基于水文學(xué)法入江水道生態(tài)流量保障分析

摘要 河湖生態(tài)流量保障工作是保障流域生態(tài)安全的重要舉措之一。依據(jù)控制斷面選取原則以及斷面特性，確定以新橋閘為牛屯河流域生態(tài)流量保障主要控制斷面，以最低生態(tài)水位為生態(tài)流量保障指標(biāo)，基于Qp法、生物空間法、最枯月平均流量法分別計算該流域主要控制斷面最低生態(tài)水位目標(biāo)值，并與近40年實測水位進行比較，分析目標(biāo)的可達性。結(jié)果表明，基于Qp法、生物空間法和最枯月平均流量法計算的控制斷面最低生態(tài)水位值分別為4.60、4.50和4.43 m，從各方法計算精度、滿足程度和嚴(yán)格生態(tài)流量保障工作要求等角度考慮，最終確定該流域最低生態(tài)水位保障目標(biāo)為4.60 m，月和旬保證程度分別為99.6%、99.3%?；诖耍岢錾鷳B(tài)流量保障管理措施和預(yù)警措施，為該流域生態(tài)保護和生態(tài)流量保障工作提供參考。

關(guān)鍵詞 生態(tài)安全；生態(tài)流量；最低生態(tài)水位；生態(tài)保護

中圖分類號 S274.1" " 文獻標(biāo)識碼 A" " 文章編號 1007-7731（2024）16-0062-04

DOI號 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2024.16.015

Analysis of ecological flow guarantee for river channels based on hydrological methods

QIAN Longjiao1，2" " WANG Yang3

（1Institute of Hydraulic Science， Huaihe Water Resources Commission， Ministry of Water Resources，

Anhui Province， Hefei 230088， China;

2Anhui Provincial Key Laboratory of Water Science and Intelligent Water Conservancy， Bengbu 233000， China;

3Anhui Hydropower Vocational Technical College， Hefei 230088， China）

Abstract The safeguarding of ecological flow in rivers and lakes is an important measure to ensure the ecological security of river basins. Based on the principles of control section selection and the characteristics of the sections， the Xinqiao Sluice was determined as the main control section for the ecological flow protection of the Niutun River basin， with the lowest ecological water level as the indicator for ecological flow protection. The target values for the lowest ecological water level at the main control section of the Niutun River were calculated using the Qp method， biological spatial method， and the lowest average flow method of the driest month， respectively， and compared with the measured water levels over the past 40 years to analyze the feasibility of the targets. The results showed that the calculated values for the lowest ecological water level at the control section using the Qp method， biological spatial method， and the lowest average flow method of the driest month were 4.60， 4.50， and 4.43 m， respectively. Considering the calculation accuracy， satisfaction level， and the strict requirements for ecological flow protection， the final target for the lowest ecological water level in the basin was set at 4.60 m， with the monthly and ten-day guarantee levels reaching 99.6% and 99.3%， respectively. Based on this， management measures and early warning measures for ecological flow protection were proposed to provide a reference for ecological protection and ecological flow safeguarding in the basin.

Keywords ecological security; ecological flow; the lowest ecological water level; ecological protection

河湖生態(tài)流量是指為了維系河流、湖泊等水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，需要在河湖內(nèi)保留符合水質(zhì)要求的流量（水量、水位）及其過程[1-3]。合理確定河湖適宜生態(tài)流量指標(biāo)對做好生態(tài)流量保障工作具有重要意義。近年來，生態(tài)流量保障研究主要圍繞自然河湖展開，吳浩云[4]結(jié)合太湖流域片生態(tài)流量保障工作的具體實踐，提出該流域加強生態(tài)流量保障工作的策略。劉兆孝等[5]從加快標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，加強基礎(chǔ)信息掌控，推進監(jiān)測預(yù)警能力建設(shè)以及加大科學(xué)研究力度等方面提出長江流域生態(tài)流量保障建議。付小峰等[6]通過確定淮河流域重要河湖的生態(tài)流量，從加強組織協(xié)調(diào)、完善工程調(diào)度、落實監(jiān)測及制度建設(shè)等方面提出流域重要河湖的生態(tài)流量保障措施。目前，主要江河生態(tài)流量保障工作不斷完善，而對于入江水道的生態(tài)流量保障工作尚待進一步開展。

