沙潁河周口斷面生態(tài)流量過程計(jì)算和分析

陶 潔，喬文昭，曹 陽(yáng)，曲曉寧

（1.鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.河南省水循環(huán)模擬與水環(huán)境保護(hù)國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001；3.鄭州市水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001；4.河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450016）

維持河流合理的生態(tài)流量不僅是生態(tài)保護(hù)的需要，而且是改善水體水質(zhì)的重要手段［1］。2020 年《水利部關(guān)于做好河湖生態(tài)流量確定和保障工作的指導(dǎo)意見》提出，以維護(hù)河湖生態(tài)系統(tǒng)功能為目標(biāo)，科學(xué)確定生態(tài)流量。生態(tài)流量的概念最早是20 世紀(jì)40 年代美國(guó)魚類和野生動(dòng)物保護(hù)協(xié)會(huì)在開展魚類漁獲物和早期資源產(chǎn)量與河流流量響應(yīng)關(guān)系研究中提出的［2］。隨后的相關(guān)研究對(duì)其內(nèi)涵進(jìn)行了延展和細(xì)化［3］，對(duì)生態(tài)流量的認(rèn)識(shí)也從“維持水生生態(tài)系統(tǒng)的最小流量”逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤熬S持水生生態(tài)系統(tǒng)近自然的、可變的流量過程”［4］。Tennant［5］分析了美國(guó)11 條河流流量與河寬、流速、水深的關(guān)系，提出以歷年平均流量的10%、30%分別作為最小生態(tài)流量、基本生態(tài)流量，這是用水文學(xué)法研究河流生態(tài)流量理論的開端。King 等［6］提出構(gòu)建模塊法（BBM），將流量組成人為地分成枯水年基流量、平水年基流量、枯水年高流量和平水年高流量研究流量與生物群落之間的關(guān)系，估算可以維持河流健康的生態(tài)流量。美國(guó)科羅拉多州聯(lián)合野生動(dòng)物管理局提出了流量增量法（IFIM 法），研究特定流量對(duì)河道連通性、魚類產(chǎn)卵以及棲息地的影響，是北美估算生態(tài)流量常用的方法之一［7］。胡和平等［8］指出生態(tài)流量過程線是一個(gè)流量過程范圍，可以根據(jù)季節(jié)的豐枯變化、生物種群及結(jié)構(gòu)的變化定義滿足于河流生態(tài)系統(tǒng)的最適宜生態(tài)流量過程線。Biggs 等［9］認(rèn)為不同時(shí)間尺度的流量變動(dòng)通過不同干擾因素對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，如阻力干擾、魚類食物攝取過程等。董哲仁等［10］提出不宜把環(huán)境流標(biāo)準(zhǔn)絕對(duì)化，應(yīng)根據(jù)河流自然水文情勢(shì)變化構(gòu)建一條可維持水域生物和河岸帶健康的生態(tài)流量過程線。

綜合國(guó)內(nèi)外研究成果，盡管生態(tài)流量的基本理論和方法還未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，但基本認(rèn)為單一的流量值不能完全滿足河流不同時(shí)期的流量需求及下游各生態(tài)環(huán)境的需水過程，河流生態(tài)環(huán)境需水在時(shí)空上是一個(gè)生態(tài)流量過程線，因此提出了生態(tài)流量過程的概念［8，11］。生態(tài)流量過程是以生態(tài)基流為基礎(chǔ)，與天然徑流的復(fù)雜水文過程相結(jié)合，滿足全年不同時(shí)期河流及其水生生態(tài)系統(tǒng)需求的流量過程線。周口水文站位于沙河與潁河匯流后的沙潁河干流周口閘下，可基本反映沙潁河上中游的水文狀況，因此選取周口水文站作為生態(tài)水量控制斷面，基于周口水文站1956—2018年逐日流量序列，明確沙潁河周口段主要生態(tài)保護(hù)目標(biāo)，開展生態(tài)流量過程計(jì)算和分析，以期對(duì)沙潁河生態(tài)系統(tǒng)健康維持提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

