基于生径比的淮河流域中上游典型断面生态流量研究

王俊钗　张翔　吴绍飞　朱才荣　刘建峰

摘要：基于选取的淮河中上游5条河流，11个断面的典型鱼类调查资料以及长系列（1956年-2000年）天然和实测逐月径流数据，运用流速法（最小，平均，最大）、月最小径流法、逐月频率法设定四种生态流量的计算方案。首先，根据Tennant法提出针对丰、平、枯、特枯四种年型和年内汛期、非汛期差异的生径比标准。然后，根据流速法三种计算结果满足生径比标准的情况选取合理的生态流量计算方案。研究表明：5条河流的最小和适宜生径比大小关系均为涡河>沙颍河>淮河干流>淠河>洪汝河；满足生径比标准的难易程度为洪汝河>淮河干流>淠河>沙颍河>涡河。涡河、沙颍河生态需水满足程度低，应提高生态用水比例。

关键词：淮河；流速法；生态流量；生径比；生径比标准

中图分类号：P333 文献标志码：A 文章编号：16721683（2016）05007107

人类用水需求与河流生态系统健康用水需求之间的均衡已经成为21世纪河流管理面临的重要挑战[13]。面对日益突出的水资源短缺、水污染严重、水生态环境恶化等问题，我国正在研究实施最严格的水资源管理制度，急需理论创新和管理方法创新。在水资源保护工作中，我们面临严格核定和科学利用水域纳污容量、充分考虑基本生态用水需求、恢复水环境、维护河湖健康生态的紧迫任务。生态需水研究标志着人类对自然生态系统需水的再认识，丰富了生态水文学的研究内涵，并对有效开展生态保护、促进生态建设和实现水资源合理配置具有重要意义[34]。

20世纪70年代-80年代，河流生态需水量研究开始蓬勃发展，大量学者进行研究提出了多种评估方法，比如Tennant法[5]、IFIM法[6]、湿周法、R2CROSS法等。20世纪90年代以后，研究重点转向从完整性角度考虑整个流域生态需求和流量变化关系，出现了整体分析法如澳大利亚的HEA法。21世纪以后，我国众多学者提出了满足不同功能的生态需水计算方法，如王西琴等[7]提出的月保证率设定法、刘昌明等[8]提出的生态水力半径法、潘扎荣等[3]提出并在淮河运用的年内展布计算法。但是，这些方法大都缺乏与河流径流变化相适应的生态需水表征指标，针对不同目标采用不同计算方式导致计算结果风险大难以在水资源配置和保护中达到预期效果。朱才荣等人[9]提出表征生态需水与径流变化相适应的生径比概念，但没有考虑年际径流差异和年内汛期、非汛期分配特征对生径比的影响。本文以淮河流域为例，应用流速法设定三种方案计算生态流量，制定基于Tennant法的考虑年际、年内分配特性的动态生径比标准，依据该标准分析流速法各方案并选取合理方案确定生态流量，以期为人水矛盾突出的淮河流域的生态建设提供科学依据。

1 研究区域与数据资料

1.1 研究区域

本文以淮河流域中上游的洪泽湖以上区域为研究对象（图1）。该区域地处我国南北气候过渡带，介于长江流域和黄河流域之间。多年平均降雨量约838 mm，降雨量50%～80%集中在6月-9月份；降雨年际变化大，丰水年的雨量多达枯水年的5倍；降雨地区分布也不均匀，北部沿黄河地区平均年降雨量为600～700 mm，南部及西部山区平均年降雨量为900～1 400 mm[10]。区内水系主要有洪汝河、沙颍河、涡河、南部山区水系和淮河干流。其中沙颍河流域和涡河流域生态用水与社会经济用水矛盾突出。

