基于多种水文学方法的赣江下游生态流量估算

黄彬彬， 田 芳， 吴绍飞， 康传雄

(1.南昌工程学院鄱阳湖流域水工程安全与资源高效利用国家地方联合工程实验室，南昌 330099； 2.南昌工程学院江西省水安全与可持续发展软科学研究基地，南昌 330099)

随着人口剧增和社会经济快速发展，河道外生产用水、生活用水和河道内生态环境用水的竞争加剧，导致生态环境退化严重。生态流量是维持河流水生态系统不发生退化的最小流量，是水资源开发利用中重要的约束性指标。近年来，越来越多的学者也逐渐关注生态流量方面的研究。

从研究方法上来讲，目前中外关于生态流量的计算方法已有200余种[1]。大致可以概括为以下4类：①水文学方法，包括Tennant法、7Q10法、最小日平均流量多年平均值法等。徐宗学等[2]通过水文学方法、水力学方法和水量水质综合模拟法三类方法计算渭河关中段的生态基流，通过对比分析认为平均水深法的计算结果更能满足河流生态系统需求。张飒等[3]应用RVA法评估汉江中游的水文情势，量化了水文变化的程度；徐伟等[4]运用改进的7Q10法计算滦河各段代表水文站的最小生态流量。②水力学方法，包括R2-CROSS法、湿周法、CASMIR法等。郭文献等[5]通过曲率最大法和斜率法的对比分析计算，确定宜昌、汉口断面的最小生态流量；张新华等[6]结合湿周法和R2-CROSS法建立了一个新的水力学方法，确定的适宜生态流量更适合渭河关中段。③生物栖息地法，包括IFIM法、加权有效宽度和有效宽度法等。陈敏建等[7]利用鱼类生境法和鱼类生物量法， 计算松花江流域的适宜生态需水；班璇[8]通过中华鲟生境需求构建中华鲟的物理栖息地模型，得出葛洲坝下游合理的生态流量决策。④综合分析法，包括澳大利亚的整体分析法和BBM法。水力学方法、生态栖息地法和综合分析法需要量化水生生物栖息地流速、水深等水力学因子，收集代表性水生生物的适宜生长过程曲线，不仅需要大量的现场实测数据，还需要较长的监测周期，致使这三种方法难以广泛推广；水文学方法以河流历史流量数据为基础来计算生态流量，简单方便、需要数据少、数据要求低，实用性较强。

赣江是江西省最大河流，长江的第七大支流。近年来，赣江下游由于挖沙作业的影响，流域内经常发生旱情，枯水期最低水位相继跌破历史最低水位，水污染日益严重，水生态系统退化明显[9-11]。为了维持赣江的生态环境健康，恢复水生态系统的多样性，研究赣江干流的生态流量就显得十分重要。本文通过收集整理赣江流域外洲水文站六十多年的逐日流量资料，分析赣江干流的生态环境保护目标，采用RVA(range of variability approach)法、最小日平均流量多年平均值法、90%保证率月最小日平均流量法(Q90法)、NGPRP法、Texas法和多年日流量资料排频法(90%)计算赣江干流的生态流量过程，并采用Tennant法对这6种计算方法的计算结果进行对比检验，得到适合赣江下游适宜生态流量过程的计算方法，计算结果可为赣江流域水资源的优化配置、区域可持续开发利用和水生态系统的恢复提供科学依据。

1 研究区概况和与研究方法

1.1 赣江流域概况

赣江流域地理位置及范围如图1所示，属于亚热带湿润季风气候区，雨量充足但降水分布不均匀，降水多集中在5、6月，两月降水量占全年的38%～46%，7—9月常出现台风型暴雨，易形成灾害性洪水，赣江流域多年平均流量为2 152 m3·s-1。

图1 赣江流域地理位置及范围示意Fig.1 Geographical location and scope of Ganjiang river basin

1.2 数据来源

选用的数据是外洲水文站逐日流量序列1954—2015年共62 a的流量数据资料。

1.3 研究方法

RVA法的计算目的是认识水文变化在维护生态系统中的重要作用[12]。利用RVA阈值来计算流量过程线的可变范围，为流域生态流量的估算研究提供了参考依据[13]。RVA方法是对32个IHA指标进行分析，仅选用IHA指标中的月平均流量。根据舒畅等[14]的研究，在天然可变范围(即RVA阈值差)大于正常水文特征值(均值)的变动范围的情况下，才能够维持河流健康生态系统。本文RVA法IHA指标参数的上、下限(RVA阈值)的发生概率取25%和75%，生态流量的计算公式为

(1)

