韩城市澽水河最小生态流量分析研究

马肖雄，王 健

(西北农林科技大学，陕西 咸阳 712100)

黄河流域生态保护与高质量发展是贯彻落实区域协调发展战略的重要举措，也是践行习近平生态文明思想的重要抓手，黄河流域省区如何借力国家战略支持，发挥后发优势，破解生态保护与发展的协同难题，对于实现黄河经济带的高质量发展意义重大[1]。澽水河是黄河的一级支流，也是韩城人民的母亲河。澽水河干流位于韩城市西北约20km上建有薛峰水库，是一座具有农业灌溉、城市供水、防洪保安等综合效益的中型水库。2019年5月5日韩城市水务局在“韩水发【2019】43号文”中要求“在正常供水情况下，澽水河生态基流不能低于多年平均径流量的15%”，澽水河流经下游镇办、城区、竹园村景区及澽水湿地公园，薛峰水库对澽水河下游河道的生态环境影响较大，适宜的最小生态流量计算方法为快速估算薛峰水库下泄生态流量提供有效途径[2]。

河道是生态系统的重要组成部分，河道破坏与河道污染会增加生态环境负担，致使生态环境恶化，影响生活环境。目前国内外对于河道生态流量的计算可分为4大类，分别为水文学法、水力学法、栖息地法和整体分析法，其中应用较多的是水文学法[3- 5]。

河流的生态径流量与流域的水文气象和水资源开发利用程度等因素有关，由于我国幅员辽阔河流众多，不同地域的河流时空变化性大，不同的水文学法在计算河流生态径流的过程中出现了计算结果差异较大的情况[6]。本文参考国内外文献选用水文学方法中的Tennant法、年内展布法、频率曲线法、逐月最小径流法分别计算澽水河生态径流量，并分析不同方法计算结果之间的差异性，确定适合澽水河河道生态需水实际情况的计算方法，为薛峰水库下泄补充生态用水量提供参考。

1 研究区概况

1.1 流域概况

澽水河是陕西省境内黄河流域直接入黄的一条支流，东西长40.25km，南北宽39.65km，流域分属延安市黄龙县和渭南市韩城市。澽水河全流域面积1083km2，主河道全长83.3km，河床平均比降6.7‰。韩城境内主河道长53km，流域面积616km2，占全流域面积的57%。

薛峰水库位于韩城市西北约20km的澽水河干流上，1973年7月基本建成，总库容4360×104m3，有效库容3024×104m3，死库容240×104m3，水库坝址处多年平均径流量5854×104m3，多年平均供水量2136×104m3。水库主要担负着韩城市7个镇(办)10667hm2农田灌溉任务和市区及韩城发电厂供水任务，是一座具有农业灌溉、城市供水、防洪保安等综合效益的中型水库。

1.2 水文气象

澽水河流域地处内陆，属暖温带半干旱半湿润大陆性季风气候区，在大气环流和地形综合作用下，形成汛期降水量大而集中、冬季降水量小，降水量年际变化大的特点[7]。根据韩城市气象站实测资料统计，澽水河流域多年年平均气温13.5℃，多年平均降雨量554mm，区域内降水量时空分布不均，年内降水主要集中在7—9月。

2 资料来源和研究方法

2.1 资料来源

黄河水利委员会曾于1958年12月在澽水河薛峰水库坝址断面以上5km处设牛心水文站，控制流域面积499km2，1967年撤销。牛心站记录了澽水河1959—1966年共8年实测水文数据。薛峰水库位于韩城市板桥镇小米川口的澽水河干流上，始建于1972年，1975年投入使用。薛峰水库自1975年建成后，水库管理处对库水位和入库流量进行了详细的观测记录。根据库水位升降结合库容曲线推求来水量，由此整理出1975—2014年共40年的径流资料。由于牛心站水文资料系列较短，且年代久远，本文选用薛峰水库1975—2014年共40年的径流资料来作为基础数据。

2.2 研究方法

2.2.1Tennant法

Tennant法目前广泛用于我国河流生态径流的研究，在计算时根据流域实际径流特征将统计时段分为汛期和非汛期2部分，构建河道年内不同时段河道流量与生态质量之间的经验关系，并且按照汛期、非汛期2个时段来统计[8- 9]。北方缺水性河道在年内较枯时期基本生态需水量不得小于河道多年平均径流量的10%，较丰时期河道基本生态需水量为河道多年平均流量的20%～30%[10]，考虑到薛峰水库用水紧张及结合韩水发【2019】43号文对澽水河生态基流的要求，本文在汛期(7—9月)取20%，非汛期(1—6月、10—12月)取15%，计算公式为：

(1)

式中，Qj—第j月河道生态径流量，m3/s；Qij—第i年第j月平均径流量，m3/s；n—统计年数；k—系数。

2.2.2年内展布法

年内展布法建立最小年均径流量与多年年均径流量的同期均值比，结合各月多年平均径流过程，确定年内基本生态需水过程，年内展布法能够反映河道年内径流过程和变化特征，具有很强的适用性和良好的区域代表性[11]，计算公式如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

