基于基流保證率法的涇河流域生態(tài)基流計算

安宇廷　喬曉英　陳永鋼　王梓宇

［關(guān)鍵詞］ 生態(tài)基流；基流保證率法；水資源；水生態(tài)；涇河流域

［摘 要］ 為使我國北方生態(tài)基流得到更好的保障，提出了基流保證率法。從河川徑流的組成以及生態(tài)基流的來源入手，結(jié)合生態(tài)基流的含義和功能，對徑流資料進(jìn)行年內(nèi)展布，劃分豐水期、平水期、枯水期，以保證率的方式來確保不同水期生態(tài)基流的需求。以涇河干流及其支流馬蓮河為例，應(yīng)用該方法計算了涇河流域不同斷面的生態(tài)基流，涇河干流上涇河源斷面為0.16～0.65 m3/s，楊家坪斷面為2.76～8.03 m3/s，景村斷面為7.47～18.23 m3/s，張家山斷面為9.03～21.76 m3/s；支流馬蓮河上洪德斷面為0.02～0.82 m3/s，慶陽斷面為0.95～2.76 m3/s，雨落坪斷面為1.99～6.07 m3/s。與幾種傳統(tǒng)水文學(xué)方法相比，該方法計算的生態(tài)基流既能保障生態(tài)系統(tǒng)的基本需求又不擠占其他用水量，并且各斷面生態(tài)基流的保障程度基本都能達(dá)到90%以上。

［中圖分類號］ X171.1；TV882.1［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1000－0941（2023）07－0031－06

水是生命之源，河道作為水流的載體是聯(lián)系人與自然的紐帶。實現(xiàn)人與自然和諧共處的首要前提就是要維護(hù)好河流生態(tài)的健康。一旦河道斷流，水生態(tài)遭到破壞，將再難恢復(fù)。因此，維持一定的流量來保障河道水生態(tài)環(huán)境的健康是十分必要的?！逗雍鷳B(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》（SL/T 712—2021）將維持河流水生態(tài)系統(tǒng)功能不喪失的最小流量過程稱為生態(tài)基流（ecological base flow）[1]。

針對生態(tài)基流的研究已有80余a，計算方法多達(dá)百余種，可歸納為水文學(xué)法、水力學(xué)法、生境模擬法、整體分析法四大類[2]。水力學(xué)法是以水力學(xué)為理論支撐，根據(jù)河道物理特性來計算生態(tài)基流，未考慮季節(jié)變化和水生物需求，計算結(jié)果僅能保證河道不斷流；生境模擬法是根據(jù)徑流與目標(biāo)生物棲息地關(guān)系計算生態(tài)需水量的，雖具有生態(tài)學(xué)意義，但生態(tài)需水量大于生態(tài)基流量，并且要考慮河段生物的種類、數(shù)量、習(xí)性、繁育等，因此對數(shù)據(jù)資料要求較高，計算過程更為復(fù)雜；整體分析法與生境模擬法較為類似，考慮得更加全面系統(tǒng)，因此對數(shù)據(jù)資料要求高，計算復(fù)雜，更適合生態(tài)需水量的計算；傳統(tǒng)的水文學(xué)法雖然以水文學(xué)為理論依據(jù)，以水文觀測資料為數(shù)據(jù)支撐，計算簡便，但是計算的生態(tài)基流過程缺乏內(nèi)在聯(lián)系，而且不同的水文學(xué)方法計算結(jié)果差異較大，難以判斷成果的適用性，面對水資源匱乏、擠占生態(tài)流量的挑戰(zhàn)，不利于水資源的調(diào)度與管理[3-4]。

因此，本研究依據(jù)《河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》（SL/T 712—2021）中對生態(tài)基流的定義，提出了一種新的計算生態(tài)基流的方法，即基流保證率法。本研究以涇河干流及其支流馬蓮河為例，對基流保證率法的原理、計算、應(yīng)用加以說明，并與幾種傳統(tǒng)水文學(xué)法進(jìn)行對比，以驗證該方法的合理性及適用性。

