基于ME-Tennant法的河道生态流量过程评价模型研究

2019-03-18，，，，

长江科学院院报 2019年2期

，，，，

(1.河海大学水利水电学院，南京 210098； 2. 湖南省农村水电及电气化发展局，长沙 410007)

1 研究背景

引水式水电站一般建于坡降较大的中小型山区河流，利用管道或渠道将水流引至可形成较大落差的下游。其修建导致局部河段的径流量急剧减小，使坝址到电站厂房尾水间形成减脱水河段，对河道水文情势及生态质量造成负面影响。2016年，国家能源局发布《水电发展“十三五”规划》，要求对因水电开发造成环境保护、水土流失问题相对突出的中小型流域进行生态修复；同年2月，水利部印发《农村水电增效扩容改造河流生态修复指导意见》，提出在进行农村水电增效扩容改造时应科学确定河道生态流量及下泄措施，为河流生态功能自然修复创造条件。

研究河流生态流量过程是开展河流生态系统保护及修复工作的前提[1]。目前，国内外学者多采用几种方法分别计算生态流量过程，综合分析后确定符合研究流域特征的方法。张强等[2]使用5种水文学方法计算珠江流域生态流量，经Tennant法分析后选择逐月最小生态径流法和逐月频率法确定最小和适宜生态流量；石永强等[3]使用4种水文学方法并根据生态需求确定襄阳市主要河流的生态基流；于松延等[4]采用6种方法计算渭河关中段生态基流量，结合径流年内分布特点进行分析确定Tennant法最优，Texas法其次。

河流生态流量过程计算方法已取得较多研究成果，但在方法选择上的主观因素较大，且多侧重于定性说明，没有明确的评价标准。基于此，本文提出将物元分析法(Matter Element Analysis)与Tennant法耦合的ME-Tennant生态流量过程评价模型，旨在客观评价不同方法计算出来的生态流量过程，为生态流量过程的确定提供一种新方法。

2 生态流量过程常用计算方法

生态需水量是指维持河流生态环境功能所需要的一定水质标准下的水量[5]，生态流量过程则是生态需水量随时间而连续变化的过程[6]，强调其在时空尺度上与天然径流年内丰枯变化相适应的变化特性，反映了河流在不同时期的生态需水要求。

目前，全球关于生态流量计算方法超过200种，归纳起来有水文学法、水力学法、栖息地模拟法和整体分析法4种方法[7]。由于我国大部分河流缺乏生态资料，难以使用栖息地模拟法和整体分析法，水力学方法需要实地资料，耗时耗力，而水文学方法仅需历史径流资料，适用于现阶段我国中小型河流生态流量研究。以下分析了几种常用的水文学算法。

2.1 逐月最小生态流量法

逐月最小生态流量法[8]以历史多年径流系列中各月的最小月平均流量作为该月的生态流量，组成最小生态流量过程。

2.2 年内展布法

年内展布法[9]通过引入同期均值比指标，得到各月生态流量与各月多年平均流量之间的关系，以此确定最小生态流量过程，计算过程如下所述。

(2)计算多年平均流量和最小年平均流量的同期均值比η,即

(1)

(3)计算各月的生态流量，即

(2)

2.3 NGPRP法

NGPRP(Northern Great Plains Resource Program)法[10]考虑不同水平年的差别，将水文系列分为枯水年、平水年和丰水年组，取平水年组各月流量90%保证率的流量值作为最小生态流量。对于年型的划分，釆用距平百分率法来确定，即

Pi=(Qi-Qa)/Qa×100% 。

(3)

式中：Pi为年平均流量的距平百分率(%)，当-10%≤Pi≤10%时，该年划分为平水年组；Qi为第i年的年平均流量(m3/s)；Qa为多年平均流量(m3/s)。

2.4 逐月频率法

逐月频率法根据历史月径流资料，将一年划分为不同时期，并选取不同的保证率，分别计算各个时期的流量，得到适宜生态流量过程。不同学者采用的保证率选取方法不同，参考已有研究[8,11-12]，本文采用3种不同保证率选取方法进行计算，分别为：①枯水期90%、平水期70%、丰水期50%；②各月均取50%；③冬季取80%、春秋季取75%、夏季取50%。

