韓城市澽水河最小生態(tài)流量分析研究

馬肖雄，王 健

(西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 咸陽(yáng) 712100)

黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展是貫徹落實(shí)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略的重要舉措，也是踐行習(xí)近平生態(tài)文明思想的重要抓手，黃河流域省區(qū)如何借力國(guó)家戰(zhàn)略支持，發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢(shì)，破解生態(tài)保護(hù)與發(fā)展的協(xié)同難題，對(duì)于實(shí)現(xiàn)黃河經(jīng)濟(jì)帶的高質(zhì)量發(fā)展意義重大[1]。澽水河是黃河的一級(jí)支流，也是韓城人民的母親河。澽水河干流位于韓城市西北約20km上建有薛峰水庫(kù)，是一座具有農(nóng)業(yè)灌溉、城市供水、防洪保安等綜合效益的中型水庫(kù)。2019年5月5日韓城市水務(wù)局在“韓水發(fā)【2019】43號(hào)文”中要求“在正常供水情況下，澽水河生態(tài)基流不能低于多年平均徑流量的15%”，澽水河流經(jīng)下游鎮(zhèn)辦、城區(qū)、竹園村景區(qū)及澽水濕地公園，薛峰水庫(kù)對(duì)澽水河下游河道的生態(tài)環(huán)境影響較大，適宜的最小生態(tài)流量計(jì)算方法為快速估算薛峰水庫(kù)下泄生態(tài)流量提供有效途徑[2]。

河道是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，河道破壞與河道污染會(huì)增加生態(tài)環(huán)境負(fù)擔(dān)，致使生態(tài)環(huán)境惡化，影響生活環(huán)境。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于河道生態(tài)流量的計(jì)算可分為4大類(lèi)，分別為水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地法和整體分析法，其中應(yīng)用較多的是水文學(xué)法[3- 5]。

河流的生態(tài)徑流量與流域的水文氣象和水資源開(kāi)發(fā)利用程度等因素有關(guān)，由于我國(guó)幅員遼闊河流眾多，不同地域的河流時(shí)空變化性大，不同的水文學(xué)法在計(jì)算河流生態(tài)徑流的過(guò)程中出現(xiàn)了計(jì)算結(jié)果差異較大的情況[6]。本文參考國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)選用水文學(xué)方法中的Tennant法、年內(nèi)展布法、頻率曲線法、逐月最小徑流法分別計(jì)算澽水河生態(tài)徑流量，并分析不同方法計(jì)算結(jié)果之間的差異性，確定適合澽水河河道生態(tài)需水實(shí)際情況的計(jì)算方法，為薛峰水庫(kù)下泄補(bǔ)充生態(tài)用水量提供參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 流域概況

澽水河是陜西省境內(nèi)黃河流域直接入黃的一條支流，東西長(zhǎng)40.25km，南北寬39.65km，流域分屬延安市黃龍縣和渭南市韓城市。澽水河全流域面積1083km2，主河道全長(zhǎng)83.3km，河床平均比降6.7‰。韓城境內(nèi)主河道長(zhǎng)53km，流域面積616km2，占全流域面積的57%。

薛峰水庫(kù)位于韓城市西北約20km的澽水河干流上，1973年7月基本建成，總庫(kù)容4360×104m3，有效庫(kù)容3024×104m3，死庫(kù)容240×104m3，水庫(kù)壩址處多年平均徑流量5854×104m3，多年平均供水量2136×104m3。水庫(kù)主要擔(dān)負(fù)著韓城市7個(gè)鎮(zhèn)(辦)10667hm2農(nóng)田灌溉任務(wù)和市區(qū)及韓城發(fā)電廠供水任務(wù)，是一座具有農(nóng)業(yè)灌溉、城市供水、防洪保安等綜合效益的中型水庫(kù)。

1.2 水文氣象

澽水河流域地處內(nèi)陸，屬暖溫帶半干旱半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，在大氣環(huán)流和地形綜合作用下，形成汛期降水量大而集中、冬季降水量小，降水量年際變化大的特點(diǎn)[7]。根據(jù)韓城市氣象站實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，澽水河流域多年年平均氣溫13.5℃，多年平均降雨量554mm，區(qū)域內(nèi)降水量時(shí)空分布不均，年內(nèi)降水主要集中在7—9月。