沙潁河是淮河最大的支流，發(fā)源于豫西伏牛山區(qū)魯山縣境內(nèi)二郎廟西，流經(jīng)平頂山、漯河、周口、阜陽(yáng)等，在安徽省潁上縣沫河口匯入淮河。沙潁河全長(zhǎng)621.20 km（以沙河為源），流域面積為39 075.30 km2，河南省境內(nèi)流域面積為34 467.0 km2，占流域總面積的88.21%［12］。沙潁河魚類以鯉科為主，體型偏小，調(diào)查顯示大部分鯉科魚類喜緩流和靜水，無特定高密度集中群體，產(chǎn)卵期為4—7 月［13－14］。流域內(nèi)閘壩眾多，閘壩修建運(yùn)行改善河流水質(zhì)的同時(shí)，破壞了河流的連續(xù)性，導(dǎo)致其不能自然流動(dòng)，污染物不能順利降解從而沉積于壩前，在閘壩泄水時(shí)易對(duì)下游造成二次污染。

2 計(jì)算方法

2.1 改進(jìn)年內(nèi)展布法

傳統(tǒng)年內(nèi)展布法是將年最小流量與多年平均流量的比值作為同期均值比，再與多年平均月流量相乘得到河流月生態(tài)流量過程［15］，整個(gè)計(jì)算過程簡(jiǎn)單、資料獲取容易，但忽視了個(gè)別極端水文事件和流量的季節(jié)性變化［16－17］。因此，多位研究者提出了不同的改進(jìn)方法。范博偉等［16］只選取5%～95%保證率的月均流量進(jìn)行河流生態(tài)需水量計(jì)算，避免了極豐或極枯年份對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響；趙然杭等［18］將同期均值比修改為90%保證率河道年平均流量與多年平均流量的比值，使得生態(tài)需水量的計(jì)算結(jié)果更加穩(wěn)定，更加適用于季節(jié)性河流；雷付春［19］基于同頻率月均流量，將12 個(gè)月劃分為豐、平、枯水期，分別計(jì)算其均值比，適用于季節(jié)性較強(qiáng)的北方旱區(qū)河流生態(tài)基流量的計(jì)算；宋增芳等［20］將95%保證率河道年平均流量與去除極豐和極枯年份的最小年平均流量進(jìn)行耦合，代替多年最小年平均流量與多年平均流量求得同期均值比，進(jìn)而計(jì)算出河流最小生態(tài)流量。結(jié)合傳統(tǒng)和改進(jìn)的年內(nèi)展布法提出以下計(jì)算過程。

（1）流量資料可靠性、代表性和一致性審查?？煽啃詫彶橹饕疾熨Y料來源是否符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)水文數(shù)據(jù)模比系數(shù)累計(jì)平均過程線進(jìn)行流量資料代表性審查，當(dāng)系數(shù)趨于穩(wěn)定時(shí)，說明所選數(shù)據(jù)代表性良好［21］。采用Mann－Kendall（M－K）趨勢(shì)檢驗(yàn)法進(jìn)行流量資料一致性審查，該方法不要求數(shù)據(jù)具有正態(tài)分布特征，適合于水文、氣象資料等的一致性檢驗(yàn)［22］。標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量Z表征流量序列增大或減小趨勢(shì)，當(dāng)Z＞0時(shí)表示增大趨勢(shì)，當(dāng)Z＜0 時(shí)表示減小趨勢(shì)。輸入置信度水平α（α為M－K 檢驗(yàn)錯(cuò)誤地拒絕了零假設(shè)時(shí)可容忍的概率），若，則表示原假設(shè)不成立，變量值隨時(shí)間增大或減小顯著，其中Z1－α／2為流量序列發(fā)生顯著變化的臨界統(tǒng)計(jì)量。置信水平90%、95%、99%對(duì)應(yīng)的Z1－α／2分別為1.64、1.96、2.58。

（2）計(jì)算月均流量。考慮極端流量事件對(duì)生態(tài)流量計(jì)算的不利影響，將多年保證率5%～95%的天然月均流量作為計(jì)算資料。將計(jì)算資料按月份劃分為汛期（6—10 月）和非汛期（11 月至次年5 月）兩個(gè)時(shí)段，計(jì)算多年各月平均流量qt（t為月份）、汛期多年月均流量、非汛期多年月均流量。

