水利水電工程最小下泄生態(tài)基流量計(jì)算方法研析

馬樂(lè)軍，張行南，陳凱麒，陳昂,5

(1.河海大學(xué)，江蘇南京 210098；2.南京河?？萍加邢薰?，江蘇南京 210098；3.水資源高效利用與工程安全國(guó)家工程研究中心，江蘇南京 210098； 4.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評(píng)估中心，北京 100012；5.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)水電環(huán)境研究院，北京 100012)

水利水電工程最小下泄生態(tài)基流量計(jì)算方法研析

馬樂(lè)軍1,2，張行南1,3，陳凱麒4，陳昂4,5

(1.河海大學(xué)，江蘇南京 210098；2.南京河?？萍加邢薰?，江蘇南京 210098；3.水資源高效利用與工程安全國(guó)家工程研究中心，江蘇南京 210098； 4.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評(píng)估中心，北京 100012；5.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)水電環(huán)境研究院，北京 100012)

水利水電工程對(duì)下游河道的生態(tài)環(huán)境影響較大，適宜的生態(tài)基流計(jì)算方法為快速估算工程下泄生態(tài)基流提供有效的途徑。通過(guò)梳理河道生態(tài)基流的概念，提出了水利水電工程最小下泄生態(tài)基流的含義。運(yùn)用生態(tài)基流空間插值方法，依據(jù)生態(tài)基流計(jì)算方法的適用性結(jié)果，確立了水利水電工程最小下泄生態(tài)基流的計(jì)算方案。通過(guò)對(duì)漢江流域進(jìn)行實(shí)證分析，干流宜采用Tennant法、最小流量法，支流推薦采用Tennant法計(jì)算，由此計(jì)算出干支流控制斷面的最小下泄生態(tài)基流量，基本處于多年平均流量的15%～20%。

水利水電工程；生態(tài)基流；空間插值法；水文學(xué)法；漢江

天然河流的水文情勢(shì)是河流生態(tài)多樣性的基礎(chǔ)，而水利工程的建設(shè)改變了河流的天然水文情勢(shì)，常造成工程下游河道減脫水現(xiàn)象，引起水環(huán)境質(zhì)量惡化、生物多樣性銳減等一系列河流生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[1-2]。為減輕水利水電工程對(duì)下游生態(tài)環(huán)境的影響，發(fā)揮徑流過(guò)程對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的作用，保持河流生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，必須在水利水電工程建設(shè)及運(yùn)行期間，保持下泄一定的生態(tài)流量(過(guò)程)，避免下游河道生態(tài)系統(tǒng)遭受不可逆的破壞，該生態(tài)流量即為水利水電工程最小下泄生態(tài)基流(以下簡(jiǎn)稱最小生態(tài)基流)。

如何估算最小生態(tài)基流，為生態(tài)基流的確定提供支持是本領(lǐng)域研究的重點(diǎn)之一。水文“經(jīng)驗(yàn)法則”是較常用的方法，一般取多年平均徑流量的百分比作為生態(tài)基流。在此基礎(chǔ)上，我國(guó)針對(duì)水利水電工程，取多年平均徑流量的10%作為最小基流[3]。這一計(jì)算方法在過(guò)去幾十年對(duì)于實(shí)際工作起到了較好的指導(dǎo)作用。然而，在不同氣候區(qū)、不同大小和類型的河流上，以及同一河流不同河段上，所確定的最小基流存在顯著的不協(xié)調(diào)現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)了明顯的矛盾。因此，研究如何根據(jù)實(shí)際水文、氣候條件，考慮河道生態(tài)需水的空間變異性，在不同流域、干支流不同斷面等采用不同的計(jì)算方法，具有十分重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本文對(duì)河道內(nèi)生態(tài)基流計(jì)算方法的特點(diǎn)和適用性進(jìn)行了分析，以四種水文學(xué)方法為基礎(chǔ)，結(jié)合沿河空間插值法，確定不同斷面相應(yīng)的計(jì)算方案。并以漢江流域?yàn)槔瑢?duì)最小下泄生態(tài)基流計(jì)算方法展開(kāi)了實(shí)證研究，研究成果可為水利水電工程最小下泄生態(tài)基流量的確定提供參考依據(jù)。