1 研究概況

1.1 研究區(qū)概況

涇河是黃河二級支流，發(fā)源于老龍?zhí)?，流?jīng)陜西、甘肅、寧夏三?。▍^(qū)），于陜西高陵入渭。干流長約455.1 km，流域面積約45 421 km2。馬蓮河為其最大支流，河流自北向南，全長374.8 km，總落差991 m，平均比降1.35‰，集水面積19 086 km2。

涇河流域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，是半濕潤帶向半干旱帶過渡帶，流域內(nèi)90%以上區(qū)域為半濕潤帶。降水分布存在明顯空間差異性，呈現(xiàn)南多北少態(tài)勢，其中涇河源頭六盤山地區(qū)降水最豐沛，多年平均降水量655.05 mm；長武地區(qū)是流域的次降水中心，多年平均降水量604.33 mm；環(huán)縣地區(qū)降水量較少，多年平均降水量429.19 mm；支流馬蓮河源頭段多年平均降水量僅為364.00 mm。年均氣溫為1.47～13.24 ℃，空間分布呈現(xiàn)南熱北冷、東暖西寒的態(tài)勢；多數(shù)區(qū)域多年平均最高氣溫30 ℃，六盤山地區(qū)23 ℃，中下游區(qū)域33 ℃；多年平均最低氣溫分布有較為明顯的南北差異，分別以“靈臺—長武—正寧”“涇源—彭陽—慶城”為界，將涇河流域劃分為南、中、北3個區(qū)域，表現(xiàn)為南暖、中溫、北寒的特征，南部地區(qū)多年平均最低氣溫為-10 ℃，中部地區(qū)為-15 ℃，北部地區(qū)為-20 ℃。

1.2 數(shù)據(jù)來源

為了更好地探討基流保證率法對生態(tài)基流計算的適用性，共選取了涇河流域7個水文站，其中涇河源站、楊家坪站、景村站、張家山站位于涇河干流，洪德站、慶陽站、雨落坪站位于支流馬蓮河。此外，收集了各水文站1974—2019年月徑流資料，涇河源站1974年1月至1978年12月徑流資料為寧夏水文水資源勘測局通過徑流還原所得，資料可靠。各水文站情況見表1。

2 研究方法

2.1 基本思路

對于我國北方常流河而言，河川徑流由地表徑流和基流共同組成，其中基流即匯入河道的地下徑流，常年存在于河道，流量過程較為穩(wěn)定[5]。生態(tài)基流是由河川徑流提供補(bǔ)給的，作為維持河流水生態(tài)系統(tǒng)功能不喪失的最小流量過程，需常年存在于河道，這與基流存在一定的共性，那么可以考慮優(yōu)先由基流來保證對生態(tài)基流的供給。因此，可以通過基流來推求生態(tài)基流。

在我國北方常根據(jù)降雨規(guī)律將徑流分為汛期徑流和非汛期徑流，汛期為7—10月，其他月為非汛期。這樣的水期劃分與河道對生態(tài)基流的需求規(guī)律未能充分匹配，可進(jìn)一步結(jié)合氣候條件、地理環(huán)境、水生態(tài)需求等細(xì)化為豐水期、平水期、枯水期?？菟跉鉁剌^低，部分河流會面臨冰封狀態(tài)，河道內(nèi)生物多數(shù)停滯生長，所需生態(tài)基流相對最小，且人類對水資源利用程度相對最低，可以最大程度保障生態(tài)基流；平水期一般在春秋季，正是萬物生長與凋零的季節(jié)，該時段降水也相對較多，可兼顧水生態(tài)和人類活動的需求制定生態(tài)基流的保證率；豐水期通常在汛期內(nèi)，降水充沛，正是生物生長發(fā)育高峰季，北方河流更兼具輸沙功能，生態(tài)基流理應(yīng)最大，但此時農(nóng)業(yè)灌溉、水力發(fā)電等人類活動對水資源需求較大，因此需要適當(dāng)降低生態(tài)基流的保證率，但不會降低其水量[6-8]。