（3）選取90%保證率的多年各月平均流量qt（90%）計(jì)算汛期、非汛期90% 保證率的多年月均流量。

（4）計(jì)算不同時(shí)段的同期均值比：

式中：η1、η2分別為汛期、非汛期的同期均值比。

（5）計(jì)算各月的生態(tài)流量。各月的生態(tài)流量Qt為

式中：ηt為同期均值比。

2.2 RVA 法

變化范圍法（RVA）是在水文變化指標(biāo)法（IHA）基礎(chǔ)上提出的，用以評(píng)估受人類活動(dòng)影響的河流水文變化狀態(tài)，從而識(shí)別水文變化在維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)中的重要作用［23］。水文特征指標(biāo)變化范圍不超過其天然可變范圍（即RVA 閾值［24］，RVA 閾值為流量過程線的可變范圍），即天然生態(tài)系統(tǒng)可以承受的變化范圍，有利于維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康。將30%、70%保證率流量值作為閾值上、下限，生態(tài)流量估算公式為

式中：QR為RVA 法確定的生態(tài)流量；為月均流量；Q上限為RVA 閾值上限；Q下限為RVA 閾值下限。

2.3 Lyon 法

Lyon 法是美國(guó)基于水文頻率變動(dòng)和生態(tài)需求開發(fā)的水文學(xué)方法，計(jì)算尺度為月，將多年月中值流量的百分比作為河流生態(tài)流量的推薦值，計(jì)算公式為

式中：QLF為L(zhǎng)yon 法確定的生態(tài)流量；QM為月中值流量；Qm和Qa分別為月均流量和年均流量。

2.4 濕周法

濕周法通過建立濕周與流量關(guān)系曲線，在曲線上用斜率法（斜率k＝1）和曲率法（曲率絕對(duì)值最大）確定臨界點(diǎn)，臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)流量即河流最小生態(tài)流量［25－27］。本文繪制周口水文站各月濕周與流量關(guān)系曲線，將關(guān)系曲線上曲率絕對(duì)值最大處的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的流量作為河流最小生態(tài)流量。為了消除坐標(biāo)尺度的影響，將流量與濕周用相對(duì)于各月最大流量Qmax及最大濕周χmax的比例來表示，即相對(duì)流量Q相對(duì)流量和相對(duì)濕周χ相對(duì)濕周為

式中：Q為各月流量；χ為各月流量相應(yīng)的濕周。

2.5 流速法

流速法是將河流流速作為反映生物棲息地狀態(tài)的指標(biāo)，根據(jù)河段關(guān)鍵指示性物種或優(yōu)勢(shì)物種確定生態(tài)流速，以此來確定斷面生態(tài)流量過程［14，28］。將沙潁河周口段主要魚類最小生態(tài)流速作為滿足河流生態(tài)系統(tǒng)基本需求的狀態(tài)指標(biāo)。流速與斷面關(guān)系式為

式中：Qv為流速法確定的生態(tài)流量；v為根據(jù)指示物種或優(yōu)勢(shì)物種確定的河流流速；A為河流過水?dāng)嗝婷娣e。

3 結(jié)果分析

3.1 改進(jìn)年內(nèi)展布法計(jì)算結(jié)果

（1）流量資料可靠性、代表性和一致性審查。采用的流量數(shù)據(jù)為周口水文站1956—2018 年實(shí)測(cè)逐日流量數(shù)據(jù)，可基本反映沙潁河上中游的水文狀況，流量數(shù)據(jù)均按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)整編，資料具有可靠性。流量模比系數(shù)累計(jì)平均過程線見圖1，由圖1 可以看出，流量模比系數(shù)累計(jì)平均值隨時(shí)間延長(zhǎng)變幅越來越小，逐漸趨近于1.0，表明實(shí)測(cè)流量資料具有穩(wěn)定性。由Mann－Kendall 檢驗(yàn)法得到流量序列的統(tǒng)計(jì)量Z＝－0.095，＜1.64、1.96、2.58，說明沒有通過90%、95%和99%的顯著性檢驗(yàn)，周口水文站流量資料一致性較好。