2.5 Tennant法

Tennant法[13-14]将全年分为鱼类产卵育幼期(4—9月份)和一般用水期(10月份—次年3月份)，以多年平均流量的百分比作为推荐生态流量。在实际应用中，我国许多学者针对研究区的具体情况对Tennant法进行了改进。张玫等[15]将南水北调西线一期工程调水地区分为非汛期(11月份—次年5月份)和汛期(6月份—次年10月份)进行河道生态环境需水计算；郑志宏等[16]在计算我国北方河流生态需水时，按河流的季节性将全年划分为4—6月份、7—10/11月份、11/12—次年3月份共3个时段，并重新确定了各个时段的基流占比；陈南祥等[17]将黄河流域划分为非汛期(11月份—次年7月份)和汛期(7—10月份)分析，并以原推荐基流百分比乘以河床比降，使其更适合多沙河流。

上述方法各有适用性及优缺点，逐月最小生态流量法计算过程简单，得到的最小生态流量虽然能够满足水生生物的最低生活条件，但不利于生态系统的长期健康发展；年内展布法引入同期均值比，避免了传统水文学法的主观性与经验性，但不适用于会发生断流的强季节性河流；NGPRP法综合了气候状况以及可接受频率因素，考虑了不同水平年的差别，但是缺乏生物学依据；逐月频率法考虑了生态系统不同时期的要求，但是存在如何选取最合理保证率的问题；Tennant法计算简单，通常在优先度不高的河段中使用，或为其他方法提供检验。

3 ME-Tennant法生态流量过程评价模型

3.1 建模思路

目前，生态流量过程的确定通常是采用多种方法进行计算，逐月定性分析后确定适用于研究流域的方法，但主观因素较大且无明确的评价标准，难以准确判断各方法的适用性。因此需要建立合理的评价模型，对各方法计算出来的结果进行客观综合的评价。

物元分析法以可拓数学为基础，研究解决不相容问题，直接采用实测数据，将复杂问题转化为模型，对研究对象作出客观综合的分析与评价，规范性强、简便且定量严密。利用物元分析方法，可以建立事物多指标评价模型，并以定量数值表示评价结果，从而能够客观综合地反映事物的评价等级。因此本文将物元分析法应用于生态流量过程评价中，将12个月的生态流量状况作为生态流量过程的评价指标；参照Tennant法确定评价标准，依此构建经典域和节域；依据各月生态流量满足度的重要性确定各月权重；计算各评价等级的综合关联度，以此确定不同方法得到的生态流量过程的综合评价等级，并最终确定生态流量过程。

3.2 基于Tennant法确定评价标准

Tennant法作为一种常用的生态流量评价方法，在实际运用中，应根据河流所处流域情况、水文情势以及生态需求等对其分期与标准进行相应的调整。引水式水电站下游减脱水河段泄放生态流量的主要目标是控制河道减水程度，防止河道脱流，以充分发挥生态系统的自然修复功能。考虑到中小型河流径流年内丰枯变化，为使评价更加准确，将全年分为枯水期、平水期、丰水期。其划分方法是先将全年划分为汛期和非汛期，分别计算汛期、非汛期系列对应频率25%，75%的流量，作为划分丰、平、枯水期的界限。各时期的等级评价标准根据不同流域具体特征而定。

3.3 构建ME-Tennant法生态流量过程评价模型

物元分析法[18]认为对于任一事物均可用“事物的名称N、事物的特征C、该特征对应的量值X”3个要素来描述，并组成物元，表示为R=(N,C,X)。

构建ME-Tennant生态流量过程评价模型的具体步骤如下所述。

3.3.1 构建待评物元

将12个月的生态流量状况作为评价指标，记为12个特征，建立物元，即

(4)

式中：n=12；P0为待评单元，即生态流量过程；Ci为待评单元的第i项特征，即第i个月的生态流量状况；Xi为对应评价指标Ci的量值，即第i个月的生态流量占多年平均流量的百分比。

3.3.2 构建经典域和节域物元

根据评价等级标准构建经典域和节域物元。

经典域物元Rj表示为

式中：Nj为第j个评价等级；Xji=[aji,bji]表示处于第j个等级时，第i个月生态流量占多年平均流量的百分比范围。

节域物元Rp表示为

式中：Np为评价等级的全体；Xpi=[api,bpi]表示各指标所有经典域取值范围之和。

3.3.3 确定关联函数及关联度

定义点xi到Xji=[aji,bji]和Xpi=[api,bpi]的距离分别为：

(7)

