基于時間維度的山區(qū)河流生態(tài)基流取值模型研究

陳乃嘉，苗添升

（松遼水利委員會流域規(guī)劃與政策研究中心，吉林長春 130021）

0 引言

為了實現(xiàn)人與自然的和諧相處，在水資源的開發(fā)利用過程中，考慮經(jīng)濟和生活用水的同時，必須重視生態(tài)環(huán)境用水。應(yīng)該保持生態(tài)系統(tǒng)最低需水量，并保持必需的水質(zhì)和河流的地形要素，從而保證河流和湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康[1]。任何取水、用水方式都不能使河流剩余水量低于河流最低需水量即生態(tài)基流。大量科研人員和研究機構(gòu)對生態(tài)基流的取值模式和機能進行了研究。蘇恒和徐宗學(xué)等[2]采用Tennant，NGPRP等6種水文學(xué)方法對西江大湟江口河段逐月生態(tài)基流進行計算；胡可可和何建村等[3]探究了生態(tài)基流時空分布與保證率變化，揭示生態(tài)基流對氣候變化的響應(yīng)；李彬瑜和薛萬來等[4]采用Tennant法、90%保證率最枯月平均流量法、基流比例法估算永定河官廳下游段生態(tài)基流；姚云澤和姜翠玲等[5]綜合運用Qp法、Tenant法、頻率曲線法、典型水文頻率年法、NGPRP法、近10年最枯月月平均流量法、TEXAS法等7種水文學(xué)方法，對灤河相關(guān)斷面的生態(tài)基流量進行測算和分析；林夢珂和魏娜[6]等提出了用于計算生態(tài)基流的改進年內(nèi)展布法；成波和李懷恩[7]采用當(dāng)量因子法計算了河道生態(tài)基流，探索分析了河道生態(tài)基流的時間變化特征。

上述典型的生態(tài)基流研究內(nèi)容主要集中于生態(tài)基流計算方法的改進和生態(tài)基流理念的適用性分析，而生態(tài)基流的取值模型不僅要隨著地理條件、河流特征和河流功能的變化而變化，還應(yīng)該根據(jù)不同時間段生態(tài)基流需求量的不同而不同。這是因為不同時間段河流生物需水量和環(huán)境影響不同，如果對于整個年度采用相同的生態(tài)基流取值模型，則不能滿足河流不同時段生態(tài)差異性的需求。文中在對不同生態(tài)基流計算方法進行對比和適用性分析的基礎(chǔ)上，針對山區(qū)河流的生態(tài)基流計算模型進行研究，結(jié)合不同時段河流魚類需水量和水面蒸發(fā)量的差異性，提出了基于時變效應(yīng)的山區(qū)河流生態(tài)基流計算模型。該模型在考慮河流生態(tài)和環(huán)境影響不同時段差異性的基礎(chǔ)上，能夠滿足不同時段河流生態(tài)需水量的要求，并準(zhǔn)確評估河流的生態(tài)需水量。

1 生態(tài)徑流量的概念

徑流量是指一定時段內(nèi)通過河流某一斷面的水量，徑流量是維護河流運行、生態(tài)和周圍環(huán)境的核心要素。生態(tài)徑流是在河流生態(tài)尺度上提出的徑流概念。廣義范圍內(nèi)，生態(tài)徑流不僅要滿足生態(tài)系統(tǒng)需求，同時還應(yīng)滿足天然狀態(tài)下該徑流過程的溫度、水生物、水質(zhì)、動植物的需求。狹義概念中，保證河流天然狀態(tài)下生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和不受損害的徑流稱為生態(tài)徑流。

以狹義的生態(tài)徑流定義為基礎(chǔ)，根據(jù)河流天然徑流的變化特征及其生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)的特點，可以將生態(tài)徑流分為最小生態(tài)徑流、適宜生態(tài)徑流和最大生態(tài)徑流。最小生態(tài)徑流量是指保證水生生物存在所需要的水量，或者說是河流中可以滿足生態(tài)要求的最小徑流量。最小生態(tài)徑流不僅滿足生態(tài)水量需求，還必須滿足生態(tài)對水體質(zhì)量和水量持續(xù)時間的要求，河流的最大允許取水量由天然徑流量與最小生態(tài)徑流量的差確定。適宜生態(tài)徑流量為對于生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和物種的生存、繁衍最為適合的徑流過程。因河流水文過程是隨機變化的，適宜生態(tài)徑流應(yīng)具有一個合適的變化范圍。最大生態(tài)徑流量是滿足河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和健康條件所允許的最大流量過程，是河流所匹配的地形條件下的最大需水量，如果徑流量超過此過程會造成岸坡破壞和生態(tài)環(huán)境改變，導(dǎo)致某些物種消失，造成不可恢復(fù)的生態(tài)災(zāi)害。

