基于水文学法的海南省三大江生态需水量研究

陈晓璐，林建海，梁华玲

(1.海南省水文水资源勘测局，海南海口570203；2.海南省水利水电勘测设计研究院，海南海口570203； 3.广东省佛山市气象局，广东佛山528000)

随着经济社会的不断发展，人类不断开发利用水资源，不断加剧对生态环境的干扰程度，由此引发了一系列与水相关的生态问题，生态保护与环境治理已成为国家发展和社会进步的关注重点，也是国内外学者的研究热点。

河流生态需水量的概念最早是在20世纪40年代被美国渔业与野生生物保护组织提出，他们指出，河流生态需水量就是避免河流生态系统退化的河道最小流量[1]。但发展至今，生态需水量尚未形成统一、规范的定义，一般都以计算生态流量的方式从整体上满足河流的生态需求[2]。为了保证河流生态系统的稳定，生态系统所需的径流过程也应发生变化，因此生态需水量不是一个固定不变的值，而应具有一定的变化范围[3]。本文认为，生态需水量的最小值是指为维持河流基本形态和基本生态功能，即防止河道断流，避免河流水生生物群落遭受到无法恢复性破坏的河道内最小水量[4]。而在此基础上，对生态系统的稳定及保持物种多样性最为适宜的水量称为适宜生态需水量[5]，它相较于最小生态流量更利于河流的生态健康。

近年来，对生态需水量的研究在中国各地区逐渐铺开，如干旱半干旱地区的新疆玛纳斯河流域[6]、塔里木河流域[7]，湿润半湿润地区的长江流域[3]、珠江流域[8]等，而海南省尚未深入开展相关工作。南渡江、昌化江及万泉河是海南省的三大河流，流域面积之和占海南岛总面积的46.5%，流域范围涉及琼中、海口、昌江、万宁等15个市县，占海南省市县总数的83.3%，覆盖全省重要的农业、工业及经济中心。对这3条河流开展生态流量研究，明确三大江生态需水量的最佳计算方法，为海南省水利工程建设及流域水资源规划提供科学依据，响应生态文明建设的决定，促进经济社会与流域生态环境可持续发展，是水文工作者重要的任务之一。

1 研究区概况

1.1 流域概况

南渡江、昌化江、万泉河分别位于海南省中北部、西南部及中东部，流域面积分别为7 033、5 150、3 693 km2，分别占海南岛总面积的20.6%、15.1%及10.8%。南渡江干流发源于白沙县南峰山，流经白沙、琼中、儋州、澄迈、屯昌、定安至海口市三联村汇入琼州海峡，支流伸展到临高、文昌等市县，干流全长334 km，平均坡降0.72‰，流域平均宽度21.1 km；昌化江干流发源于五指山北麓的琼中县空禾岭，流经琼中、通什、乐东、东方和昌江等市县，于昌江县昌化港入北部湾，干流全长232 km，平均坡降13.9‰，流域平均宽度22.2 km；万泉河有南北两源，南源称乘坡河或乐会水，为干流，北源称大边河或定安水，为一级支流，两源均发源于五指山风门岭，南北源汇合于琼海市合口咀，合流后称万泉河，于博鳌港汇入南海，干流全长157 km，平均坡降1.12‰，流域平均宽度23.5 km。

三大江流域均属热带季风气候，气候温和，雨量充沛，台风频繁。降雨时空分配不均，自上游向下游递减，山区多于沿海，年内有明显的干、湿季之分。雨季5—10月，降雨量可占全年降雨量的80%～90%，台风带来暴雨，致使中下游两岸平原地区洪水泛滥；11月至次年4月为旱季，降雨量仅占全年的10%～20%，常发生春旱。

