基于生态水文学方法的常山港流域河道最小生态流量分析

张瑶兰，陈新乐

(1.浙江省水利水电勘测设计院有限责任公司，浙江 杭州 310002；2.嘉兴市海宁生态环境监测站，浙江 海宁 314400)

河流生态流量是维持河流生态系统结构和功能所需保证的最小流量，当河流流量低于该数值时，将会影响河流中生物的生长和繁殖，甚至导致物种消失，同时也将对河流生态环境景观产生较大影响[1]。早在20世纪40年代，生态流量的概念首次被提出，自此之后，人们对于生态流量的理解，从狭隘的水文概念向与经济社会可持续发展相关的概念转变[2]，并且已经上升到保护生物多样性和生态系统功能完整性的国家发展战略层面。至70年代，随着我国水污染问题日益突出，生态流量逐渐成为水资源、水生态环境领域的研究热点。国内外生态流量相关的研究也将其称为最小可接受流量(Minimum acceptable flow)、最小流量(Minimum flow)、基本生态需水(Basic ecological water requirement)和环境流量(Environmental flow)[3]等，可见相关研究均强调生态流量[4]是河道实现生态保障功能所需的最小流量。

生态流量核算作为当前生态水文研究的热点之一[5-6]，现有多种生态流量核算方法用于适应不同类型的水体。据不完全统计，大致可划分为水文学法、水力学法、生物栖息地法以及整体分析法。其中水文学法代表方法有Tennant法、年内展布法、典型水文频率法、7Q10法、最枯月平均流量法；水力学方法有湿周法、R2CROSS法；生物栖息地法有IFIM法和PHABSIM模型；整体分析法将河流作为一个综合的生态系统，重点考虑整个河流生态系统的维持和保护，其代表方法有BBM法[7]和DRIFT法[8]。水艳等[9]利用湿周法对淮河流域生态流量进行计算，得出了在大多数情况下通过湿周法得到的计算结果与采用Tennant法、“淮河法”最小生态流量过程和栖息地模拟法所得的计算结果相比较小的结论。李紫妍等[10]运用三种方法计算汉江流域子午河生态流量过流，得出Q90法对应的年生态需水量最小的结论，即对应最低的生态环境保护目标。综上所述，水文学法具有能够结合历史水文资料且操作相对简单的优点，成为了当前研究者和管理者关注的重点。

目前,大多数研究进行生态流量核算时仅采用较为单一的方法，但在生态流量核定的实际工作中，需要根据使用目标在不同方法中选用适合当地实际情况的计算方法[11]。在多种计算方法中，如何选择最为适宜和准确的方法，成为当前研究人员研究的新热点。本研究以常山港流域河道生态流量出口处考核断面为研究对象，根据研究区域水文资料序列情况，采用改进的Tennant法、年内展布法等多种水文学方法计算最小生态流量，经合理性分析，提出适合常山港流域的最小生态流量计算方法，并得到常山港流域的最小生态流量过程。计算成果既保证了所选保证率下的河道生态所需最小流量，又反映了河道生态流量随季节变化特性。研究成果可为我国流域内河道最小生态流量过程的确定提供有益思路和借鉴参考。

1 研究区域概况

常山港流域属于钱塘江水系，是衢江的主要支流，流域面积3 259 km2，多年平均水资源量3.75×109m3，流域内主河道枯水期为8月到次年2月，丰水期为3—7月。流域内现建有齐溪、茅岗、狮子口和芙蓉水库4座中型水库，一座长风中型水利枢纽工程，小型水库84座，0.1×105～1.0×105m3山塘有218座，流域内水库山塘总蓄水库容1.816×108m3。

2 数据和方法

2.1 数据来源

本研究以常山港流域上游密赛水文站1962—2019 年实测降水、径流资料为基础，开展常山港流域河道最小生态流量研究。本次采用蓄满产流模型计算并延长有降雨资料无径流资料年份的径流数据，基于长序列水文数据，得到密赛水文站流域实测平均年径流深为1 178.9 mm，模型计算值为1 180.7 mm，相对误差为0.15%，表明模型计算结果可靠，得到密赛水文站断面处1962—2019年长序列径流资料。常山港流域河道的径流确定采用水文比拟法，根据地理位置及集水面积大小，同时考虑雨量修正，通过密赛水文站以上面降水量与其径流量建立降水径流关系，根据不同分区降水量求得不同分区径流成果，最终推求常山港流域河道出口断面的年径流过程，求得其多年平均径流深1 150.7 mm，多年平均流量为118.7 m3/s。

