漢江中下游重要支流目標(biāo)生態(tài)流量分期控制研究

徐長江 邴建平 鄧鵬鑫

摘要：為有效推進(jìn)河湖生態(tài)流量保障體系建設(shè)，采用Qp法、Tennant法、近10 a最枯月法、頻率曲線法等方法計(jì)算分析確定了漢江中下游重要支流控制斷面基本生態(tài)流量，采用適配法確定各斷面生態(tài)流量分月泄放目標(biāo)。研究表明：① 漢江中下游重要支流控制斷面的基本生態(tài)流量為1.16～7.50 m³/s，占年均流量的5%～15%。除南河谷城斷面受金盆溝電站發(fā)電引水導(dǎo)致滿足度偏低外，其他斷面滿足度均高于90%，可作為生態(tài)流量管控依據(jù)。② 各斷面生存流量分月控制目標(biāo)為1.16～55.00 m³/s，年泄放量占年均徑流量的20%，月均滿足度可達(dá)80%以上。研究成果可為健全法規(guī)體系、強(qiáng)化工程生態(tài)調(diào)度、漢江流域水資源保護(hù)及監(jiān)督管理提供參考依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：目標(biāo)生態(tài)流量；分期控制；可達(dá)性；滿足度；漢江中下游

中圖法分類號(hào)：TV213.4;X143

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.05.011

0 引 言

生態(tài)流量是維系河湖水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，需在河湖內(nèi)保留符合水量要求的流量^［1-2］。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，部分地區(qū)水資源開發(fā)利用程度顯著增加，導(dǎo)致河道外用水不斷擠占生態(tài)環(huán)境水量，出現(xiàn)河湖萎縮、生物多樣性受損、水生態(tài)功能下降等嚴(yán)峻問題^［3］。因此保障和管理河湖生態(tài)流量是維系河湖健康的重要舉措，是加強(qiáng)水資源開發(fā)利用管控的基本要求，也是實(shí)施“長江大保護(hù)”和“高質(zhì)量發(fā)展”的重要內(nèi)容。

生態(tài)流量可分為基本生態(tài)流量和目標(biāo)生態(tài)流量?；旧鷳B(tài)流量指維持河湖給定生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)所對應(yīng)的生態(tài)環(huán)境功能不喪失，需保留在河道內(nèi)的最小水量^［4］；目標(biāo)生態(tài)流量指維持河湖給定生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)所對應(yīng)的生態(tài)環(huán)境功能正常發(fā)揮，需保留在河道內(nèi)的水量，是河道外經(jīng)濟(jì)社會(huì)消耗河湖水量的控制值^［4-5］。無論基本生態(tài)流量還是目標(biāo)生態(tài)流量，均需滿足一定的保護(hù)目標(biāo)，故生態(tài)流量確定需與河湖保護(hù)及管理目標(biāo)相協(xié)調(diào)。

