青草塥河生態(tài)流量計算研究

徐 旭

（安徽省安慶水文水資源局,安徽 安慶 246003）

隨著可持續(xù)性發(fā)展的不斷推進,河流的生態(tài)健康研究已成為全球人類普遍關(guān)注的熱點。良好的生態(tài)環(huán)境是人類實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要自然條件,河流是生態(tài)環(huán)境能夠正常運行重要保障之一[1]。河流本身并沒有生態(tài)流量,但是河流、湖泊中存在各種水生動物、植物的生育、成長、繁衍,需要河流提供水生環(huán)境；同時由于社會的不斷進步發(fā)展,人類對河流用水需求量日益增加,從而產(chǎn)生了生態(tài)流量這個新名詞。

河流生態(tài)流量一般是指河流應(yīng)保持其生態(tài)功能所應(yīng)該持有的流量,當流量值小于該臨界值,河流本身會發(fā)生演變,導(dǎo)致河流系統(tǒng)的生態(tài)退化[2]。20 世紀末,國內(nèi)學(xué)者對河流生態(tài)需水展開研究,張澤聰采用Tennant 法計算出具有季節(jié)性變化的北方河流的生態(tài)流量[3]。李紅清在厄瓜多爾水資源管理中應(yīng)用Tennant 和流量歷時曲線法計算出了212 個生態(tài)控制斷面的生態(tài)流量[4]。針對江淮地區(qū)河流特點,筆者提出適宜該區(qū)域的河流生態(tài)流量計算方法,以期為實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)的技術(shù)支持。

1 研究方法

河流水生態(tài)系統(tǒng)按照其空間發(fā)生位置不同分為：在河道內(nèi)與河道外系統(tǒng),本次主要研究內(nèi)容是計算河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的需水量。河流河道內(nèi)生態(tài)流量水文計算方法主要包括有：Tennant 法、美國7Q10 法、頻率計算法、得克薩斯州法[5]。

1.1 Tennant 法

Tennant 法起源于20 世紀70 年代,由美國學(xué)者田奈特提出[6],通過研究320 km 長度河段,60 個斷面,50 多種流量狀態(tài),通過開展棲息地研究后建立河流流量與所處生態(tài)系統(tǒng)之間的關(guān)系,綜合考慮分析不同河流、多種流量級、不同橫斷面條件下的化學(xué)、物理、生物指標對漁業(yè)產(chǎn)生的相關(guān)影響,建立水生生物與河流流量之間的關(guān)系標準：（4 月～9 月時間段）極差等級為0～10%（多年平均流量百分比）,最小等級10%,一般等級10%,良好等級20%,很好等級30%,極好等級40%,最佳范圍等級60%～100%,最大等級200%；（10 月-翌年3 月）時間段極差為0～10%（多年平均流量百分比）,最小10%,一般30%,良好40%,很好50%,極好60%,最佳范圍60%～100%,最大200%。該方法最大的優(yōu)勢在于需要數(shù)據(jù)相對較少,不需要進行大量的野外勘察工作,適宜在于缺乏生態(tài)資料的地區(qū)使用。這種方法的主要缺點在沒有徹底對研究河流區(qū)域的方方面面（包括物理、化學(xué)、生物）的實際情況進行充分的分析考慮,沒有詳細分析水生植物、動物的各項需求,生物不同種內(nèi)、種間的相互影響關(guān)系。生態(tài)學(xué)者在采用其他水文分析法進行生態(tài)流量計算時常常采用Tennant 法對計算結(jié)果進行評估檢驗。

1.2 頻率法

首先收集研究河流歷史流量資料,以月為單位建立長系列月流量值,各月份采用不同保證率（豐、平、枯水年分別對應(yīng)50%、75%、90%保證率）,不同保證率對應(yīng)的流量值即為該河流生態(tài)流量值,該方法可以較好表征出河流的動態(tài)徑流過程[7]。