1.2 数据资料

本研究针对的是淮河流域中上游5条干支流，其中北部支流为洪汝河、沙颍河和涡河水系，南部支流为淠河水系。按照稳定性、代表性、可靠性和连续性原则[11]选取了11个生态研究断面，其中干流5个，支流6个（图1）。收集11个断面1956年-2000年的天然和实测月均径流序列，并根据淮河流域水资源保护局、华东师范大学、中科院地理科学与资源研究所2006年实施的淮河流域生态调查所采集的鱼类信息得到各断面的典型鱼类[1213]（图1），其中新蔡、班台和阜阳断面，王家坝和淮滨断面的典型鱼类相同。依据11个断面的长期流速流量观测资料得到流速流量经验关系为：[WTB1X]v[WT]=aQb，其中a、b为经验系数，其取值见表1。

2 研究方法

2.1 流速法

流速法认为满足水生生物相应的流速要求也就满足了水生生物对栖息地的相应要求，以流速作为栖息地指标来确定河道生态流量[11]。其原理是根据断面关键指示性物种确定生态流速，再依据断面（[WTB1X]v[WT]Q）关系得到断面生态流量。对于生态调查资料相对缺乏的河段一般选择鱼类作为指示性物种，调查各种鱼类的生活习性，并确定其产卵期和非产卵期的感觉流速、喜爱流速和极限流速范围，得到最小及适宜生态流速。由于当非产卵期流速为01 m/s时，鱼类游动缓慢仅在特定区域作小幅运动，故本文取01 m/s为非产卵期最小生态流速[14]，以感觉流速为产卵期最小生态流速。喜爱流速的上限和下限则分别作为产卵期和非产卵期适宜生态流速[15]。淮河流域中上游主要典型鱼类的生态流速见表2。

考虑断面鱼类多样性、用水矛盾的差异，以结合生径比标准选取合理的生态流量计算方案。将最小和适宜生态流速均划分为三种方案（表3）。方案四采用常用的逐月最小生态径流法[16]（计算最小生态流量）、逐月频率计算法[17]（计算适宜生态流量），用以验证流速法计算结果的合理性，其中逐月频率计算法按照以下规则确定适宜生态流量[18]：冬季取80%月径流保证率、春秋季取75%、夏季取50%。

2.2 生径比标准

生径比指一定时空范围内生态系统为维持某一生态目标状态所需的生态需水量和其天然径流量之比[9]。根据时间尺度的不同分为年、汛期非汛期、月及日生径比。生径比可以反映生态需水量的动态变化特征及与天然径流之间的吻合情况。为使生态流量更好的体现河流生物栖息地需水的年际和年内变化，采用距平百分率将长期径流系列资料划分为丰、平、枯和特枯四种年型[19]。计算不同年型及其年内汛期、非汛期的生径比并制定相应的生径比标准。

2.2.1 年生径比标准

采用基流比例法[20]计算不同年型年生径比。首先确定某一年型的生径比；其次根据各年型多年平均流量的比值采用式（1）推求不同年型生径比之间的关系；由各年型生径比之间的关系计算得到其它年型的生径比。

2.2.2汛期非汛期生径比标准

我国河流的汛期一般是河道内生物生长的高峰期，河道流量大，生态流量也相对较大；非汛期河道流量小，生物生长缓慢，生态流量小。总体而言，由于汛期水量增长相对于生态需水量快，所以非汛期生径比应大于汛期。采用下述方式进行处理。

3 结果与分析

3.1 生态流量

根据各个断面的鱼类调查结果、表2列出的鱼类不同时期的生态[HJ2.5mm]流速和表1所列的vQ经验关系系数计算得到各断面的逐月最小和适宜生态流量。以淮滨断面为例，由图1知淮滨断面调查到的鱼类为鲤、鲫、餐、鲢、鳙、光泽黄颡鱼、蛇鮈、银鮈、蒙古鲌，以这些鱼类为断面关键物种，依据本文21节鱼类生态流速的确定方法确定最小和适宜生态流速，进一步得到逐月最小和适宜生态流量（表8）。其它各断面的计算结果鉴于篇幅所限不再列出。

