永定河官廳下游段生態(tài)基流估算研究

李彬瑜，薛萬來，姜新佩，史紅偉

(1.河北工程大學，河北 邯鄲 056107；2.北京市水科學技術(shù)研究院，北京 100048；3.中國水務投資有限公司，北京 100053)

0 引 言

河流生態(tài)基流是維護河湖等生態(tài)系統(tǒng)功能不喪失、需要保留的底限流量過程中的最小值[1]。合理的生態(tài)基流可以最大限度地平衡水生態(tài)系統(tǒng)與水資源利用之間的矛盾。因此，適合的生態(tài)基流計算方法則顯得至關(guān)重要。目前，國內(nèi)外有關(guān)生態(tài)基流的計算方法已近百種，大體可分為水文學法、水力學法、棲息地法、整體分析法四大類[2]。由于我國生態(tài)資料的缺乏致使棲息地法和整體分析法計算有一定困難[3]；水文學法和水力學法則比較常用[4-5]，水力學法對河道斷面資料需求較高則操作性較差；而數(shù)據(jù)需求量少、成本較低的水文學法成為大多數(shù)學者的首選。張澤聰?shù)萚6]引入季節(jié)修正系數(shù)并利用中位數(shù)代替平均數(shù)改進Tennant法計算了大凌河生態(tài)基流量；葛金金等[7]選取Tennant法、Q90-Q50法、Lyon法、Tessman法、月流量變動法評估了沙穎河周口段的適宜生態(tài)基流，并綜合水量需求、水文節(jié)律和滿足率認為Lyon法最為合理；郭利丹等[8]對比分析了最小月平均流量法、逐月頻率計算法、最小連續(xù)平均流量法、逐月最小生態(tài)徑流計算法，認為計算河流生態(tài)基流的最優(yōu)方法為逐月最小生態(tài)徑流法。本文針對永定河這類北方季節(jié)性河流，以其官廳下游段為例采用Tennant法、90%保證率最枯月平均流量法、基流比例法，估算生態(tài)基流，旨在為永定河官廳下游段生態(tài)需水量調(diào)控，提供科學依據(jù)。

1 流域概況

永定河地跨山西、內(nèi)蒙古、河北、北京、天津等，流域面積約4.7萬km2，上游有桑干河、洋河兩大支流，于河北省張家口懷來縣朱官屯匯合后稱永定河，在官廳水庫納媯水河，從官廳水庫起穿越八達嶺高原形成了官廳山峽，至三家店流入華北平原，三家店為永定河流域山區(qū)、平原分界，其中山區(qū)流域面積4.51萬km2，占95.8%，平原流域面積1 953 km2，占4.2%。永定河流域?qū)贉貛Т箨懶约撅L氣候，為半濕潤、半干旱型氣候過渡區(qū)多年平均降水量在360～650 mm之間，不同地區(qū)降水量差異頗大，多雨區(qū)和少雨區(qū)相差將近1倍。

2 生態(tài)基流計算

依據(jù)官廳水文站1956年～2016年61a的實測月徑流資料，分別用Tennant法、90%保證率最枯月平均流量法、基流比例法分析計算永定河官廳下游段的生態(tài)基流。

2.1 豐、平、枯水年劃分

文獻[9]將河流豐、平、枯概念劃分為特豐水年、偏豐水年、平水年、偏枯水年、特枯水年，其中特豐水年、偏豐水年統(tǒng)稱為豐水年；特枯水年、偏枯水年統(tǒng)稱為枯水年。根據(jù)官廳站1956年～2016年61 a的年徑流頻率曲線，在一定保證率(P)的年徑流量劃分年型見表1。

表1 官廳站年徑流豐、平、枯水年劃分標準

2.2 Tennant法

Tennant法：認為年平均流量的百分比即生態(tài)基流[10]。該方法推薦的生態(tài)基流分為汛期與非汛期，并以占平均流量的比例作為劃分標準，由官廳站1956年～2016年61 a水文資料，利用Tennant法計算生態(tài)基流(見表2)。汛期和非汛期分別取對應時段年均流量的30%(8.21 m3/s)和10%(1.41 m3/s)作為生態(tài)基流。