牛屯河作為主要的入江通道之一，兼具排洪與引江雙重作用[7]，該流域水資源開發(fā)利用程度較高，降水較為豐沛，但因水資源時空分布不均，河網(wǎng)調(diào)蓄能力有限，導(dǎo)致枯水年份局部地區(qū)可能出現(xiàn)缺水現(xiàn)象，需利用過境水進行補充。鑒于此，本研究以牛屯河流域為例，開展入江水道生態(tài)流量保障工作研究，為同類型河流的生態(tài)流量保障工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)基本情況

牛屯河流域面積404 km2，全長48.96 km。流域地處亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，季風(fēng)明顯，氣候溫和，雨量適中。地形地貌主要為丘陵山地和平原、圩區(qū)兩類，流域南部主要為平原圩區(qū)，水網(wǎng)密布，土地肥沃，是主要產(chǎn)糧區(qū)之一。該流域年內(nèi)徑流差別大，汛期洪水頻發(fā)，枯水期則部分河段出現(xiàn)斷流。

1.2 研究方法

1.2.1 控制斷面選擇" 控制斷面包括考核斷面和管理斷面兩類，其中考核斷面是年度生態(tài)流量保障工作考核的重點，以水量分配方案中已明確生態(tài)流量要求的控制斷面以及省界斷面、把口斷面、重要敏感區(qū)、重要水文站和控制性工程斷面為主。新城閘是牛屯河流入長江的把口斷面，距離入江口3.4 km，同時該斷面是水文監(jiān)測斷面，具有長系列的水文監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合控制斷面的選取原則以及斷面對流域水生態(tài)系統(tǒng)的重要性，確定新橋閘為該河流生態(tài)流量保障的主要控制斷面。

1.2.2 生態(tài)流量指標(biāo)確定" 河湖生態(tài)流量包括基本生態(tài)流量和目標(biāo)生態(tài)流量，可用流量、水量、水位和水深等指標(biāo)表示。其中，基本生態(tài)流量包括生態(tài)基流、敏感期生態(tài)流量、不同時段生態(tài)流量和全年生態(tài)流量等指標(biāo)[8-9]。根據(jù)相關(guān)要求，以基本生態(tài)流量中的生態(tài)基流作為河流生態(tài)流量的保障指標(biāo)?？紤]到該流域范圍內(nèi)重要保護對象沒有明顯的需水敏感期要求，因此，不需要根據(jù)敏感保護物種的生態(tài)需水習(xí)性，確定敏感期生態(tài)需水量。河湖生態(tài)基流采用流量為控制指標(biāo)時，使用常用等價的最低生態(tài)流量術(shù)語表述更為清楚。

研究對象具有汛期排洪，旱季引江補水功能，把口斷面易受長江水位頂托影響，斷面流量震動幅度較大，也無實測流量資料。因此，不適宜將流量作為新橋閘斷面的考核指標(biāo)。綜合考慮，確定最低生態(tài)水位作為該流域生態(tài)流量保障指標(biāo)。

1.2.3 生態(tài)水位計算" 明確河流生態(tài)流量目標(biāo)，是管控河流生態(tài)流量的前提。河流生態(tài)流量計算方法包括水文學(xué)法、水力學(xué)法、整體法以及棲息地模擬法[10-12]，其中，水文學(xué)法是依賴歷史河流流量等水文資料估算生態(tài)需水的方法，也是生態(tài)流量計算應(yīng)用較為廣泛的方法，代表方法包括Qp法、生物空間法和最枯月平均水位法等。

（1）[Qp]法。[Qp]法又稱為不同頻率最枯月平均值法，以河道控制斷面長系列（n≥30 a）天然月平均流量、月平均水位和徑流量Q為基礎(chǔ)，用每年的最枯月排頻，選擇不同頻率下的最枯月平均流量、月平均水位和徑流量作為河流控制斷面的生態(tài)基流。根據(jù)流域水資源開發(fā)利用程度、規(guī)模和來水等實際情況，頻率P宜取90%或95%?？紤]到研究區(qū)流域水資源配置工程體系較為健全，調(diào)蓄能力較強，同時為從嚴(yán)保障河流生態(tài)水位，確定最低生態(tài)水位設(shè)計保證率為90%。