(8)

关联函数Kj(xi)表示物元符合所要求的取值范围的程度，计算公式为

(9)

式中|Xji|=|aji-bji|。

3.3.4 确定各评价指标的权重

本文采用模糊层次分析法确定各月份生态流量状况的权重，参见文献[19]。

3.3.5 计算第j个评价等级的综合关联度

(10)

式中ωi为第i个月生态流量状况的权重。

表1 不同方法的生态流量过程计算结果Table 1 Calculated results of ecological flow process by different methods

3.3.6 等级评定

若Kj=max{Kj(P0)}(j=1,2,…,m)，则生态流量过程处于第j级。当0≤Kj(P0)≤1时，表示所求生态流量过程符合该标准等级的要求；当-11时，表示超过标准等级上限。

3.3.7 确定生态流量过程

根据各计算方法求出的生态流量过程的评价等级，结合河流的生态需水要求，综合确定生态流量过程。

4 实例研究

4.1 研究区概况

湖南省刘家坪河系溆水二都河的一级支流，发源于湖南省隆回县凉风界，河流流向变化较大，由东南呈之字形流向西北。全流域气候温和、四季分明，面积72 km2，河长30 km，坡降较大，河道内无珍稀水生生物。刘家坪水库位于溆浦县龙庄湾乡，地处110°36′E—110°42′E， 27°26′N—27°38′N，控制集雨面积53.63 km2，多年平均流量为1.51 m3/s，坝址以上干流长度21 km，总库容3 365.2万m3，具有多年调节性能。电站厂房位于大坝下游3 km处，为引水式开发，厂坝之间存在减脱水河段，偶有基坑积水，河床砂石裸露，无鱼类生存之所，需要下泄一定的生态流量，以满足生态环境的需水要求。

4.2 生态流量过程计算

生态流量过程计算理论上应使用天然径流资料，但由于从1987年建库至今，河流已或多或少地受到人类活动影响，所谓的“天然状态”只能认为是人类活动影响较小的状态。经分析，刘家坪坝址处1987—2015年的平均流量与多年平均流量相差不大且无明显突变，可视为受人类活动影响较小，直接用于生态流量过程的计算。分别使用逐月最小生态流量法、年内展布法、NGPRP法、逐月频率法计算生态流量，计算结果见表1。

4.3 基于ME-Tennant法的生态流量过程评价

刘家坪河汛期为5—9月份，其余月份为非汛期，按照前述分期方法，确定枯水期为11月份—次年1月份、平水期为2—5月份及8—10月份、丰水期为6—7月份。参考Tennant法并结合刘家坪河水文情况确定评价标准，见表2。

表2 河流生态流量过程评价标准Table 2 Evaluation criteria of river ecological flow process

根据刘家坪电站下游河段生态现状及泄放生态流量的目标，考虑到刘家坪河流域降雨季节分明，各月生态流量状况的重要程度为：枯水期>平水期>丰水期，越枯的月份重要性越高。根据模糊层次分析法的步骤，建立反映各月生态流量重要程度的模糊一致判断矩阵为

则各月权重为：W=(ω1,ω2,ω3…ω12) =(0.121, 0.115, 0.082, 0.081, 0.051, 0.050, 0.048, 0.053, 0.079, 0.084, 0.117, 0.119)。

以逐月最小生态流量法为例，根据生态流量过程评价等级标准(表2)构建待评物元R、经典域物元Rj(j=1,2,…,7,R1,R2,…,R7生态流量过程评价等级分别为差、一般、较好、好、很好、最佳、最大)和节域物元Rp，即：

R=[C1,C2,…,C12]T=[19.90 24.37 21.96 40.57

77.19 85.54 78.15 37.46 12.76 15.53 15.20 13.25]T，

R1=[C1,C2,…,C12]T=[[0,10) [0,20) [0,20)

[0,20) [0,20) [0,30) [0,30) [0,20)

[0,20) [0,20) [0,10) [0,10)]T，

R2=[C1,C2,…,C12]T=[[10,20) [20,30) [20,30) [20,30) [20,30) [30,40) [30,40)