1.2 水文测站分布情况

1954年，南渡江干流上设立龙塘，1958年兴建松涛水库，1959年先后在入库的干流上设立福才水文站及库区南丰水文站，至2015年设立迈湾水利枢纽工程临时水文观测站；昌化江流域内最早的水文站是1943年在干流上设立的宝桥水文站，1956年设立乐东水文站，一直沿用至今；万泉河干流上的加积水文站设立于1947年，1956年起先后设立加报、乘坡2处水文站。水文站观测的项目有水位、流量和降水量等。各站点分布情况见图1、表1。

图1 三大江流域主要水文站点分布

表1 三大江流域主要水文站点信息

1.3 长序列资料选用

1.3.1资料确定

本次研究选用三大江流域主要水文站点的径流长序列资料。考虑到南渡江迈湾站为工程临时观测站，设站时间短，水文序列不足30 a，不具有代表性，不足以支撑研究成果；而松涛水库(南丰)站仅有1966、1987及1993年3 a的径流资料整理成册，故本次研究不采用以上2站点数据。最终确定，南渡江选用福才、龙塘站；昌化江选用乐东、宝桥站；万泉河选用乘坡、加报、加积站共计7个站点1979—2018年共40 a的实测月平均流量资料。

1.3.2数据检验

理论上，运用水文学法进行生态需水量分析，应当选用还原为天然径流的长序列资料。但由于缺少三大江流域的用水资料，无法进行径流还原计算。当前大多数学者提出来的径流还原计算，是希望通过控制河流的生态径流过程，使河流恢复到原来没有人类活动影响之前的状态[5]。但随着人类活动的加剧，世界上几乎所有的河流都或多或少地受到了人类活动的影响，恢复到人类活动以前的状态几乎是不可能的，所谓的“天然条件”只能认为是受人类活动影响较小的状态[9]。

将三大江7个站点1979—2018年实测月平均流量长序列进行整理，得到各站点1979—2018年共计40 a的年均流量。运用Mann-Kendall法[10-13]对其进行趋势分析与突变检验，选显著性水平，置信区间为(-1.96,1.96)。以万泉河加积站为例，长序列年均流量Mann-Kendall统计量曲线见图2。结果表明在1979—2018年，各站点的年均流量并未出现显著趋势变化。

图2 加积站多年平均流量Mann-Kendall统计量曲线

选取1979—1990、1991—2000、2001—2010、2011—2018年共4个时间段，计算各时间段7个站点的年均流量，与各站点多年平均流量进行比较，得到各站点不同年代距平值。结果表明各站点不同年代的年均流量与多年平均流量相差不大，距平值均未超过。以南渡江福才、龙塘2站为例，不同年代年均流量距平值见图3。

图3 南渡江各站点不同年代年均流量距平值

综上，本文认为三大江当下的水文情势受人类活动影响较小，仍处在自身能够逐渐恢复的范围之内，接近于“天然条件”。如果保持现有状态不再进一步恶化，仍然能够维持河流的自然生态功能。加之现有水生生物已适应了当前河流的生态环境，因而直接采用实测的径流资料进行水文学法的生态流量计算具有其合理性，所得结果可视为当前下垫面条件下的三大江生态需水量。

2 研究方法

2.1 研究思路

目前，对生态需水量的研究，国内外学者已开展诸多工作。根据研究方法的不同，生态需水量在全球的计算方法可超过200种[14]，整合来看，可大致分为4 类，即基于历史流量基础的水文学法、基于水力学基础的水力定额法、基于生物学基础的生境模拟法和基于河流系统整体性理论的整体分析法等。

不同的生态需水量计算方法在各自的适用条件及适用范围内各有其优缺点[15]。综合来看，水力定额法需要投入较长时间和较大的人力、物力以获取现场数据，应用较为困难；中国缺乏生态数据，无法使用生境模拟法；整体分析法因其复杂性和综合性，难以在中国广泛应用。只有水文学法是最简单的、使用资料最单一的计算方法，它仅通过水文长序列历史流量资料便可评价或估算生态需水量，在中国大部分地区都可推广应用，海南省的三大江流域也具备使用水文学法计算生态需水量的条件。基于此，本文选用最小月平均流量法[16]、7Q10法[17]、逐月最小生态径流计算法及逐月频率计算法[18]4种方法计算三大江7个断面的生态流量，通过对计算结果的对比与分析，确定三大江各站点的最小生态流量与适宜生态流量，确定三大江的最佳生态流量计算方法，并用Tennant[19]法进行检验，分析其合理性。

