汾河中游河道生态流量分析

李梦瑶， 付兴涛

(太原理工大学 水利科学与工程学院， 山西 太原 030024)

1 研究背景

随着经济社会的发展，人类的用水需求不断增加，对河流的开发利用及人为干预加大[1]，使河流的天然水文情势发生改变[2]，导致河流流量减小、水质破坏，从而影响河流生态系统的健康。早期我国对于河流生态系统修复问题的认识多局限于河流受污染水体水质的改善及恢复，而对生态系统的结构及功能恢复治理缺乏研究[3]。随着生态理念的不断发展，人们逐渐认识到，科学合理地确定河流生态流量是维持河流生态系统平衡、恢复生态系统功能的基础。国内学者对生态流量的研究已形成一系列理念和方法[4]，钟华平等[5]对4大类河道生态需水估算方法的适用条件及范围进行了相关评述；门宝辉等[6]对Tennant法的计算标准做出了修正并运用于南水北调西线一期工程，为调水工程规模的确定奠定了基础；高雪山等[7]基于生态水力半径法对武江流域的生态流量和生态水位进行了估算，计算结果符合Tennant法推荐的河流生态用水标准，并对鱼类的生活习性及河流的季节性变化进行了综合考虑及分析。

汾河流域是我省严重缺水区域之一，河道渠化严重，流域水资源开发利用率达到80%以上，挤占了大量生态环境用水。近年来河流地表径流量大大减少，水域面积不断萎缩，河流水质污染严重，不少学者对汾河流域的生态流量进行了分析研究，李扬等[8]对汾河下游河道的生态基流进行了分析计算，得到了不同生态环境标准下的生态流量；杨蕊等[9]基于改进的Tennant 法对汾河中游的环境流量进行了计算与分析，其结果反映了汾河中游径流量在年际和年内季节变化的实际特征；张沛雷[10]以河津水文站为控制断面，分析计算了汾河入河口的基本生态流量及现状满足程度。

目前对汾河流域生态流量的研究成果主要集中在运用国外引进的水文学方法或其改进方法对汾河流域的生态流量进行分析计算，没有体现生态流量不同季节、不同时段的时空变化动态特征，也没有考虑国外引进方法在汾河流域的适用性。因此，本研究以汾河中游为研究对象，选择兰村与赵城水文站作为典型断面，基于两个水文站1980-2016年的天然、实测流量系列资料，采用水文学方法中的Tennant法、Qp法、逐月频率法、年内展布法、基流比例法和水力学方法中的湿周法计算分析汾河中游河段的生态流量，并进行合理性及保障性分析，最终给出汾河中游逐月生态流量推荐过程，为汾河中游生态修复工作提供参考。

2 研究区概况

汾河是黄河第二大支流，也是山西省最大的河流，发源于管涔山，干流自北向南纵贯太原、临汾两大盆地，于万荣县庙前村附近汇入黄河，全长716 km，控制流域面积为39 721 km2，占全省国土总面积的25.3%，汾河流域水系概况及水文站分布见图1。汾河中游地处中纬度内陆，为东部季风气候区与蒙新高原气候区的过渡地带，是半干旱大陆性季风气候区，季节差异较大[11]。该区域多年平均气温为7.0～13.7 ℃，多年平均降水量约为500 mm，降水年际变化大，年内分配不均匀，夏季温度高，降雨多，6-9月份降水量占全年的70%，而冬、春季节寒冷干燥，降水甚少，山区多局部暴雨，形成了特定的富水区。

历史上曾记载，汾河中游流域的清徐段、临汾段是鲤鱼、鲶鱼等水生生物的重要产卵场，沿岸曾遍布国家Ⅱ级重点保护的野生植物野大豆，但近年来因汾河流域水生态环境恶化，历史上重要的产卵场都已不复存在，且河畔和湿地生长的水生植物物种单一，两岸已少见野大豆连片生长，面临绝迹。

图1 汾河流域水系概况及水文站分布

3 生态流量计算

3.1 Tennant法

Tennant法是由美国学者Tennant对11条河流断面数据分析后提出的[12]，该方法建立了河道内流量与河流生态环境状况之间的对应关系，以年平均流量的10%为分界线，河宽、流速和水深等水力参数随流量的变化幅度是不同的，当流量小于该分界线值时，各水力参数随流量的变化幅度较大，反之较小[13]。基于这种经验关系，该方法不需要现场测量，用历史流量资料就可以确定生态流量，使用简单、方便。Tennant法确定的河道内各生态环境状况等级对应的流量百分比见表1。

