小清河济南段生态基流估算研究

侯昕玥，徐宗学，殷旭旺，武 玮

(1. 大连海洋大学水产与生命学院，辽宁 大连 116023；2. 北京师范大学水科学研究院，北京 100875； 3. 城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室，北京 100875；4. 济南大学，资源与环境学院，济南 250022)

生态基流，指维持河流基本形态、保证河流生态系统基本功能不受损害的最低流量。满足此流量，可以保证河道不断流，并且能够避免水生生物群落遭受到不可恢复性的破坏[1]。近几年，随着社会经济的快速发展，人们对水资源的开发利用主要着重于在农业、工业及生活用水等方面，目前人们对河道内、外用水的需求日益增加，而生态环境需水通常不被大家了解和重视，河流生态系统及其水文情势受扰动的广度和深度不断扩大，导致河道生态基流不能得以保障，河道频繁出现断流现象[2]。

河道生态基流的研究主要涉及生态、水利、环境、农业等多个领域。目前，计算生态基流的方法大致可分以下四种：水文学方法、水力学方法、生境(栖息地)模拟法和综合分析(整体)法。杨志峰等[3]对生态基流计算方法进行系统的分析后表明，水文学法、生境模拟法等几类方法相对更适合我国。而生境模拟法需要大量生物数据和水文资料，计算过程较繁琐，目前在国内还处于探索阶段。国内应用水文学法进行生态基流的研究已取得丰富成果。于松延等[4]基于多种水文学方法对渭河流域关中段的生态基流进行了估算；石永强等[5]采用多种水文学法估算了襄阳市主要河流的生态基流；黄强等[6]对原Tennant法进行了改进，引入了环境比降和季节系数，弥补了原Tennant法不能反映河流多沙特性和流量季节特性的不足；杨裕恒等[7]针对北方地区补水城市河流与未补水河流定位存在较大差异，提出了流量还原或还现的方法，对不同类型的河流流量进行修正，利用典型年均流量代替多年平均流量并考虑了鱼类产卵期所需最低流速，对Tennant法进行了改进。

小清河历史上一直以水质清澈而闻名，但从上世纪80年代以来，流域周边社会经济发展迅速，导致水源枯竭、河水污染、生态环境恶化，成为严重影响沿河地区又好又快发展的一大社会焦点问题[8]。小清河流域地处山东省中北部，是“山东半岛蓝色经济区”、“黄河三角洲农业高新技术产业示范区”、“黄河三角洲高效生态经济区”和“省会城市群经济圈”的连接纽带，因此小清河在山东省区域经济发展的地位不言而喻[9]。2012年10月，济南市被水利部确定为国家第一批“水生态文明城市”试点城市，随后济南市全面开展了水生态建设相关工作。本文选取Tennant法、Texas法等7种水文学方法分别对小清河济南段的生态基流量进行计算，同时结合河流水文特征，筛选出一种适合此研究区域的计算方法，并对其进行不同水平年生态基流的计算，最终得到丰、平、枯水年分别需要满足的逐月生态基流量，并结合实际径流量进行生态基流保证程度分析。本文研究结果可为小清河济南段水量合理调度提供科学依据，对河流水资源保护及水生态健康维护具有一定的指导意义。

1 研究区概况

小清河，山东省中部渤海水系河流[10]。其干流发源于济南市西郊，流经淄博、滨州、东营和潍坊最终入海，全长232 km，在济南市河段长度为70.3km[11](如图1所示)。小清河干流河道是山东省重点河道之一，具有通航、灌溉、养殖、排污等功能，也是济南市及周边地区唯一的排洪河道，承担着济南市泄洪的重要任务[12]。小清河主要支流呈羽毛状多分布在南岸，为山洪和泉水河道；北岸支流很少，全部为平原坡水排涝河道[13]。小清河流域受温带季风气候的影响，每年的6-9月为汛期，11月至翌年的3月为非汛期，年内汛期和非汛期流量变化大[14]。本文选取黄台桥水文站作为监测断面，其控制流域面积351 km2。