圖1 河流流量模比系數(shù)累計(jì)平均過程線

（2）生態(tài)流量過程計(jì)算。根據(jù)選取的5%～95%保證率流量數(shù)據(jù)及改進(jìn)年內(nèi)展布法計(jì)算過程確定各月生態(tài)流量，見表1。6—10 月為汛期，生態(tài)流量較大，占多年平均流量的8%～25%；11 月至次年5 月為非汛期，生態(tài)流量較小，占多年平均流量的3%～8%。

表1 改進(jìn)年內(nèi)展布法計(jì)算的各月生態(tài)流量

3.2 RVA 法計(jì)算結(jié)果

RVA 法計(jì)算的1—12 月生態(tài)流量分別為5.86、2.22、4.11、26.35、25.00、23.06、70.53、50.20、52.91、15.24、19.00、12.05 m3／s。計(jì)算結(jié)果表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性，7—9 月生態(tài)流量較其他月份的明顯增大。

3.3 Lyon 法計(jì)算結(jié)果

Lyon 法計(jì)算的1—12 月生態(tài)流量分別為10.30、8.51、10.91、14.23、16.95、14.68、60.37、64.70、47.07、22.66、19.14、14.59 m3／s。7 月生態(tài)流量驟然增大，7—9 月生態(tài)流量均較大，其余月份生態(tài)流量較小且較穩(wěn)定。

3.4 濕周法計(jì)算結(jié)果

沙潁河周口水文站斷面為復(fù)式斷面，當(dāng)建立全斷面濕周與流量的關(guān)系時(shí)，曲率絕對(duì)值最大處（臨界點(diǎn)）出現(xiàn)在斷面變化較大的位置，其對(duì)應(yīng)的流量非常大，在汛期漫灘時(shí)才能出現(xiàn)這種大流量情況。因此，選擇主河槽部分（水位41.5 m 以下河槽）的水文數(shù)據(jù)建立濕周與流量關(guān)系曲線，進(jìn)而找出臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的河道最小生態(tài)流量。沙潁河周口水文站不同季節(jié)代表性月份濕周與流量關(guān)系曲線見圖2。將關(guān)系曲線上曲率絕對(duì)值最大的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的流量作為河道的最小生態(tài)流量，1—12 月生態(tài)流量分別為3.37、3.20、3.87、4.69、6.26、7.42、15.65、17.98、11.23、9.70、6.24、3.98 m3／s。生態(tài)流量在11 月至次年4 月較小且變化不大，6—10 月較大，體現(xiàn)出流量的年內(nèi)變化特性。

圖2 周口水文站不同季節(jié)代表性月份濕周與流量關(guān)系曲線

3.5 流速法計(jì)算結(jié)果

調(diào)查沙潁河主要鯉科魚類的生態(tài)習(xí)性，魚類產(chǎn)卵期最小生態(tài)流速為0.2 m／s，非產(chǎn)卵期最小生態(tài)流速為0.07 m／s［14，29－30］。擬合周口水文站的流量與流速散點(diǎn)圖（見圖3），推算出產(chǎn)卵期（4—7 月）河流最小生態(tài)流量為19.16 m3／s，非產(chǎn)卵期（8 月至次年3 月）最小生態(tài)流量為2.06 m3／s。8 月至次年3 月生態(tài)流量值過小且固定，可能無法滿足其他生物的正常需求，因此不考慮流速法計(jì)算的生態(tài)流量過程。

