浅丘河道生态需水量计算方法对比研究<br/>——以鄂北地区水河为例

浅丘河道生态需水量计算方法对比研究
——以鄂北地区水河为例

2020-05-30王咏铃王海波邹朝望尹耀锋

三峡生态环境监测 2020年1期

王咏铃，王海波，邹朝望，尹耀锋

（湖北省水利水电规划勘察设计院，武汉 430064）

随着我国经济实力的增强和人民环境保护意识的提升，有关生态环境的研究越来越受重视。关于河流生态问题的研究可追溯到20世纪40年代，美国鱼类与野生动物保护部门提出了河流最小环境流量的概念，此后陆续提出一系列生态需水计算方法。我国对“生态水利”的研究起步较晚，近几十年来生态需水话题越来越受重视，重点在于探讨河流最小流量的确定方法，主要是针对西北干旱、半干旱地区，对浅丘平原河道生态流量的对比研究相对较少。迄今为止，全球范围内关于生态需水的计算，方法达200多种[1]。国外河流生态需水计算方法主要分为水力学方法、水文学方法、栖息地法以及综合法等，常用的主要是水文学及水力学计算法[2]。水文学计算方法主要有Tennant法、流量历时曲线法、Texas法等。水文学方法一般计算较简单，对数据要求不高，但没有将水生生物因素直接考虑在内，从而导致生物参数及其相互影响被忽略。水力学计算方法主要包括湿周法、R2CROSS法等。水力学方法相较于水文学法考虑了河道形态要素，与水文学方法相比该方法更为准确，同时也可为其他方法提供水力学依据[3]。

总体而言，国内外关于生态需水已经有不少实用性的定量计算方法，但缺乏一套系统、成熟的理论，针对区域性生态需水计算方法的选择及其适用性的研究也相对较少。因此，本文综合考虑水文、水力、生物因素，选取Qp法、频率曲线法、最小月平均流量法、Tennant法及生物习性法，以鄂北地区浅丘河道——水河为例计算河道生态需水量，并考虑水文、水质条件，比选河道断面适宜生态流量的计算方法，为保护河道生态环境等提供重要参考[4]。

1 计算方法及原理

生态需水一般是指为维护生态环境系统稳定、维持水体特定功能，并逐步改善生态环境所需的流量或水量[5]。本文采用以下五种方法分别计算断面生态需水流量。

1.1 Qp法

Qp法又称不同频率最枯月平均值法，是以节点长系列（n≥30年）天然月平均流量、月平均水位或径流量（Q）为基础，用每年的最枯月平均流量进行排频分析。选择一定频率下的最枯月平均流量、月平均水位或径流量平均流量作为节点基本生态环境需水量的最小值[6]。频率P根据河湖水资源开发利用程度、规模、来水情况等实际情况确定，宜取90%或95%[7]。

1.2 频率曲线法

频率曲线法是用长系列水文资料的月平均流量、月平均水位或径流量的历史资料构建各月水文频率曲线。将95%频率相应的月平均流量、月平均水位或径流量作为对应月份的节点基本生态环境需水量，组成年内不同时段值，用汛期、非汛期各月的平均值复核汛期、非汛期的基本生态环境需水量[8]。

1.3 最小月平均流量法

最小月平均法[9]是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。其计算公式为：

式中：Qb为河流基本生态需水量，m3/s；Qij为第i年第j个月的月平均流量，m3/s；N为统计年数。

1.4 Tennant法

Tennant法又称为蒙大拿法（Montana），是依据观测资料建立的流量和河流生态环境状况之间的经验关系。用历史流量资料就可以确定年内不同时段的生态环境需水量，取天然年径流的百分比作为河流生态需水的推荐值[10]。

不同河道内生态环境状况对应的流量百分比见表1。推荐的基流分为汛期和非汛期，推荐值以占径流量的百分比作为标准。如10%的年平均流量是退化或贫瘠的栖息地条件；20%的年平均流量提供了保护水生生物栖息地的适当标准；在小河流中，30%的年平均流量接近最佳生物栖息地标准。

表1 不同河道内生态环境状况对应的流量百分比Table 1 Percentage of flow corresponding to the ecological environment conditions in different rivers

1.5 生物习性法

生物习性法[11]是一种基于生态保护对象的生活习性和流量变化的河道生态需水量（ecological instream flow requirements，EIFR）估算方法。通过建立流量变化与生物习性的定量关系，确定主要生态保护对象生活习性关键月份，既具有水文学方法的简便优势，又能尽可能多地考虑生物学特性，能较好地解决资料缺乏地区的生态需水估算问题。EIFR的计算包括两部分，对于关键月，EIFR为该月中值流量与该月的流量变异系数的乘积。对其他月份，EIFR为90%超过概率流量与全年各月流量变异系数最小值之乘积。

