洞庭湖区三口水系生态基流研究

李凯轩，李志威, 2，胡旭跃, 2，陈 帮，王赞成

(1.长沙理工大学 水利工程学院，长沙 410114； 2.长沙理工大学 洞庭湖水环境治理与水生态修复湖南省重点实验室， 长沙 410114； 3.湖南百舸水利建设股份有限公司，长沙 410007)

1 研究背景

为加快农业现代化和城市社会经济发展的进程，近几十年来人类过度开发利用水资源，改变水系原有的天然水文情势，挤占水生态系统中的河流生态流量，造成局部地区出现资源型缺水、水质恶化和生物多样性减退等问题[1-2]。生态基流是指在生态需水与人类用水矛盾加剧的背景下，满足水生态系统保护目标，保证水系发挥基本生态功能和维持基本形态结构必需的下限流量[1]。若低于此值，河流无法实现生态水文连通或连而不通，生态系统将遭到破坏且在短期内不可恢复[2-3]。

生态基流的计算是河流生态水文学研究和水生态保护的关键所在，国外学者从20世纪40年代开始对其进行深入探讨，并逐步形成了4类主要方法，包括水文学法、水力学法、生物栖息地法和整体分析法[4]。国内学者将国外方法引入、改进和创新，并讨论不同方法的适应性和优缺点[1-2,5-6]。水文学法基于整条河流或部分河段的长序列流量数据，计算过程简单，是目前在我国得到最广泛运用和适用性最高的计算方法[7]。水力学法涉及水力参数的选定和度量，只要不打破该参数的阈值，河流就能维持适宜的生态流量[8]。利用该方法可得出全年生态基流固定值，但无法体现不同月份下生态基流的差异，不适用于水文变化显著的季节性河流。生物栖息地法和整体分析法分别考虑水生生物的适宜栖息条件和水生态系统的整体功能，计算要求丰富和高精度的生态资料，但部分数据难以获取，实际可操作性较低[1]。

三峡水库蓄水后，洞庭湖区三口水系分流量减少的趋势虽有所缓解且断流情况变化不显著，但生态缺水仍较为严重，局部地区的水生态、水安全和居民用水受到较大威胁[9-10]。目前关于三口水系生态基流计算的方法较少，多基于历史早期的水文资料，计算结果不适于揭示三峡水库蓄水至今的生态基流满足情况。本研究综合5种水文学方法的6种计算结果，提出一种确定生态基流的方法，得到三峡水库蓄水后三口水系的生态基流推荐值及其保证率，为实现江湖关系调整后分流量减少情况下的水资源综合利用和水生态保护提供参考。

2 研究区概况与数据来源

洞庭湖区三口水系(图1)是指长江中游荆江河段在松滋口、太平口和藕池口的分泄水流，主要流经湖北省以南和湖南省以北的洞庭湖泛洪平原，进入西、南、东洞庭湖后于城陵矶附近重新汇入长江。松滋河全长约243.2 km，是连通松滋口和洞庭湖的泄洪河道，因1870年的长江特大洪水冲开荆江南岸堤防而形成，在大口处分支为松滋西河和松滋东河，其流量分别由新江口水文站和沙道观水文站测得。虎渡河从太平口分流后，流经弥陀寺水文控制站，最终与松滋河交汇后进入目平湖，全长约133.3 km。藕池河于藕池口分泄长江超额洪水，分为东、中、西三支，全长约332.8 km。其中藕池河西支的流量由康家岗水文站控制，藕池河中、东支的总流量由管家铺水文站控制。

图1 洞庭湖区三口水系及主要水文站的位置Fig.1 Location of the three major outlets rivers into the Dongting Lake area and main hydrological stations

三口水系年均径流量由下荆江裁弯前(1959—1966年)的1 335.70亿m3削减为三峡水库蓄水后(2003—2018年)的481.40亿m3。沙道观、弥陀寺、康家岗、管家铺4个水文站常年出现断流现象(图2)，相关学者预测4个水文站在2016—2026年的平均断流天数分别为203、207、279、188 d[11]，部分河流断流形势仍较为严峻[12]。本研究搜集到新江口、沙道观、弥陀寺、康家岗和管家铺5个水文站2003—2018年逐日平均流量和1973—2002年逐月平均流量数据，适用于计算三峡水库蓄水后三口水系的生态基流推荐值及其保证率。

图2 松滋河、虎渡河和藕池河的4个水文站在不同 水平年的年平均断流天数Fig.2 Annual average days of zero-flow at four hydrological stations of Songzi, Hudu and Ouchi Rivers in different periods