2.2 方法概述及计算结果

2.2.1最小月平均流量法

最小月平均流量法也称河流基本环境需水量法，以河流最小月平均实测径流量的多年平均值作为河流的基本生态环境需水量。据此，将各站点1979—2018年的实测长序列径流资料分为1—12月份共计12组，选取每组序列的最小值作为该月的生态流量，从而得到全年的生态流量过程。各站点最小月平均流量法计算结果见表2。

表2 各站点逐月最小生态径流 单位：m3/s

2.2.27Q10法

7Q10 法通过求取90%保证率最枯连续7 d的平均流量作为河流最小流量设计值[3]。该法在20世纪70年代传入中国，主要用于估算河流水污染防治用水并在此基础上对该方法进行改进，重点用于计算污染物允许排放量，在许多大型水利工程建设的环境影响评价中得到应用。鉴于当时中国的经济发展水平相对落后、南北方水资源现状差别较大，所以在制订GB 3839—83《地方水污染物排放标准的技术原则和方法》时规定，一般河流采用近10 a最枯月平均流量或90%保证率最枯月平均流量。

据此，在长序列资料中选取2009—2018年作为近10 a，计算逐年最枯月的平均流量；并将三大江7个站点1979—2018年逐年的最枯月流量进行排频，采用目估适线法[20]，选用P-Ⅲ型[20-22]分布适配频率分布曲线，各站点频率曲线拟合度范围在0.91～0.99，拟合程度较好，结果较为可靠，由此推求得到各站点90%保证率最枯月流量结果见表3。

2.2.3逐月最小生态径流计算法

逐月最小生态径流计算法认为生态需水量同河道水流年内变化特征一样, 是连续变化的，应该逐月计算。在尽可能长的天然月径流系列中取最小值作为该月的最小生态径流量，从而构造全年的最小生态需水过程。该方法认为，如果在天然情况下水生生物已经安全经历过这样的最小径流，并且生态系统没有遭到严重的不可恢复的破坏，就说明在不考虑水质的情况下，水生生态系统能够适应这个最小径流量，水生生物的最低生存条件在这个流量条件下能够得到保证。据此，本文结合前述对径流长序列资料的检验结果，以实测流量资料替代天然月流量，分别将各站点流量数据按照1—12月分为12组，每组选取最小值作为该月的最小生态需水量，从而形成各站点全年的生态需水过程，计算结果见表3。

2.2.4逐月频率计算法

逐月频率计算法将生态需水量看作一个有丰有枯的年内变化过程，根据历史流量资料，将一年划分为丰、平、枯或汛期、非汛期等特征时期，对各个时期拟定不同的保证率，将尽可能长的月流量序列进行频率计算，由此得出各个时期在不同保证率下的流量，这样得到的即为该年的适宜生态径流过程。不同的学者采用的时期划分与保证率选取方法不尽相同，主要有陈竹青[3]根据长江流域特性，枯水期取90%，平水期取70%，丰水期取50%；李捷等[5]认为年内各月径流系列的保证率取50%更为合理；而张强等[6]对珠江流域的研究中，将1 a划分为汛期、非汛期，汛期选取多年平均流量、非汛期取80%作为生态需水量。

