沙颍河周口断面生态流量过程计算和分析

陶 洁，乔文昭，曹 阳，曲晓宁

（1.郑州大学 水利科学与工程学院，河南 郑州 450001；2.河南省水循环模拟与水环境保护国际联合实验室，河南 郑州 450001；3.郑州市水资源与水环境重点实验室，河南 郑州 450001；4.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016）

维持河流合理的生态流量不仅是生态保护的需要，而且是改善水体水质的重要手段［1］。2020 年《水利部关于做好河湖生态流量确定和保障工作的指导意见》提出，以维护河湖生态系统功能为目标，科学确定生态流量。生态流量的概念最早是20 世纪40 年代美国鱼类和野生动物保护协会在开展鱼类渔获物和早期资源产量与河流流量响应关系研究中提出的［2］。随后的相关研究对其内涵进行了延展和细化［3］，对生态流量的认识也从“维持水生生态系统的最小流量”逐渐转变为“维持水生生态系统近自然的、可变的流量过程”［4］。Tennant［5］分析了美国11 条河流流量与河宽、流速、水深的关系，提出以历年平均流量的10%、30%分别作为最小生态流量、基本生态流量，这是用水文学法研究河流生态流量理论的开端。King 等［6］提出构建模块法（BBM），将流量组成人为地分成枯水年基流量、平水年基流量、枯水年高流量和平水年高流量研究流量与生物群落之间的关系，估算可以维持河流健康的生态流量。美国科罗拉多州联合野生动物管理局提出了流量增量法（IFIM 法），研究特定流量对河道连通性、鱼类产卵以及栖息地的影响，是北美估算生态流量常用的方法之一［7］。胡和平等［8］指出生态流量过程线是一个流量过程范围，可以根据季节的丰枯变化、生物种群及结构的变化定义满足于河流生态系统的最适宜生态流量过程线。Biggs 等［9］认为不同时间尺度的流量变动通过不同干扰因素对河流生态系统产生影响，如阻力干扰、鱼类食物摄取过程等。董哲仁等［10］提出不宜把环境流标准绝对化，应根据河流自然水文情势变化构建一条可维持水域生物和河岸带健康的生态流量过程线。

综合国内外研究成果，尽管生态流量的基本理论和方法还未形成统一认识，但基本认为单一的流量值不能完全满足河流不同时期的流量需求及下游各生态环境的需水过程，河流生态环境需水在时空上是一个生态流量过程线，因此提出了生态流量过程的概念［8，11］。生态流量过程是以生态基流为基础，与天然径流的复杂水文过程相结合，满足全年不同时期河流及其水生生态系统需求的流量过程线。周口水文站位于沙河与颍河汇流后的沙颍河干流周口闸下，可基本反映沙颍河上中游的水文状况，因此选取周口水文站作为生态水量控制断面，基于周口水文站1956—2018年逐日流量序列，明确沙颍河周口段主要生态保护目标，开展生态流量过程计算和分析，以期对沙颍河生态系统健康维持提供科学依据。

1 研究区概况

沙颍河是淮河最大的支流，发源于豫西伏牛山区鲁山县境内二郎庙西，流经平顶山、漯河、周口、阜阳等，在安徽省颍上县沫河口汇入淮河。沙颍河全长621.20 km（以沙河为源），流域面积为39 075.30 km2，河南省境内流域面积为34 467.0 km2，占流域总面积的88.21%［12］。沙颍河鱼类以鲤科为主，体型偏小，调查显示大部分鲤科鱼类喜缓流和静水，无特定高密度集中群体，产卵期为4—7 月［13－14］。流域内闸坝众多，闸坝修建运行改善河流水质的同时，破坏了河流的连续性，导致其不能自然流动，污染物不能顺利降解从而沉积于坝前，在闸坝泄水时易对下游造成二次污染。

2 计算方法

2.1 改进年内展布法

传统年内展布法是将年最小流量与多年平均流量的比值作为同期均值比，再与多年平均月流量相乘得到河流月生态流量过程［15］，整个计算过程简单、资料获取容易，但忽视了个别极端水文事件和流量的季节性变化［16－17］。因此，多位研究者提出了不同的改进方法。范博伟等［16］只选取5%～95%保证率的月均流量进行河流生态需水量计算，避免了极丰或极枯年份对计算结果的影响；赵然杭等［18］将同期均值比修改为90%保证率河道年平均流量与多年平均流量的比值，使得生态需水量的计算结果更加稳定，更加适用于季节性河流；雷付春［19］基于同频率月均流量，将12 个月划分为丰、平、枯水期，分别计算其均值比，适用于季节性较强的北方旱区河流生态基流量的计算；宋增芳等［20］将95%保证率河道年平均流量与去除极丰和极枯年份的最小年平均流量进行耦合，代替多年最小年平均流量与多年平均流量求得同期均值比，进而计算出河流最小生态流量。结合传统和改进的年内展布法提出以下计算过程。