1 河道生態(tài)基流計(jì)算方法

對(duì)河道生態(tài)基流的估算始于20世紀(jì)40年代，發(fā)展至今大致可分為水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地法和整體分析法四大類型[4]。水文學(xué)法是利用簡(jiǎn)單的水文指標(biāo)設(shè)定流量的傳統(tǒng)的基流計(jì)算方法，Tennant 法、90%保證率法、7Q10法、基本流量法等是比較具有代表性的方法。水力學(xué)方法大多以曼寧公式為計(jì)算基礎(chǔ)，一般通過(guò)建立流量與水力學(xué)要素之間的關(guān)系確定生態(tài)基流。棲息地法以保護(hù)物種棲息地環(huán)境要素、水力學(xué)條件和流量條件為基礎(chǔ)，通過(guò)建立三者關(guān)系確定生態(tài)基流。整體法是國(guó)外研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向，不僅關(guān)注保證工程下泄生態(tài)基流，更為關(guān)注為實(shí)現(xiàn)多種河流生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能應(yīng)確定的環(huán)境流量及過(guò)程。南非的BBM(Building Block Methodology)法是考慮較為全面的一種整體法。

國(guó)內(nèi)外雖然形成多種河道生態(tài)基流計(jì)算方法，但各種方法本身都存在一定的不足之處，各類方法主要的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 河道生態(tài)基流計(jì)算方法優(yōu)缺點(diǎn)

2 水利水電工程最小下泄生態(tài)基流

水利水電工程的興建，需要選擇適宜的計(jì)算方法估算水利水電工程下泄生態(tài)基流量，這是當(dāng)前研究的難點(diǎn)。通過(guò)對(duì)生態(tài)基流四大類方法的梳理，結(jié)合水利水電生態(tài)基流計(jì)算的特點(diǎn)，可知水文學(xué)方法以河道內(nèi)控制斷面歷史流量為基礎(chǔ)，計(jì)算簡(jiǎn)單，易于操作。為簡(jiǎn)單快速地計(jì)算最小基流，可采用水文學(xué)方法，如Tennant法、90%保證率法、月基本流量法及最小流量法，通過(guò)對(duì)歷史流量的分析，可計(jì)算控制站點(diǎn)的最小生態(tài)基流。

上述方法構(gòu)建了快速估算水利水電生態(tài)基流的計(jì)算方法體系，但存在兩個(gè)問(wèn)題。

第一，方法種類較多，當(dāng)不同方法的計(jì)算結(jié)果差異較大時(shí)應(yīng)采取的處理機(jī)制。不同的計(jì)算方法，計(jì)算的原理及機(jī)制不同，往往造成結(jié)果差異較大。根據(jù)《河湖生態(tài)需水評(píng)估導(dǎo)則(試行)》(SL/Z 479—2010)的要求，采用多計(jì)算方法的外包線作為最終的生態(tài)基流值。此種處理方法能夠最大限度地保護(hù)河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)，但也存在著生態(tài)基流估算過(guò)大，造成河道內(nèi)流量不能滿足的情況。本文在分析不同方法合理性的基礎(chǔ)上，選擇最小的計(jì)算結(jié)果，確立最小下泄生態(tài)基流量的“紅線”。

第二，當(dāng)河道內(nèi)控制斷面資料缺乏，滿足不了計(jì)算方法所需的最小序列長(zhǎng)度的解決方法。生態(tài)基流的四大類計(jì)算方法均為計(jì)算某一固定的河道斷面，即基于該斷面的歷史水文資料、大斷面資料等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于缺乏資料的斷面，則無(wú)法使用上述方法進(jìn)行生態(tài)基流的計(jì)算。為此，本文提出河道內(nèi)任意一點(diǎn)的最小基流空間插值方法，該方法考慮到流域河網(wǎng)的自相似性特點(diǎn)，利用水文相似性原理，通過(guò)分析計(jì)算斷面上/下游水文站生態(tài)基流量及匯水面積，如圖1所示，運(yùn)用空間插值的方法，估算斷面的最小基流，從而實(shí)現(xiàn)生態(tài)基流的空間展延，為水利水電工程生態(tài)基流的決策分析提供技術(shù)支持。具體公式如下：