表1 河道内各生态环境状况等级对应的流量百分比 %

我国《河湖生态环境需水计算规范》(SL/Z 712—2014)[14]中规定，表1“好”分级之下的百分比取值可用于用水紧张、水资源短缺的地区。汾河流域属于资源性缺水区域，且开发利用率达80%以上，结合汾河流域的自然特征及径流规律，一般将6-9月划分为汛期，1-5月、10-12月划分为非汛期，分别取汛期多年平均流量的20%、非汛期的10%作为相应月份的生态流量，计算结果见表2。

3.2 Qp法

Qp法又称不同频率最枯月平均值法，该方法基于河流节点长系列(n≥30 a)天然月平均流量资料，用每年的最枯月平均流量排频，选择不同频率下(一般选择90%或95%)的最枯月平均流量作为节点基本生态流量的最小值，适用于开发利用程度高的河流[15]。对于汾河流域，12-翌年2月属于冰冻期，将这3个月排除在该方法之外，对兰村及赵城断面进行3-11月的频率计算，根据汾河中游的开发利用程度及来水情况，选择90%保证率对应的流量作为生态流量，计算出兰村及赵城断面的生态流量分别为2.90、7.94 m3/s。

表2 汾河中游典型断面各月份生态流量Tennant法计算结果 m3/s

3.3 基流比例法

为了体现生态流量在年际间的变化，吴喜军等[16]提出了基流比例法，该方法的基本思路是将径流系列划分为丰水年、平水年及枯水年，丰水年的河道流量大于枯水年，而河流生态系统在一定时间内处于相对稳定状态，所需的河流生态流量变化幅度也很小，因此丰水年的生态流量占其平均流量的比例应小于枯水年，这样才能满足枯水年河道生物生存的水流条件。基流比例法是一种计算生态流量较为简便的方法，根据各水文年型平均径流量之间的关系，推求其基流比例及生态流量值。

采用基流比例法计算生态流量首先要进行水文年型的划分，本文根据《水文情报预报规范》(GB/T 22482—2008)[17]中距平百分率法划分水文年型并根据Tennant法的推荐基流百分比，首先假定丰水年的基流比例为20%，再逐一计算出其他各水文年型的基流比例，平水年、枯水年、特枯年的基流比例相应增大。基流比例及生态流量的计算方法见公式(1)～(2)。

(1)

Qei=Qi·Ti

(2)

3.4 逐月频率法

逐月频率法认为生态流量与自然径流过程是相适应的[18]，相应地会发生年内丰枯变化过程，不同时期生态系统对生态流量有不同的需求，所以不同季节按照自然径流过程，取不同的频率进行生态流量计算，取春秋季75%保证率、夏季50%保证率、冬季80%保证率的月径流量值作为河流相应月份的生态流量，以该方法计算的兰村及赵城断面逐月生态流量见表4。

表3 不同水文年型兰村及赵城断面的生态流量基流比例法计算结果 m3/s

表4 兰村及赵城断面生态流量逐月频率法计算结果 m3/s

3.5 年内展布法

(3)

(4)

(5)

(6)

3.6 湿周法

湿周法的基本假设是湿周与水生生物栖息地有直接的联系，给水生生物栖息地提供一定的湿周，就能满足水生生物生存的水流条件[20]。通常湿周随着河流流量的增加而增大，湿周-流量关系曲线存在一个临界点，湿周超过临界点时其随流量的增加变化不明显，小于临界点时随流量的增加变化较大，相应的生物学意义是，当流量大于该临界点流量时，生物生境对流量的变化不敏感，反之，生物生境对流量的变化很敏感[21]，该方法一般用于宽浅型河道的生态流量计算[22]。

Gippel等[23]通过对湿周法的研究指出，湿周-流量关系的拟合一般可以采用对数函数和幂函数进行，用数学方法来确定突变点(即曲线上的拐点)，并提出了斜率1法和曲率最大法两种方式来确定突变点。对于汾河流域，其河道断面形状一般可近似为U型或三角形，选择幂函数曲线拟合结果较好，无量纲化的拟合形式见公式(7)。

p=qd

(7)