图1 研究区域概况图Fig.1 Study area overview map

2 数据与方法

2.1 数据资料

黄台桥水文站位于小清河干流上游，多年平均流量年内变化较明显，汛期流量显著大于非汛期流量。以2012年为例，非汛期流量均值为11.96 m3/s，汛期为22.85 m3/s，而汛期流量的最大值达99.5 m3/s。生态基流的计算要选用受人类活动影响较小的天然径流过程，通过对长系列水文资料的分析，杨裕恒等[7]发现自1997年小清河被治理后，人类活动等各方面加大了对河道内径流量的影响。因此本文选用1967-1996年黄台桥站实测逐日流量数据进行生态基流计算。受季风气候及降水的影响，我国北方地区的河流流量随季节变化较明显，汛期与非汛期流量差异显著，因此河流生态基流也应随汛期和非汛期的变化而变化[15]。故文中采用多种水文学方法计算出逐月的生态基流量，充分体现了汛期与非汛期的流量差异。

2.2 生态基流计算的水文学法

(1)Tennant法。也叫蒙大拿法，是水文学法中应用最为广泛的方法，该方法由Tennant于1976年提出。1964-1974年，Tennant等对美国11条河流进行了详细的野外调查，来检验该方法[16]。Tennant法是将多年平均流量的百分比作为基流量的推荐值，具有宏观、定性指导意义，研究表明，多年平均流量的10%作为保持河流生态系统健康的最小流量，多年平均流量的30%是能够为大多数水生生物提供较好的栖息条件的基流量[17]。本文选取多年平均流量的10%作为生态基流量。

(2)最枯日平均流量多年平均值法。基于最枯月平均流量多年平均值法通常取10年内最枯月平均流量作为生态基流量[18]。为保证选取资料的一致性，便于对比分析，本文取30年内最枯日均流量作为当月生态基流量，并称此方法为最枯日平均流量多年平均值法(以下简称最枯日法)。计算公式如下：

式中：Qm为第m月的生态基流量(m=1，2，…，12)，m3/s；Qij为第i月第j天的平均流量，m3/s；n为统计年数[4]。

(3)90%保证率最枯日平均流量法。因为90%保证率最枯月平均流量法是取90%设计保证率下最枯月平均流量作为生态基流量[19]。本文通过对日平均流量进行分析，计算出90%保证率下每月最枯日平均流量作为生态基流量[20]，并称此方法为90%保证率最枯日平均流量法(以下简称90%最枯日法)。

(4)流量历时曲线法。又称Hoppe法，是根据日流量资料绘制流量历时曲线[21]。确定流量历时的方法是将所有的日平均流量记录根据量值划分成20～30个平均流量组(从大到小排列)，计算各组的天数，从第二级流量开始计算累计天数，之后确定每级流量的时间比例(最小等级流量的时间比例是100%)，最后绘制时间比例与流量等级之间的对数曲线[22]。本文将90%对应的流量作为生态基流量[23]。

(5)NGPRP法[24]。该法是将水文年按丰、平、枯水年分组，取平水年组90%设计保证率流量作为生态基流量。

(6)7Q10法。即采用90%保证率下最枯连续7天的平均流量作为该月河流生态基流的推荐值，该方法是美国考虑水质因素确定河道内生态基流的方法[4]。

(7)Texas法。一般取50%保证率下，河流逐月月平均流量的一定百分比作为生态基流量[25]。吴喜军等[26]基于基流比例法研究表明，北方河流百分比的取值为20%，认为该取值适合中国北方河流生态基流的计算。

3 结果与分析

3.1 生态基流计算结果比较

本文选取上述7种方法对小清河流域黄台桥站的生态基流进行计算，结果见表1。由表中可知7种计算结果之间存在一定的差异性。

表1 黄台桥站不同水文学方法生态基流计算结果 m3/sTab.1 Ecological baseflow estimated by using different hydrological methods at the Huangtaiqiao Station