(1)

式中，Q為流量；F為匯水面積；x和a代表參證站及計(jì)算站；n為修正系數(shù)。只考慮面積的情況下修正系數(shù)n取值為1，其他情況需要先計(jì)算修正系數(shù)，本文漢江流域取0.8。

注：圖a，以B流域出口斷面為參證站，計(jì)算C流域的出口流斷面流量；以A流域出口所在的干流斷面為參證站，計(jì)算D流域出口所在的干流斷面的流量。圖b為河道內(nèi)插值，以A流域出口所在的干流斷面為參證站，計(jì)算D流域出口所在的干流斷面的流量。圖1 生態(tài)基流空間插值示意圖Fig.1 Schematic diagram of spatial interpolation method for ecological base flow

綜上所述，本文以水文學(xué)方法：Tennant法、90%保證率法、月基本流量法及最小流量法結(jié)合生態(tài)基流空間插值，構(gòu)建了水利水電工程下泄生態(tài)基流計(jì)算方法體系，計(jì)算控制站點(diǎn)的最小基流。

3 漢江流域?qū)嵶C研究

3.1流域概況

漢江流域面積為15.9萬(wàn)km2，涉及鄂、陜、豫、川、渝、甘6省市的20個(gè)地(市)區(qū)、78個(gè)縣(市)，流域多年平均年降水量約873 mm，下游地區(qū)可達(dá)1100 mm以上，中游地區(qū)為800～900 mm，丹江口以上為700～900 mm，水量較為充沛但空間分布不均勻。流域內(nèi)2001—2014年建設(shè)的水電站達(dá)到7座，同時(shí)也有如南水北調(diào)中線源頭工程、興隆水利樞紐工程及引江濟(jì)漢工程等為代表的引(調(diào))水工程，水資源利用程度較高。

本文收集了漢江流域內(nèi)78個(gè)水文站的基本信息及其1956—1986年共31年的徑流數(shù)據(jù)，以及流域內(nèi)7座水電站環(huán)境影響評(píng)價(jià)生態(tài)基流及相關(guān)計(jì)算用數(shù)據(jù)，用于生態(tài)基流的空間插值及對(duì)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析和合理性檢驗(yàn)。

3.2計(jì)算結(jié)果

采用上述計(jì)算方法體系，分別計(jì)算了78個(gè)水文站的生態(tài)基流。經(jīng)統(tǒng)計(jì)月基本流量法計(jì)算的生態(tài)基流大于多年平均流量10%的斷面數(shù)量為65個(gè)，占比83%，無(wú)論干流還是支流，基本大于多年月平均流量的10%。而干支流差異較大，干流12個(gè)水文站中有8個(gè)大于10%，占比67%，支流只有21個(gè)大于多年月平均流量的10%，約占比32%。而保證率法與月基本流量法結(jié)果大致相同?？梢?jiàn)不同計(jì)算結(jié)果在干支流上差異較大，因此干支流不同斷面應(yīng)采用不同的方法來(lái)計(jì)算生態(tài)流量，把計(jì)算結(jié)果作為最小基流。

漢江流域干流控制斷面4種計(jì)算方法計(jì)算出的生態(tài)基流結(jié)果如表2和表3所示，可以看出該結(jié)果呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。

(1)上游至下游結(jié)果基本處于增加的趨勢(shì)。干流上游喜河水電站及以上流域多年平均徑流量較小，部分?jǐn)嗝娉霈F(xiàn)斷流情況，歷史最小流量法的計(jì)算結(jié)果小于多年平均流量的10%。除武侯站因多年平均流量較小，造成河道出現(xiàn)斷流情況外，各站結(jié)果均大于歷史最小流量。總體上，漢江干流控制斷面結(jié)果呈現(xiàn)出向下游逐漸增大的趨勢(shì)，以月基本流量為例，上游加權(quán)平均為15%，中游加權(quán)平均為38%，下游加權(quán)平均為43%，其結(jié)果與徑流流量基本趨勢(shì)一致。