Q90法[15]即90%保证率月最小日平均流量法，源于美国的7Q10法,即采用90%保证率下最枯连续7 d的平均流量作为河流最小流量设计值并将此作为污染物排放对水生物长期影响效果的水质标准设计流量。7Q10法在20世纪70年代传入中国并在许多大型水利工程建设的环境影响评价中应用。但是该准则的要求较高，不太适合中国的国情，因此对于该方法进行修改，一般采用近10 a的最枯月平均流量或90%保证率最枯月平均流量。即对多年某一月份下的最枯流量进行频率分析(通常选用P-Ⅲ型曲线)，90%保证率对应的流量即为所求。

最枯月平均流量多年平均值法[16]应用较为广泛，就是在长系列的水文资料下，计算月平均流量，选择最小的流量数据作为最枯月平均流量，然后选择该数据在选择的水文序列中的最小值流量。

多年日流量排频法[12]，即假设每月的日流量的发生概率是相等的，然后把每月的所有日流量数据进行从大到小排频，画出P-Ⅲ曲线，得到不同频率下的流量的一种水文学方法。此方法一般用来对比不同频率的流量过程，以满足不同目标下的生态保护用水。

NGPRP法[17]对所取年份进行干旱年、标准年和湿润年的分组，最小流量的取值为标准年组90%保证率下的流量值。该方法不仅重视干旱年、标准年和湿润年的差别，还将气候条件以及接受范围内的频率因素考虑在内，但唯一的缺点就是生物学基础不强。

Texas法[18]在考虑了季节变化因素的基础上，将最小流量的取值定义在50%保证率下月流量取值。其中特定百分率是以研究区内典型植物一级鱼类的水量需求设定的，该法首次考虑了不同生物特征和区域水文特征条件下的需水量。本文由赣江下游控制站外洲水文站62 a的月径流量资料，经频率计算后取50%保证率下月流量的特定百分率作为最小流量[19]。

随着社会经济结构的调整、生态文明建设的不断推进和实施，人们对生态环境功能的需求不断增加，可以根据在下泄流量为较高保证率的生态流量值条件下，不断调整保证率水平，以维持社会不同的生态环境功能的需求。此时，生态流量不再是一组恒定不变的数值，而是与生态环境功能相关联的一系列可变动的数值[20]。

2 计算结果分析

2.1 计算结果

各种方法的计算结果如表1所示。由表1可知，1—6月的径流量逐渐增加，7—12月逐渐减少。其中赣江流域的主汛期是4—6月，三个月的月径流总量占全年总径流量49.26%，10月—次年1月份为枯水期，四个月的月径流总量仅占全年总径流量的14.40%。6种方法计算的生态流量结果均能反映出年内变化特征与季节性的变化趋势。计算得到4—6月的生态流量较大，且最大的生态流量出现在6月，达到了4 509 m3·s-1，10月—次年1月为枯水期，生态流量相对较小，其中12月份的生态流量最小，最小的低至210 m3·s-1。4月与3月相比有一个较大的增长，7月与6月相比有一个较大的回落。

表1 6种方法下的生态流量计算结果

2.2 计算结果对比分析与评价

各种方法的生态流量过程线图如图2所示。6种计算方法得出的生态流量值都在多年平均值之下，Texas法计算出来的生态流量最大，接近多年平均流量值，但在一般情况下该流量值难以实现；Q90法得到的生态流量过程最小，对应较低的生态环境保护要求；最枯月平均流量多年平均值法计算的生态流量过程变化程度大，上升和下降的程度剧烈，且在非汛期生态流量较低；多年日流量排频法中在90%频率下对应的生态流量过程与RVA法、NGPRP法计算的生态流量过程相似。

图2 6种方法计算的年生态流量过程Fig.2 Annual ecological flow process calculated by 6 methods

根据这6种方法的计算结果并利用Tennant法[21]进行对比分析。Tennant法是目前应用最为广泛的水文学方法之一。该方法构建了水深、流速、河宽等栖息地参数和流量之间的关系，设定河流多年平均流量的百分比作为生态流量估算的标准(见表2)，在计算中对12个月进行分类，4—9月为鱼类产卵育肥期和10月—次年3月份为一般用水期，然后采用不同的百分比进行计算。这里根据赣江的流域的实际情况，将Tennant法的分期进行部分调整，分为汛期与非汛期，且4—6月为汛期，7月—次年3月为非汛期。其中综合Tennant等和另外一些学者在美国维吉尼亚的河流中得出的结论：一般河流中，10%的年平均流量是河道流量的最低下限；20%的年平均流量为保护水生生物栖息地的适当标准；河道内流量占多年流量的30%～60%，河宽、水深及流速达到令人满意的程度；而60%～100%的年平均流量、河宽、水深及流速为最佳范围；河道内流量达到年平均流量的200%时，是最大的生物栖息地标准，但超过其值反而不利于生态系统的发展[22]。