（2）最枯月平均水位法。最枯月平均水位法主要是將長系列實測水文資料中最小的月均水位數(shù)值作為最枯月平均水位，通過對歷年最枯月平均水位進行頻率分析或以近10年最枯月平均水位作為設(shè)計水位，一般選取90%保證率下的最枯月平均水位。

（3）生物空間法。河湖水位與河湖生物生存空間是一一對應(yīng)的，因此，可以用河湖水位作為河湖生物生存空間的指標(biāo)。生物空間法是基于各類生物對生存空間的需求來確定河湖的最低生態(tài)水位，植物、魚類等為維持各自群落不嚴(yán)重衰退均需要一個最低生態(tài)水位，取這些最低生態(tài)水位的最大值，即為河湖最低生態(tài)水位。因魚類通常作為水生態(tài)系統(tǒng)中的頂級群落，對其他類群的存在和豐度有著重要作用，加之魚類對生存空間較為敏感，故將魚類作為關(guān)鍵物種和指示生物，認為魚類的生存空間得到滿足，其他生物的最小生存空間也得到滿足。生物空間法最低生態(tài)水位計算如式（1）～（2）。

[?魚=max（?魚1， h魚2， …， ?魚i， …， ?魚n）， i=1～n]"（1）

[Hmin=H+?魚 ] （2）

式中，[?魚]為魚類所需最小水深（m）；[?魚i]為第i種魚類所需最小水深（m）；H為湖底高程（m）；[Hmin]為魚類所需湖庫最低生態(tài)水位（m）。

2 結(jié)果與分析

2.1 歷年水位特征

根據(jù)所選取的控制斷面以及確定的生態(tài)流量保障指標(biāo)，采用新橋閘水文站1979—2020年水位水文數(shù)據(jù)進行最低生態(tài)水位核算。其間，該站多年月均水位年內(nèi)分布不均，汛期水位明顯高于非汛期，最高水位8.99 m，出現(xiàn)在7月，最低水位5.35 m，出現(xiàn)在1月；月平均水位極小值3.75 m，出現(xiàn)在2004年2月（施工導(dǎo)致），極大值11.28 m，出現(xiàn)在2020年7月；最枯月水位極小值3.75 m，出現(xiàn)在2004年2月；極大值7.02 m，出現(xiàn)在2020年12月，極小值與極大值之間增長率為87.2%。

2.2 不同方法計算的最低生態(tài)水位比較

（1）[ Qp]法。對1979—2020年最枯月平均水位進行排頻分析，結(jié)果顯示，90%頻率下的最枯月水位4.60 m。（2）最枯月平均水位法。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，2011—2020年控制斷面水位，最枯月平均水位最高在4.47 m，最低在4.39 m。最枯月平均水位頻率分析結(jié)果顯示，90%保證率下的最枯月平均水位值為4.43 m。（3）生物空間法。資料表明，魚類生存要求的最小水深約為1.0 m[8-9]。研究區(qū)主河道河底高程2.79～3.60 m，控制斷面高程3.50 m。因此，當(dāng)控制斷面水位為4.50 m時，主河道以及支流水深能夠滿足魚類繁殖、生長的要求。

綜合對比Qp法、生物空間法和最枯月平均水位法計算結(jié)果（表1）可知，生物空間法計算的最低生態(tài)水位目標(biāo)值與其余兩種方法相比，計算結(jié)果精度有待提高；Qp法計算得到的最低水位目標(biāo)為4.60 m，與近10年最枯月平均水位法計算得到的最低生態(tài)水位目標(biāo)（4.43 m）相差不大，前者更為嚴(yán)格（90%頻率下的年最枯月平均水位），后者采用的系列較短，導(dǎo)致前者計算結(jié)果要大于后者。因此，從計算精度、滿足程度及嚴(yán)格生態(tài)流量保障工作要求等角度考慮，最終采用Qp法計算得出的90%頻率下的4.60 m作為該流域最低生態(tài)水位目標(biāo)值。