(2)不同計(jì)算方法在河段上下游結(jié)果不盡相同。上游干流河道，歷史最小流量法及保證率法計(jì)算結(jié)果常常小于多年平均流量的10%；對(duì)于中下游，干流生態(tài)基流Tennant法計(jì)算結(jié)果均小于歷史最小流量法及保證率法；月基本流量法與保證率法計(jì)算結(jié)果基本一致，在上游結(jié)果處于10%～20%，但是中游及下游均超過(guò)多年平均流量的30%，結(jié)果偏大。

(3)相較于干流河道，支流各斷面流量較小，歷史最小流量法計(jì)算結(jié)果基本小于多年平均流量的10%；月平均流量法與保證率法結(jié)果基本相似，不同支流計(jì)算結(jié)果差異較大；歷史最小流量法計(jì)算結(jié)果受河流斷流等影響，結(jié)果常小于Tennant法結(jié)果；保證率法及月基本流量法計(jì)算結(jié)果均在多年平均流量的20%左右。

表2 漢江干流生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果

表3 漢江支流控制斷面生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果

3.3最小下泄生態(tài)基流量

以不同的方法評(píng)定生態(tài)基流值對(duì)河道內(nèi)生態(tài)需水管理影響重大。對(duì)于漢江流域，生態(tài)基流多種計(jì)算方法結(jié)果差異較大，因此首先需針對(duì)漢江流域水利水電工程下泄生態(tài)基流制訂相應(yīng)的計(jì)算方案。

3.3.1生態(tài)基流計(jì)算方案

(1)估算所需條件。依據(jù)水利水電工程最小下泄生態(tài)基流的含義，考慮到生態(tài)基流結(jié)果是滿足水生系統(tǒng)的最低要求，估算最小下泄生態(tài)基流應(yīng)滿足以下條件：充分保障下游河道內(nèi)不斷流并保持一定的流量；生態(tài)基流結(jié)果不小于歷史最小徑流量；估算的結(jié)果最大程度得到保障，即天然徑流能夠基本滿足生態(tài)基流的需求。

(2)干流控制斷面方案。通過(guò)上述生態(tài)基流的計(jì)算原則，喜河水電站及以上斷面不適用于歷史最小流量法，月基本流量法及保證率法對(duì)天然來(lái)水的要求較高，因此宜選擇Tennant法作為水利水電最小下泄生態(tài)基流量計(jì)算方法。喜河水電站以下由于徑流量較大，Tennant法計(jì)算結(jié)果常小于歷史最小流量法結(jié)果，月基本流量法及保證率法計(jì)算結(jié)果較大，造成生態(tài)基流在很大程度上不能滿足，因此漢江流域喜河水電站以下干流中下游地區(qū)水利水電最小下泄生態(tài)基流量計(jì)算方法宜采用歷史最小流量法。

(3)支流控制斷面方案。漢江支流流域經(jīng)常出現(xiàn)斷流的情況，歷史最小流量法不適宜使用；月基本流量法及保證率法計(jì)算結(jié)果通常較大，故支流控制斷面推薦使用Tennant法。

3.3.2生態(tài)基流結(jié)果

依據(jù)以上分析，對(duì)于漢江流域不同區(qū)域采用適宜的方法，喜河水電站及以上干流與支流采用Tennant法，電站以下干流采用歷史最小流量法，計(jì)算水利水電最小下泄生態(tài)基流量，結(jié)果如表4所示。

表4 漢江流域水利水電最小下泄生態(tài)基流量

計(jì)算結(jié)果表明，流域干流上游平均結(jié)果占多年平均流量的11%，干流中游占多年平均流量的15%，干流下游結(jié)果占多年平均流量的18%；流域支流流量較小，生態(tài)基流結(jié)果占多年平均流量的10%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以漢江流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，運(yùn)用空間插值法結(jié)合Tennant法、基本流量法、最小流量法及保證率法等4種計(jì)算方法對(duì)流域內(nèi)78個(gè)水文站點(diǎn)生態(tài)基流值及河道內(nèi)水電站控制斷面下泄生態(tài)基流進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明：