2 研究區(qū)河流及水文站概況

2.1 測站基本情況

沙河埠（二）水文站位于安徽省潛山縣源潭鎮(zhèn)雙峰居委會,地理坐標為東經(jīng)116°41'46'',北緯30°51'48''。流域呈扇形,發(fā)源于岳西縣魏嶺,流經(jīng)岳西縣、潛山縣10 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和1 個國營林場。流域內(nèi)地勢呈西北高東南低走向,地形為山區(qū)和淺山區(qū),山區(qū)約322 km2,占流域面積70%,淺山區(qū)約138 km2,占流域面積30%。最高峰為豬頭尖峰,高程1529 m ,最低處為測驗斷面附近,高程50 m。流域平均高程411 m,平均坡度18.5 dm/km2,河道長度52.8 km,河道平均坡度6.66‰,流域形狀系數(shù)0.664。流域地質(zhì)屬花崗巖、片麻巖和石英巖。土壤大致為麻谷土、豬肝土、沙土、沙壤土等。其中沙土面積占流域面積的87%。植被覆蓋情況較好,森林覆蓋率67.5%。植被以松樹、栗樹、杉樹為主；還有一些灌木,以及人工種植的桑、油茶、竹等。

本流域為亞熱帶季風(fēng)濕潤性氣侯區(qū),造成暴雨的天氣系統(tǒng)主要是切變線、低渦及臺風(fēng)。降水以鋒面雨為主。多年平均面降水量1411.2 mm,最大年面降水量2229.7 mm,最小年面降水量836.0 mm；本站多年平均降水量1366.0 mm,年降水量最大值2105.2 mm,最小值為766.8 mm；雨量主要集中在5 月～9 月份,占年降水量60%以上。

2.2 河流概況

本次研究對象為長江流域白兔湖水系青草塥河,為長江北岸支流水體。該河設(shè)有國家基本水文站-沙河埠（二）水文站,位于潛山市源潭鎮(zhèn)雙峰居委會,測站以上集水面積460 km2。冬季平均氣溫小于10℃,夏季為22℃,春、秋季為10℃～20℃。白兔湖入湖河流多,水質(zhì)良好,適宜魚類產(chǎn)卵繁衍、覓食、棲息,回游魚類多。每年3 月～4 月桃花汛和6 月～8 月伏汛,都是捕撈旺季,主要經(jīng)濟魚類,如青、草、鰱、鳙、鯽魚等。該區(qū)域的魚類,大多數(shù)在溫暖的春季產(chǎn)卵,主要產(chǎn)卵期為3 月～6 月,外界環(huán)境條件中河流流量、水溫、底質(zhì)都和魚類的產(chǎn)卵要求能否滿足有關(guān),持續(xù)高水流速促進魚類新陳代謝,對于魚類產(chǎn)卵成功率起到了促進作用。

2.3 水文測驗概況

采用河流河道內(nèi)生態(tài)流量水文計算方法時,數(shù)據(jù)來源于河流斷面水文監(jiān)測數(shù)據(jù),包括降雨量及實測流量。沙河埠（二）水文站是白兔湖水系青草塥河的控制站,位于青草河出山口。沙河埠（二）水文站主要測驗斷面有2 個,分別為基本水尺斷面兼流速儀測流斷面、流速儀測流斷面（基下220 m）。測驗河段順直長度200 m,河寬150 m 左右。主槽靠河道左岸,河床為沙質(zhì)變動河床,穩(wěn)定性較差。在河右岸河底高程要明顯地高于河左岸。中高水位時,基本水尺斷面下游220 m 處的彎道開始起控制作用。2010 年以后,河道禁沙以來,測驗河段因沖淤影響,河床下降趨緩。最大流量發(fā)生在1969 年7 月14 日,為6100 m3/s,最小流量發(fā)生在1967年8月30日,為11.6 m3/s。

3 河道內(nèi)生態(tài)流量計算與分析

3.1 計算過程

多年月平均流量：某月平均流量=某月每天流量之和/天數(shù),多年月平均流量=1960 年～2016 年長系列某月流量之和/57。

Tennant 法：某年平均流量=某年1 月～12 月每月平均流量之和/12,多年平均流量=1960 年～2016 年長系列每年平均流量之和/57。1 月、2 月、9 月、10 月、11 月、12 月采用計算得出的多年平均流量乘以0.1,3 月～8 月采用多年平均流量乘以0.3。