因此，在采用基流保證率法計算生態(tài)基流時，應(yīng)先計算斷面基流及基流指數(shù)，判斷基流與河川徑流的水利聯(lián)系是否密切，是否為河川徑流的主要補(bǔ)給來源；再將河川徑流劃分為豐、平、枯水期，根據(jù)不同水期對生態(tài)基流的需求給予相應(yīng)的設(shè)計保證率，即可計算出該斷面的生態(tài)基流。

2.2 計算方法

2.2.1 基流計算方法

基流通常難以直接觀測，一般采用基流分割方法將基流量從河川徑流中分割出來?；鞣指罘椒ū姸?，本研究采用Chapman-Maxwell數(shù)字濾波法進(jìn)行基流分割計算[9-10]。公式為

2.2.3 生態(tài)基流計算方法

在確?；魇呛哟◤搅鞯闹饕a(bǔ)給來源的前提下，根據(jù)河川徑流資料劃分為豐水期、平水期、枯水期3個水期，并結(jié)合《河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》（SL/T 712—2021）分別取50%、75%、90%設(shè)計保證率下的基流作為河道斷面生態(tài)基流保障閾值。在我國絕大部分流域徑流特性均符合皮爾遜Ⅲ型（P-Ⅲ）分布，本研究中涉及頻率分析均采用適線法進(jìn)行P-Ⅲ擬合[14]。

3 傳統(tǒng)水文學(xué)方法

3.1 Tennant法

Tennant法又稱為Montana法，是將多年平均流量的特定百分比作為生態(tài)基流[15]。Tennant法將多年平均流量的10%、30%分別作為保持河流生態(tài)系統(tǒng)健康與保障水生物棲息條件的最小流量，我國北方地區(qū)常取20%作為生態(tài)基流[16-18]。

3.2 Texas法

對月平均流量逐月排頻，以50%保證率下的特定百分?jǐn)?shù)作為生態(tài)基流[19]。吳喜軍等[20]根據(jù)渭河寶雞段典型植物及魚類的水量要求，提出特定百分比取20%為宜。

3.3 NGPRP法

NGPRP法即Northern Great Plains Resource Program法，將水文年劃分為豐、平、枯3種年型，取平水年90%保證率流量作為生態(tài)基流[2]。該方法缺乏生物學(xué)依據(jù)[21]。

3.4 90%保證率法

根據(jù)長序列水文資料，對月徑流進(jìn)行頻率分析，取保證率P=90%的流量作為生態(tài)基流。該方法適用于開發(fā)程度較高或水量較小的河段[22]。

4 試驗與分析

4.1 基流保證率法生態(tài)基流計算

4.1.1 基流計算

通過Chapman-Maxwell數(shù)字濾波法分別對各水文站河川徑流進(jìn)行基流分割，得到各水文斷面的基流。此處以張家山斷面作為代表，其流量、基流變化情況見圖1。

本研究以1980年、1990年、2000年、2010年作為時間節(jié)點(diǎn)，分別計算了涇河干流及其支流馬蓮河各水文站斷面IBF值，計算結(jié)果見表3。