圖3 周口水文站流量與流速關(guān)系曲線

4 結(jié)果比較分析

周口水文站多年月均流量及5 種方法計(jì)算的生態(tài)流量過程見圖4。斷面多年月均流量呈明顯季節(jié)性變化，7—8 月流量明顯高于其他月份的。改進(jìn)年內(nèi)展布法與濕周法計(jì)算結(jié)果年內(nèi)變化趨勢(shì)及生態(tài)流量相近，所求均為河流較小生態(tài)流量過程，生態(tài)流量整體變化不明顯，4 月流量小幅度增大，7—8 月達(dá)到最大。其中，改進(jìn)年內(nèi)展布法計(jì)算結(jié)果較好地反映了沙潁河流量的年內(nèi)變化特征；濕周法建立在實(shí)測(cè)河道斷面與流量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，有較高可信度，但生態(tài)流量在產(chǎn)卵期與汛期均較小且變化不大，可能無法滿足魚類產(chǎn)卵期對(duì)流量及流量脈沖的需求。RVA 法和Lyon 法計(jì)算結(jié)果變化趨勢(shì)基本一致，所計(jì)算的生態(tài)流量在5 種方法中較大。其中，RVA 法是在多年月均流量基礎(chǔ)上減去RVA 閾值差，與多年月均流量變化趨勢(shì)一致；Lyon 法將月中值流量的百分比作為生態(tài)流量，7—9 月生態(tài)流量較大，但4—6 月生態(tài)流量小于RVA 法和流速法計(jì)算的最小生態(tài)流量，不利于魚類產(chǎn)卵。每種方法均有利弊，計(jì)算得到的生態(tài)流量過程各有優(yōu)劣。改進(jìn)年內(nèi)展布法和濕周法得到周口水文站斷面較小生態(tài)流量過程，這是維持河流生態(tài)健康的基本生態(tài)流量過程；RVA法和Lyon 法計(jì)算的生態(tài)流量過程年內(nèi)變化較大，能較好反映研究區(qū)季節(jié)性變化特征，還可以保證魚類產(chǎn)卵期最低生態(tài)流量需求。

圖4 不同方法計(jì)算結(jié)果對(duì)比

依據(jù)Tennant 法［31－33］，當(dāng)河道內(nèi)某時(shí)段最小生態(tài)流量占同時(shí)段多年平均天然流量的10%以上時(shí)，河流仍可以保持一定的河寬、水深和流速，用以滿足魚類洄游等要求，是維持大多數(shù)水生生物短期生存棲息的最小瞬時(shí)流量。6—10 月為汛期和水生生物的主要生長(zhǎng)期，需要較大的生態(tài)流量保證魚類繁殖、魚卵的懸浮等，取生態(tài)流量為10～25 m3／s。由4 種計(jì)算方法得到最小生態(tài)流量過程及其占多年月平均流量百分比見表2。

表2 周口水文站生態(tài)流量過程計(jì)算結(jié)果對(duì)比及最小生態(tài)流量過程綜合確定

5 結(jié)論與展望

運(yùn)用改進(jìn)年內(nèi)展布法、RVA 法、Lyon 法、濕周法和流速法從水文水力學(xué)角度計(jì)算了周口水文站河流斷面生態(tài)流量過程，分析各方法的優(yōu)劣，探討其適用性，并依據(jù)Tennant 法，對(duì)改進(jìn)年內(nèi)展布法、RVA 法、Lyon 法和濕周法4 種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理性分析，綜合得到最小生態(tài)流量過程線，以滿足魚類繁殖和河流生態(tài)健康的基本需求。

目前計(jì)算河流生態(tài)流量的眾多方法中，水文學(xué)方法因應(yīng)用簡(jiǎn)捷、數(shù)據(jù)易獲取而應(yīng)用最多，但該類方法缺乏對(duì)河流生物需求及與周圍環(huán)境相互作用的考慮，設(shè)定的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也沒有嚴(yán)格驗(yàn)證。濕周法和流速法屬于水力學(xué)方法，但計(jì)算結(jié)果僅為最小生態(tài)流量，能滿足河流生態(tài)系統(tǒng)基本流量需求，但無法維持河流生態(tài)系統(tǒng)在最好狀態(tài)，且流速法根據(jù)優(yōu)勢(shì)魚類或指示魚類等可接受的流速求生態(tài)流量，計(jì)算結(jié)果具有局限性。因此，在后續(xù)河流生態(tài)流量的計(jì)算工作中，應(yīng)更加清晰其生態(tài)功能定位，不斷完善其生態(tài)流量過程。