2.2 研究思路

1) 选用最小生态流量计算方法：本研究以常山港流域河道为研究对象，基于水文比拟法求得其长序列流量数据，采用改进的Tennant法、年内展布法、典型水文频率法、最枯月平均流量法、Q90法等水文学方法分别计算其最小生态流量。

2) 判断计算结果合理性：根据《河湖生态环境需水计算规范》(SL/T 712—2021)，推荐生态流量保证率为95%，并据此评价和判断各种方法计算结果的合理性，也即评价计算结果在该断面天然径流过程中的满足程度，若计算结果全部低于或高于保证率要求则认为该计算方法不适宜常山港流域生态流量保障要求。

3) 确定适宜的最小生态流量过程：对比分析选出适宜常山港流域最小生态流量的计算方法，在满足保证率为95%时的生态流量要求前提下，以比选后方法计算的最小生态流量内包线作为本研究河段适宜的最小生态流量过程。

常山港流域概况见图1，工作路线见图2。

图1 常山港流域概况图

图2 工作路线图

2.3 研究方法

2.3.1 改进的Tennant法

Tennant法，又称为蒙大拿法，通常选用河道多年平均流量的10%～20%为最小生态流量，该方法优势在于计算简单，但忽略了河流年内和年际间的水文变化，因此通常作为一种检验或参考使用的方法。

本研究基于该方法的优劣势，选用改进的Tennant法[12-13]计算最小生态流量，即在传统Tennant方法的基础上，将所有水文年份进行丰水年(P<25%)、平水年(25%≤P≤75%)和枯水年(P>75%)分组划分，根据不同来水年各月多年平均流量的10%和30%作为最小、适中生态流量下限，当秋、冬季来水量较小时，应保证河流最小生态流量，即以各月多年平均流量的10%作为最小生态流量下限，而在春、夏降雨量较多且正值鱼类产卵繁殖的季节，多数采用多年平均流量的30%作为河流的最小生态流量。基于此，笔者采用常山港流域河道不同分组的多年平均水文径流资料进行计算，为避免个别极大值或极小值对计算产生的不利影响，除去5%以下和95%以上的年径流资料重新计算，按照秋、冬季各月多年平均流量的10%作为最小生态流量下限和春、夏季各月多年平均流量的30%作为最小生态流量下限，最终利用改进的Tennant法确定丰水年、平水年、枯水年逐月的最小生态流量过程。

2.3.2 年内展布法

年内展布法是基于历史长系列流量水文资料，将每年最小径流总量与多年平均径流总量作对比，并据该比值得到各月生态流量与各月多年平均径流量之间的关系，以此确定全年最小生态流量的过程[14]。该方法弥补了传统水文学法采用多年平均径流量特定百分率为水文指标的主观性，同时期的均值比更具有区域代表性，同时该方法以多年平均径流量变化过程为基准进行最小生态流量核定，计算结果更能反映出河流天然径流过程的丰平枯变化特征。

同样，采用该方法计算时，为避免极枯与极丰水年份水文数据对计算结果的影响，剔除5%以下和95%以上的数据，以确保本研究资料的可靠性和合理性。具体计算过程如下：

(1)

(2)

(3)

qmin(i)=min(qij)

(4)

2) 计算同期均值比η,其公式为

(5)

3) 计算河道最小生态流量过程，表达式为

(6)

式中:Qi为采用年内展布法计算得到的逐月最小生态流量过程，m3/s。

2.3.3 典型水文频率法

典型水文频率法是根据实测的逐年径流量距多年平均径流量百分率，依据表1对河流的丰、平、枯年份进行划分，选择距多年平均径流量百分率-20%的枯水年为典型年，并以所选择典型年的最小月流量作为常山港流域研究断面的最小生态流量，距多年平均径流量百分率的计算公式为

(7)

表1 典型水文频率法丰平枯年份划分

2.3.4 最枯月平均流量法

最枯月平均流量法一般选择近10年最枯月流量平均值，该方法计算公式为

(8)