根据计算结果绘制黄台桥站生态基流过程线(图2)。从生态基流量计算结果来看，7种计算方法中，最枯日法、Hoope法和NGPRP法的计算结果偏大，其中Hoope法计算结果最高；剩余4种方法中，Tennant法的计算结果最小。从整体变化趋势来看，除7Q10法外，剩余6种方法计算得到的生态基流流量 汛期普遍大于非汛期。从汛期生态基流量的最大值出现的月份来看，Hoope法、最枯月法和7Q10法存在滞后性。

图2 黄台桥站多种水文学方法生态基流过程线Fig.2 Ecological baseflow estimated by using different hydrological methods at the Huangtaiqiao Station

结合小清河流域汛期与非汛期流量变化明显这一水文特征，为筛选出适合小清河流域的生态基流计算方法，本文运用SPSS 19软件将7种计算结果(12个月)与2005-2014年(近10年)逐月月平均流量进行相关性分析。与多年平均的逐月流量之间进行相关性分析充分考虑了汛期与非汛期流量的变化，生态基流量与逐月月平均流量之间极显著相关则说明，该方法下生态基流的计算结果能够很好地反映河流流量汛期与非汛期的变化，相关性分析结果见表2。由表中可知，与2005-2014年逐月月平均流量相比，7Q10法计算结果与逐月月平均流量之间相关性不显著；90%最枯日法计算得到的生态基流量与逐月月平均流量之间显著相关；Tennant法、最枯日法、Hoope法、NGPRP法和Texas法的计算结果与逐月月平均流量极显著相关。在极显著相关的5种计算方法中筛选适合小清河流域生态基流的计算方法，其中Texas法的显著程度最大，其次是NGPRP法和Tennant法，故相比其他方法Texas法更适合于小清河流域。因Texas法是将河流逐月月平均流量的一定百分比作为生态基流量，而文中结合北方河流水文特征，将此百分比取值为20%，与此同时取50%保证率，综合了可接受频率因素。北方河流汛期与非汛期流量变化明显，因此选取Texas法计算北方河流生态基流量较为适宜。

表2 7种计算结果与近10年逐月月平均流量相关性分析Tab.2 Correlation analysis of 7 kinds of calculation results and monthly average monthly flow in recent 10 years

注：**.在0.01水平上显著相关；*.在0.05水平上显著相关。

小清河流域受温带季风气候的影响，其70%的降雨量集中在6-9月，因此其生态基流量的最大值也应该出现在这一时期，并且北方河流流量具有年际变化大、汛期与非汛期流量具有年内变化明显等特点。由黄台桥站生态基流过程线(图2)可知，7种水文学方法计算的生态基流最大值均出现在汛期8月。其中90%最枯日法和7Q10法在汛期和非汛期的生态基流变化不明显，主要原因是计算方法本身存在局限性，单纯选择最枯日或者最枯7天的流量代替本月的流量进行相关计算，存在极大的偶然性。最枯日法、Hoope法和NGPRP法的计算结果在汛期和非汛期的变化显著，但生态基流量数值相对较大，因此只有Texas法和Tennant法的计算结果较为合理。Tennant法计算的生态基流量在非汛期12月份出现突变点，其数值超过了汛期6月的生态基流量，可能的原因是，其方法本身只是简单的取多年平均流量的10%的计算结果作为生态基流量，而选取的30年数据中1994年12月份的实际径流量明显增大，进而影响了整体的计算结果。Texas法计算得到的流量过程线则呈现出完美的单峰形式，汛期和非汛期变化明显。

综上所述，选择Texas法计算黄台桥站生态基流量较为合理。计算结果表明黄台桥站汛期和非汛期最小生态基流量出现在6月和3月，其值分别为1.59和1.01 m3/s。

3.2 不同水平年生态基流计算

为使生态基流能够更好地体现北方河流流量年际丰、平、枯变化，为生态基流保证程度分析提供科学的数据依据。本文采用Texas法对小清河水系黄台桥站不同水平年生态基流分别进行计算，结果见表3。不同水平年计算结果与Texas法进行对比分析，结果见图3。

表3 不同水平年Texas法生态基流计算结果 m3/sTab.3 Ecological baselow estimated by using Texas method in different typical years

