非一致水文条件下的永定河生态需水研究

2021-12-28缪萍萍

海河水利 2021年6期

缪萍萍，郭悦，徐鹤

（1.海河水利委员会水资源保护科学研究所，天津 300170；2.水利部发展研究中心，北京 100038）

1 引言

河流生态流量是指为维系河流水生态系统的完整性、系统性、稳定性等生态保护目标，保障人类生存与发展合理的用水需求，需要保留在河流的流量（水量、水位、水深）以及过程，可以理解为维系一定生态系统功能所不能被占用的最小资源需求量。国内外不少专家根据所面临的生态问题不同、需求不同以及看问题的角度不同，又引申出了很多生态需水概念，如河道生态需水量、湖泊生态需水量、湿地生态需水量、林地生态需水量、城市生态需水量等。《河湖生态环境需水计算规范》根据河湖生态流量（水量）的不同保障要求，分为基本生态流量和目标生态流量。其中，基本生态流量是维持河流、湖泊、沼泽给定的生态保护目标所对应的生态环境功能不丧失需要保留的最小生态流量，生态基流系维持河流基本形态和生态功能、防止河道断流、避免河流生态系统遭受无法恢复性破坏的具有一定设计保证率的生态流量保障要求，是基本生态流量过程中的最低值；目标生态流量是保障河流、湖泊、沼泽给定的生态保护目标所对应的生态环境功能正常发挥需要保留的生态流量。

目前，国内外有很多种计算河流生态需水的方法，可分为水文学法、水力学法、生物栖息地模拟法、整体法等。其中，水文学法是国内外河道生态基流计算最为常用的方法，也称水文指标法或标准流量法。该方法以历史径流量为基础，以天然径流百分比、年或月保证率、流量历时曲线等为指标，根据资料情况，可选取的方法有Tennant 法、不同频率最枯月平均值法（Qp 法）、流量历时曲线法、近10 a 最枯月平均流量等。对于流域层面的生态流量管理而言，采用水文学法按照径流百分比推求生态需水，便于协调社会经济用水与河道内生态环境用水[1-4]。

水文系列的一致性是水文水资源分析计算的前提条件。往常水文系列的还原，是将各类用水加回实测系列中，还原成天然水文系列。但是，受气候和下垫面变化等多重因素的影响，流域水文循环规律发生了变化，还原后的系列不能反映现状下垫面条件下的水资源情况，这就导致水文系列“还原失现”。以永定河流域为例，地表径流量呈逐渐减少的趋势，天然径流量已从20世纪70年代以前的19.71亿m3减少到2001―2014年的8.39亿m3，与1956―2010年的14.43亿m3相比下降41.9%[5]。若按修正前的系列采用水文学方法计算生态需水，生态需水占天然径流的比例明显偏高，对于缺水的北方流域而言，叠加地下水亏空影响，生态水量很难得到保障。因此，需要对影响前的系列按照现状下垫面条件进行修正。若通过降雨径流关系来修正水资源系列，这只是流域系统降水产流整体特性的综合反映，针对一个流域所率定的参数仅能用于该流域参数率定时的下垫面情况，当流域面积较大时甚至只能适合于率定时的雨型，无法进行下垫面变化的水文效应分析。因此，迫切需要基于降水产流物理机制的分布式水文模型来科学核算现状下垫面条件下的天然水资源量[6-7]。

2 流域概况

永定河流域位于东经112°～117°45′、北纬39°～41°20′，发源于内蒙古高原的南缘和山西高原的北部，地跨内蒙古、山西、河北、北京、天津5个省（自治区、直辖市），面积4.70 万km2。上游有桑干河、洋河两大支流，于河北省张家口怀来县朱官屯汇合后称永定河，在官厅水库纳妫水河，经官厅山峡于三家店进入平原。三家店以下，两岸均靠堤防约束，卢沟桥至梁各庄段为地上河，梁各庄以下进入永定河泛区。永定河泛区下口屈家店以下为永定新河，在大张庄以下纳龙凤河、金钟河、潮白新河和蓟运河，于北塘入海[8]。永定河流域，如图1所示。