現(xiàn)行河湖生態(tài)流量管控多以基本生態(tài)流量為目標(biāo)，要求重點(diǎn)河湖生態(tài)流量達(dá)標(biāo)率不低于90%。而目標(biāo)生態(tài)流量在學(xué)界雖得到較為廣泛的研究，但受區(qū)域水文氣候及水資源管控政策影響，仍較缺乏普適且行之有效的確定方法。若目標(biāo)生態(tài)流量設(shè)定過高，實(shí)際管控中往往會(huì)出現(xiàn)達(dá)標(biāo)率偏低，無法滿足水資源管理要求。因此現(xiàn)階段生態(tài)流量多以單值確定生態(tài)基流，常用方法有水文學(xué)法、水力學(xué)法、生態(tài)棲息地法、整體分析法等^［6］，其中水文學(xué)法因其所需資料較為單一，在國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛，其代表性方法有Tennant法、近10 a最枯月法、Qp法、頻率曲線法、7Q10法、RVA法等。如鄧志民^［3］、邴建平^［6］等采用Tennant、Qp等方法，結(jié)合流域綜合規(guī)劃、水量分配方案、環(huán)評(píng)批復(fù)及取水許可等已有成果，確定了長江流域重要河流58個(gè)控制斷面的基本生態(tài)流量；姚云澤等^［7］依托Tennant法、近10 a最枯月法、Qp法、頻率曲線法等，比較計(jì)算了灤河典型斷面生態(tài)基流；石永強(qiáng)等^［8］選取Tennant法、7Q10法、Qp法、最枯月平均流量等方法估算了襄陽市主要河流的生態(tài)基流；王鴻翔等^［9］還基于RVA閾值法和年內(nèi)展布法等比選探討了湘江湘潭站的基本生態(tài)流量閾值分布。雖然采用單一數(shù)值確定基本生態(tài)流量在水資源綜合管理與考核實(shí)踐中應(yīng)用廣泛，但仍難以適應(yīng)徑流年內(nèi)年際豐枯變化差異較大河流，易出現(xiàn)平、枯水年生態(tài)流量達(dá)標(biāo)率偏低，甚至部分豐水年因水量過渡集中于汛期，依然出現(xiàn)年度考核不達(dá)標(biāo)情況。因此有必要根據(jù)來水的豐枯差異適度調(diào)配生態(tài)流量的年內(nèi)分配，研究生態(tài)流量的分期動(dòng)態(tài)控制目標(biāo)以適應(yīng)來水的豐枯節(jié)律變化。

漢江中下游流域是湖北省重要經(jīng)濟(jì)走廊帶，也是漢江生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶的重要組成部分，由南河、蠻河、唐白河、漢北河等重要支流組成，其生態(tài)流量的泄放管控對促進(jìn)漢江生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶高質(zhì)量發(fā)展至關(guān)重要。為保護(hù)和改善漢江流域水環(huán)境，《湖北省漢江流域水環(huán)境保護(hù)條例》從嚴(yán)規(guī)定，要求保證控制斷面生態(tài)流量不低于本河段多年平均徑流流量的20%。按此管控要求，受限于來水的豐枯變化，特別是支流來水的時(shí)空分布差異，常導(dǎo)致生態(tài)流量達(dá)標(biāo)率偏低，無法滿足現(xiàn)行水資源管理考核要求。因此，為更好指導(dǎo)漢江流域水資源保護(hù)及合理開發(fā)，本文在綜合學(xué)界已有研究的基礎(chǔ)上，選取漢江中下游南河、蠻河、唐白河、漢北河等重要典型控制斷面為研究對象，在基本生態(tài)流量計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)行管理要求，研究生態(tài)流量目標(biāo)分期控制方法，提出斷面生態(tài)流量的月度管控閾值及監(jiān)管建議，以期為有效推進(jìn)河湖生態(tài)流量確定和保障體系建設(shè)提供技術(shù)支撐。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

漢江中下游流域地跨湖北省及河南省行政區(qū)，位于111°E～115°E，30°N～33°N之間，干流范圍為丹江口大壩至武漢龍王廟，流經(jīng)丹江口市、老河口市、襄陽市、鐘祥市、荊門市、潛江市、仙桃市、漢川市、武漢市等^［10］，沿程主要有南河、蠻河、唐白河、漢北河等重要支流匯入，研究區(qū)見圖1。

漢江中下游流域受亞熱帶季風(fēng)影響，年平均氣溫為15～17 ℃，年降水量為700～1 300 mm^［10-12］。受降水影響，南河、蠻河、唐白河、漢北河等各支流徑流年際波動(dòng)劇烈，豐枯差異大，極值比可達(dá)4.41～14.00；徑流年內(nèi)分布不均，主要集中于5～10月，占年徑流量的70%～80%，枯水期12月至次年2月徑流量僅占年徑流量7%左右^［12-13］。

1.2 研究資料

根據(jù)現(xiàn)有生態(tài)流量考核斷面、水文站網(wǎng)及水利工程分布，選取漢江中下游南河谷城（開峰峪、谷城站）、蠻河胡家營（三道河站）、唐白河郭灘及新店鋪（郭灘、新店鋪站）、漢北河天門（天門站）等典型控制斷面（水文站）為研究對象。收集到各斷面附近水文站建站以來至2021年實(shí)測日均流量系列，數(shù)據(jù)摘錄于已出版的漢江流域水文年鑒；收集各站天然月徑流系列，數(shù)據(jù)來源于湖北省第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)上報(bào)的月徑流數(shù)據(jù)集，時(shí)間序列為1956～2016年。研究區(qū)水文站分布見圖1。

