基于时间维度的山区河流生态基流取值模型研究

陈乃嘉，苗添升

（松辽水利委员会流域规划与政策研究中心，吉林长春 130021）

0 引言

为了实现人与自然的和谐相处，在水资源的开发利用过程中，考虑经济和生活用水的同时，必须重视生态环境用水。应该保持生态系统最低需水量，并保持必需的水质和河流的地形要素，从而保证河流和湖泊生态系统的健康[1]。任何取水、用水方式都不能使河流剩余水量低于河流最低需水量即生态基流。大量科研人员和研究机构对生态基流的取值模式和机能进行了研究。苏恒和徐宗学等[2]采用Tennant，NGPRP等6种水文学方法对西江大湟江口河段逐月生态基流进行计算；胡可可和何建村等[3]探究了生态基流时空分布与保证率变化，揭示生态基流对气候变化的响应；李彬瑜和薛万来等[4]采用Tennant法、90%保证率最枯月平均流量法、基流比例法估算永定河官厅下游段生态基流；姚云泽和姜翠玲等[5]综合运用Qp法、Tenant法、频率曲线法、典型水文频率年法、NGPRP法、近10年最枯月月平均流量法、TEXAS法等7种水文学方法，对滦河相关断面的生态基流量进行测算和分析；林梦珂和魏娜[6]等提出了用于计算生态基流的改进年内展布法；成波和李怀恩[7]采用当量因子法计算了河道生态基流，探索分析了河道生态基流的时间变化特征。

上述典型的生态基流研究内容主要集中于生态基流计算方法的改进和生态基流理念的适用性分析，而生态基流的取值模型不仅要随着地理条件、河流特征和河流功能的变化而变化，还应该根据不同时间段生态基流需求量的不同而不同。这是因为不同时间段河流生物需水量和环境影响不同，如果对于整个年度采用相同的生态基流取值模型，则不能满足河流不同时段生态差异性的需求。文中在对不同生态基流计算方法进行对比和适用性分析的基础上，针对山区河流的生态基流计算模型进行研究，结合不同时段河流鱼类需水量和水面蒸发量的差异性，提出了基于时变效应的山区河流生态基流计算模型。该模型在考虑河流生态和环境影响不同时段差异性的基础上，能够满足不同时段河流生态需水量的要求，并准确评估河流的生态需水量。

1 生态径流量的概念

径流量是指一定时段内通过河流某一断面的水量，径流量是维护河流运行、生态和周围环境的核心要素。生态径流是在河流生态尺度上提出的径流概念。广义范围内，生态径流不仅要满足生态系统需求，同时还应满足天然状态下该径流过程的温度、水生物、水质、动植物的需求。狭义概念中，保证河流天然状态下生态系统稳定和不受损害的径流称为生态径流。

以狭义的生态径流定义为基础，根据河流天然径流的变化特征及其生态系统响应的特点，可以将生态径流分为最小生态径流、适宜生态径流和最大生态径流。最小生态径流量是指保证水生生物存在所需要的水量，或者说是河流中可以满足生态要求的最小径流量。最小生态径流不仅满足生态水量需求，还必须满足生态对水体质量和水量持续时间的要求，河流的最大允许取水量由天然径流量与最小生态径流量的差确定。适宜生态径流量为对于生态系统的稳定和物种的生存、繁衍最为适合的径流过程。因河流水文过程是随机变化的，适宜生态径流应具有一个合适的变化范围。最大生态径流量是满足河流生态系统稳定和健康条件所允许的最大流量过程，是河流所匹配的地形条件下的最大需水量，如果径流量超过此过程会造成岸坡破坏和生态环境改变，导致某些物种消失，造成不可恢复的生态灾害。

2 计算方法

现有生态基流计算方法在针对问题、适用对象和应用复杂程度上各有特点，不同生态基流计算方法对比如表1所示。目前较为常用的有4种计算方法：逐月最小生态径流计算法主要用于计算最小生态径流；逐月频率计算法主要用于计算适宜生态径流；Tennant法用于对不同方案的适宜径流量进行检验；新逐月频率计算法将每个月的保证率都取为50%，可靠度更高。

3 时间尺度上山区生态基流取值模型

河流生态基流计算的目的是求出可以保证河流健康状况的最小生态径流量。由于不同生态群落有不同的繁殖和发育规律，最小生态径流量与河道水流年内变化特征一样，是一个连续变化的过程，因此，最小生态径流量在1年中不是一个常量。根据河流生态影响因素随时间的变化，提出了一种时间尺度上的山区生态基流取值模型。

表1 不同生态基流计算方法对比

山区河流主要有两个特点：一是山区河流因为存在环境特殊性，多位于森林、湿地等动植物种类丰富的地方，因此，该类河流的生态需求更为显著；二是山区河流一般规模不大，河面较为狭窄，水源地多为山区地形积蓄的水源，没有稳定的规模较大的湖泊进行水源补给，因此，山区河流受环境变化影响明显，生态基流的取值需要考虑环境变化对径流的影响。山区生态基流的取值模型需要考虑两个因素：生态因素和环境因素。表2列出了两种因素对河流生态基流的影响。生态因素主要为生态基流的需求，环境因素主要为生态基流的损耗，两者的叠加为生态基流的实际需水量。

表2 山区生态基流影响因素对比

4 实例分析

某山区河段长度达16.2 km，为水电站减水段，河段内有6条支沟汇入。2009年3—5月，对该河段布设的大断面和区间汇流进行了流量测量。河流内存在齐口裂腹鱼、重口裂腹鱼类等指示物种，经过对鱼类生活习性的调查，得出不同时段生态基流处理方案如表3所示。非集中产卵场分布的河段，生态流量只需满足鱼类正常生活环境要求即可，应用生态水力学方法计算结果作为全年流量推荐值；对于有集中产卵场分布的河段，生态流量不仅需要满足鱼类生活环境要求，还应满足鱼类产卵流量和生境面积的要求，产卵期推荐值采用生境模拟法计算结果，并结合鱼类产卵对水面涨落过程的需求，在不同时段采用不同生态基流。

表3 河流鱼类生活习性及生态基流处理方案

环境因素造成的河流水量蒸发主要分为4个时段，如表4所示。夏季蒸发量最大，生态补水最多；冬季蒸发量很低，不进行生态补水。

表4 不同时间段河流蒸发量及生态补水

基于表3和表4的结果得到该河道生态环境需水量年内过程线，如表5所示。该需水量年内过程线考虑了鱼类生存繁衍要求及不同时段的蒸发量，更符合实际山区河流生态基流的需求。

表5 河道生态环境需水量年内过程线

5 结语

生态基流不仅要考虑河流生态需水，同时应该考虑环境因素下生态流量的变化。两者在年度时间段内均不是固定值，而是随着季节不断变化。依据山区河流特性，提出的基于鱼类繁衍和水量蒸发的山区河流时间尺度上的山区生态基流取值模型，考虑了生态因素和环境因素在时间尺度上的差异性，得到了生态环境需水量年内过程线，该取值模型更符合山区河流实际生态需求，可以为相关山区河流生态基流的确定提供参考。