本文在充分参考多位学者的研究成果的基础上，结合海南省径流特性，参照《海南省人民政府办公厅关于印发海南省防汛防风抗旱应急预案的通知》(琼府办〔2016〕60号)中对汛期的划定，将1 a划分为汛期(5—11月)与非汛期(12月至次年4月)。汛期选取平均流量、非汛期取80%作为河流生态需水量。采用目估适线法对各站点长序列实测月流量资料进行适线，选用P-Ⅲ型频率分布曲线，各站点频率曲线拟合度均较好，拟合度值均达到0.95以上。以昌化江乐东站为例，适线结果见图4。由此推求各站点汛期、非汛期生态需水量计算结果见表3。

3 研究成果

3.1 各算法成果分析

从表3中可以看出，各站点最小月平均流量法计算得到的生态流量对相应多年平均实测流量的占比变化范围为11.75%～33.20%；在7Q10法计算的成果中，以近10 a最枯月平均流量计算得到的各站点生态流量变化范围为14.43%～34.57%，以90%保证率最枯月平均流量法计算得到的各站点生态流量变化范围为3.41%～17.45%；以逐月最小生态径流计算法得到的各站点生态流量变化范围为14.99%～24.02%；而以逐月频率计算法计算得到的各站点非汛期生态流量的变化范围为12.15%～40.21%。

由此可知，在4种生态流量的计算方法中，以90%保证率最枯月平均流量计算得到的生态流量值最小，计算结果中福才、宝桥两站的生态流量仅为1.01、4.17 m3/s，远不足相应多年实测平均流量的10%。最小月平均流量法的计算结果较近10 a最枯月平均流量稍大，除福才站外，各站点两者的生态流量计算结果对相应多年实测平均流量的占比均为20%～35%。各站点逐月最小生态径流计算法的生态流量计算结果最为集中，对相应多年实测平均流量的占比为15%～25%。逐月频率计算法的生态径流计算结果最大。

表3 各站点不同算法生态需水量计算结果对比

产生上述计算结果差异的原因为，7Q10法主要是为了防止河流水质污染而设定，在计算过程中并没有考虑水生生物、河流水量的季节性变化，故其设计值较小。最小月平均流量法计算的是河流的基本生态环境需水量，主要用以维持水生生物的正常生长，满足部分排盐、入渗补给、污染自净等方面的要求。它在7Q10法的基础上稍有改进，但仍然以水质对指示物的影响为主要依据，侧重于分析水生生物所需要的水质，没有反映出河流水文的年内丰枯变化特征。而逐月最小生态流量计算法认为生态流量与河道水流年内变化特征一致，是一个有丰有枯的过程，根据每个月的径流特性选取河道内最小的生态流量值。逐月频率计算法则是在逐月最小生态流量计算法的基础上，按照河道的不同特征时期，拟定不同保证率作为生态流量值。

3.2 最佳计算方法确定

有关验证认为，在多年平均流量的10%情况下，大多数河流覆盖底土层达60%，平均水深达0.3 m，平均流速达0.23 m/s，这是一个维持大多数水生生物，尤其是鱼类短期内生存的最低限度[4]。因此最小生态流量的计算值，不能低于多年平均流量的10%。由此可知， 90%保证率最枯月平均流量法的计算结果过低，不宜作为最小生态流量的计算方法。

大多数的工程设计水文计算中，常将多年平均流量的10%作为最小生态流量。然而本文认为，虽然多年平均流量的10%是保证栖息地不会退化或贫瘠的最低条件，但因其为保证河流生态环境的临界值，一旦小于此值，河流的生态系统将遭到破坏，健康状况急剧下降，难以恢复。因此，不能简单地仅将多年平均流量的10%作为河流的最小生态流量，应在此基础适当预留一定的空间。综合来看，各站点逐月最小生态径流计算法的计算结果最为集中，均稍高于实测多年平均流量的10%，因而将其作为三大江最小生态流量计算方法是最为合适的。