图3 90%保证率下不同水平年Texas法和 Texas法生态基流过程线Fig.3 Ecological baseflow estimated by using Texas method for different typical years with 90% of frequency

由图3可知，不同水平年生态基流量与原Texas法得到的多年平均生态基流量之间存在较大差异，原Texas法的计算结果与平水年生态基流计算结果较接近。不同水平年Texas法既反映了流量的季节性变化，又考虑了流量丰枯对生态基流的影响，并且综合了频率因素，因此更符合实际。李昌文[2]研究表明，一般情况下，生态基流在非汛期不能低于多年平均径流量的10%，而在汛期应达到多年平均径流量的20%～30%为宜。本文中，不同水平年Texas法计算得到的生态基流量在非汛期均不低于多年平均径流量的10%，而汛期的生态基流只有丰水年和平水年达到了多年平均径流量的20%～30%，枯水年的生态基流推荐值是多年平均径流量的14%左右。

3.3 生态基流保证程度分析

进行河流健康评价时，生态基流能否得到保证应作为健康评价的基础标准之一。文中在确定小清河济南段生态基流满足程度时，选取2012年(丰水年)、2008年(平水年)和2014年(枯水年)河道实际径流与计算得到的生态基流推荐值进行对比分析。图4结果显示，黄台桥站不同水平年河道内流量都可以满足生态基流，生态基流保证程度高达100%。

图4 黄台桥站不同水平年实际径流与生态基流对比Fig.4 Comparison between observed streamflow and estimated ecological baeflow with different frequency at the Huangtaiqiao Station

分析其原因可能是，排污、引水等人类活动加大了对径流量的影响程度，这成为影响径流量增大的决定性因素[28]。因小清河干流地处平原区，地势较低，南岸支流的水最终全部汇入小清河，其中包括大量的污水。与此同时，近年来为满足小清河污染治理的需求，政府通过从卧虎山水库引水补充小清河水量[14]。自20世纪80年代以来，流域周边的工业迅速发展，导致河道被严重侵占，灌溉、航运和养殖等功能日渐萎缩，除了进入水质净化一、二厂的污水外，其他城市排放的污水均直接汇入小清河，小清河水环境遭到严重破坏[29]。朱琳[28]等提出，小清河流域近年来受人类活动影响较大，2004-2013年，在月平均降水量增加趋势不显著的情况下，小清河月平均径流量明显增加，这在一定程度上表明，小清河尤其是枯水期的径流量增加很大程度上来源于人类活动的影响。虽然小清河济南段生态基流保证程度为优，但是河道内水体污染严重，若实际径流量大多是城市排放的污水，虽然能够保证小清河济南段不断流，但不能保障水生生物群落不被破坏。因此，应结合水生生物适宜的栖息地、流域水质和泥沙沉积等多种因素，深入开展生境模拟法和整体法的研究。

4 结 论

通过本文的研究，得到以下几点结论：(1)结合小清河流域汛期与非汛期流量变化明显的水文特征，通过SPSS 19软件将7种水文学方法的计算结果与2005-2014年逐月月平均流量进行显著相关性分析后表明，采用Texas法计算小清河流域黄台桥段生态基流最为适宜，其次是Tennant法。Texas法计算得到的汛期和非汛期最小生态基流量出现在六月和三月，其值分别为1.59和1.01 m3/s。

(2)为使计算结果更加合理，研究中对Texas法进行了改进，分别计算了不同水平年的生态基流量，由计算结果可知，不同水平年生态基流量与多年平均生态基流量之间存在较大差异，多年平均生态基流量与平水年的生态基流量更为接近。因此在进行水资源配置时应考虑不同水平年生态基流的差异，采取不同的配置方案。

(3)通过生态基流保证程度分析可知，小清河水系黄台桥站生态基流保证程度为100%。虽然保证程度为优，但是河道水污染严重，实际径流大多是城市排放的污水。长此以往，虽然能够保证小清河水系济南段不断流，但无法保证水生生物群落不被破坏。

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