烏江流域生態(tài)流量計(jì)算及其時(shí)空演變規(guī)律研究

吳承君 王仲梅 來志強(qiáng)

摘要：

針對現(xiàn)有常用的生態(tài)流量計(jì)算水文學(xué)法缺少對年際間天然水文節(jié)律考量的問題，通過劃分年內(nèi)來水期、年際間來水年型，基于最小月平均徑流法計(jì)算原理，提出基于年內(nèi)固定來水期（FPE）和不同水平年變來水期（DPE）的兩種面向天然徑流時(shí)程分配的生態(tài)流量確定方法?；谔岢龅姆椒ǚ治隽松鷳B(tài)流量的時(shí)空演變規(guī)律，并以烏江流域?yàn)閷ο箝_展實(shí)例研究。結(jié)果表明：FPE法和DPE法生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果整體上達(dá)到了Tennant法中“好”的流量狀態(tài)；在時(shí)程上，豐水年生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果呈增加趨勢，其余年型生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果呈減小趨勢；在空間上，河道控制斷面生態(tài)流量與控制流域面積呈顯著正相關(guān)關(guān)系。所提方法為無資料或缺資料地區(qū)河段生態(tài)流量指標(biāo)確定提供了參考。

關(guān) 鍵 詞：

生態(tài)流量； 水文學(xué)法； 水文節(jié)律； 時(shí)空演變； 烏江流域

中圖法分類號： TV212

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.013

0 引 言

近年來，為充分利用水能資源，在流域內(nèi)干支流河道上均規(guī)劃建設(shè)了大量的梯級水庫和水電站［1］。大量水利工程的修建在發(fā)揮其興利作用的同時(shí)，也阻斷了河道的天然水力聯(lián)系，并由此引發(fā)了一系列的水生態(tài)和水環(huán)境問題［2］。早在20世紀(jì)40年代，美國率先提出最小生態(tài)流量的概念，以改善和維持河道水生態(tài)及水環(huán)境，形成了生態(tài)流量的雛形［3］。自20世紀(jì)50年代開始，針對生態(tài)流量的計(jì)算方法開始出現(xiàn)［4］。國內(nèi)外已有生態(tài)流量計(jì)算方法超過了240種［5］。通過梳理已有生態(tài)流量計(jì)算方法計(jì)算原理，現(xiàn)有生態(tài)流量計(jì)算方法可歸納為水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地模擬法、整體法、組合法等5種類型［6-9］。其中水力學(xué)法是基于河道形態(tài)得出的生態(tài)流量指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果單一，無法反映河道天然來水的水文節(jié)律［10-12］；而棲息地模擬法和整體法雖然對生態(tài)流量的模擬結(jié)果良好，但其模擬耗時(shí)長，計(jì)算程序較為繁瑣［13-14］；水文學(xué)法是基于長系列河道天然徑流序列，采用相應(yīng)頻率的徑流過程作為生態(tài)流量，該方法計(jì)算簡便，是目前國內(nèi)外最常用的生態(tài)流量計(jì)算方法［15-18］。

廣義上的水文節(jié)律既包括天然徑流年內(nèi)分布的豐枯演變特性，同時(shí)也包括年際間天然來水的周期性。河道內(nèi)水生生態(tài)系統(tǒng)在對年內(nèi)來水時(shí)程分布提出要求的同時(shí)，其對年際間的用水需求同樣匹配水文節(jié)律的變化［19-21］。而常用的生態(tài)流量計(jì)算水文學(xué)法對水生生態(tài)系統(tǒng)在年際間的水文節(jié)律要求考慮欠缺，因此研究確定同時(shí)具備與年際和年內(nèi)的水文節(jié)律相匹配的河流生態(tài)流量指標(biāo)，是維持河流生態(tài)健全需要解決的一個(gè)科學(xué)問題。