表2 Tennant方法計算標準與結(jié)果

2.3 90%保證率最枯月平均流量計算法

此方法根據(jù)官廳站1956年～2016年61 a的月流量資料，建立一系列月流量時段曲線，在90%保證率下的逐月最小生態(tài)需水量[11]計算結(jié)果如表3所示。最小生態(tài)基流范圍1.54～3.24 m3/s，占多年平均流量20.73 m3/s的7.43%～15.63%。最小生態(tài)基流量、最大生態(tài)基流均分別出現(xiàn)在枯水期的2月份與豐水期7月份。

表3 官廳站下游90%保證率下最小生態(tài)需水量

2.4 基流比例法

2.4.1 計算方法

以豐水年作為計算起點[12]，按各年型平均流量之間的比值關(guān)系，確定基流比例。即

Ti+1=αTi

(1)

式中，Ti為監(jiān)測斷面第i年型的基流比例，%；i=1、2、3、4、5，分別代表特豐水年、偏豐水年、平水年、偏枯水年、特枯水年；α為比例系數(shù)；并且

α=1+(Qi/Qi+1-1)×μ

(2)

式中，Qi為監(jiān)測斷面第i種年型的平均流量，m3/s；μ取0.4[13]。

各時段基流比例與相應平均流量相乘即為生態(tài)基流量

Si，j=Qi，jTi

(3)

式中，Sij和Qij分別為斷面第i時段、第j個月的的生態(tài)基流量及流量，m3/s。

2.4.2 各年型生態(tài)基流計算

按照前文豐、平、枯水年的劃分標準，將61 a實測逐月平均流量數(shù)據(jù)劃分年型。按Tennant法所論述的河道流量同河道生態(tài)健康狀況關(guān)系，假定豐水年生態(tài)基流量占其平均徑流的20%[14]。由前文所述方法計算各年型的生態(tài)基流及基流比例，結(jié)果見表4。

表4 官廳下游段各年型生態(tài)基流

由表4可知，永定河流域官廳下游段特豐水年至特枯水年的生態(tài)基流量為10.9 ～2.05 m3/s，占多年平均流量20.73 m3/s的9.86%～52.44%，較為符合Tennant法所推薦的比例。由多年生態(tài)基流與實測多年徑流作圖比較(見圖1)，可得官廳站實測年徑流在2006年之前均能滿足生態(tài)基流需求，但在2006年至2016年已經(jīng)不能滿足生態(tài)基流需求，反映出自2006年起永定河流域官廳下游段生態(tài)系統(tǒng)急劇退化。

圖1 1956年～2016年生態(tài)基流分析

2.4.3 逐月生態(tài)基流分析

為能夠更好地了解河道生態(tài)基流在年內(nèi)的變化情況，依據(jù)式(3)統(tǒng)計計算了1956年～2016年61 a各典型年逐月生態(tài)基流量以及實測流量的多年平均值見表5。

從表5可以得出，豐水年生態(tài)基流在5.13～19.18 m3/s之間，占多年平均流量20.73 m3/s的24.75%～92.52%；偏豐水年生態(tài)基流在3.56～14.95 m3/s之間，占多年平均流量的17.17%～72.12%；平水年生態(tài)基流在3.41～10.20 m3/s之間，占多年平均流量的16.45%～49.20%；偏枯水年生態(tài)基流在3.35～5.78 m3/s之間，占多年平均流量的16.16%～27.88%；特枯水年生態(tài)基流在1.25～2.92 m3/s之間，占多年平均流量的6.03%～14.09%；其中，豐水年、偏豐水年、平水年、偏枯水年的月生態(tài)基流極大值均出現(xiàn)在6月份，這與多年平均下的極大值出現(xiàn)月份一致，特枯水年此極大值提前到了5月份。豐水年、偏豐水年、平水年生、枯水年的月生態(tài)基流極小值均出現(xiàn)在2月份，這與多年平均下的極小值出現(xiàn)月份也是一致的，偏枯水年此極小值則出現(xiàn)在了豐水期的7月份。