逐月頻率法：建立某月1960 年～2016 年長系列數(shù)據(jù),使用水文頻率計算適線軟件計算出該月50%、75%、90%保證率條件下的月流量,3 月～8 月采用50%保證率,2 月、9 月、10 月采用75%保證率,11 月、12 月、1 月采用90%保證率。

保證率：在進行水利計算時,將經(jīng)驗頻率換算為保證率的概念。如對降雨而言,就是某一降水量獲得保證的年份數(shù)占計算總年數(shù)的百分比。保證率為50%,說明長期的統(tǒng)計計算中,某一年降水量50%的年份得到保證,50%的年份不足。降水是生態(tài)用水的主要來源,一般把保證率為25%的降雨年份作為豐水年,50%保證率的降雨年份作為平水年,75%的年份為枯水年。

3.2 計算結(jié)果

本次計算青草塥河河道內(nèi)生態(tài)流量,采用國家基本水文站—沙河埠（二）水文站1960 年～2016 年天然徑流資料進行計算,重點考慮魚類生物需水和區(qū)域主降水期,將一年周期分為兩個時間段：豐水期（3 月～8 月）、枯水期（9 月～翌年2 月）,其中豐水期設(shè)定主要考慮受季風(fēng)氣候影響的河流汛期以及河流中魚類的產(chǎn)卵育幼期。經(jīng)過Tennant 法、逐月頻率法計算青草塥河河道內(nèi)生態(tài)流量見表1,同時采用Tennant 等級生態(tài)流量評價法對3 種方法的計算結(jié)果進行評價,見表2。

表1 青草塥河河道內(nèi)生態(tài)流量計算成果表單位：m3/s

表2 青草塥河河道內(nèi)生態(tài)流量（Tennant 等級）評價表

采用Tennant 法時,考慮3 月～8 月是魚類產(chǎn)卵育幼期,河寬、水深、流量都將為魚類提供優(yōu)良的生長環(huán)境,同時又是春夏兩季,可以為人類活動（捕魚、劃船等）提供便利,在此期間適宜保持多年平均流量的30%作為河道內(nèi)生態(tài)流量閾值。9 月～翌年2 月降雨量減少,同時考慮人類生活和自然系統(tǒng)對河流的需求都較少,可采用多年平均流量的10%作為河道內(nèi)生態(tài)流量閾值,該方法條件下河流長期處于生態(tài)流量閾值,河流生態(tài)系統(tǒng)處于生態(tài)亞健康狀態(tài),易造成河流生態(tài)環(huán)境的退化和不可逆的破壞。

頻率法更加細化了河流的動態(tài)徑流過程,根據(jù)逐月天然徑流量的水文情勢特性,在不同時期采取不同保證率。同時,將頻率法計算的結(jié)果通過使用Tennant 法流量與生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系評價標準發(fā)現(xiàn)：1 月為良好等級,2 月為很好等級,3 月～8 月為最佳等級,9 月～10 月為良好等級,11 月～12 月為一般等級。該方法較好地體現(xiàn)了具有明顯季節(jié)性變化河流的特征,高水位、大流量又對水生生物產(chǎn)卵育幼起到了促進作用。同時,河流保持較高水位、大流量有助于水體中污染物遷徙,如果水位較低、流量較小,水體沉積物易于積累在河底從而污染河流,進而對下游產(chǎn)生高負荷。

4 結(jié)論

（1）Tennant 法、頻率法等部分水文學(xué)分析法在大多數(shù)的情況下不需要進行現(xiàn)場測定數(shù)據(jù),適用于成熟度不高的河段研究中。采用頻率法計算逐月生態(tài)流量值適用于具有明顯季節(jié)性變化的江淮地區(qū)河流,展現(xiàn)出河流的動態(tài)徑流過程。

（2）青草塥河生態(tài)流量不應(yīng)該是某一個閾值,而應(yīng)該是根據(jù)自然-社會雙重條件影響下的動態(tài)值,應(yīng)參考逐月天然徑流量的百分比：每年3 月～8 月河流河道內(nèi)生態(tài)流量為逐月平均流量的60%～100%,9 月～翌年2 月為逐月平均流量的30%～40%。