從表3可以看出，涇河源斷面IBF最大為0.64，最小為0.54，差值為0.10；楊家坪斷面IBF最大為0.60，最小為0.56，差值為0.04；景村斷面IBF最大為0.61，最小為0.57，差值為0.04；張家山斷面IBF最大為0.62，最小為0.58，差值為0.04；洪德斷面IBF最大為0.60，最小為0.48，差值為0.12；慶陽斷面IBF最大為0.60，最小為0.57，差值為0.03；雨落坪斷面IBF最大為0.61，最小為0.53，差值為0.08。根據(jù)各水文站IBF最大值與最小值差值可以看出，涇河流域基流占據(jù)河川總流量的比例變幅較小，說明涇河流域各斷面基流對河川徑流的補(bǔ)給較為穩(wěn)定。各水文站斷面多年平均IBF均大于0.50，其中洪德站最小為0.53，張家山站最大為0.60，其他斷面基流指數(shù)均在0.58及以上，表明涇河流域基流占據(jù)河川徑流比例較大，地下水是河川徑流的主要補(bǔ)給來源。這表明涇河流域地表水與地下水之間存在長期且穩(wěn)定的水利聯(lián)系，那么在考慮以基流作為生態(tài)基流的優(yōu)先補(bǔ)給源的前提下，可以通過基流來量化生態(tài)基流。

4.1.2 水期劃分

根據(jù)本研究所述水期劃分方法，涇河流域不同斷面豐、平、枯水期的分布并不完全一致。涇河干流斷面豐水期主要集中于7—10月，平水期以6月、11月為主，枯水期集中于12月至次年5月；而支流馬蓮河的豐水期主要集中于7月、8月，平水期以6月、9月為主，枯水期主要集中于10月至次年5月。涇河流域水期劃分情況見表4。

由表4可知，涇河流域不同水文站豐水期相對穩(wěn)定，平水期、枯水期差異較大。豐水期?，F(xiàn)于汛期內(nèi)，主要受降水的影響，涇河流域雖然范圍較廣，但流域內(nèi)降水集中時期較為一致，因此豐水期的差異不大；而平水期、枯水期多為非汛期，該時段內(nèi)降水量小且不集中，此時段制約水量的主要因素除降水外還有氣溫，尤其是在春、冬季，伴隨著冰雪融化、凍土消融，部分河段3月份水量較大。

一般情況下在豐水期與枯水期之間有平水期作為過渡，呈現(xiàn)一種“枯—平—豐—平—枯”的變化規(guī)律，但洪德站則較為特殊，僅呈現(xiàn)“枯—豐—平—枯”的變化規(guī)律，這不代表洪德站直接由枯變豐沒有平水期過渡，而是因其過渡時間較短，在本次計算采用的月尺度下無法顯現(xiàn)。

總之，劃分水期的目的就是提升生態(tài)基流計算的精度。尤其是計算流域面積大、地形地貌復(fù)雜、跨氣候分區(qū)的大中型流域，要有針對性地計算各個斷面的生態(tài)基流，爭取做到既能保證生態(tài)基流又能不擠占其他水資源利用量。支流與干流還是存在差異的，在計算中不僅要考慮干支流共性特征，還應(yīng)考慮其個性特征。

4.1.3 生態(tài)基流計算

根據(jù)IBF值已確定基流是涇河流域河川徑流的主要補(bǔ)給來源，結(jié)合各斷面水期劃分，豐、平、枯水期分別以50%、75%、90%設(shè)計保證率下的基流作為生態(tài)基流的保障閾值。如此，既能保證枯水期不斷流，又能兼顧平水期、豐水期水生動植物生存、繁育，同時不擠占其他用水量，可使流域水資源開發(fā)利用的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益最大化。涇河流域各水文站生態(tài)基流計算成果見表5。

由表5可知，涇河干流上涇河源斷面生態(tài)基流為0.16～0.65 m3/s，最小值出現(xiàn)于2月、3月，最大值出現(xiàn)在10月；楊家坪斷面生態(tài)基流為2.76～8.03 m3/s，最小值出現(xiàn)于5月，最大值出現(xiàn)在10月；景村斷面生態(tài)基流為7.47～18.23 m3/s，最小值出現(xiàn)于5月，最大值出現(xiàn)在9月；張家山斷面生態(tài)基流為9.03～21.76 m3/s，最小值出現(xiàn)于5月，最大值出現(xiàn)在10月。支流馬蓮河上洪德斷面生態(tài)基流為0.02～0.82 m3/s，最小值出現(xiàn)于1月、2月，最大值出現(xiàn)在8月；慶陽斷面生態(tài)基流為0.95～2.76 m3/s，最小值出現(xiàn)于2月，最大值出現(xiàn)在8月；雨落坪斷面生態(tài)基流為1.99～6.07 m3/s，最小值出現(xiàn)于1月、2月，最大值出現(xiàn)在9月。