图1 永定河流域

3 研究方法

3.1 趋势性检验

采用Mann-Kendall 检验法对永定河长系列降水、径流资料进行变化趋势特征分析。将降水或径流资料按时间顺序排列，假设序列为Xt(t= 1,2,…,i)，其对偶数p的计算公式为：

再根据对偶数p值确定τ，进而得出Var（τ）和U，其计算公式如下：

当|U|≥U0.05=1.96 时，表明该系列趋势变化显著；反之，当|Uk|＜U0.05=1.96 时，则没有显著变化趋势。Mann-Kendall 法检验变化趋势特征的途径是通过U值与假设的置信水平的标准值进行比较，得出有无显著变化趋势特征。

3.2 SWAT模型

SWAT 模型[9-10]是以水文系统为研究对象，基于GIS 平台，充分利用现有覆盖流域的DEM、土地利用、土壤等空间信息数据，以流域内气象站点和水文站点资料为基础，依据降雨和径流在自然界的运动原理建立数学模型，依据划分的子流域进行流域和产汇流计算，并依据河网、水库等特征模拟流域水文过程，精确模拟流域内各种水循环物理过程，从而获取已有资料流域的模型参数，并进行验证。SWAT是分布式模型，可以计算模拟断面的以日、月或年为单位的径流数据，能较好地模拟水文循环过程的时空变化。

3.3 生态基流计算

Tennant法是较为常用的生态需水计算方法，该方法通过建立河流流量与河道内生态环境状况之间的经验关系，以多年平均流量的一定百分比来计算生态需水量，使用简单、方便。不同河道内生态环境需水量状况对应的流量百分比，详见表1。

表1 不同河道内生态环境状况对应的流量百分比

4 计算结果

4.1 降水径流趋势性分析

永定河上游有桑干河、洋河两大支流。本文选取桑干河册田水库、洋河响水堡、永定河官厅水库3个水文站的天然径流深及控制流域的降水量作为分析系列，分析1956―2010 年系列降水、天然径流的趋势变化情况，结果如图2―3所示。

图2 1956—2010年逐年降水量

图3 1956—2010年逐年天然径流深

根据分析结果，永定河降水呈减少趋势，但||U＜U0.05，减小趋势不明显；天然径流深呈下降趋势， ||U＞U0.05，且减少趋势较为显著。永定河降水、径流趋势分析结果，详见表2。

表2 永定河降水、径流趋势分析

4.2 永定河SWAT模型构建

4.2.1 基础数据库建立

永定河SWAT 模型基础数据库主要包括DEM数据（30 m 分辨率）、流域水系图（1∶25 万）、土地利用（30 m×30 m，2010 年土地利用数据）、土壤类型（1∶100万）、气象数据（1980―2015 年气象站气象数据及永定河流域降水站降水数据）。本次采用的数据均为现状下垫面条件下的基础数据，径流模拟系列为2006―2015 年。模型经率定后用于计算现状下垫面条件下的长系列天然径流过程。

4.2.2 模型搭建

在前期数据处理的基础上，选取桑干河册田水库、洋河响水堡、永定河官厅水库作为控制站，通过设定集水面积阈值，将流域划分为101 个子流域、3 299 个水文响应单元（HRU）。由于永定河上游地表用水主要为农业用水，很多灌区没有计量设施，用水数据收集较为困难，本次利用还原后的2006―2015 年系列天然逐月径流过程，从上游往下游、从支流往干流分区域进行模型参数的率定与验证。

4.2.3 参数敏感性分析

通过t-Stat 和p-Value 对参数进行敏感性分析，若p-Value 值越小，t-Stat 绝对值越大，说明参数越敏感。根据分析，径流模拟的计算中地表径流、最大冠层截留量、地下水相关的参数、土壤性质、基流衰退系数等参数较为敏感，如CN2、CANMX、GW_DELAY、GWQMN、 REVAPMN、ESCO、EPCO、ALPHA_BF、CH_K2、SOL_K 和GW_REVAP。其中，地表径流系数为最敏感的参数。

4.2.4 评价指标

选择相对误差Re评价模拟结果，其用下式表示：