表2 河流流量状况分级标准

由表1中可以看出，RVA法计算出的生态流量占多年月平均流量百分比的变化范围为18.56%～46.38%；最枯月平均流量多年平均值法和Q90法计算出的生态流量值占多年月平均流量的百分比的变化范围分别为21.9%～44.07%、17.64%～34.50%；多年日流量资料排频法(90%)和NGPRP法计算得到的生态流量占多年月平均流量的百分比的变化范围为24.73%～53.08%和30.54%～64.08%；Texas法计算得出的生态流量值占多年月平均流量值的变化范围为64.93%～93.62%。根据Tennant法的评价标准对各种方法计算的生态流量结果进行评价，可知以下结论：

(1)除了RVA法中7月和Q90法中的3、4、7月的计算结果在20%以下，6种方法计算的月生态流量均在20%以上，所以6种方法的计算结果均能满足栖息地的绝大多数的水生生物短时间生存所需的最低流量，不会导致水生栖息地功能退化。

(2)多年日流量资料排频法(90%)和NGPRP法的生态流量基本上达到了30%以上，使栖息地质量达到了令人满意的标准；最枯月平均流量多年平均值法和Q90法的生态流量值大多数维持在了20%左右，能使栖息地质量维持在“适当”的标准；RVA法除了7月的生态流量在“适当”的标准外，其他的月份均达到了令人满意的程度；Texas法的生态流量值偏大，其计算结果使栖息地质量达到最佳状态。

(3)就总体结果而言，NGPRP法的生态流量普遍高于多年日流量资料排频法(90%)的生态流量，但是NGPRP法的计算结果在5月的时候突然下降，减缓了流量脉冲，这样不利鱼类的产卵繁殖。

(4)在汛期，RVA法的生态流量高于多年日流量资料排频法(90%)的生态流量，但是在非汛期，多年日流量资料排频法(90%)的生态流量高于RVA法的生态流量。

相较于最小生态流量所确定的河流的极限的、短期的水文状态而言，适宜的生态流量更有利于河流的生态健康。根据表1并结合图2进行分析，6种方法基本上都能满足赣江下游的河道流量最低下限，但是RVA法、Q90法和最枯月平均流量多年平均值法在非汛期得到的生态流量值都较小，NGPRP法在5月的突降会对鱼类的产卵繁殖造成不利影响，所以根据结果在汛期和非汛期分别选择RVA和多年日流量资料排频法(90%)的生态流量。结合两种方法的计算结果，得出赣江下游各月的适宜生态流量，如表3、图3所示。

表3 赣江下游各月的适宜生态流量

图3 赣江下游适宜生态流量过程线Fig.3 Suitable ecological flow hydrograph in the lower reaches of Ganjiang River

计算多年月平均流量与对应月份适宜生态流量的比值，将结果分为0～1，1～2，2～3，3～4与大于4五类，统计各月份计算结果落在不同区间的比例。由表4、图4可以看出1、11月生态流量保障率最低，不达标的比例达到17.65%，大部分月份都能满足生态流量的基本需求；比值结果落在1～2区间的百分数最多，其中7月多年平均流量与适宜生态流量的比值在4以上的比例超过了50%。

表4 各月多年平均流量与对应月份适宜流量比值分类表

图4 五组倍比百分比分布图Fig.4 Percentage distribution of power ratio of five groups

3 结论

利用水文学方法对赣江下游的生态流量值进行了计算，并通过Tennant法检验其计算结果，可以得出如下结论。

(1)除了RVA法中7月和Q90法中的3、4、7月的计算结果在20% 以下，6种计算方法计算的生态流量每月均在20% 以上，所以6种计算方法的计算结果均能满足河道流量的最低下限，不会导致水生栖息地功能退化。

(2)RVA法和多年日流量资料排频法(90%)计算出的生态流量值都较为合理反映出赣江下游的丰枯变化特征。但前者汛期的生态流量值大于后者，后者的非汛期的生态流量值大于前者，结合两种方法的生态流量过程，得到了各月的适宜生态流量过程。

(3)河流中的鱼类的洄游、产卵、生长与流量的涨落过程及流量的大小有直接的关系。由得到的适宜生态流量过程可以看出，12月—次年3月的低流量保持了河道持续的水流条件，为鱼类提供足够的栖息地且为鱼类洄游提供通道；4—6月形成一个高流量脉冲，刺激鱼类洄游产卵，塑造河床形态改善河流底质；7—11月的中高流量为鱼类的生长繁殖提供稳定的流量条件。

(4)统计多年平均流量与适宜生态流量的比值的分类结果，发现赣江下游枯水期河道生态流量难以得到保障，不达标比例高于13%，尤其以1月和11月最为严重。