1.3 研究方法

1.3.1 基本生態(tài)流量

采用Qp法、Tennant法、近10 a最枯月法、頻率曲線法等^{［6，14-15］}4種水文學(xué)法中常用的代表方法，計(jì)算研究斷面基本生態(tài)流量，再結(jié)合已批復(fù)成果及流域水文情勢年內(nèi)年際變化劇烈程度綜合確定。其中Qp法和頻率曲線法取頻率90%對應(yīng)的流量；Tennant法取多年平均流量的10%作為生態(tài)流量。

1.3.2 目標(biāo)生態(tài)流量

按現(xiàn)行水利部關(guān)于長江流域重點(diǎn)河湖生態(tài)流量（水量）保障的管控要求，確定研究斷面生態(tài)流量的目標(biāo)保證率為90%。同時(shí)結(jié)合《湖北省漢江流域水環(huán)境保護(hù)條例》要求，以年度考核為基準(zhǔn)期，保證目標(biāo)生態(tài)流量泄放不低于本河段多年平均徑流流量的20%?；诖?，本文以斷面年均流量的20%為生態(tài)流量泄放目標(biāo)，研究提出一種適配管控目標(biāo)的分期生態(tài)流量計(jì)算方法（簡稱適配法），具體如下：

（1）設(shè)斷面天然月徑流系列為Q_m，斷面實(shí)測日均流量系列為Q_d。

（2）基于徑流年內(nèi)分配特征劃分枯水期和豐水期。設(shè)枯水期時(shí)段為T₁，含m₁個(gè)月數(shù)，則枯水期各時(shí)段生態(tài)流量以基本生態(tài)流量控制，記為q_z。

（3）設(shè)汛期時(shí)段為T₂，含m₂個(gè)月數(shù)，則針對汛期各月徑流系列，分別構(gòu)建日及月尺度的綜合歷時(shí)曲線，由90%保證率（考核目標(biāo)）推算各月生態(tài)流量，取其外包值記為q_c。

q_c=max［f（Q_d，90），f（Q_m，90）］（1）

式中：f（Q，90）表示綜合歷時(shí)曲線下的90%保證率對應(yīng)的流量。

（4）以斷面年均徑流量的20%為目標(biāo)控制閾，對汛期時(shí)段各月生態(tài)流量按比例進(jìn)行修正，得到適配管控要求的生態(tài)流量分月控制目標(biāo)。

式中：W為年均徑流量；q_cx為汛期時(shí)段生態(tài)流量分期控制目標(biāo)；i為枯水期月數(shù)，j為汛期月數(shù)。

1.3.3 滿足程度分析

生態(tài)流量滿足程度分析是為了評(píng)價(jià)生態(tài)流量保證率及目標(biāo)的可達(dá)性，通常以滿足度計(jì)。本文基于水文站實(shí)測日均流量資料，采用頻次法評(píng)價(jià)^［3］，即計(jì)算出評(píng)價(jià)期日均流量大于生態(tài)流量目標(biāo)值的天數(shù)占評(píng)價(jià)期總天數(shù)的百分比。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 基本生態(tài)流量及其滿足度

基于Qp法、Tennant法、近10 a最枯月法、頻率曲線法等計(jì)算方法，采用1956～2016年天然月流量系列，計(jì)算南河、蠻河、唐白河、漢北河等各典型代表斷面基本生態(tài)流量，并與已批復(fù)的河湖生態(tài)流量保障目標(biāo)相協(xié)調(diào)確定，見表1。各代表斷面基本生態(tài)流量為1.16～7.50 m³/s，占多年平均徑流量的5%～15%。