3 研究方法

3.1 水文学计算方法

(1)Tennant法：取多年平均流量的10%或30%作为河流生态基流。研究表明多年平均流量的10%是保障河流发挥其基本功能和维持河道形态稳定的最小生态流量，低于该值将会使得生态环境遭受严重破坏。多年平均流量的30%能为绝大多数的水生生物提供良好的生存空间，但长期高于该值会使得水生态系统承受过大压力[13]。

(2)90%保证率法：对每月的日平均流量进行频率分析，取90%保证率下某一月份的多年最枯日平均流量为当月的生态基流[14]。

(3)NGPRP法：参考距平百分率法，将不同水平年划分为丰水年、平水年和枯水年。若距平百分率E>20%，则为丰水年；若-20%

(1)

式中：Qa为断面的多年平均流量(m3/s)；Qk为断面在第k年的平均流量(m3/s)。

(4)Texas法：考虑到特定河流的季节性变化特征，取50%保证率下月平均流量的某一指定百分比为计算结果[16]。本研究参考吴喜军等[3]的分析结果，取20%的指定百分比。

(5)最枯日法：通常取最近10 a第i月最枯日平均流量的多年平均值作为当月的生态基流，本研究取2003—2018年共16 a的水文数据，以保证各计算方法选取的时间尺度一致。计算公式为[14]

(2)

式中：Qi为第i月的生态基流(m3/s)；Qij为第i月第j天的平均流量(m3/s)；n为统计年数。

3.2 生态基流及其保证率的确定方法

前人通常通过对比多种方法的计算结果，以一种最适宜方法的计算结果作为河流全部月份或全年的生态基流。若不同方法对计算某一条河流的生态基流都有较好的适用性，且计算结果较为接近和难以取舍，如何确定该情景下的生态基流值得进一步探讨。

本研究认为，针对三口水系这类断流情况严重且季节性变化显著的河流，应综合多种方法的计算结果以确定不同月份和全年的生态基流推荐值。首先，分析各水系在不同时期的水文变化特征，将松滋西河、松滋东河、虎渡河和藕池河东支的水期细分为丰水期(6—9月份)、平水期(4—5月份、10—11月份)和枯水期(12月份—翌年3月份)。藕池河西支的水资源短缺问题尤为严重，在此不考虑丰水期，只分为平水期(6—9月份)和枯水期(10月份—翌年5月份)。枯水期根据其径流量大小进一步细分为一般枯水期和长断流期(月均流量近似于0的水期)。其次，将Tennant法作为一种经验公式以界定和修正生态基流，将小于月均流量10%和大于月均流量30%的计算结果舍去。在丰水期，以Tennant法(30%)的计算结果为当月的生态基流推荐值。在平水期，以Tennant法(30%)的计算结果为最高上限，取其他不同方法的平均值。对于一般枯水期，以Tennant法(10%)的结果为最低下限，取其他不同方法的较低值。长断流期考虑到河流生态流量恢复能力和口门区输挖的工程量，将三峡水库蓄水前(1973—2002年)Tennant法(10%)的计算结果拟定为当月生态基流推荐值。最后，取各月生态基流推荐值的平均值为全年生态基流推荐值。该方法可保证全年和逐月的生态基流推荐值分别处于年、月均流量10%～30%的合理范围内(表1)。

表1 不同水期逐月生态基流的确定方法Table 1 Method of determining monthly ecological base flow in different water periods

将统计年份的逐日平均流量与确定的生态基流推荐值进行对比，计算逐月的生态基流保证率,并由此推算全年的生态基流保证率。逐月的生态基流保证率计算公式为[3]

Pi=D/Dt×100%，Qd≥Qi。

(3)

式中:Pi为第i月的生态基流保证率(%)；Qd为该月断面逐日流量(m3/s)；Qi为第i月份生态基流(m3/s)；Dt为第i月份的天数(d)；D为满足Qd≥Qi的天数(d)。

图3 不同计算方法下5个水文站的逐月生态基流Fig.3 Monthly ecological base flow at five hydrological stations by different calculation methods

4 研究结果

4.1 三口水系生态基流的确定

采用第3.1节中的多种水文学方法计算三口水系的逐月生态基流，结果如图3所示。根据表1中的三口水系生态基流确定方法，确定三口水系5个水文站在不同月份的生态基流推荐值，结果如表2所示。

表2 5个水文站逐月的生态基流推荐值Table 2 Recommended values of monthly ecological basic flow at five hydrological stations