（1）流量资料可靠性、代表性和一致性审查。可靠性审查主要考察资料来源是否符合国家标准。根据水文数据模比系数累计平均过程线进行流量资料代表性审查，当系数趋于稳定时，说明所选数据代表性良好［21］。采用Mann－Kendall（M－K）趋势检验法进行流量资料一致性审查，该方法不要求数据具有正态分布特征，适合于水文、气象资料等的一致性检验［22］。标准化统计量Z表征流量序列增大或减小趋势，当Z＞0时表示增大趋势，当Z＜0 时表示减小趋势。输入置信度水平α（α为M－K 检验错误地拒绝了零假设时可容忍的概率），若，则表示原假设不成立，变量值随时间增大或减小显著，其中Z1－α／2为流量序列发生显著变化的临界统计量。置信水平90%、95%、99%对应的Z1－α／2分别为1.64、1.96、2.58。

（2）计算月均流量。考虑极端流量事件对生态流量计算的不利影响，将多年保证率5%～95%的天然月均流量作为计算资料。将计算资料按月份划分为汛期（6—10 月）和非汛期（11 月至次年5 月）两个时段，计算多年各月平均流量qt（t为月份）、汛期多年月均流量、非汛期多年月均流量。

（3）选取90%保证率的多年各月平均流量qt（90%）计算汛期、非汛期90% 保证率的多年月均流量。

（4）计算不同时段的同期均值比：

式中：η1、η2分别为汛期、非汛期的同期均值比。

（5）计算各月的生态流量。各月的生态流量Qt为

式中：ηt为同期均值比。

2.2 RVA 法

变化范围法（RVA）是在水文变化指标法（IHA）基础上提出的，用以评估受人类活动影响的河流水文变化状态，从而识别水文变化在维护生态系统中的重要作用［23］。水文特征指标变化范围不超过其天然可变范围（即RVA 阈值［24］，RVA 阈值为流量过程线的可变范围），即天然生态系统可以承受的变化范围，有利于维持河流生态系统健康。将30%、70%保证率流量值作为阈值上、下限，生态流量估算公式为

式中：QR为RVA 法确定的生态流量；为月均流量；Q上限为RVA 阈值上限；Q下限为RVA 阈值下限。

2.3 Lyon 法

Lyon 法是美国基于水文频率变动和生态需求开发的水文学方法，计算尺度为月，将多年月中值流量的百分比作为河流生态流量的推荐值，计算公式为

式中：QLF为Lyon 法确定的生态流量；QM为月中值流量；Qm和Qa分别为月均流量和年均流量。

2.4 湿周法

湿周法通过建立湿周与流量关系曲线，在曲线上用斜率法（斜率k＝1）和曲率法（曲率绝对值最大）确定临界点，临界点对应流量即河流最小生态流量［25－27］。本文绘制周口水文站各月湿周与流量关系曲线，将关系曲线上曲率绝对值最大处的点所对应的流量作为河流最小生态流量。为了消除坐标尺度的影响，将流量与湿周用相对于各月最大流量Qmax及最大湿周χmax的比例来表示，即相对流量Q相对流量和相对湿周χ相对湿周为

式中：Q为各月流量；χ为各月流量相应的湿周。

2.5 流速法

流速法是将河流流速作为反映生物栖息地状态的指标，根据河段关键指示性物种或优势物种确定生态流速，以此来确定断面生态流量过程［14，28］。将沙颍河周口段主要鱼类最小生态流速作为满足河流生态系统基本需求的状态指标。流速与断面关系式为

式中：Qv为流速法确定的生态流量；v为根据指示物种或优势物种确定的河流流速；A为河流过水断面面积。

3 结果分析

3.1 改进年内展布法计算结果

（1）流量资料可靠性、代表性和一致性审查。采用的流量数据为周口水文站1956—2018 年实测逐日流量数据，可基本反映沙颍河上中游的水文状况，流量数据均按国家标准整编，资料具有可靠性。流量模比系数累计平均过程线见图1，由图1 可以看出，流量模比系数累计平均值随时间延长变幅越来越小，逐渐趋近于1.0，表明实测流量资料具有稳定性。由Mann－Kendall 检验法得到流量序列的统计量Z＝－0.095，＜1.64、1.96、2.58，说明没有通过90%、95%和99%的显著性检验，周口水文站流量资料一致性较好。

图1 河流流量模比系数累计平均过程线

（2）生态流量过程计算。根据选取的5%～95%保证率流量数据及改进年内展布法计算过程确定各月生态流量，见表1。6—10 月为汛期，生态流量较大，占多年平均流量的8%～25%；11 月至次年5 月为非汛期，生态流量较小，占多年平均流量的3%～8%。

表1 改进年内展布法计算的各月生态流量

3.2 RVA 法计算结果

RVA 法计算的1—12 月生态流量分别为5.86、2.22、4.11、26.35、25.00、23.06、70.53、50.20、52.91、15.24、19.00、12.05 m3／s。计算结果表现出明显的季节性，7—9 月生态流量较其他月份的明显增大。