基于此，本文針對常用的生態(tài)流量計(jì)算水文學(xué)法存在的不足，從滿足天然徑流年內(nèi)和年際間水文節(jié)律角度出發(fā)，研究提出基于年內(nèi)固定來水期和基于不同水平年變來水期兩種面向天然徑流時(shí)程分配的生態(tài)流量計(jì)算方法，使生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果在滿足年內(nèi)來水豐枯演變的同時(shí)，保證年際間的天然水文節(jié)律特性。在此基礎(chǔ)上，分別從時(shí)間尺度上和空間層級上，分析探討生態(tài)流量的時(shí)空演變規(guī)律，以期為無資料和缺資料地區(qū)生態(tài)流量的擬定提供參考依據(jù)。

1 常用的生態(tài)流量計(jì)算水文學(xué)法

Tennant法、最小月平均徑流法、Qp法等水文學(xué)法作為SL/Z 712-2014《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）中推薦的方法，是目前科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐中常用的方法。

1.1 Tennant法

Tennant法以河道內(nèi)多年平均流量為基準(zhǔn)，針對年內(nèi)不同的來水期，以多年平均流量的不同特定百分?jǐn)?shù)描述河道內(nèi)不同生態(tài)流量狀態(tài)［22-23］，見表1。

1.3 Qp法

Qp法是采用某一保證率下的天然徑流作為河道生態(tài)流量的方法，常見的Qp法包括Q95和Q90法。利用Qp法計(jì)算生態(tài)流量時(shí)主要包括以下兩種方式。

（1） 按年計(jì)算方式。

根據(jù)《規(guī)范》，利用Qp法計(jì)算生態(tài)流量時(shí)，以95%（或90%）保證率下的年最枯月平均流量作為生態(tài)流量。該方式下，計(jì)算的生態(tài)流量結(jié)果在全年內(nèi)均為一個(gè)固定值。

（2） 按月計(jì)算方式。

Qp法的按月計(jì)算方式是通過對各月歷史徑流資料進(jìn)行排頻計(jì)算，以95%（或90%）保證率下的各月平均徑流作為生態(tài)流量［24］。該方式計(jì)算結(jié)果在全年內(nèi)各月生態(tài)流量均為不同值，表現(xiàn)為年內(nèi)歷史來水較豐的月份生態(tài)流量大，年內(nèi)歷史來水較枯的月份生態(tài)流量小。

上述常用生態(tài)流量計(jì)算水文學(xué)法，其計(jì)算結(jié)果通常未考慮（如Tenannt法中“最小”流量狀態(tài)、最小月平均徑流法、Qp法按年計(jì)算方式）或僅考慮了（如Tenannt法中除“最小”流量狀態(tài)外的其它流量狀態(tài)、Qp法按月計(jì)算方式）與河道年內(nèi)天然水文節(jié)律的匹配性，缺少對年際間天然水文節(jié)律的考量?；诖耍疚奶岢鰞煞N面向天然徑流時(shí)程分配的生態(tài)流量計(jì)算方法，使生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果在滿足年內(nèi)來水豐枯演變的同時(shí)，保證年際間的天然水文節(jié)律特性。

2 面向天然徑流時(shí)程分配的生態(tài)流量計(jì)算方法

2.1 基于年內(nèi)固定來水期的生態(tài)流量計(jì)算

基于年內(nèi)固定來水期的生態(tài)流量計(jì)算（以下簡稱“FPE法”）是利用多年平均天然來水流量劃分年內(nèi)不同來水期，同時(shí)通過劃分來水年型，確定不同年型、不同來水期下的生態(tài)流量。

（1） 年內(nèi)來水期劃分。

本文采用距平百分率法將年內(nèi)來水期劃分為豐水期、偏豐水期、平水期、偏枯水期和枯水期5個(gè)期型。年內(nèi)來水期劃分公式見式（2），劃分等級見表2。

根據(jù)河道不同控制斷面處生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果，分析河道生態(tài)流量空間演變規(guī)律。