2.3 滿足程度

利用該水位站1979—2020年實測閘上水位數(shù)據(jù)，將本次確定的最低生態(tài)水位目標(biāo)值與實測水位值進行比較，復(fù)核分析目標(biāo)的可達性。在1979—2020年系列中，最低生態(tài)水位控制指標(biāo)，月和旬保證程度分別達到99.6%、99.3%，保障程度較高。

3 生態(tài)流量保障管理措施

3.1 河道外用水管控

生態(tài)流量保障管理結(jié)合取用水專項整治、取水口摸底排查等方案，研究流域用水主要包括農(nóng)業(yè)、生活以及工業(yè)企業(yè)用水。根據(jù)流域?qū)嶋H用水結(jié)構(gòu)，提出以下河道外用水管控具體措施。一是正常來水年份，根據(jù)區(qū)域用水指標(biāo)“紅線”下達取用水分配標(biāo)準(zhǔn)，將水量合理分配，嚴(yán)格按照分配標(biāo)準(zhǔn)取水，同時加強取水計量監(jiān)測。二是特枯水年、連續(xù)枯水年，根據(jù)控制斷面以上來水、閘的啟閉情況，考慮生態(tài)流量保障要求，開展生態(tài)水位保障統(tǒng)一調(diào)度，保障控制斷面生態(tài)水位達標(biāo)。

3.2 生態(tài)流量預(yù)警

預(yù)警等級及閾值。生態(tài)流量監(jiān)測預(yù)警是實施生態(tài)流量保障管控的重要依據(jù)[13]。根據(jù)《河湖生態(tài)流量監(jiān)測預(yù)警技術(shù)指南（試行）》對預(yù)警等級設(shè)置以及閾值設(shè)定的相關(guān)要求，選擇新橋閘水位站閘上水位作為研究區(qū)生態(tài)水位預(yù)警指標(biāo)，預(yù)警等級分為藍色、紅色兩級。將控制斷面實時水位在生態(tài)水位目標(biāo)值至近10年枯期（11月至次年2月）平均水位（4.6～5.7 m）設(shè)定為藍色預(yù)警值；將控制斷面實時水位小于生態(tài)水位目標(biāo)值（lt;4.6 m）設(shè)定為紅色預(yù)警值。

預(yù)警響應(yīng)措施。啟動藍色預(yù)警響應(yīng)時，優(yōu)先保證生活用水，按比例控制農(nóng)業(yè)用水；加強水利工程優(yōu)化調(diào)度，通過引長江水進入主河道，增加河道徑流量，保障考核斷面生態(tài)水位達標(biāo)。啟動紅色預(yù)警響應(yīng)時，加大引江樞紐引江水量，通過引長江水進入內(nèi)河，抬高上水位，保證生活用水，同時壓減農(nóng)業(yè)用水，保障流域水位不下降。

本文基于[Qp]法、生物空間法和最枯月平均水位法3種水文學(xué)法，利用研究區(qū)控制斷面1979—2020年閘上實測水位數(shù)據(jù)，分別計算流域內(nèi)最低生態(tài)水位保障目標(biāo)，結(jié)論如下。

（1）[Qp]法、生物空間法及最枯月平均水位法計算得到的最低生態(tài)水位分別為4.60、4.50和4.43 m。通過綜合分析，最終確定以[Qp]法計算結(jié)果作為該流域的最低生態(tài)水位值，與實測水位對比，控制斷面閘上最低生態(tài)水位值月和旬保障程度分別達到99.6%、99.3%，保障程度較高。

（2）研究區(qū)農(nóng)業(yè)用水占比較大，其次為生活用水，工業(yè)用水較少，河道外用水管控需根據(jù)不同來水年份，通過加強計劃用水、做好計量監(jiān)測、開展生態(tài)水位調(diào)度及分行業(yè)壓減用水等措施來保障斷面生態(tài)水位達標(biāo)。

（3）將該水文站上水位作為研究區(qū)生態(tài)水位預(yù)警指標(biāo)，并設(shè)藍色、紅色兩級預(yù)警，預(yù)警閾值分別在4.6～5.7、lt;4.6 m。當(dāng)啟動預(yù)警響應(yīng)時，除了按比例控制河道外用水外，另可利用引江樞紐，引長江水進入主河道，抬高該水文站上水位，保障研究區(qū)生態(tài)水位達標(biāo)。

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（責(zé)任編輯：何 艷）