(1)運(yùn)用生態(tài)基流空間插值法計(jì)算河道內(nèi)任意一點(diǎn)的生態(tài)基流，結(jié)果較為理想，為水利水電工程建設(shè)前期快速估算生態(tài)基流提供了可行路徑。

(2)通過(guò)對(duì)漢江流域的計(jì)算方法分析，構(gòu)建了漢江流域生態(tài)基流的計(jì)算方案：干流上游適宜使用Tennant法；干流中下游適宜使用歷史最小流量法；支流控制斷面推薦采用Tennant法進(jìn)行計(jì)算。

(3)漢江流域干流多處控制斷面歷史最小流量結(jié)果高于多年平均流量的10%；運(yùn)用漢江生態(tài)基流得到計(jì)算方案，計(jì)算結(jié)果表明，干流上游、中游及下游生態(tài)基流結(jié)果占多年平均流量的百分比隨著河流的走向處于增大的趨勢(shì)，在多年平均流量的11%～20%，支流占多年平均的10%，高于“指南”中10%的政策，應(yīng)酌情考慮提高漢江流域生態(tài)基流的標(biāo)準(zhǔn)。

目前，生態(tài)基流尚沒(méi)有統(tǒng)一的概念、計(jì)算原則及方法；本文僅采用歷史流量資料，對(duì)不同的計(jì)算方法進(jìn)行簡(jiǎn)單的對(duì)比分析，提出了漢江流域生態(tài)基流的計(jì)算方法；該方案尚未考慮水生生物的影響因素，對(duì)于漢江的生態(tài)基流的分析尚需要進(jìn)一步深入。

[1] Richter B D. How much water does a river need?[J]. Freshwater Biology, 1997, 37(2): 231- 249.

[2] Poff N L, Matthews J H. Environmental flows in the Anthropocene: past progress and future prospects[J]. Current Opinion in Environ-mental Sustainability, 2013, 5(6): 667- 675.

[3] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局辦公廳. 水電水利建設(shè)項(xiàng)目河道生態(tài)用水、低溫水和過(guò)魚(yú)設(shè)施環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)指南(試行)[A]. 2006.

[4] 崔瑛, 張強(qiáng), 陳曉宏, 等. 生態(tài)需水理論與方法研究進(jìn)展[J]. 湖泊科學(xué), 2010, 22(4): 465- 480.

StudyontheCalculationMethodofEcologicalBaseFlowforMinimumDischargeinWaterResourceProjects

MA Le-jun1,2, ZHANG Xing-nan1,3, CHEN Kai-qi4, CHEN Ang4,5

(1.Hohai University, Nanjing 210098, China; 2.Nanjing Hohai Technology Company, Nanjing 210098, China; 3.National Engineering Research Center of Water Resources Efficient Utilization and Engineering Safety, Nanjing 210098, China; 4.Appraisal Center for Environment and Engineering, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100012, China; 5.Institute of Hydropower and Environment Research, China Three Gorges Corporation, Beijing 100012, China)

Water conservancy and hydropower projects have great influence on the ecological environment of the downstream river, and appropriate ecological base flow calculation method provides an effective way to quickly estimate the ecological base flow of the project discharge. This paper analyzed the concept of river ecological base flow, and put forward the notion of ecological base flow in water resource projects. It established the calculation scheme of ecological base flow for minimum discharge based on the ecological base flow spatial interpolation method and its applicability results. Through the empirical analysis of the Hanjiang River Basin, the mainstream should adopt the Tennant method or Minimum Flow method, and the Tennant method is recommended for the tributaries. Therefore, this paper calculated the ecological base flow for minimum discharge in main stream and tributary control sections, and the result is basically 15%-20% of the average annual flow.

water conservancy and hydropower project; ecological base flow; spatial interpolation method; hydrological method; Hanjiang River Basin

2017-08-17

中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司資助項(xiàng)目(0799556)

馬樂(lè)軍(1985—)，男，安徽天長(zhǎng)人，工程師，博士，主要從事生態(tài)基流研究，E-mail：malele000@163.com

張行南(1960—)，男，江蘇張家港人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，主要從事水文水資源研究，E-mail：zxn@hhu.edu.cn

10.14068/j.ceia.2017.06.001

X171.4

A

2095-6444(2017)06-0001-05