4 實(shí)例研究

烏江是長江上游南岸最大的支流，流域年內(nèi)和年際間來水分布差異大，年內(nèi)降雨多發(fā)生在5～10月，多年平均徑流量504.8億m3。烏江梯級水庫的建成和投運(yùn)，阻斷了烏江的天然水力聯(lián)系，使烏江水生態(tài)系統(tǒng)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)（圖2）。本文以烏江流域洪家渡、普定、引子渡、東風(fēng)、索風(fēng)營、烏江渡、大花水、格里橋、構(gòu)皮灘、思林、沙沱11級混聯(lián)水庫群為研究對象，基于烏江流域1952～2015年各庫壩址處長系列天然逐月歷史月平均徑流資料，開展生態(tài)流量計(jì)算及其時(shí)空演變規(guī)律分析。

4.1 生態(tài)流量計(jì)算

采用FPE法、DPE法、Tennant法、最小月平均徑流法、Qp法計(jì)算的不同生態(tài)流量見圖3，年平均生態(tài)流量見表3（為減少篇幅，下面僅展示洪家渡水庫計(jì)算結(jié)果）。

由圖3可知，F(xiàn)PE法、DPE法、Tennant法（最小流量狀態(tài)除外）、Qp法（按月計(jì)算）生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果均可反映年內(nèi)水文情勢的變化，但Tennant法（最小流量狀態(tài)）、最小月平均徑流法、Qp法（按年計(jì)算）生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果在年內(nèi)不同來水期均是一固定不變值，對水文情勢的反映較差。同時(shí)，相比傳統(tǒng)生態(tài)流量計(jì)算方法，F(xiàn)PE法、DPE法生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果體現(xiàn)了不同來水年型下生態(tài)流量的變化，可較好地反映年際間的水文情勢變化。

根據(jù)《貴州烏江梯級水電站水庫調(diào)度手冊》，洪家渡水庫壩址下游生態(tài)基流為14.4 m3/s，與Tennant法中“最小”的流量狀態(tài)計(jì)算結(jié)果基本一致，均小于其他生態(tài)流量計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果，表明上述生態(tài)流量計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果均能滿足洪家渡下游生態(tài)保障需求。同時(shí)，由表3可知，在不同生態(tài)流量計(jì)算方法的年內(nèi)平均生態(tài)流量方面，F(xiàn)PE法、DPE法、Qp法（按月計(jì)算）均接近或略高于Tennant法中“好”的流量狀態(tài)，表明利用這3種方法計(jì)算的生態(tài)流量能較好地保護(hù)或維持水生態(tài)系統(tǒng)的安全。

由前述計(jì)算結(jié)果可知，F(xiàn)PE法、DPE法生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果在量級層面均能接近或達(dá)到“好”的流量狀態(tài)，且其能反映出天然徑流在年際間的水文節(jié)律，同時(shí)考慮到DPE法較FPE法對不同水平年來水期的劃分更為精確，因此，本文通過采用DPE法生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果，分析生態(tài)流量時(shí)空演變規(guī)律。

4.2 生態(tài)流量時(shí)空演變規(guī)律

4.2.1 生態(tài)流量時(shí)程演變規(guī)律

根據(jù)《規(guī)范》，采用水文學(xué)法計(jì)算生態(tài)流量時(shí)，河道天然徑流資料不低于10 a，因此，本文在計(jì)算不同階段生態(tài)流量時(shí)，取t0=10，d=5，計(jì)算得不同階段生態(tài)流量如圖4所示，變化趨勢見表4（為減少篇幅，以下僅展示洪家渡、烏江渡、大花水和構(gòu)皮灘4座典型水庫計(jì)算結(jié)果），其中“綜合”是根據(jù)不同年型的年內(nèi)平均生態(tài)流量，結(jié)合不同年型的年數(shù)加權(quán)平均計(jì)算得出。