為更好地反映流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、水工程調(diào)蓄及河道外取用水現(xiàn)狀的影響，選取近21 a（2001～2021年）實(shí)測日均流量分析斷面生態(tài)流量的日均滿足度。除谷城日均滿足度偏低外，其他斷面日均滿足度均高于90%，可作為生態(tài)流量管控依據(jù)。谷城斷面日均滿足度僅為54.8%，而采用上游開峰峪站同期實(shí)測日均流量分析的滿足度為87%。若采用開峰峪站1960～2021年日均流量系列分析的滿足度可達(dá)94.5%。開峰峪至谷城河段的水工程運(yùn)行對生態(tài)流量泄放影響較大，導(dǎo)致谷城站生態(tài)流量日均滿足度嚴(yán)重偏低。

2.2 生態(tài)流量分期控制目標(biāo)及其可達(dá)性

2.2.1 目標(biāo)生態(tài)流量管控原則

根據(jù)現(xiàn)行水資源管理及河湖生態(tài)流量保障要求，擬定目標(biāo)生態(tài)流量管控的兩大基本原則：① 年均目標(biāo)生態(tài)流量不低于本河段多年平均徑流流量的20%；② 各月目標(biāo)生態(tài)流量不低于已批復(fù)的基本生態(tài)流量，斷面基本生態(tài)流量保證率不低于90%考核目標(biāo)。

2.2.2 生態(tài)流量分期控制目標(biāo)

根據(jù)各斷面1956～2016年天然月徑流及2001～2021年實(shí)測日均流量系列，采用適配法計(jì)算各斷面生態(tài)流量分期控制目標(biāo)，見表2。

由表2可知，谷城斷面生態(tài)流量分期控制目標(biāo)為7.5～34.70 m³/s，新店鋪斷面為4.9～55.0 m³/s，郭灘斷面為4.5～38.4 m³/s，胡家營斷面為1.16～8.50 m³/s，天門斷面為3.67～12.20 m³/s。各斷面月均生態(tài)流量目標(biāo)為2.54～15.40 m³/s，均占其年均徑流量的20%，且月最小目標(biāo)生態(tài)流量為基本生態(tài)流量，符合生態(tài)流量管控要求。

2.2.3 目標(biāo)生態(tài)流量可達(dá)性評(píng)價(jià)

（1）綜合可達(dá)性分析。采用2001～2021年長系列實(shí)測日均流量進(jìn)行可達(dá)性評(píng)價(jià)，見表3。除谷城外，各斷面不同時(shí)段（日、月、年）的目標(biāo)生態(tài)流量保證率均在80%以上，其中月、年尺度保證率近90%以上，總體表現(xiàn)為年均保證率＞月均保證率＞日均保證率。

（2）歷年可達(dá)性分析。計(jì)算各斷面2001～2021年逐年目標(biāo)生態(tài)流量的日均及月均滿足度，見圖2～3。日均尺度上，僅漢北河-天門斷面日均滿足度較高，多年平均可達(dá)93.9%，且近21 a滿足度大于80%的年數(shù)占比為95.2%。其他斷面年均滿足度均不高于90%。近21 a滿足度大于80%的年數(shù)占比均低于80%，且多數(shù)平、枯水年（如2011年、2013～2014年）滿足度僅在70%～80%之間，可達(dá)性較差。

月均尺度上，除以谷城站實(shí)測流量評(píng)價(jià)的月均滿足度較低外，其他斷面月均滿足度普遍大于80%。若按80%月均滿足度進(jìn)行評(píng)價(jià)，斷面目標(biāo)生態(tài)流量的可達(dá)性均較好。

（3）分月可達(dá)性評(píng)價(jià)。按月時(shí)段劃分，計(jì)算各斷面2001～2021年長系列目標(biāo)生態(tài)流量的日均及月均滿足率，見圖4。由圖4可見，除谷城外，其他斷面分月的日均及月均滿足度普遍大于70%，其中月均滿足度可達(dá)80%以上。

若按80%月均保證率劃定管控目標(biāo)，則各斷面最多僅有2個(gè)月的滿足度低于80%，年滿足度均高于80%，可滿足管控要求；若按80%日均保證率制定管控目標(biāo)，僅漢北河-天門斷面可滿足要求，其他斷面分月可達(dá)性均較低，無法滿足管控目標(biāo)要求。