式中：p为相对湿周;q为相对流量;d为与断面形状有关的参数，对于实际河流，一般d<0.5。

由于本研究中没有获得赵城断面的逐日水位过程数据，无法确定赵城断面的湿周-流量关系，因此本文只将兰村断面的流量与湿周无量纲化进行拟合，采用斜率1法和曲率最大法两种求解方式得到的兰村断面生态流量分别为2.20和1.02 m3/s。但是湿周-流量关系曲线的斜率是渐变的，曲线上不存在明显的突变点(即曲线上的拐点)，取斜率不等于1的点与斜率等于1对应的点作为临界点不存在物理上的分歧，因此采用斜率1法计算生态流量有一定的不确定性[21]；而曲率最大法的计算结果是生态流量占多年平均天然流量的9.84%，接近10%，该流量可以提供生物生存所需要生境流量的50%，因此选取曲率最大法的计算结果作为湿周法的生态流量值。

表5 兰村及赵城断面各月份生态流量年内展布法计算结果 m3/s

4 结果与分析

4.1 不同方法计算结果对比

将多种方法计算的兰村断面和赵城断面逐月生态流量过程绘制成图2进行对比，结果表明：整体而言，兰村断面湿周法的生态流量计算结果最小，Tennant法次之，赵城断面Tennant法计算的生态流量值最小，Qp法次之，逐月频率法计算的两个断面生态流量值均明显大于其他方法的计算结果；两个断面采用不同方法计算出的汛期生态流量大小有相同的规律，即逐月频率法>年内展布法>Tennant法>Qp法>湿周法(赵城断面无湿周法计算结果)，非汛期生态流量计算值整体趋势为逐月频率法>Qp法>年内展布法>湿周法(赵城断面无湿周法计算结果)>Tennant法。从反映年内丰枯季节变化来看，逐月频率法和年内展布法能较好地体现年内丰枯季节变化过程，Tennant法仅能体现出汛期与非汛期的较小差异，Qp法和湿周法计算出的生态流量均为固定数值，不能体现年内的季节变化。

从图2中逐月频率法及年内展布法计算的生态流量过程可以看出，两个断面12、1、2月份的生态流量值均很小，而3月份的生态流量值突然增大，这可能是因为汾河流域在12、1、2月份处于冰冻期，河流流量本身很小，3月份受到河流解冻的影响，流量增大，并且兰村作为汾河二库的出库站，该断面流量主要受汾河二库下泄流量的影响，2月下旬-4月下旬为灌溉期，水库集中供水，所以引起兰村断面3月份流量的突然增加。

采用基流比例法计算的1980-2016年兰村和赵城断面生态流量及实测年均流量年际变化见图3。图3显示，1980-2016年兰村和赵城断面实测年均流量整体上在2008年以前呈逐渐减小趋势，2008年启动千里汾河清水复流工程后[24]，年均流量波动增大，各水文年型的实际流量均可满足基流比例法计算的生态流量值。根据王秋霞[25]对汾河流域生态环境的调查，1996-2007年汾河中游河道内流量减少，断流河段长度逐年增加，导致实测流量与生态流量相差甚微，反映了汾河中游河道的生态环境恶化情况；另外，基流比例法计算的生态流量年际过程变化相对稳定，这是因为该方法认为河道内生物类型及分布变化不大的情况下，枯水年的生态流量比例应大于丰水年，才能很好地保证生物生存的水流条件，维持河流的生态平衡。

4.2 生态流量保障性分析

4.2.1 年际保障率分析 生态流量年际保障率为不同年份生态流量得到保障的月份占全年月份数的比例，用不同方法计算得出的1980-2016年兰村及赵城断面生态流量年际保障率曲线如图4所示，根据国内外的研究及计算规范，图4中以90%保障率为基准，将各保障率曲线与之进行对比。由图4可看出，兰村与赵城断面生态流量年际保障率曲线整体变化趋势大致相同，各曲线波动性均较大。1996年之前保障率相对较高并在1996年达到峰值，1997-2008年保障率呈减小趋势且波动变化较小，在21世纪初期减小至最低值，2008年之后保障率波动增大。对比不同计算方法的生态流量保障率发现，兰村与赵城两个断面逐月频率法计算的生态流量年际保障率最低，Qp法与年内展布法的计算结果有大致相同的趋势且差异较小，兰村断面湿周法计算的保障率最高，赵城断面Tennant 法计算的保障率最高。