由圖4和表4可以看出：① 針對河道某一控制斷面，受不同水平年下不同來水期最小月平均徑流差異的影響，在徑流序列長度較小時(shí)，斷面年均生態(tài)流量并非完全遵循主觀認(rèn)識上的由豐水年、偏豐水年、平水年、偏枯水年、枯水年依次遞減的規(guī)律。② 針對每座水庫，其豐水年年均生態(tài)流量在時(shí)程上均呈增加趨勢，而在其它年型中，除大花水水庫平水年年均生態(tài)流量在時(shí)程上呈增加趨勢外，均表現(xiàn)出年均生態(tài)流量在時(shí)程上減小的趨勢，表明流域年際間來水的豐枯差異增大；同時(shí)，由“綜合”曲線可以看出，上述各庫的年均生態(tài)流量均呈降低趨勢，表明近年來流域來水整體上較水庫運(yùn)行前期有所減少。③ 徑流序列長度較小時(shí)，針對某一控制斷面，其生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果變化較大，隨徑流序列長度的增加，生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果趨于平穩(wěn)。

4.2.2 生態(tài)流量空間演變規(guī)律

基于烏江流域1952～2015年各庫壩址處長系列天然逐月歷史月平均徑流資料，采用DPE法計(jì)算得烏江11級水庫生態(tài)流量過程，繪制控制斷面生態(tài)流量與控制流域面積關(guān)系，如圖5所示。其中各月的生態(tài)流量是根據(jù)不同水平年下相應(yīng)月份的生態(tài)流量，結(jié)合不同水平年的年份，通過加權(quán)平均計(jì)算得到。

由圖5可知，針對流域內(nèi)不同控制斷面，各月間的生態(tài)流量和年均生態(tài)流量均與其控制流域面積呈顯著的線性正相關(guān)關(guān)系。

5 結(jié) 論

本文針對常用的生態(tài)流量計(jì)算水文學(xué)法計(jì)算結(jié)果難以匹配天然徑流年際間水文節(jié)律的問題，分別提出了基于年內(nèi)固定來水期和不同水平年變來水期的兩種面向天然徑流時(shí)程分配的生態(tài)流量確定方法，還研究了生態(tài)流量時(shí)空演變規(guī)律分析方法，并以烏江流域?yàn)閷ο箝_展了實(shí)例研究，得出結(jié)論如下：

（1） 基于年內(nèi)固定來水期和不同水平年變來水期的兩種生態(tài)流量計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果整體上接近或達(dá)到Tennant法中“好”的流量狀態(tài)，且較傳統(tǒng)水文學(xué)法能更好地反映天然徑流年際間的水文節(jié)律。

（2） 運(yùn)用水文學(xué)法計(jì)算生態(tài)流量時(shí)，采用的徑流序列長度越短，計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定性越差，徑流序列長度越長，結(jié)果穩(wěn)定性越好。

（3） 流域內(nèi)河道控制斷面的生態(tài)流量與斷面控制流域面積呈顯著的線性正相關(guān)關(guān)系。基于此，可通過線性插值法確定流域河道內(nèi)各斷面生態(tài)流量指標(biāo)，為無資料或缺資料河段或地區(qū)生態(tài)流量指標(biāo)確定提供了參考依據(jù)。

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（編輯：黃文晉）

Abstract：

The existing commonly used hydrological methods for ecological flow calculation lacks consideration of the inter-annual natural hydrological rhythm.By dividing the incoming water period within a year and the incoming water year type between years，using the calculation principle of Minimum Monthly Average Runoff Method，two ecological flow calculation methods for natural runoff time-history allocation based on annual fixed inflow period（FPE）and different levels of years with variable inflow period（DPE）are proposed respectively in this paper.We also studied the temporal and spatial variation of ecological flow.The Wujiang River Basin is studied as a case.The results show that the ecological flow calculated by FPE and DPE are in a level that can be evaluated as good by Tennant method.In terms of time history，the ecological flow calculation results in wet years show increasing trends，while the other year types show decreasing trends.Spatially，there is a significant positive correlation between the ecological flow of the control section of the river and the area of the basin.

Key words：

ecological flow；hydrological method；hydrological rhythm；temporal and spatial variation；Wujiang River Basin