淮河干流阜阳段生态基流估算研究

2020-10-20丁智慧王振龙朱永华

人民黄河 2020年5期

丁智慧王振龙朱永华

摘要：为了有效保障淮河干流阜阳段生态系统需水要求，根据淮河阜阳段鲁台子站1973—2017年实测流量资料，采用基流比例法、Tennant法、最枯月平均流量多年平均值法及90%保证率法，对淮河中游阜阳段生态基流进行了分析计算。综合对比分析各种生态基流计算结果认为，淮河阜阳段生态基流为67.17～201.52 m3/s;除特枯年外，其生态基流保障程度基本能达到90%，结果比较符合实际。生态基流上限值占多年平均流量的32%，为了使河流健康状况达到更好水平，还需采取生态调度、跨流域调水等措施，实施引江济淮工程等，逐步提高生态基流值，从而保障生态环境安全。

关键词：生态基流;基流比例法;流量;淮河

中图分类号：P333;X522 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.05.020

Abstract：In order to effectively guarantee the water requirement of the ecosystem in the Fuyang reach of the main stream of Huaihe River， the method of basic flow ration， the Tennant method， average of the minimum monthly average flow and 90% of the minimum monthly average flow were used to calculate and analyze the ecological base flow of this area based on the measured run off data of Lutaizi Station from 1973-2017. The results of various ecological basic flow calculations which were comprehensively analyzed and compared show that the ecological basic flow range in Fuyang reach of Huaihe is 67.17-201.52 m3/s; the ecological base flow security degree can reach more than 90% except the extraordinary dry year， which gives the calculated results in good agreement with practice. The upper limit of ecological base flow accounts for 32% of the annual average runoff， in order to achieve a better level of river health， measures such as ecological regulation， inter basin water diversion and project of diverting water from Yangtze to Huaihe River should be implemented to gradually increase the ecological base flow value to ensure the ecological environment.

Key words： ecological base flow; basic flow ration method; runoff; Huaihe River

河流生態基流是维持河流基本形态和基本生态功能的最小流量[1]，确定合理的生态基流不仅可以维持河流生态系统基本功能的正常运转，而且可以为合理配置和规划水资源提供可靠依据[2]。国外计算河流生态需水量的方法有200多种[3]，可分为水文指标法、水力学法、栖息地法和整体分析法[4]4类，其中：典型水文指标法（也称历史流量法）有Tennant法、Texas法、7Q10法、NGPRP法、可变范围法（RVA）等[5-6];水力学法是将流量变化与河道水力学参数联系起来求解生态需水量，有湿周法、R2CROSS法等[7];栖息地法（也称生境法）的代表方法有河道内流量增量法（IFIM）、CASMIR法[8];整体分析法包括澳大利亚的整体分析法和南非的建筑堆块法（BBM法）[9]。

我国学者在研究生态基流时，针对不同的研究流域采用不同的生态基流计算方法。徐志侠等[10]以颍河中下游地区周口水文站为例，基于生态系统分析研究了河道最小生态需水量计算方法;门宝辉等[11]将Tennant法的用水期修改为7—8月，计算了南水北调西线河道内生态需水量;郭利丹等[12]对水文指标法中几种常用的方法进行了比较分析，如最小月平均流量法、最小连续平均流量法、逐月频率计算法、逐月最小生态径流计算，认为计算河流最小生态径流量的最优方法是逐月最小生态径流量，计算河流适宜生态径流量的最优方法是逐月频率计算法;吴喜军等[7]采用基流比例法计算了渭河丰、平、枯及特枯年不同年型和年内不同水期的生态基流。目前，由于我国缺乏生态资料，因此栖息地法和整体分析法的使用存在困难，而水力学法需要河道现场试验来获取河道断面资料等数据，耗费人力和物力大，成本高，时间长，可操作性差[13-14]。水文指标法仅利用已有历史径流量数据来计算河流生态基流，而我国大部分地区都有较长序列的水文资料，因此目前国内水文指标法最为常用[15]。笔者以淮河中游阜阳段为例，采用基流比例法、Tennant法、最枯月平均流量多年平均值法及90%保证率法4种较为常用的方法估算其生态基流，以期为淮河干流生态需水保障及水环境安全提供科学依据。