在计算时段内，除21世纪初期外，兰村断面的生态流量年际保障率整体上小于赵城断面的年际保障率，兰村断面各年份的保障率几乎均小于90%，而赵城断面的年际保障率在1997年之前呈波动变化且出现大于90%的年份，2010年之后恢复到90%以上，出现这种差异可能是由于兰村断面是汾河二库的出库断面，其断面流量主要受水库下泄流量的影响，且水库附近灌区较多，取用水量较大，导致实测流量偏小，而赵城断面是汾河中游和下游的分界断面，受中游众多支流汇入作用的影响，水量较兰村断面丰富，所以其生态流量年际保障率整体高于兰村断面。

图2 不同方法计算的汾河中游兰村及赵城断面逐月生态流量过程

图3 1980-2016年汾河中游兰村及赵城断面生态流量基流比例法计算结果及实测年均流量变化

图4 不同方法计算的1980-2016年兰村及赵城断面生态流量年际保障率曲线

4.2.2 年内保障率分析 生态流量年内保障率为各月份在计算年限内生态流量得到保障的次数占总年数的比例，用不同方法计算得出的1980-2016年兰村及赵城断面生态流量年内保障率曲线如图5所示。由图5(a)可见，不同方法计算的兰村断面各月份生态流量保障率整体上有相同的变化趋势，其中湿周法计算的生态流量保障率最高，Tennant法次之，逐月频率法最低，该断面在1、2及12月份的保障率很低，3月份的保障率除逐月频率法外均为100%，11月份除逐月频率法外基本都大于90%，其他月份的保障率呈波动变化趋势，这可能是由于1、2及12月份处于冰冻期，河道内流量本身很小，无法保障河流流量达到生态系统的需水量，3月份由于河流解冻及汾河二库下泄春浇灌溉需水，流量增大，11月份可能由于汾河二库下泄秋浇灌溉需水，断面实测流量增加，因此兰村断面3及11月份的生态流量保障率很高；各方法计算的兰村断面非汛期生态流量保障率差异较小，汛期生态流量保障率湿周法的计算结果最高，逐月频率法最低。由图5(b)可知，不同方法计算的赵城断面各月份生态流量保障率均呈波动变化且差异较大，整体上Tennant 法计算的保障率最高，Qp法次之，逐月频率法计算的保障率最低，年内展布法计算的保障率总的波动幅值较大；多种方法计算的赵城断面3月份保障率较其他月份低，甚至为0，可能是由于中游灌区春灌取用水量较大，占用了部分生态流量，导致河道流量减小；汛期除Qp法外其他方法计算的生态流量保障率均较低，尤其是6-7月，这可能是由于中游水库汛期蓄水，使河道流量减少，导致汛期生态流量保障率降低；非汛期生态流量保障率波动相对较小。

图5 不同方法计算的1980-2016年兰村及赵城断面生态流量年内保障率曲线

综上所述，汾河中游河段的汛期保障率较低，可以在水库蓄水调节的同时增加下泄流量，以满足水生生物在汛期的生长需求；3月份是汾河中游河段需重点监控的时段，3月份兰村断面流量较大，可以很好地满足生态系统的流量需求，但中游灌区春灌取用水量大，导致赵城断面3月份实测流量大大减少，生态流量保障率明显降低，可能会影响生态系统的平衡与稳定，可以考虑在春灌时节增加水库的下泄流量，为水生生物提供生长繁殖所需的水量。

4.3 计算结果合理性分析

分析不同方法计算的生态流量结果发现，除兰村断面的湿周法外，其他方法的计算结果基本上均大于Tennant法的计算结果(图2)，因为Tennant法取多年平均流量的一定比例作为计算断面的生态流量，只考虑了维持河流生态系统不退化所需的最小流量；Qp法的计算在某种意义上考虑了河流的水质标准，但没有考虑水生态方面的因素及年内季节的水量变化[26]；年内展布法在计算时提出了同期均值比的概念，削减了极端水文事件的影响，同时以河流多年月均径流过程为基础，很好地体现了天然径流的年内丰枯变化过程；逐月频率法在计算生态流量的过程中考虑了不同时期生态系统的不同需求，在枯水期可以满足生物生存的最低流量要求，丰水期能为水生生物提供良好的生存条件，比其他方法更能保证生态系统的稳定性；基流比例法基于枯水年比例应大于丰水年比例的基本思路，有其自身的合理性，计算得出的生态流量能更好地在枯水年保证水生生物的生存。