結(jié)合劃分的水期，涇河流域生態(tài)基流最小值均出現(xiàn)于枯水期，最大值均出現(xiàn)在豐水期，這表明采用基流保證率法計算的生態(tài)基流是符合涇河流域水文年內(nèi)分布特征的。

為了進(jìn)一步探討由基流保證率法計算的生態(tài)基流是否能保證涇河流域各斷面對生態(tài)基流的需求，在此參照基流指數(shù)引入生態(tài)基流比例，即本時段某斷面的生態(tài)基流與多年平均流量的百分比。本研究計算了涇河流域各斷面的生態(tài)基流比例，見圖2。

由圖2可知，涇河干流上各斷面生態(tài)基流比例分別為：涇河源斷面16.56%～44.66%；楊家坪斷面19.88%～43.77%；景村斷面19.16%～55.73%；張家山斷面21.18%～58.78%。涇河支流馬蓮河上各斷面生態(tài)基流比例分別為：洪德斷面6.25%～49.15%；慶陽斷面11.52%～70.07%；雨落坪斷面13.32%～62.22%。

生態(tài)基流比例最小值分布月份、水期均較為集中，除涇河源、洪德斷面分別于5月（平水期）、2月（枯水期）出現(xiàn)外，其他斷面均出現(xiàn)在7月（豐水期）。而生態(tài)基流比例最大值的分布月份相對分散、水期相對集中，涇河源斷面出現(xiàn)在11月（平水期），洪德斷面出現(xiàn)在10月（枯水期），雨落坪斷面出現(xiàn)在12月（枯水期），其他斷面均出現(xiàn)在1月份（枯水期）。涇河干流上涇河源、楊家坪、景村、張家山斷面生態(tài)基流比例平均值分別為29.29%、31.17%、36.27%、37.96%；支流馬蓮河上洪德、慶陽、雨落坪斷面生態(tài)基流比例平均值分別為20.68%、39.17%、36.79%。結(jié)合表5和圖2來看，洪德斷面1—5月為枯水期，不僅生態(tài)基流小，而且生態(tài)基流比例也較小，這與其他斷面枯水期生態(tài)基流小但生態(tài)基流比例較大的規(guī)律不同。根據(jù)洪德斷面所處的地理位置、氣候條件以及河道特性來看，通常在1—3月為冰凍期，河流冰封以及凍土滯流致使該時段內(nèi)基流對河川徑流的補(bǔ)給受阻。這也說明該時段內(nèi)河道對生態(tài)基流的需求并不強(qiáng)烈，因此并不影響生態(tài)基流的計算成果適用性。我國對生態(tài)基流比例無明確標(biāo)準(zhǔn)，但是有些國家規(guī)定最低生態(tài)基流不得小于多年平均流量的5%，以此為參考，本研究采用基流保證率法計算的涇河流域生態(tài)基流是適用的。

4.2 與傳統(tǒng)水文學(xué)法對比

本研究不僅用基流保證率法計算了涇河流域各斷面的生態(tài)基流，同時也通過Tennant法、Texas法、NGPRP法、90%保證率法4種傳統(tǒng)水文學(xué)方法計算了涇河流域各斷面的生態(tài)基流。通過與多種傳統(tǒng)方法的對比，可以更加直觀地評判基流保證率法的計算成果。多種方法計算的生態(tài)基流結(jié)果對比情況見圖3。

由圖3可知，由基流保證率法計算的生態(tài)基流在其他方法計算值之間，且漲落規(guī)律與其他方法計算結(jié)果一致，這表明由基流保證率法計算的生態(tài)基流在數(shù)值與規(guī)律上都是合理的。