3.3 Lyon 法计算结果

Lyon 法计算的1—12 月生态流量分别为10.30、8.51、10.91、14.23、16.95、14.68、60.37、64.70、47.07、22.66、19.14、14.59 m3／s。7 月生态流量骤然增大，7—9 月生态流量均较大，其余月份生态流量较小且较稳定。

3.4 湿周法计算结果

沙颍河周口水文站断面为复式断面，当建立全断面湿周与流量的关系时，曲率绝对值最大处（临界点）出现在断面变化较大的位置，其对应的流量非常大，在汛期漫滩时才能出现这种大流量情况。因此，选择主河槽部分（水位41.5 m 以下河槽）的水文数据建立湿周与流量关系曲线，进而找出临界点对应的河道最小生态流量。沙颍河周口水文站不同季节代表性月份湿周与流量关系曲线见图2。将关系曲线上曲率绝对值最大的点所对应的流量作为河道的最小生态流量，1—12 月生态流量分别为3.37、3.20、3.87、4.69、6.26、7.42、15.65、17.98、11.23、9.70、6.24、3.98 m3／s。生态流量在11 月至次年4 月较小且变化不大，6—10 月较大，体现出流量的年内变化特性。

图2 周口水文站不同季节代表性月份湿周与流量关系曲线

3.5 流速法计算结果

调查沙颍河主要鲤科鱼类的生态习性，鱼类产卵期最小生态流速为0.2 m／s，非产卵期最小生态流速为0.07 m／s［14，29－30］。拟合周口水文站的流量与流速散点图（见图3），推算出产卵期（4—7 月）河流最小生态流量为19.16 m3／s，非产卵期（8 月至次年3 月）最小生态流量为2.06 m3／s。8 月至次年3 月生态流量值过小且固定，可能无法满足其他生物的正常需求，因此不考虑流速法计算的生态流量过程。

图3 周口水文站流量与流速关系曲线

4 结果比较分析

周口水文站多年月均流量及5 种方法计算的生态流量过程见图4。断面多年月均流量呈明显季节性变化，7—8 月流量明显高于其他月份的。改进年内展布法与湿周法计算结果年内变化趋势及生态流量相近，所求均为河流较小生态流量过程，生态流量整体变化不明显，4 月流量小幅度增大，7—8 月达到最大。其中，改进年内展布法计算结果较好地反映了沙颍河流量的年内变化特征；湿周法建立在实测河道断面与流量数据基础上，有较高可信度，但生态流量在产卵期与汛期均较小且变化不大，可能无法满足鱼类产卵期对流量及流量脉冲的需求。RVA 法和Lyon 法计算结果变化趋势基本一致，所计算的生态流量在5 种方法中较大。其中，RVA 法是在多年月均流量基础上减去RVA 阈值差，与多年月均流量变化趋势一致；Lyon 法将月中值流量的百分比作为生态流量，7—9 月生态流量较大，但4—6 月生态流量小于RVA 法和流速法计算的最小生态流量，不利于鱼类产卵。每种方法均有利弊，计算得到的生态流量过程各有优劣。改进年内展布法和湿周法得到周口水文站断面较小生态流量过程，这是维持河流生态健康的基本生态流量过程；RVA法和Lyon 法计算的生态流量过程年内变化较大，能较好反映研究区季节性变化特征，还可以保证鱼类产卵期最低生态流量需求。

图4 不同方法计算结果对比

依据Tennant 法［31－33］，当河道内某时段最小生态流量占同时段多年平均天然流量的10%以上时，河流仍可以保持一定的河宽、水深和流速，用以满足鱼类洄游等要求，是维持大多数水生生物短期生存栖息的最小瞬时流量。6—10 月为汛期和水生生物的主要生长期，需要较大的生态流量保证鱼类繁殖、鱼卵的悬浮等，取生态流量为10～25 m3／s。由4 种计算方法得到最小生态流量过程及其占多年月平均流量百分比见表2。

表2 周口水文站生态流量过程计算结果对比及最小生态流量过程综合确定

5 结论与展望

运用改进年内展布法、RVA 法、Lyon 法、湿周法和流速法从水文水力学角度计算了周口水文站河流断面生态流量过程，分析各方法的优劣，探讨其适用性，并依据Tennant 法，对改进年内展布法、RVA 法、Lyon 法和湿周法4 种方法的计算结果进行合理性分析，综合得到最小生态流量过程线，以满足鱼类繁殖和河流生态健康的基本需求。

目前计算河流生态流量的众多方法中，水文学方法因应用简捷、数据易获取而应用最多，但该类方法缺乏对河流生物需求及与周围环境相互作用的考虑，设定的统计标准也没有严格验证。湿周法和流速法属于水力学方法，但计算结果仅为最小生态流量，能满足河流生态系统基本流量需求，但无法维持河流生态系统在最好状态，且流速法根据优势鱼类或指示鱼类等可接受的流速求生态流量，计算结果具有局限性。因此，在后续河流生态流量的计算工作中，应更加清晰其生态功能定位，不断完善其生态流量过程。