[20,30) [20,30) [20,30) [10,20) [10,20)]T，

R3=[C1,C2,…,C12]T=[[20,30) [30,40) [30,40) [30,40) [30,40) [40,50) [40,50)

[30,40) [30,40) [30,40) [20,30) [20,30)]T，

R4=[C1,C2,…,C12]T=[[30,40) [40,50) [40,50) [40,50) [40,50) [50,60) [50,60)

[40,50) [40,50) [40,50) [30,40) [30,40)]T，

R5=[C1,C2,…,C12]T=[[40,60) [50,70) [50,70) [50,70) [50,70) [60,80) [60,80)

[50,70) [50,70) [50,70) [50,70) [40,60)]T，

R6=[C1,C2,…,C12]T=[[60,100) [70,100) [70,100) [70,100) [70,100) [80,100) [80,100) [70,100) [70,100) [70,100) [70,100)

[60,100)]T，

R7=[C1,C2,…,C12]T=[[100,200] [100,200] [100,200] [100,200] [100,200] [100,200] [100,200] [100,200] [100,200] [100,200] [100,200] [100,200]]T，

Rp=[C1,C2,…,C12]T=[[0,200] [0,200] [0,200] [0,200] [0,200] [0,200] [0,200]

[0,200] [0,200] [0,200] [0,200] [0,200]]T。

按式(7)—式(9)计算各月生态流量状况对各评价等级的关联度，考虑权重后按式(10)计算各评价等级的综合关联度，见表3。

表3 各月生态流量状况对各评价等级的关联度Table 3 Degree of the correlation between each evaluation index and each evaluation grade

表4 不同方法的生态流量过程评价结果Table 4 Evaluation results of ecological flow process calculated by different methods

由表3可知，Kj=max{Kj(P0)|(j=1,2,…,7}=0.037 0，故由逐月最小生态流量法计算出的生态流量过程评价等级为“一般”。

不同方法计算出的生态流量过程对各评价等级的综合关联度以及评价结果见表4。

4.4 评价结果分析

由表4可知，计算最小生态流量过程时，逐月最小生态流量法计算结果的评价等级为“一般”，年内展布法和NGPRP法为“较好”。对照生态流量过程的评价标准，评价等级为“一般”的生态流量占年平均流量的10%～40%，“较好”为20%～50%。10%的年平均流量是支撑大多数水生生物短期生存栖息地的最小瞬时流量，当生态流量小于该流量时，有近一半的河流底质或湿周将暴露，生态系统将严重受损，理论上计算的最小生态流量过程应该恰好满足水生生物的最低生活条件，但为了生态系统的长远发展，应有一定的预留空间。所以取评价等级为“较好”的年内展布法和NGPRP法计算结果进行耦合，取其外包线作为最小生态流量过程，且不低于10%的多年平均流量，既可保证下游河段不发生断流并维持一定水量，同时为水生生物提供最小生存空间，如图1所示。

图1 最小生态流量过程耦合Fig.1 Coupling of minimum ecological flow process

最小生态流量过程是对于短期的水文状态而言，满足河流生态系统稳定的最小流量过程，为了维持生态系统的可持续发展，还需确定适宜生态流量过程。

计算适宜生态流量过程时，逐月频率法取法①计算结果的评价等级为“较好”，取法③为“好”，取法②为“很好”。在评价标准中，评价等级为“好”的生态流量占年平均流量的30%～60%，“很好”为40%～80%。当生态流量为年平均流量的30%～60%时，湿润底质明显增加，河宽、水深和流速能较好地满足水生生物生长繁育的需要，生态结构的稳定性明显增强；60%～100%的年平均流量被认为是最适宜的生态流量[20]。考虑到刘家坪河流域无珍稀水生生物，河道两岸植被茂密，水土保持完善，有天然降水、地下水和涵养水进行水量补充，因此逐月频率法取法②和③均可满足河流适宜生态需水的要求。将2种保证率取法下的生态流量过程进行耦合，取其外包线和内包线分别作为适宜生态流量过程阈值的上下限，如图2所示。由于刘家坪水电站承担着比较重要的发电任务，需结合当月实际来水情况以及发电需求，在阈值内灵活泄放生态流量，最大限度提高水资源利用率。