式中:W为河流最小生态水量，×108m3；Qij为第i年第j月河流的平均流量，m3/s；T取值为31.54×106s。

2.3.5Q90法

Q90法将90%保证率的最小月平均流量作为最小生态流量。Q90法分析计算需要研究河段具有较长序列的流量实测数据。

2.4 计算成果

基于上述5种研究方法，经计算分别得到常山港流域出口断面处的生态流量过程(表2)，其中：采用改进的Tennant法计算得到研究断面处丰水年、平水年和枯水年的生态流量过程，3种水文年生态流量过程年内均呈现先增加后减少趋势，并在3—6月达到较大值，其中丰水年3—6月的生态流量值为87.7～103.2 m3/s，平水年3—6月的生态流量为62.3～100.0 m3/s，在6月达到峰值100.0 m3/s，枯水年3—6月的生态流量为39.1～ 94.7 m3/s，这3个水文年下的生态流量均在6月达到峰值；年内展布法计算的生态流量在年内也呈现先增加后减少趋势，从1月的18.4 m3/s增加至6月的144.4 m3/s，最后在12月减少至15.2 m3/s；典型水文频率法、最枯月平均流量、Q90计算的生态流量值较低，分别为8.7,3.6,2.5 m3/s。

表2 不同方法计算的生态流量 单位：m3/s

3 对比分析

根据《中华人民共和国水法》《取水许可和水资源费征收管理条例》等法律法规规定，用水顺序应当优先保障生活用水，随着我国生态文明建设的推进，保障生态用水被提到越来越重要的位置，据此本研究将生态用水位置提升至仅次于生活用水，生态用水保证率取95%，并以此评价5种计算结果合理性，当计算结果全部低于或全部高于保证率要求时，则认为该计算结果不适用。笔者计算的1962—2019年径流系列保证率为95%时的生态流量为54.43 m3/s。将该保证率下的计算结果与不同方法计算结果进行对比，综合判断常山港流域适宜的最小生态流量过程。

对比分析可得，5种计算方法中典型水文频率法、最枯月平均流量、Q90法计算结果均全部低于保证率为95%时的生态流量，距离保障目标偏差较大，这主要是因为三个方法所选生态流量值均属在枯水年份下的月最小流量值，是保障河道生态流量的极低值，不能够体现流量随季节变化的特征；而改进的Tennant法、年内展布法计算结果则呈现明显的季节变化特性，在保证率为95%时的生态流量上下波动，更加贴近天然径流的季节变化特性，改进的Tennant法考虑了河道内生物需水的季节变化特征，弥补了采用多年平均流量某一百分率作为生态流量的不足，改进的Tennant法丰水年、平水年、枯水年计算结果在枯水期1—2月、7—12月份和丰水期6月份的差异较小，而在丰水期3—5月份则差异相对较大，这也证明了丰平枯水年下的生态水量差异较大的时段往往是在丰水期；年内展布法计算的生态流量过程则呈现“外包线”的特征，在5种计算方法中结果相对偏大，这主要是因为年内展布法是避免采用多年平均径流量的特定百分率作为生态流量的主观性偏差，所选流量过程更具有区域代表性，并且更能反映出河流天然径流过程的丰平枯变化特征。

基于上述分析，考虑到枯水期也应保证河道的生态流量，在满足保证率为95%时的生态流量要求前提下(图3)，采用改进的Tennant法、年内展布法计算结果的内包线作为河道所需的最小生态流量(图4)，尤其在5—7月需要进行额外生态流量保障，以满足鱼类产卵和其他水生生物生态用水需求。目前，关于生态流量保障的研究多集中在流域水资源调度、配套工程建设和管理以及监督考核等方面[15]，笔者建议常山港流域的生态流量需通过统一调度上游大中型水库水量，并结合监管考核方式予以保障。

图3 不同方法计算的生态流量过程和95%保证率对比图

图4 推荐最小生态流量过程

4 结 论

本研究采用改进的Tennant法、年内展布法、典型水文频率法、最枯月平均流量法、Q90法等水文学方法分别计算常山港流域最小生态流量，得到如下结论：

1) 以常山港流域河流出口断面为例，采用改进的Tennant法、年内展布法、典型水文频率法、最枯月平均流量法、Q90法等水文学方法计算最小生态流量，通过进一步的合理性分析，得出改进的Tennant法和年内展布法为较适合计算该地区最小生态流量的结论。

2) 采取改进的Tennant法、年内展布法计算的最小生态流量均呈现明显的季节变化特性，两种方法在3—6月生态用水量较多，其中改进的Tennant法和年内展布法在该期最大生态流量分别达到103.2,144.4 m3/s，而在1—2月、7—12月份生态用水量较少，在该期最小生态流量分别为0.6,15.2 m3/s。

3) 在满足95%保证率的情况下，选取改进的Tennant法、年内展布法的内包线作为常山港流域各月应下泄的最小生态流量，最终确定常山港流域河道最小生态流量过程，其最小值为54.4 m3/s，在6月份达到最大值为94.8 m3/s。据此可得常山港年最小生态需水总量占多年平均径流量的50%～60%，比较符合钱塘江流域上游河流生态需水全过程。