1 研究区概况

阜阳市位于安徽省西北部，淮河中游。淮河干流在阜阳市境内长169 km，境内流域面积9 775 km2，其主要有沙颍河、茨淮新河、谷河、润河、大润河、阜蒙新河、西淝河等支流，八里湖、焦岗湖等湖泊，塘垛湖、邱家湖、南润段3处行蓄洪区以及濛洼蓄洪区。淮河中上游分界处建有王家坝闸，设计流量1 626 m3/s，最大过洪能力1 799 m3/s。鲁台子站是淮河干流中游的主要控制站，集水面积88 630 km2，鲁台子测流断面右岸有寿西湖行洪区，下游约7 km处左岸有董峰湖行洪区，它们对淮河洪水起滞蓄、削减洪峰等作用。濛洼曹台子退水闸位于蒙洼蓄洪区下游淮濛堤接头处，最大泄流量2 000 m3/s。

2 生态基流计算

根据水文站实测水文资料即鲁台子站1973—2017年45 a的实测月径流资料，计算分析淮河干流的生态基流。

2.1 基流比例法

为了使生态基流反映河流生物栖息地的年际和年内变化，基流比例法将长时间序列划分为丰水年、平水年、枯水年和特枯年等年型，在年内划分丰水期、平水期、枯水期等时段，确定不同时段的基流比例，并计算生态基流[7]。

2.1.1 计算方法

（1）年型划分。采用距平百分率法进行年型划分[7]：

（2）基流比例。将丰水年作为计算起点，确定其基流比例，并进行验证，再根据各年型年平均流量之间的比值确定不同年型的基流比例关系，逐年型推算基流比例，计算公式为式中：Ti为监测断面第i年型的基流比例，%;i=1、2、3、4，分别代表丰水年、平水年、枯水年、特枯年;α为比例系数，即第i+1年型与第i年型基流比例的比值[16];Qi为监测断面第i种年型的平均流量，m3/s;μ为削减系数，0≤μ≤1，μ与河流丰枯特性有关，一般取0.4（μ=1表明基流比例不削减，基流比例为年型间的年径流量之比，各年型的基流值一样;μ=0表示完全削減，基流比例与年径流量之间的比值无关，各年型的基流比例相等[7]）。

（3）生态基流计算。各时段的生态基流为相应时段的平均流量与其基流比例的乘积，生态基流计算公式：

2.1.2 各年型生态基流计算

利用鲁台子站1973—2017年实测逐月平均流量数据，计算出鲁台子站多年平均流量为628.11 m3/s。按照式（1）和年型划分标准，将45 a划分为丰水年、平水年、枯水年及特枯年，分别计算不同年型的平均流量。根据Tennant法中河流流量与河道生态健康状况之间的关系，假设丰水年生态基流比例为20%，其生态基流占多年平均流量的32%。根据上述方法计算各年型的生态基流，结果见表1，其中丰水年与平水年、平水年与枯水年、枯水年与特枯年之间的基流比例系数α分别为1.34、1.21、1.27。

由表1计算结果可知，淮河阜阳段从丰水年到特枯年的生态基流为200.97～87.74 m3/s，占多年平均流量628.11 m3/s的32%～14%，符合Tennant法的推荐比例。根据实测多年流量过程和生态基流绘制图1，并进行对比分析。由图1可以看出，鲁台子站实测年均流量均能满足生态基流，并且生态基流随着年均流量的变化而相应增减。

2.1.3 年内各时段生态基流计算

鲁台子站各月多年平均流量分布见图2，可以看出，12月至次年4月平均流量最低，为188.52～341.73 m3/s，可以定为枯水期;5—6月、10—11月平均流量为446.90～638.53 m3/s，为平水期;7—9月平均流量在900 m3/s以上，为丰水期。根据表1计算出的各年型基流比例，分别计算不同年型各水期的生态基流，结果见表2。