在傳統(tǒng)水文學(xué)方法中，Tennant法和Texas法的計算規(guī)律相似，但數(shù)值偏大，差別在于Tennant法用的是多年平均流量，而Texas法是考慮了季節(jié)變化因素，用的是50%保證率下的月平均流量。采用這兩種方法計算生態(tài)基流時多數(shù)人選用的特定百分比為20%，這樣算出的生態(tài)基流是否過?；虿蛔汶y以鑒定。基流保證率法則是根據(jù)生態(tài)基流需求制定保證率，更具合理性。從圖3來看，NGPRP法計算的生態(tài)基流最大，在其他方法合理的情況下，由NGPRP法計算的生態(tài)基流將擠占其他用水量，這不利于河道水資源的開發(fā)利用。整體上看，由90%保證率法計算的生態(tài)基流雖然確保了生態(tài)基流的保證率能達(dá)到90%，但是在豐水期計算所得生態(tài)基流偏大，而此時正是農(nóng)業(yè)灌溉、水力發(fā)電、水資源調(diào)度以及防洪的關(guān)鍵時期，生態(tài)基流偏大則過分?jǐn)D占其他用水，不利于上述水利活動的開展?；鞅ＷC率法計算的生態(tài)基流基本都在90%保證率計算值之下和Texas法計算值之上，這說明由基流保證率法計算的生態(tài)基流的保障程度可達(dá)90%以上。

綜合來看，在涇河流域無論是干流還是支流，也無論是河流源頭還是上、中、下游，由基流保證率法計算的生態(tài)基流都具有合理性和普適性，而且保障程度高達(dá)90%以上。相對于傳統(tǒng)方法，基流保證率法計算所得生態(tài)基流過程線無陡漲陡落，曲線更加平滑，更有利于對河床的保護(hù)以及對生態(tài)基流的調(diào)控。

5 結(jié) 論

1）本研究提出的基流保證率法，是根據(jù)河川徑流的組成以及生態(tài)基流的來源，結(jié)合生態(tài)基流的含義和功能，通過劃分年內(nèi)水期以保證率的方式來確保各水期生態(tài)基流的需求的。這為河道生態(tài)基流的計算提供了新的思路及方法。

2）通過該方法在涇河干流及支流馬蓮河的應(yīng)用，得到了涇河流域不同斷面的生態(tài)基流：涇河源斷面生態(tài)基流為0.16～0.65 m3/s，楊家坪斷面生態(tài)基流為2.76～8.03 m3/s，景村斷面生態(tài)基流為7.47～18.23 m3/s，張家山斷面生態(tài)基流為9.03～21.76 m3/s；支流馬蓮河上洪德斷面生態(tài)基流為0.02～0.82 m3/s，慶陽斷面生態(tài)基流為0.95～2.76 m3/s，雨落坪斷面生態(tài)基流為1.99～6.07 m3/s。各斷面生態(tài)基流的保障程度基本都能達(dá)到90%以上。

3）與Tennant法、Texas法、NGPRP法、90%保證率法相比，該方法有更科學(xué)的理論支撐，受資料約束小，計算程序簡便；該方法的計算成果既能保證生態(tài)系統(tǒng)的基本需求又不擠占其他用水，有利于水利部門對水資源的調(diào)度與管理。

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收稿日期： 2022-10-27

基金項目： 陜西省重點(diǎn)研發(fā)計劃項目（2021ZDLSF05-03）

第一作者： 安宇廷（1994—），男，河北張家口人，助理工程師，碩士，主要從事水文與水資源調(diào)查規(guī)劃及生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究工作。

通信作者： 喬曉英（1969—），女，山西運(yùn)城人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，主要從事旱區(qū)地下水文過程與生態(tài)效應(yīng)的教學(xué)與科研工作。

E-mail：530441598@qq.com

（責(zé)任編輯 楊傲秋）