表5 官廳下游段各年型生態(tài)基流 m3/s

3 生態(tài)基流計算結(jié)果比較與現(xiàn)狀年保障程度分析

3.1 結(jié)果比較

經(jīng)上述3種方法計算的生態(tài)基流結(jié)果存有一定差異見表6。由表6可看出，采用90%保證率最枯月平均流量法的計算結(jié)果占多年平均流量的2.85%～11.48%，計算結(jié)果較低。基流比例法可以較好地涵蓋Tennant法與90%保證率最枯月平均流量法的計算結(jié)果。由生態(tài)基流過程線(見圖2)可看出，基流比例法、Tennant法均能較好地反映永定河官廳下游段生態(tài)基流年內(nèi)豐水期與枯水期的變化，但基流比例法能更好地體現(xiàn)生態(tài)基流年際間變化?？紤]到永定河官廳下游段目前生態(tài)基流缺失嚴重，河道下游已出現(xiàn)斷流情況，而且生態(tài)基流是滿足生態(tài)功能需求的最小值。因此，暫時采用基流比例法在偏枯水期和特枯水期的計算結(jié)果作為生態(tài)基流取值范圍。即：2.05～3.93 m3/s，占多年平均徑流量的比例為9.86%～18.91%(見表6)，既能最大限度地平衡水生態(tài)系統(tǒng)與水資源利用之間的矛盾，也符合Tennant法中一般用水期的推薦比例。

表6 官廳下游段各年型生態(tài)基流

圖2 不同計算方法的生態(tài)基流過程線

3.2 現(xiàn)狀年生態(tài)基流保障程度分析

近年來，永定河官廳下游段徑流量急劇減少，考慮實際徑流是否滿足生態(tài)需水尤為重要；因此，利用2016年官廳站的逐日徑流數(shù)據(jù)與生態(tài)基流量進行比較，對永定河官廳下游段的生態(tài)基流量進行評估，現(xiàn)狀年永定河官廳下游段平均流量3.13 m3/s，年徑流量0.97億m3，屬于特枯水年。從表7可得，90%保證率最枯月平均流量法全年保障天數(shù)最多，為211 d，保障率57.81%；基流比例法(特枯水年)全年保障天數(shù)179 d，保障率49.04%，Tennant法全年保障天數(shù)最少，為89 d，保障率24.38%。由3種計算方法可知，最高保障率未超過60%，可見永定河官廳下游段生態(tài)環(huán)境狀況不容樂觀。從年內(nèi)月情況來看上述3種計算方法得出的生態(tài)基流量在現(xiàn)狀年1月～4月份保障天數(shù)為0，12月份保障天數(shù)也只有1 d，對永定河這類北方季節(jié)性河流在年內(nèi)枯水期要使得生態(tài)基流得到保障難度很大；對于豐水期而言，由于在特枯水年天然來水相對較少且人工調(diào)蓄等原因使得Tennant法計算得到的保證率相對較低，也說明Tennant法在計算永定河此類型的北方季節(jié)性河流且上游有較多調(diào)蓄作用的水利工程時已有明顯的不足。但90%保證率最枯月平均流量法、基流比例法(特枯水年)在6月～9月份甚至10月、11月份計算得到的生態(tài)基流保障程度都超過90%甚至到100%。

表7 官廳下游段各年型生態(tài)基流

4 結(jié) 論

本文采用Tennant法、90%保證率最枯月平均流量法、基流比例法對永定河官廳下游段生態(tài)基流進行了計算。討論分析可得出：基流比例法在該區(qū)域表現(xiàn)最好，而90%保證率最枯月平均流量法計算得出的結(jié)果偏小，Tennant法在計算永定河此類型的北方季節(jié)性河流且上游有較多調(diào)蓄作用的水利工程時已有明顯的不足。對比分析后認為，永定河官廳下游段生態(tài)基流為2.05～3.93 m3/s；通過現(xiàn)狀年生態(tài)基流保障程度分析可以得出，對于永定河此類型的北方季節(jié)性河流來說，上述3種方法還不能很好地平衡水生態(tài)系統(tǒng)與水資源利用之間的矛盾。特別是在枯水期，生態(tài)基流保障程度很難得到滿足。