相关研究经验表明，河流流量变异系数与生物生活习性存在某种相关性[11]。根据研究区的流量资料系列，其变异系数由下式求出：

关键月的中值流量为Qmean,i，该月的变异系数为CVi，则主要保护生态对象在该关键月的生态需水量EIFRv。

对一般月份来讲，河流主要保护对象对流量没有特别要求，河道只需要维持一定水量作为河流基本流量，采用下式进行计算：

式中：Q90%为90%超过概率流量，由流量历时曲线推求；CVmin为河流12个月变异系数的最小值，其物理意义是河道需保持90%概率意义下流量最小标准均方差量级的流量作为河流最基本流量。

2 方法在工程中的应用

2.1 研究区概况

图1 水流域及断面位置示意图Fig.1 The overview of the Jueshui River basin and sections

研究区内主要生态保护对象为四大家鱼（鲢鱼、鳙鱼、青鱼及草鱼），其中鲢鱼喜高温，性急躁，善跳跃，生长速度快、产量高，每年4—6月产卵，冬季则潜至深水越冬；鳙鱼、青鱼性温顺，行动迟缓，4—7月在江河干流中繁殖较为旺盛，生殖后常集中于江河弯道及通江湖泊中肥育，冬季在深水处越冬；草鱼性情活泼，在夏季5、6月最为旺盛，11月后则潜入干流或湖泊的深水处越冬。

2.2 数据资料

2.3 结果分析

2.3.1 年度需水量分析

基于年尺度对比五种计算方法得到的生态需水总量对比图（图2）。发现两断面的共同之处：Qp法的年需水总量最少，生物习性法的年需水总量最大。断面1处于水河下游河段，生物习性法和Tennant法计算得到的全年平均生态需水流量远高于年均天然流量，若采用这两种方法计算得到的河道适宜生态需水作为标准，势必会大幅增加保障河道生态需水的压力；断面2各方法计算结果均小于天然年均流量。因此，在水河这类天然径流较小的河道上游断面不建议采用生物习性法和Tennant法。

图2 各方法生态需水总量对比Fig.2 Comparison of total ecological water demand estimated by different methods

2.3.2 水文节律变化分析

5种生态需水量计算方法得到的两断面的生态需水流量结果见图3。根据水河上下游断面1960—2011年（共计52年）天然径流资料排频分析计算，并选取90%枯水年1976年作为典型年进行对比分析。从月尺度来看，水河封江口水库下游断面的枯水月份与丰水月份月均天然流量数值相差不大，其中流量相对较低的10至4月中，6个月的总流量值约占全年总流量值的44%，多年月均天然流量没有明显的季节性变化[12]；水河随岳高速断面的枯水月份与丰水月份月均天然流量数值相差较大，其中流量相对较低的10月至4月中，6个月的总流量值约占全年总流量值的20%，多年月均天然流量呈现明显的季节性变化。对比这5种方法的月生态需水流量过程发现：断面1随岳高速断面中，频率曲线法计算结果最能吻合天然径流的月尺度变化规律；断面2封江口水库下游断面中，生物习性法计算结果相较于Tennant法更加匹配断面天然径流的变化趋势，从一定程度上能大致反映河道流量的季节性变化[2]。

图3 不同生态流量计算方法对比Fig.3 Comparison of calculation results with different methods

2.3.3 水质变化规律分析

图4 生态流量过程与水质变化图Fig.4 Variation chart of ecological flow process and water quality

河道主要污染物TN的现状水质监测数据与生态流量计算结果的月尺度变化过程如图4所示。对比分析发现，断面1中，频率曲线法计算结果相较于其他方法能更好地拟合TN水质变化过程，断面2中生物习性法更能吻合TN水质变化趋势。因此上下游断面分别采用生物习性法、频率曲线法计算生态流量更有利于水河的水质改善[2]。究其原因，主要是水质改善效果与封江口水库下泄流量过程紧密相关，通过生物习性法计算得到的断面2生态流量除个别月份外均大于其他方法，且与水质变化趋势相似；通过频率曲线法计算得到的断面1生态流量虽然在某些月份低于生物习性法和Tennant法，但它与水质变化趋势大体相同。

2.3.4 讨论

结合河道断面年需水总量、典型年天然径流变化及主要污染物TN的水质变化这三个因素，可以发现生物习性法和频率曲线法在水文节律和水质变化方面都有很好的表现，生物习性法考虑了水生生物在枯水期对流量的需求，频率曲线法考虑了不利水文条件下河道的生态需求。因此，建议在水河上游断面采用生物习性法，下游断面采用频率曲线法。