2.2.3频率曲线法

频率曲线法在计算生态径流量时，首先将河道多年平均径流量数据按照月份分为12个系列，对每个系列的平均径流量数据按从大到小进行排序，按大小顺序排位的第i项月平均径流量的频率为：

(6)

式中，Pij—j月第i项月平均径流量的频率(j=1，2，…，12)，%；i—月平均径流量的序位；n—统计年数。

用12个月的平均径流量资料构建水文频率曲线，并分别用P-Ⅲ型曲线进行频率适线，将95%频率下对应的月平均流量作为对应月份的生态径流量。

2.2.4逐月最小径流法

逐月最小径流法考虑了河道径流丰枯变化的连续性以及不同时期河流生态系统对水文条件的需求，将河道多年月平均径流量数据按照月份分成12个系列，用每个系列中最小的径流量来作为河道的月生态径流量[12]。

3 结果与分析

澽水河河川径流特征主要受降雨影响，由于降水量年际变化大，年内分配不均，所以径流也呈现出与降水相似的特征。每年7—9月份澽水河流域常出现暴雨和大暴雨，致使河道在汛期和非汛期径流量变化明显。根据澽水河流域径流特征，在计算时将统计时段分为2部分，即汛期(7—9月)和非汛期(1—6月、10—12月)。用Tennant法、年内展布法、频率曲线法和逐月最小径流法分别计算澽水河生态径流，并将计算结果进行对比，计算结果见表1。通过对比发现4种方法计算的生态径流存在一定的差异性。为便于分析不同方法之间的差异性，根据表1的计算结果绘制澽水河年内生态径流过程线，如图1所示。

表1 不同水文学方法生态流量计算结果表

图1从年内不同时段生态径流的整体变化趋势看，4种方法计算得到的生态径流量在非汛期时的生态径流数值接近且变化趋势相似，而在汛期却存在明显的差异。Tennant法汛期明显偏大，年内展布法适中，频率曲线法和逐月最小径流法偏小。结合韩城市澽水河流域水文气象特征，澽水河流域多年平均降水时空分布不均，暴雨多发在7—9月份，这就造成澽水河汛期来水量大，汛期和非汛期流量变化显著的特点。频率曲线法和逐月最小径流法计算到的汛期与非汛期生态径流变化不显著，不适用于韩城市澽水河生态径流的计算。

图1 不同计算方法下澽水河生态径流量过程线

为进一步分析不同水文学方法的合理性，并选出适用于澽水河年内生态径流过程的计算方法，本文使用SPSS统计软件将4种计算方法得到的结果与2005—2014年(近10年)的逐月月平均径流量进行相关性分析[13]。Pearson相关分析法是分析相关性的首选统计学方法，但Pearson仅适用于参数服从正态分布时使用，当参数不服从正态分布时，用Spearman秩相关系数来代替Pearson线性相关系数，Pearson相关系数计算公式为[14]：

(7)

式中，RXY—两参数的相关性系数；E—数学期望；X、Y—参数。

首先对参数是否满足正态分布进行检验，当参数的显著性值sig≥0.05时，则符合正态分布，反之则不满足正态分布[15]，计算结果见表2。由表2可知，参数不服从正态分布，应使用Spearman秩相关系数来进行分析。

表2 参数的显著性值

Spearman秩相关系数基于显著性水平P、秩相关系数ρ，判断参数间的相关性，当秩相关系数绝对值|ρ|∈(0.6，1]表示密切相关，|ρ|∈(0.3，0.6]表示相关，|ρ|∈[0，0.3]表示不相关[14]。计算公式如下：

di=X-Y

(8)

(9)

式中，X、Y—参数；di—两参数变量之间的差值；ρ—秩相关系数。

若计算得到的生态径流与逐月平均径流量之间密切，则该方法适用于澽水河年内不同时段生态径流的计算，且能显著反应澽水河汛期与非汛期生态径流的变化，相关性分析见表3。

表3 相关性分析

由表3可知，Tennant法与2005—2014年逐月平均径流量之间密切相关，且相关程度最高，能很好地反映出澽水河年内生态径流变化过程，与其他方法相比是最适合澽水河实际情况的生态径流计算方法，其次是年内展布法。

4 结论及建议

(1)Tennant法能很好地反映出澽水河年内生态径流变化过程，与其他水文学方法相比是最适合澽水河实际情况的生态径流计算方法。

(2)计算得到澽水河汛期最小生态径流为0.516m3/s，出现在7月；非汛期最小生态径流为0.047m3/s，出现在2月，全年生态径流范围为0.047～1.182m3/s，为薛峰水库下泄生态流量提供参考。

(3)确定能够维持生态环境功能不丧失，需要留在河道内的最小水量是河道生态修复和治理的前提和基础，相关性分析对合理选择适合于河道实际情况的生态径流计算方法具有一定的参考意义。

(4)本文使用的生态流量计算方法均属于水文学方法，未来还需用水力学法、栖息地法和整体分析法做深入研究。