2 資料來(lái)源和研究方法

2.1 資料來(lái)源

黃河水利委員會(huì)曾于1958年12月在澽水河薛峰水庫(kù)壩址斷面以上5km處設(shè)牛心水文站，控制流域面積499km2，1967年撤銷(xiāo)。牛心站記錄了澽水河1959—1966年共8年實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)。薛峰水庫(kù)位于韓城市板橋鎮(zhèn)小米川口的澽水河干流上，始建于1972年，1975年投入使用。薛峰水庫(kù)自1975年建成后，水庫(kù)管理處對(duì)庫(kù)水位和入庫(kù)流量進(jìn)行了詳細(xì)的觀測(cè)記錄。根據(jù)庫(kù)水位升降結(jié)合庫(kù)容曲線推求來(lái)水量，由此整理出1975—2014年共40年的徑流資料。由于牛心站水文資料系列較短，且年代久遠(yuǎn)，本文選用薛峰水庫(kù)1975—2014年共40年的徑流資料來(lái)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1Tennant法

Tennant法目前廣泛用于我國(guó)河流生態(tài)徑流的研究，在計(jì)算時(shí)根據(jù)流域?qū)嶋H徑流特征將統(tǒng)計(jì)時(shí)段分為汛期和非汛期2部分，構(gòu)建河道年內(nèi)不同時(shí)段河道流量與生態(tài)質(zhì)量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，并且按照汛期、非汛期2個(gè)時(shí)段來(lái)統(tǒng)計(jì)[8- 9]。北方缺水性河道在年內(nèi)較枯時(shí)期基本生態(tài)需水量不得小于河道多年平均徑流量的10%，較豐時(shí)期河道基本生態(tài)需水量為河道多年平均流量的20%～30%[10]，考慮到薛峰水庫(kù)用水緊張及結(jié)合韓水發(fā)【2019】43號(hào)文對(duì)澽水河生態(tài)基流的要求，本文在汛期(7—9月)取20%，非汛期(1—6月、10—12月)取15%，計(jì)算公式為：

(1)

式中，Qj—第j月河道生態(tài)徑流量，m3/s；Qij—第i年第j月平均徑流量，m3/s；n—統(tǒng)計(jì)年數(shù)；k—系數(shù)。

2.2.2年內(nèi)展布法

年內(nèi)展布法建立最小年均徑流量與多年年均徑流量的同期均值比，結(jié)合各月多年平均徑流過(guò)程，確定年內(nèi)基本生態(tài)需水過(guò)程，年內(nèi)展布法能夠反映河道年內(nèi)徑流過(guò)程和變化特征，具有很強(qiáng)的適用性和良好的區(qū)域代表性[11]，計(jì)算公式如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

2.2.3頻率曲線法

頻率曲線法在計(jì)算生態(tài)徑流量時(shí)，首先將河道多年平均徑流量數(shù)據(jù)按照月份分為12個(gè)系列，對(duì)每個(gè)系列的平均徑流量數(shù)據(jù)按從大到小進(jìn)行排序，按大小順序排位的第i項(xiàng)月平均徑流量的頻率為：

(6)

式中，Pij—j月第i項(xiàng)月平均徑流量的頻率(j=1，2，…，12)，%；i—月平均徑流量的序位；n—統(tǒng)計(jì)年數(shù)。

用12個(gè)月的平均徑流量資料構(gòu)建水文頻率曲線，并分別用P-Ⅲ型曲線進(jìn)行頻率適線，將95%頻率下對(duì)應(yīng)的月平均流量作為對(duì)應(yīng)月份的生態(tài)徑流量。

2.2.4逐月最小徑流法

逐月最小徑流法考慮了河道徑流豐枯變化的連續(xù)性以及不同時(shí)期河流生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水文條件的需求，將河道多年月平均徑流量數(shù)據(jù)按照月份分成12個(gè)系列，用每個(gè)系列中最小的徑流量來(lái)作為河道的月生態(tài)徑流量[12]。

3 結(jié)果與分析

澽水河河川徑流特征主要受降雨影響，由于降水量年際變化大，年內(nèi)分配不均，所以徑流也呈現(xiàn)出與降水相似的特征。每年7—9月份澽水河流域常出現(xiàn)暴雨和大暴雨，致使河道在汛期和非汛期徑流量變化明顯。根據(jù)澽水河流域徑流特征，在計(jì)算時(shí)將統(tǒng)計(jì)時(shí)段分為2部分，即汛期(7—9月)和非汛期(1—6月、10—12月)。用Tennant法、年內(nèi)展布法、頻率曲線法和逐月最小徑流法分別計(jì)算澽水河生態(tài)徑流，并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)4種方法計(jì)算的生態(tài)徑流存在一定的差異性。為便于分析不同方法之間的差異性，根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果繪制澽水河年內(nèi)生態(tài)徑流過(guò)程線，如圖1所示。

