝軍等[21]研究了不同生活階段川陜哲羅鮭對于棲息地環(huán)境的需求，得出川陜哲羅鮭繁殖期洄游及魚卵漂浮需要的流速范圍是0.38～0.75 m/s，幼魚期要求流速大于0.5 m/s，因此本研究選擇0.55 m/s作為大渡河魚類產(chǎn)卵需求的適宜標準。根據(jù)已有的大斷面資料和擬合得到的水位-流量關(guān)系，可以得到斷面面積-流量關(guān)系，以此推導(dǎo)出流速-流量關(guān)系。計算得到足木足段川陜哲羅鮭繁殖產(chǎn)卵所需的適宜流量為65.76 m3/s，大金段為80.23 m3/s。

根據(jù)4種計算方法以及魚類產(chǎn)卵所需流量確定的大渡河上游生態(tài)徑流過程如圖4所示。

圖4 不同方法計算的足木足站和大金站生態(tài)徑流過程

3.4 分析

不同研究方法由于計算原理和科學(xué)假設(shè)存在差異，因此計算得到的結(jié)果也不同。其中，大金站各方法計算得到的生態(tài)流量均大于足木足站，滿足從上游到下游最小生態(tài)流量增大的合理趨勢。

從保護生態(tài)的角度來看，濕周法要求河床形態(tài)穩(wěn)定，通過計算臨界流量來確定保護水生生物棲息地所需要的最小流量。Tennant法基于多年平均流量，在一般用水期(9月至次年2月)取多年平均流量的10%作為河道內(nèi)的最小生態(tài)流量，只考慮維持河流生態(tài)系統(tǒng)不退化所需流量；在魚類產(chǎn)卵育幼期(3—8月)取多年平均流量的30%，能夠為大多數(shù)水生生物提供良好的生存棲息條件。Tessman法考慮了月平均流量，使水生生物在各生長階段均能得到所需的水流，被廣泛應(yīng)用于水文和生物循環(huán)多樣化的地區(qū)[39]；逐月最小徑流法[40]基于天然徑流資料，認為水生生物在天然情況下已經(jīng)安全地經(jīng)歷了這樣的最小徑流過程，并且生態(tài)系統(tǒng)沒有受到無法恢復(fù)的破壞，計算得到的最小生態(tài)流量能夠保證水生生物的最低生存條件。可以看出，4種方法均有各自的生態(tài)保護目標，對大渡河上游生態(tài)保護具有一定的參考價值。

從反映流量的年內(nèi)季節(jié)變化的角度來看，3種水文學(xué)方法均能在一定程度上反映流量的季節(jié)性變化，其中逐月最小徑流法能反映出枯水月份和豐水月份生態(tài)流量的顯著變化，其次是Tessman法，Tennant法最小。

大渡河上游涉及重點保護魚類川陜哲羅鮭，在生態(tài)流量計算時需要考慮保護魚類產(chǎn)卵期的生態(tài)用水。3—8月，只有Tennant法能夠滿足足木足段魚類繁殖產(chǎn)卵所需生態(tài)條件，濕周法不能滿足，Tessman法和逐月最小徑流法僅在3月不能滿足。川陜哲羅鮭繁殖期洄游及魚卵漂浮需要的最低流速為0.38 m/s，此時對應(yīng)的最低流量為37.82 m3/s。由表2可以看出Tessman法、逐月最小徑流法在3月能夠滿足川陜哲羅鮭繁殖產(chǎn)卵所需的最低流量，而濕周法依舊不能滿足。大金站4種生態(tài)流量計算方法均能滿足魚類產(chǎn)卵的需要。逐月最小徑流法更加注重自然的水文情勢過程，且數(shù)值遠高于魚類需求，可能更具有生態(tài)學(xué)價值。但本研究以魚類需求為管理目標，考慮年內(nèi)流量的季節(jié)變化，又要對人類取用水影響最小，因此推薦使用Tennant法。

9月至次年2月需要考慮確保水生生物棲息地保護所需的流量。保證棲息地不會退化的最低條件是多年平均流量的10%。一旦低于此值，河流生境將嚴重受損，并且難以恢復(fù)，因此應(yīng)預(yù)留一定的空間。12月至次年2月為枯水月份，Tessman法取月平均流量作為生態(tài)流量，會加深生產(chǎn)用水、生活用水和生態(tài)用水的矛盾。9—11月濕周法計算得到的生態(tài)流量大于Tennant法，小于Tessman法和逐月最小徑流法。因此選擇濕周法計算結(jié)果作為最終生態(tài)流量以保證一定的棲息地。

相較于單一計算方法得到的生態(tài)流量，綜合多種方法得到的生態(tài)徑流過程既能反映年內(nèi)豐枯時段的徑流變化，滿足控制斷面水生生物產(chǎn)卵繁殖需要，還有助于保護水生生物臨界棲息地，結(jié)果較為合理。

由于河流所處地區(qū)河道類型存在差異，即使同一河流的不同河段，對于生態(tài)流量的要求也是千差萬別，因此，需根據(jù)具體情況采用多種合適的方法進行計算和選擇，使得計算結(jié)果中考慮的因素更加全面。一般河流應(yīng)確定最小生態(tài)流量，以確保棲息地不會退化。當生態(tài)系統(tǒng)需求較高時，應(yīng)增加流量，可以根據(jù)河流控制斷面所需的流速、水深、水面寬等水文情勢特征值，采用水力學(xué)模型定量計算得到；對于具有重要水生生物保護目標的河段，應(yīng)根據(jù)重要水生生物在生態(tài)系統(tǒng)不同時期的流量需求給出生態(tài)徑流過程。

4 結(jié) 論

a. 不同的方法對應(yīng)著不同的區(qū)域類型、不同生態(tài)特征及保護目標，在計算生態(tài)水量時，應(yīng)根據(jù)河流河段的具體情況，選取幾種適宜方法進行計算，將計算結(jié)果統(tǒng)籌考慮，綜合確定生態(tài)流量。

b. 4種方法對應(yīng)不同的保護目標，濕周法能夠滿足水生生物棲息地保護的需要；Tennant法考慮了維持河流生態(tài)系統(tǒng)不退化所需的流量；Tessman法確保了水環(huán)境中的生命進程能夠順利進行；逐月最小徑流法能夠保證水生生物的最低生存條件。

c. 3—8月Tennant法、Tessman法、逐月最小徑流法都能夠保證足木足水文站川陜哲羅鮭繁殖產(chǎn)卵所需的最低流量，大金水文站4種方法均適用。綜合考慮生態(tài)保護、徑流變化特征、魚類產(chǎn)卵需求、人類取用水影響等，本研究在3—8月采用Tennant法計算結(jié)果作為最小生態(tài)流量，9月至次年2月選擇濕周法計算結(jié)果作為最小生態(tài)流量。