2.3 分析與討論

（1）經(jīng)20余年實(shí)測資料評(píng)估，除南河谷城斷面外，其他各斷面基本生態(tài)流量日均滿足度均高于90%，符合當(dāng)前生態(tài)流量保障與管理要求。經(jīng)調(diào)查，谷城斷面滿足度偏低主要受金盆溝電站引水發(fā)電后尾水外排影響，從而擠占下游生態(tài)用水，導(dǎo)致谷城斷面生態(tài)流量難以滿足要求。

金盆溝水電站是一座以灌溉、水力發(fā)電為主的小型電站。電站通過長1 800 m的引水隧洞將上游南河電廠尾水引至北河廠房發(fā)電，發(fā)電總流量60 m³/s，多年平均引水量8.64億m³。發(fā)電尾水外排至北河，從而導(dǎo)致南河下游谷城斷面水量顯著減少。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001～2021年谷城站多年平均日均流量為31.0 m³/s，較上游開峰峪站（56.2 m³/s）減少44.8%。若以開峰峪站1960～2021年日均流量評(píng)價(jià)，日均滿足度為94.5%，基本可以滿足管控要求。但2001～2021年日均滿足度僅為87%，仍需加強(qiáng)開峰峪以上南河流域生態(tài)流量保障措施，保障河流生態(tài)流量泄放。

（2）為進(jìn)一步滿足斷面目標(biāo)生態(tài)流量泄放不低于本河段多年平均徑流流量20%的管控要求，可在基本生態(tài)流量管控基礎(chǔ)上，根據(jù)流域時(shí)段來水的豐枯差異，設(shè)定生態(tài)流量時(shí)段控制目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管控。本研究采用適配法確定各斷面生態(tài)流量分月泄放目標(biāo)為1.16～55.00 m³/s，年泄放量占年均徑流的20%，且月均滿足度可達(dá)80%以上。與此同時(shí)，適配法為統(tǒng)一協(xié)調(diào)歷年生態(tài)流量目標(biāo)泄放，增加了汛期時(shí)段生態(tài)流量的泄放裕度，導(dǎo)致部分?jǐn)嗝嬷餮雌?～8月的目標(biāo)滿足率有所降低，易出現(xiàn)可達(dá)性劣于枯水期現(xiàn)象。因此，為有效保障生態(tài)流量泄放目標(biāo)，一方面需結(jié)合流域來水的年際年內(nèi)差異進(jìn)一步研究生態(tài)流量動(dòng)態(tài)控制閾；另一方面還需強(qiáng)化生態(tài)流量監(jiān)督管理，確定主要控制斷面以上經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水管控要求，并建立以水庫、水電站、閘壩、取水口等水工程為主的流域生態(tài)調(diào)度方案，進(jìn)一步保障目標(biāo)生態(tài)流量泄放。

3 結(jié) 論

（1）采用多種水文學(xué)法計(jì)算漢江中下游重要支流（南河、唐白河、蠻河、漢北河）控制斷面基本生態(tài)流量為1.16～7.50 m³/s，占年均流量的5%～15%。除谷城斷面日均滿足度偏低外，其他斷面日均滿足度均高于90%，可作為基本生態(tài)流量管控依據(jù)。

（2）提出一種適配管控目標(biāo)的分期生態(tài)流量計(jì)算方法，計(jì)算得到各斷面生態(tài)流量分月目標(biāo)為1.16～55.0 m³/s，且月均滿足度可達(dá)80%以上，既符合基本生態(tài)流量管控要求，又保證年度生態(tài)流量泄放不低于本河段多年平均徑流量的20%。

（3）南河谷城斷面滿足度偏低主要受金盆溝電站引水發(fā)電后尾水外排影響，從而擠占下游生態(tài)用水，導(dǎo)致生態(tài)流量難以滿足要求。建議統(tǒng)籌協(xié)調(diào)好流域上下游、干支流等水體生態(tài)環(huán)境需水與河道外用水關(guān)系，保障河流生態(tài)流量安全泄放。

參考文獻(xiàn)：

［1］ARMENTROUT G W，WILSON J F.An assessment of low flows in streams in northeastern Wyo-ming［R］.Washington DC：US Geological Survey，1987.

