基于生态水文学法的湘江生态流量研究

(华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450045)

河流生态流量研究属于河流生态水文学的范畴，主要是分析河流流域维持自然生态系统稳定所需流量和人类用水之间的相互平衡的关系，在完成我国水利生态化建设、制定最优的水资源调度方案和开展高效的生态保护措施等方面具有非常重要的指引作用[1]。随着人口的增加和社会经济的发展，河流受到各种形式人类活动的干扰，河流天然水文情势发生改变[2]。多年以来，流域降雨量减少、河道河床下切、洞庭湖水位下降和人类活动影响等原因，导致湘江出现低水位。因此，生态流量的合理计算对促进流域水资源可持续开发利用和实现合理的水资源优化配置有着重要的研究意义。

目前对于河流生态流量的计算方法比较多，归纳起来可以分为：综合分析法、水文学法、生境模拟法和水力学法等[3]。近几年来国内在河流生态流量的研究方面有了突破性的进展，其中水文学法的应用最为普遍[4]。许多学者还采用水文学法、水力学法等多种方法进行对比计算研究，一般选用Tennant法进行验证[5]。其中，康玲等[6]采用水文学方法的变动范围法分析计算了汉江的最小和适宜生态流量，同时以丹江口为例利用逐步优化算法建立了基于河流生态流量的水库生态调度模型。潘扎荣等[7]针对河流生态水文过程对径流的年内动态需求，提出采用年内展布法计算淮河流域河道基本生态流量。王高旭等[8]针对不同的保护目标分级计算河道生态流量，采用相对流量-河流规模模型和鱼类生境法分别对黄河中下游的最小生态流量和适宜生态流量进行了计算。

本研究在综合评价现有河流生态流量计算方法的基础上，提出了一种综合年内展布法和IHA-RVA法[9]的水文学方法，综合评价了湘江湘潭断面的最小生态流量和适宜生态流量，并对计算结果进行了合理性分析，对于开展湘江河道生态修复具有重要的研究意义。

1 研究区概况

湘江是长江水系的主要支流之一，同时也是湖南省最大的河流，被称作湖南省的母亲河，对两岸人民生活用水和人文发展都有着重要的作用。湘江全长约为856 km，流经永州、衡阳、株洲、湘潭、长沙等市县。湘潭水文站位于湘江干流下游，控制流域面积81 638 km2，为湘江入洞庭湖的控制站。近几十年来，长江与洞庭湖之间的江湖关系变化较大，湘江入湖的水资源量减少，泥沙不断淤积，河道逐渐萎缩，水系中的水生动植物大量消亡，带来湖区水资源、水生态、水环境与防洪等问题[10]。

2 研究方法

河流生态流量是保持河道不断流，保护水生生物正常生长和维持水体具备一定稀释自净能力的基本条件。河流生态流量是一个与河流特性相关的流量范围，而不是某个特定不变的值，它可以分为忍耐下限、最适宜范围和忍耐上限。为了计算方便，通常将河流生态流量分为最小和适宜生态流量进行计算，其中河流最小生态流量是维持河道生态系统生物物种不消亡，河道生态系统健康以及基本功能不严重退化所需要保持的最小流量；适宜生态流量是指维持河流生态系统结构稳定和生物多样性不受损所需的最适宜的流量。本研究基于河流生态流量基本理论以及当前已有生态流量计算方法，综合考虑湘江湘潭水系基本特征，选用了年内展布法对湘潭水系生态流量进行综合评价。

2.1 基本原理

河流水文过程具有周期性变化规律，并伴随着相应的生态系统响应与特定的生态作用。河流水生生物的生命史已经适应河流的天然水文情势，河流生态系统处于相对平衡的一种状态。而天然最小月均流量能够满足河流基本生态环境功能、水生生物生存及群落结构对水量的基本需求，天然适宜生态流量能够提供河流生态系统结构稳定的适宜流量[7，11]。然而，由各月最小月均流量和适宜生态流量构成的年内过程不能很好地反映出河流的水文特征，而河流多年月均流量过程能够很好地反映出河流历史水文情势变化特征。因此，本研究认为河道生态流量计算方法应该基于河流天然径流过程的自身特征来确定与量化水文指标，并结合多年的同期平均径流进行生态流量计算，即基于长时间序列的天然月均径流资料，选取多年年均径流量与年内各月最小(适宜)月均径流量的年均值这两个典型的水文特征变量确定关键水文指标——同期均值比，并结合典型年径流量过程或多年平均径流量过程进行河道内生态标准流量的年内过程计算。