在4种计算方法中，逐月频率计算法的生态流量计算结果最大，在此状态下河道的生态环境达到最佳，故将此方法作为三大江适宜生态流量计算方法。

3.3 Tennant法评价

选用Tennant法[1-2,4,6]对上述选定的2种生态流量计算方法的成果进行检验与对比。Tennant法主要根据水文资料和年平均径流量百分数来描述河道内流量状态，通常在研究优先度不高的河段中作为河流流量推荐值使用或作为其他方法的一种检验[23-24]。Tennant法认为，多年平均流量的10%是保持大多数水生生物短时间生存所需的最低短时径流量；多年平均流量的20%是保护水生生物栖息地的适当流量；多年平均流量的30%～60%是为大多数水生生物在主要生长期提供优良至极好栖息条件所需的基本径流量；而多年平均流量的60%～100%是能为水生生物提供令人满意的生长环境的最佳范围。各方法计算的生态流量Tennant评价结果见表4。

表4 逐月最小生态径流计算法与逐月频率计算法计算得到的生态流量及Tennant评价结果

由表4可知，由逐月最小生态径流计算法计算得到的各站点最小生态流量，对相应多年实测平均流量的占比均为14%以上，运用Tennant法的评价结果基本为较差(乘坡站一般用水期为良好，龙塘、乐东站鱼类产卵育幼期分别为很好、良好)，表明此时河流虽处在生态环境所需水量的低值，但不至于界于临界点，仍有一定的调节空间。在如三大江这类水质和水量条件改变较小的河流里，因生态系统在经历历史系列的最小值时没有遭到严重的破坏，故由逐月最小生态径流计算法计算得到的最小生态流量是适用的。

而由逐月频率计算法计算得到的各站点生态流量，在一般用水期(10月至次年3月)的Tennant法评价结果均达到极好；在鱼类用水期(4—9月)，各站点Tennant法评价结果均为最佳。由此表明，逐月频率计算法的计算结果为三大江的水生生物提供了令人非常满意的生长环境，尤其是在鱼类产卵期，三大江的水生态环境达到最佳状态，更加促进鱼类的繁殖与生态系统的稳定，利于河流周围生态栖息地保护。因此，该方法适用于三大江适宜生态流量的计算。

综上，计算得到的三大江7个断面年最小生态需水量与适宜生态需水量见表5。

4 结论

本文通过研究分析，并引入Tennant法进行检验，结论如下。

a) 河流生态需水量与河道水流年内变化特征一致，是一个有丰有枯的过程，而不是一个固定不变的值。据此，在计算河流生态需水量过程中，需要明确最小生态需水量，即保持河流生态状况不至退化的最小流量；及适宜生态需水量，即保证河流生态状况达到最佳状态的流量。一般来说，在人类开发利用河川径流过程中，必须保证丰水年份的河道最小水量不小于适宜生态需水量，枯水年份的河道最小水量不小于最小生态需水量[3]。

表5 三大江流域7站点年生态需水量

b) 有关验证认为，多年平均流量的10%是维持河流生态系统不受破坏的最小流量，但其为维持河道生态的临界值，长期处于这种生存条件下并不利于水生态系统的健康发展[6]。因此本文认为，要在此基础上适当预留一定空间作为河道最小生态需水量。而逐月最小生态径流计算法对三大江7个站点的生态流量计算成果，占相应多年实测年均流量的14.99%～24.02%，最符合上述要求，故选取逐月最小生态径流计算方法作为海南省南渡江、万泉河及昌化江的最小生态需水量计算方法。

c) 在逐月频率计算法中，不同学者将研究河流分为不同的特征时期，并针对各特征时期拟定不同保证率。本文参照张强等[8]在珠江流域的研究成果，将全年划分为汛期与非汛期，在汛期选用80%保证率，非汛期选取多年平均值作为生态流量。计算结果在Tennant法评价中均处于很好-最佳的结果，符合适宜生态需水量的需求。

d) 本文计算得到的三大江7站点年生态需水量计算成果为海南省南渡江、万泉河及昌化江流域水资源在不同时期的优化配置和规划调度提供了科学依据。