2.2 Tennant法

Tennant法是将年平均流量的百分比作为生态基流[18]，河流的生态基流即为多年平均流量的一定比例（10%～30% ）。根据Tennant法河流生态健康状况8个等级标准[19-20]，以及鲁台子断面1973—2017年实测月径流资料，计算生态流量，结果见表3。一般用水期和鱼类产卵育幼期分别取相应时段年平均流量的10%（35.03 m3/s）和30%（271.79 m3/s）作为生态基流。

2.3 最枯月平均流量多年平均值法

该方法将最枯月实测平均流量的多年平均值作为河流的生态基流，计算公式：

式中：Qb为河流生态基流，m3/s;Qij为第i年第j月的实测平均流量，m3/s;n为统计年数[21]。

根据鲁台子站1973—2017年实测月平均流量数据资料，生态基流计算结果为105.7 m3/s，占多年平均流量的17%。

2.4 90%保证率法

该方法是选用P-Ⅲ型曲线对多年最枯月平均流量进行频率分析，生态基流即为90%保证率对应的流量[22]。根据鲁台子站1973—2017年实测月平均流量数据，生态基流计算结果为43.3 m3/s，占多年平均流量的7%。

3 生态基流计算结果比较与保障程度分析

3.1 结果比较

采用上述4种方法对淮河阜阳段进行生态基流计算，这4种方法计算结果存在一定差别，见表4。由表4可以看出，基流比例法的计算结果基本可以涵盖其他方法的计算结果，表明该方法是合理的。为了满足橄榄蛏蚌国家级水产种质资源以及湿地生态的保护要求，同时根据Tennant法的河道流量与河流健康状况的关系，即当河道流量小于多年平均流量的10%时，河流生态状况开始恶化[23]，因此淮河阜阳段生态基流暂定为枯水年计算结果67.17～218.23 m3/s，占多年平均流量的11%～35%，符合Tennant法的推荐比例。其中丰水期不小于218.23 m3/s，平水期不小于94.32 m3/s，枯水期不小于67.17 m3/s。

3.2 生态基流保障程度分析

河流生态需水能否得到满足是河流健康评价的基础[24]，将1973—2017年淮河鲁台子站各代表年（取丰水年中的2005年、平水年中的2004年、枯水年中的1988年、特枯年中的2001年为代表年）各时段逐日流量与表4中计算的相应生态基流进行对比，对其保障程度进行分析，分析淮河实际流量是否满足生态需水，以根据生态需水的盈缺过程进行合理的生态调度。生态基流保障程度[7，17]：

从表5可以看出，除特枯年外，丰水年、平水年和枯水年的保障程度都达到90%;从年内各时段来看，丰水期较平水期和枯水期偏低，其中特枯年（2001年）丰水期保障程度最低，仅为32%，原因是丰水期生态基流大，有时较难满足。为了进一步提高丰水期的保障程度，根据Tennant法（271.79 m3/s）枯水年丰水期（218.23 m3/s）、特枯年丰水期（114.54 m3/s）的计算结果，将该河段生态基流上限值定为201.52 m3/s，以进一步提高丰水年和平水年的生态基流满足程度。有些学者将生态基流值定为保障程度90%的流量值[7]，本文生态基流除了特枯年外均满足这一要求，体现了计算方法的合理性。

4 结语

采用基流比例法、Tennant法、最枯月平均流量多年平均值法和90%保证率法对淮河干流阜阳段生态基流进行了计算，各方法计算结果存在一定差异。通过对比分析认为，淮河阜阳段生态基流为67.17～201.52 m3/s，这个范围能更好反映不同年型不同水期的生态基流。将断面代表年实际逐日流量与基流比例法计算的淮河干流阜阳段各水平年各时期的生态基流进行比较，分析淮河干流阜阳段生态基流保障程度表明，该河段除了特枯年以外各年型均能得到保障。计算得到的生态基流上限值占多年平均流量的32%，为了使河流健康状况达到更好水平，还需采取生态调度、跨流域调水等措施，待引江济淮工程实施后，可逐步提高生态基流值，从而保障生态环境安全。

受数据资料限制，仅以自然环境下河道流量为依托确定了生态基流，未考虑工农业生产及人们日常生活用水等对生态基流的影响，今后在此基础上还需进一步研究和探讨。

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