将不同方法的计算结果进行对比发现，采用湿周法、Qp法、年内展布法和逐月频率法计算的兰村断面生态流量分别占多年天然平均流量的9.84%、27.97%、 7.91%～59.51%和17.94%～104.64%，采用Qp法、年内展布法及逐月频率法计算的赵城断面生态流量分别占多年天然平均流量的22.48%、13.28%～59.88%和26.33%～102.09%；基流比例法对各年型的计算结果均包含在上述方法的计算结果范围内，并且各年型的实测流量均能满足该方法计算的生态流量，能为河道内水生生物提供生存所需的流量过程。逐月频率法对生态流量的计算结果较大，对于开发利用程度高达80%的汾河中游流域，实际情况很难保障该方法计算的生态流量过程，因此该方法应用于汾河中游缺乏合理性。

4.4 各月份生态流量过程推荐

研究将生态流量过程划分为汛期与非汛期，非汛期又包括冰冻期及一般用水期。通过对不同方法计算的兰村和赵城两个断面生态流量的保障性分析并结合汾河自然径流特征，推荐冰冻期1、2及12月份的生态流量采用Tennant法的计算结果，因为该时段内河道流量本身就很小，只需要考虑维持河流生态系统不受到不可逆破坏的最小水量即可；一般用水期生态流量推荐采用Qp法的计算结果，该方法计算所得生态流量能为水生生物的生存提供良好的条件，但3月份流量受河流解冻及灌区用水的影响较大，兰村断面选择考虑生物生境的湿周法的计算结果作为生态流量的推荐值，赵城断面因资料缺乏没有采用湿周法计算，可选择Tennant法的计算结果作为生态流量推荐值；汛期推荐年内展布法的生态流量计算结果，体现了年内径流特征对生态系统的影响过程。兰村和赵城两个断面各月份生态流量过程的推荐值见表6。

表6 兰村和赵城断面各月份生态流量过程推荐值 m3/s

5 结 论

本文选择汾河中游的兰村及赵城两个典型断面为研究对象，采用Tennant法、逐月频率法、年内展布法等6种水文学与水力学方法对比计算两个断面的生态流量，并进行保障性和合理性分析，最后给出两个断面年内逐月生态流量推荐值，得出的主要结论如下：

(1)逐月频率法计算得到的生态流量值最大，年内展布法次之，Tennant法和湿周法计算结果接近且整体最小，相比而言，基流比例法计算的生态流量年际过程波动相对较小，且实测流量过程可以满足不同年型对生态流量的需求；不同方法计算出的两个断面汛期及非汛期生态流量分别有着相似的变化规律，即1、2、12月份生态流量计算结果很小，3月份生态流量值较大。

(2)两个断面年际保障率有大致相同的变化趋势，即1996年之前保障率较高，1997-2008年保障率下降，2008年之后由于清水复流工程的实施，生态流量年际保障率呈波动增大态势。年内各月份生态流量保障率均呈波动变化，兰村断面3、11月份保障率极高，1、2、12月份保障率很低，非汛期生态流量保障率波动较小且各方法的计算结果差异性不大，汛期保障率普遍较低；赵城断面生态流量保障率波动变化且各方法的计算结果差异性较大，3月份保障率极低甚至为0。因此，建议重点关注赵城断面3月份生态流量的保障，可以在灌区取用水及汛期水库蓄水的同时适当增大水库的下泄流量，以提高生态流量的保障率，为水生生物的生长提供良好的水流条件。

(3)对比生态流量不同方法计算结果的差异性并进行合理性分析发现，逐月频率法计算结果偏大，不适用于开发利用程度高的汾河流域，其他几种方法的计算结果可根据实际情况应用于两个断面。结合汾河的自然径流特征及生态流量的保障性分析，给出汾河中游河段的年内生态流量推荐值，即1、2、12月份推荐Tennant法计算结果，一般用水期推荐Qp法计算结果，汛期推荐年内展布法计算结果，3月份兰村断面推荐湿周法计算结果，赵城断面推荐Tennant法计算结果。推荐的生态流量过程可以反映年内不同水期的丰枯季节变化，可以为汾河中游的生态修复工作提供一定的参考。