表1 不同水文學(xué)方法生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果表

圖1從年內(nèi)不同時(shí)段生態(tài)徑流的整體變化趨勢(shì)看，4種方法計(jì)算得到的生態(tài)徑流量在非汛期時(shí)的生態(tài)徑流數(shù)值接近且變化趨勢(shì)相似，而在汛期卻存在明顯的差異。Tennant法汛期明顯偏大，年內(nèi)展布法適中，頻率曲線法和逐月最小徑流法偏小。結(jié)合韓城市澽水河流域水文氣象特征，澽水河流域多年平均降水時(shí)空分布不均，暴雨多發(fā)在7—9月份，這就造成澽水河汛期來(lái)水量大，汛期和非汛期流量變化顯著的特點(diǎn)。頻率曲線法和逐月最小徑流法計(jì)算到的汛期與非汛期生態(tài)徑流變化不顯著，不適用于韓城市澽水河生態(tài)徑流的計(jì)算。

圖1 不同計(jì)算方法下澽水河生態(tài)徑流量過(guò)程線

為進(jìn)一步分析不同水文學(xué)方法的合理性，并選出適用于澽水河年內(nèi)生態(tài)徑流過(guò)程的計(jì)算方法，本文使用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件將4種計(jì)算方法得到的結(jié)果與2005—2014年(近10年)的逐月月平均徑流量進(jìn)行相關(guān)性分析[13]。Pearson相關(guān)分析法是分析相關(guān)性的首選統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，但Pearson僅適用于參數(shù)服從正態(tài)分布時(shí)使用，當(dāng)參數(shù)不服從正態(tài)分布時(shí)，用Spearman秩相關(guān)系數(shù)來(lái)代替Pearson線性相關(guān)系數(shù)，Pearson相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為[14]：

(7)

式中，RXY—兩參數(shù)的相關(guān)性系數(shù)；E—數(shù)學(xué)期望；X、Y—參數(shù)。

首先對(duì)參數(shù)是否滿足正態(tài)分布進(jìn)行檢驗(yàn)，當(dāng)參數(shù)的顯著性值sig≥0.05時(shí)，則符合正態(tài)分布，反之則不滿足正態(tài)分布[15]，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，參數(shù)不服從正態(tài)分布，應(yīng)使用Spearman秩相關(guān)系數(shù)來(lái)進(jìn)行分析。

表2 參數(shù)的顯著性值

Spearman秩相關(guān)系數(shù)基于顯著性水平P、秩相關(guān)系數(shù)ρ，判斷參數(shù)間的相關(guān)性，當(dāng)秩相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值|ρ|∈(0.6，1]表示密切相關(guān)，|ρ|∈(0.3，0.6]表示相關(guān)，|ρ|∈[0，0.3]表示不相關(guān)[14]。計(jì)算公式如下：

di=X-Y

(8)

(9)

式中，X、Y—參數(shù)；di—兩參數(shù)變量之間的差值；ρ—秩相關(guān)系數(shù)。

若計(jì)算得到的生態(tài)徑流與逐月平均徑流量之間密切，則該方法適用于澽水河年內(nèi)不同時(shí)段生態(tài)徑流的計(jì)算，且能顯著反應(yīng)澽水河汛期與非汛期生態(tài)徑流的變化，相關(guān)性分析見(jiàn)表3。

表3 相關(guān)性分析

由表3可知，Tennant法與2005—2014年逐月平均徑流量之間密切相關(guān)，且相關(guān)程度最高，能很好地反映出澽水河年內(nèi)生態(tài)徑流變化過(guò)程，與其他方法相比是最適合澽水河實(shí)際情況的生態(tài)徑流計(jì)算方法，其次是年內(nèi)展布法。

4 結(jié)論及建議

(1)Tennant法能很好地反映出澽水河年內(nèi)生態(tài)徑流變化過(guò)程，與其他水文學(xué)方法相比是最適合澽水河實(shí)際情況的生態(tài)徑流計(jì)算方法。

(2)計(jì)算得到澽水河汛期最小生態(tài)徑流為0.516m3/s，出現(xiàn)在7月；非汛期最小生態(tài)徑流為0.047m3/s，出現(xiàn)在2月，全年生態(tài)徑流范圍為0.047～1.182m3/s，為薛峰水庫(kù)下泄生態(tài)流量提供參考。

(3)確定能夠維持生態(tài)環(huán)境功能不喪失，需要留在河道內(nèi)的最小水量是河道生態(tài)修復(fù)和治理的前提和基礎(chǔ)，相關(guān)性分析對(duì)合理選擇適合于河道實(shí)際情況的生態(tài)徑流計(jì)算方法具有一定的參考意義。

(4)本文使用的生態(tài)流量計(jì)算方法均屬于水文學(xué)方法，未來(lái)還需用水力學(xué)法、棲息地法和整體分析法做深入研究。