由逐月生态基流推荐值推算新江口、沙道观、弥陀寺、康家岗和管家铺站的全年生态基流推荐值，分别为208.18、49.44、75.39、2.52、93.94 m3/s。2003—2018年新江口、沙道观、弥陀寺、康家岗和管家铺站的年平均流量分别为763.04、167.66、260.84、11.49、322.72 m3/s。全年生态基流推荐值在多年平均流量中的占比分别为27.28%、29.49%、28.90%、21.93%、29.11%，处于多年平均流量10%～30%的范围内(表3)，且逐月生态基流推荐值也处于当月流量10%～30%的范围内，验证得知该方法和结果合理。

表3 5个水文站的全年生态基流推荐值及其在多年 平均流量中的占比Table 3 Ratio of annual recommended value of ecological base flow to annual discharge of five hydrological stations

4.2 三口水系生态基流及其保证率对比分析

新江口、沙道观、弥陀寺、康家岗和管家铺的逐月生态基流保证率见图4，推算其全年生态基流保证率分别为84.83%、37.52%、51.88%、21.84%、42.60%。松滋西河、松滋东河、虎渡河和藕池中、东支全年的生态基流水文过程需经历“枯-平-丰-平-枯”5个水期阶段，而藕池西支断流期较早，仅经历“枯-平-枯”3个水期阶段。非汛期除新江口站外，其余4个水文站基本一直处于长断流期，康家岗站即使在汛期生态基流也非常小。各水文站的生态基流最高值均出现在7月份，8月份、9月份和6月份依次递减，且汛期的生态基流及其保证率都明显高于非汛期。除新江口站外，其余各站1、2、3、4、12月份的生态基流都较低甚至接近0。松滋西河的全年生态基流保证率最高，达到84.83%。其他河流的全年生态基流保证率均低于60.00%，特别是藕池西支，全年的生态基流保证率仅21.84%。除新江口站外，其余各站1、2、3、12月份的生态基流保证率都近似于0。

图4 5个水文站的逐月生态基流保证率Fig.4 Monthly guarantee rate of ecological base flow at five hydrological stations

三口水系的生态基流尤其是在非汛期得不到保证，主要有以下4点原因：

(1)从三峡水库的运行调度来看，其蓄水作用降低了长江干流的来流量和中高流量的持续时长，三口分流量相应减小[12,17]，在枯水期的泄水量又难以抵消因长江干流冲刷(水位下降)而引起三口分流量的减少[18]。

(2)从三口水系5站的多年实测水文数据来看，汛期来水量占全年总来水量约96.00%，非汛期除松滋西支外，其余河流流量小、断流期早、断流延续时间长。

(3)口门区的河底高程和口门宽度不同，不同水系的荆江分流量存在差异。如松滋西支较东支的口门门槛低且宽，因此成为松滋河的分洪主流[18]。

(4)此外，河道外的城镇用水和工业用水量逐年增加，挤占河道内的生态流量，也是生态基流得不到保证的原因之一。

为改善生态基流保证率低的现状，当前洞庭湖区开展了一系列三口水系综合整治措施，包括实施引水补水工程、河道疏浚工程和水系连通工程。建议今后继续优化生态基流适应性管理方案和补水调度方案，适时加大三峡水库的下泄流量或提前泄流，增加三口分流量，缩短断流天数，以解决因局部地区生态流量严重不足而造成的水生态恶化、生活生产用水不足和行洪困难等问题。

5 结 论

(1)提出了洞庭湖区三口水系生态基流的确定方法，基于三口水系5个水文站2003—2018年逐日平均流量，取不同水文学法的计算结果为丰水期、平水期和一般枯水期的逐月生态基流，并拟定1973—2002年非汛期Tennant法(10%)的计算结果为长断流期的逐月生态基流。经验证，该方法确定的全年和逐月生态基流分别处于多年平均流量和逐月平均流量10%～30%的合理范围之内。

(2)三口水系中松滋西河的全年生态基流保证率最高，达到84.83%。其余河流的全年生态基流保证率均低于60.00%，特别是藕池河西支，全年的生态基流保证率仅为21.84%。因此，除松滋西河外，其余河流的逐月生态基流未得到良好保证。

需要指出的是，本研究仅考虑河流水文变化特征，今后可从生态保护的水质标准、生物栖息地和生态系统整体功能等多角度研究洞庭湖区水系的生态基流，并分析三峡水库蓄水前后的生态基流保证率变化。