由图2可知，在汛期（6月-9月）流速法三种方案计算的最小和适宜生态流量均小于最小径流法和逐月频率法；而在非汛期流速法计算的适宜生态流量均大于逐月频率法，非汛期除11、12月方案三结果均大于最小径流法；表明汛期流速法结果较水文学法偏小即一般情况下汛期生态流量可以得到满足。用Tennant法进行检验，流速法计算最小生态流量除方案三在4月-9月对应差（生径比03）外，其它均对应极差（生径比0～01）。这并不说明流速法计算结果偏小，而是由于淮滨断面属于淮河干流，河面宽敞，根据Tennant法可知，若大江大河的生态流量占其平均流量的5%～10%并保有一定的河宽、水深和流速，便可以满足鱼类回游、生存和旅游、景观的一般要求[21]。

3.2 生径比

3.2.1 年生径比

不同年型淮河水系主要河流最小年生径比和根据本文2.2节所计算的年生径比标准见表10。可以根据表10动态选择不同河流不同年型的流速法方案，如涡河丰水年选取方案二，其它年份选取方案一。

3.2.2 汛期非汛期生径比

根据流速法计算结果计算11个断面不同年型的汛期、非汛期最小和适宜生径比。

由图3知，不同等级下流速法结果满足生径比标准情况存在差异。最小生径比计算结果中大部分仅需方案一即可满足Tennant法所定的标准，适宜生径比（除沙颍河和涡河外）则至少需要方案二才能满足，丰水年洪汝河断面各方案均不能满足所定标准，主要原因是河道水力坡度较大，生态流速易于达到要求，故而采用流速法所求结果较小，不易满足以历史流量为基础的水文学法所定的标准。不同水平年流速法结果满足情况亦不一样。丰水年及平水年用流速法所求生径比结果较小于枯水年和特枯年，从而较不易满足Tennant法所定生径比标准。年内不同时期其满足情况也不一样，因适宜等级下非汛期生径比标准远大于汛期，从而使得生径比在非汛期比汛期更难满足，以致非汛期需更高方案来满足生态需水要求。

图3表明，沙颍河和涡河采用方案一即可满足基于Tennant法制定的最小生径比标准；淮河干流最小生径比标准仅需方案一即可满足，适宜生径比标准则至少需要方案二才可满足；淠河则与淮河干流类似，但其较淮河干流更易获得满足；洪汝河最难满足。各水系满足生径比标准的难易程度为涡河<沙颍河<淠河<淮河干流<洪汝河，这与水系生态需水保证率大小关系基本相反，该结论为洪汝河、淮河干流及淠河等干支流采用较高等级流速法方案提供了依据，而涡河在水资源紧缺现状条件下应采用方案一以防止生态系统健康进一步恶化；沙颍河则应在适当条件下（如丰水年和平水年）采用方案二或方案三来改善生态环境。因此一定程度上，流速法及Tennant法生径比标准可为维持流域内生态系统健康的宏观把握，为水资源调度管理提供一定参考依据。

4 结论

本文剖析和发展了生径比概念的内涵、特征，并基于Tennant法提出了考虑径流年际变化、年内汛期和非汛期差异的生径比标准，应用流速法设定三种生态流速方案计算得到不同等级的最小、适宜生态流量及其对应的生径比。根据该生径比满足生径比标准的难易程度，选取动态生态需水方案，从而与径流变化相适应。研究表明：时间上，枯水年和汛期易满足生径比标准；空间上，涡河、沙颍河较淠河、淮河干流、洪汝河更易满足生径比标准；涡河、沙颍河需要提高河道生态用水比例以改善河道生态环境；不同河流在不同年型、年内不同时期可以动态选取生态流量。

本文研究尚存在一些缺陷，由于河道生态需水受水质和水量的双重约束，而本文仅从水量角度研究生态流量和生径比的动态变化规律，以后可以从水质水量耦合角度研究生径比规律，以期提供更科学的生态需水计算方案。

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