2 計算方法

現(xiàn)有生態(tài)基流計算方法在針對問題、適用對象和應(yīng)用復(fù)雜程度上各有特點，不同生態(tài)基流計算方法對比如表1所示。目前較為常用的有4種計算方法：逐月最小生態(tài)徑流計算法主要用于計算最小生態(tài)徑流；逐月頻率計算法主要用于計算適宜生態(tài)徑流；Tennant法用于對不同方案的適宜徑流量進行檢驗；新逐月頻率計算法將每個月的保證率都取為50%，可靠度更高。

3 時間尺度上山區(qū)生態(tài)基流取值模型

河流生態(tài)基流計算的目的是求出可以保證河流健康狀況的最小生態(tài)徑流量。由于不同生態(tài)群落有不同的繁殖和發(fā)育規(guī)律，最小生態(tài)徑流量與河道水流年內(nèi)變化特征一樣，是一個連續(xù)變化的過程，因此，最小生態(tài)徑流量在1年中不是一個常量。根據(jù)河流生態(tài)影響因素隨時間的變化，提出了一種時間尺度上的山區(qū)生態(tài)基流取值模型。

表1 不同生態(tài)基流計算方法對比

山區(qū)河流主要有兩個特點：一是山區(qū)河流因為存在環(huán)境特殊性，多位于森林、濕地等動植物種類豐富的地方，因此，該類河流的生態(tài)需求更為顯著；二是山區(qū)河流一般規(guī)模不大，河面較為狹窄，水源地多為山區(qū)地形積蓄的水源，沒有穩(wěn)定的規(guī)模較大的湖泊進行水源補給，因此，山區(qū)河流受環(huán)境變化影響明顯，生態(tài)基流的取值需要考慮環(huán)境變化對徑流的影響。山區(qū)生態(tài)基流的取值模型需要考慮兩個因素：生態(tài)因素和環(huán)境因素。表2列出了兩種因素對河流生態(tài)基流的影響。生態(tài)因素主要為生態(tài)基流的需求，環(huán)境因素主要為生態(tài)基流的損耗，兩者的疊加為生態(tài)基流的實際需水量。

表2 山區(qū)生態(tài)基流影響因素對比

4 實例分析

某山區(qū)河段長度達(dá)16.2 km，為水電站減水段，河段內(nèi)有6條支溝匯入。2009年3—5月，對該河段布設(shè)的大斷面和區(qū)間匯流進行了流量測量。河流內(nèi)存在齊口裂腹魚、重口裂腹魚類等指示物種，經(jīng)過對魚類生活習(xí)性的調(diào)查，得出不同時段生態(tài)基流處理方案如表3所示。非集中產(chǎn)卵場分布的河段，生態(tài)流量只需滿足魚類正常生活環(huán)境要求即可，應(yīng)用生態(tài)水力學(xué)方法計算結(jié)果作為全年流量推薦值；對于有集中產(chǎn)卵場分布的河段，生態(tài)流量不僅需要滿足魚類生活環(huán)境要求，還應(yīng)滿足魚類產(chǎn)卵流量和生境面積的要求，產(chǎn)卵期推薦值采用生境模擬法計算結(jié)果，并結(jié)合魚類產(chǎn)卵對水面漲落過程的需求，在不同時段采用不同生態(tài)基流。

表3 河流魚類生活習(xí)性及生態(tài)基流處理方案

環(huán)境因素造成的河流水量蒸發(fā)主要分為4個時段，如表4所示。夏季蒸發(fā)量最大，生態(tài)補水最多；冬季蒸發(fā)量很低，不進行生態(tài)補水。

表4 不同時間段河流蒸發(fā)量及生態(tài)補水

基于表3和表4的結(jié)果得到該河道生態(tài)環(huán)境需水量年內(nèi)過程線，如表5所示。該需水量年內(nèi)過程線考慮了魚類生存繁衍要求及不同時段的蒸發(fā)量，更符合實際山區(qū)河流生態(tài)基流的需求。

表5 河道生態(tài)環(huán)境需水量年內(nèi)過程線

5 結(jié)語

生態(tài)基流不僅要考慮河流生態(tài)需水，同時應(yīng)該考慮環(huán)境因素下生態(tài)流量的變化。兩者在年度時間段內(nèi)均不是固定值，而是隨著季節(jié)不斷變化。依據(jù)山區(qū)河流特性，提出的基于魚類繁衍和水量蒸發(fā)的山區(qū)河流時間尺度上的山區(qū)生態(tài)基流取值模型，考慮了生態(tài)因素和環(huán)境因素在時間尺度上的差異性，得到了生態(tài)環(huán)境需水量年內(nèi)過程線，該取值模型更符合山區(qū)河流實際生態(tài)需求，可以為相關(guān)山區(qū)河流生態(tài)基流的確定提供參考。