2.2 基本步骤

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在计算最小生态流量过程基础上，采用IHA-RVA法计算河道适宜生态流量。其计算原理是河流适宜生态流量变动范围应超过天然可变范围(即RVA阈值)，这样才能够维持河流健康生态系统。RVA阈值描述流量过程线的可变范围，也即天然生态系统可以承受的变化范围，这为估算河流生态流量系列提供了参考。通常，RVA阈值取以各指标的平均值±δ(标准差)或者以频率为75%和25%作为各个指标的上下限。本研究以RVA下限流量作为适宜生态流量下限[12-13]。基于长时间序列的天然月均流量资料，选取多年年均径流量和RVA下限流量的年均值(适宜生态流量下限)这2个典型的水文特征变量确定关键水文指标——同期均值比，并结合典型年径流量过程或多年平均径流量过程计算河道内生态标准流量的年内过程。

3 结果与讨论

根据湘江多年相关的天然水文径流资料分析，选取1959～1990年湘江水系的湘潭站作为典型水文断面的天然月均流量资料，进行河道生态流量计算，并以Tentant法进行验证。根据湘江湘潭控制站最小年均流量、适宜年均流量以及多年平均流量，计算控制断面的同期均值比，计算结果见表1。其中湘江湘潭控制断面的多年月均流量过程见表2。

表1 控制断面均值比Tab.1 Results of average flow at typical station

表2 控制断面多年天然月均径流过程Tab.2 Natural monthly average flow process of typical station m3/s

根据表1和表2数据，计算湘江湘潭控制站的最小和适宜生态流量，其计算结果见表3。图1为湘潭生态流量过程。为了分析本研究成果的合理性，采用Tennant法评价标准进行对比。Tennant法也称Montana法，是利用河流的多年径流流量资料来确定河流生态流量，以年平均流量的百分比作为基流量。分析结果表明多年平均流量的10%是保持河流生态系统健康的最小流量，多年平均流量的40%能为大多数水生生物提供较好的栖息条件[14-15]。对比分析湘江湘潭水文断面的河道最小生态流量和河道适宜生态流量的计算值和Tennant法评价结果见表4。

表3 河流最小和适宜生态流量Tab.3 The minimal and optimal river ecological flow m3/s

图1 生态流量过程Fig.1 Ecological flow process

根据计算结果与Tennant法的比较可知，最小生态流量在一般用水期(10月至翌年3月)各个水文断面生态流量占多年年均水位的4.7%～18.0%，根据Tennant法评价标准均处在差至一般的范围，此时河道径流量条件要保持一定的水深、流速、河宽，满足鱼类生存、洄游、景观一般要求，是保持绝大多数水生生物在较短的时间能够满足生存的最低流量推荐值。在鱼类产卵育幼期(4～9月)各水文断面生态水位占多年年均径流量的28.1%～75.8%，处于一般到最佳的范围，其中虎渡口和松滋口均处于最佳状态，能够为大多数水生生物提供良好的栖息条件。

表4 河流生态流量Tennant法评价Tab.4 Evaluation of river ecological flow by Tennant method

适宜生态流量在一般用水期占多年平均水位的12.0%～26.9%，按照Tennant法评价均处在较好范围。在鱼类产卵育幼期，各水文断面生态水位占多年年均径流量的71.4%～113.3%处于最佳范围内，此时水深和流速都是最佳的程度，河流的生态系统非常健康，能够提供给水生生物栖息和产卵、育幼的良好环境以及保持生物物种多样性[15]。因此利用生态流量年内展布计算法计算的最小生态流量和利用IHA-RVA法计算出的河道适宜生态流量与Tennant法设定的分期相符，能够满足河流生态目标的需求。

4 结 论

(1) 利用年内展布法和IHA-RVA法计算出湘潭站水文断面的最小生态流量为639.6 m3/s，占多年平均天然流量的32.2%；适宜生态流量为983.4 m3/s，占多年平均天然流量的49.5%。

(2) 参照Tennant法评价标准可知，利用生态流量年内展布法和IHA-RVA法计算出的最小生态流量和适宜生态流量都与Tennant法设定的分期相符，能够满足河流生态目标的需求，计算结果较为合理。该研究结果可为荆江三口河道生态修复提供科学基础参考。