［2］劉悅憶，朱金峰，趙建世.河流生態(tài)流量研究發(fā)展歷程與前沿［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2016，35（12）：23-34.

［3］鄧志民，李斐，鄧瑞，等.長江流域生態(tài)流量滿足程度及其保障措施研究［J］.人民長江，2021，52（7）：71-75.

［4］王中根，趙玲玲，陳慶偉，等.關(guān)于生態(tài)流量的概念解析［J］.中國水利，2020（15）：29-32.

［5］林詩雋，張紅艷，莫建英，等.基于水文學(xué)法的漓江生態(tài)流量研究［J］.人民長江，2023，54（9）：76-81.

［6］邴建平，鄧鵬鑫，吳智，等.贛江流域生態(tài)流量與地表水資源可利用量研究［J］.人民長江，2023，54（2）：127-131，170.

［7］姚云澤，姜翠玲，萬福濤.基于多種水文學(xué)方法的灤河典型斷面生態(tài)基流研究［J］.南水北調(diào)與水利科技（中英文），2021，19（5）：941-949.

［8］石永強(qiáng)，左其亭.基于多種水文學(xué)法的襄陽市主要河流生態(tài)基流估算［J］.中國農(nóng)村水利水電，2017（2）：50-54，59.

［9］王鴻翔，桑明崎，查胡飛，等.基于生態(tài)水文學(xué)法的湘江生態(tài)流量研究［J］.人民長江，2019，50（8）：70-73.

［10］張勝，林莉，王珍，等.漢江中下游豐枯水期水質(zhì)時(shí)空變化特征［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，2021，38（8）：47-53.

［11］張歐陽，熊明.漢江中下游近60年最小流量變化及影響因素分析［J］.人民長江，2017，48（增2）：89-92，98.

［12］鄧鵬鑫，邴建平，賈建偉，等.漢江流域1956～2016年汛期降水時(shí)空演變格局［J］.長江流域資源與環(huán)境，2018，27（9）：2132-2141.

［13］王棟，吳棟棟，解效白，等.漢江流域汛期徑流時(shí)空變化特征研究［J］.人民珠江，2020，41（4）：30-39.

［14］張歐陽，熊明.基于實(shí)測流量成果的生態(tài)流量計(jì)算方法［J］.人民長江，2017，48（增2）：61-64.

［15］鄭志宏，張澤中，黃強(qiáng)，等.生態(tài)需水量計(jì)算Tennant法的改進(jìn)及應(yīng)用［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2010，42（2）：34-39，27.

（編輯：黃文晉）

Phased control on target ecological flow for important tributaries in middle

and lower reaches of Hangjiang RiverXU Changjiang，BING Jianping，DENG Pengxin

（Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract：To effectively promote the construction of the ecological flow guarantee system for rivers and lakes，the basic ecological flow of important tributaries in the middle and lower reaches of the Hanjiang River has been determined by the methods of Qp，Tennant，driest month in recent 10 years and frequency curve，and the control target for monthly ecological flow of the section has been delineated.The results showed that：① the basic ecological flow of the control sections in the important tributaries in the middle and lower Hanjiang River was 1.16～7.5 m³/s，accounting for 5%～15% of the annual average flow.In addition to the low satisfaction of the Gucheng section of Nanhe River due to the diversion of Jinpengou Hydropower Station，the satisfaction of other sections was higher than 90%，which can be used as the basis for ecological flow control.② Using the adaptation method，the monthly target of ecological flow for each section was determined to be 1.16～55.0 m³/s，with an annual discharge volume accounting for 20% of the annual average runoff.And the monthly average satisfaction can reach more than 80%.The research can provide a reference for improving the legal system，strengthening the ecological operation of projects，and offering guidance for the supervision and management of water resources protection in the Hanjiang River Basin.

Key words：target ecological flow；phased control；accessibility；satisfaction degree；middle and lower reaches of Hanjiang River