乌江流域生态流量计算及其时空演变规律研究

吴承君 王仲梅 来志强

摘要：

针对现有常用的生态流量计算水文学法缺少对年际间天然水文节律考量的问题，通过划分年内来水期、年际间来水年型，基于最小月平均径流法计算原理，提出基于年内固定来水期（FPE）和不同水平年变来水期（DPE）的两种面向天然径流时程分配的生态流量确定方法。基于提出的方法分析了生态流量的时空演变规律，并以乌江流域为对象开展实例研究。结果表明：FPE法和DPE法生态流量计算结果整体上达到了Tennant法中“好”的流量状态；在时程上，丰水年生态流量计算结果呈增加趋势，其余年型生态流量计算结果呈减小趋势；在空间上，河道控制断面生态流量与控制流域面积呈显著正相关关系。所提方法为无资料或缺资料地区河段生态流量指标确定提供了参考。

关 键 词：

生态流量； 水文学法； 水文节律； 时空演变； 乌江流域

中图法分类号： TV212

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.013

0 引 言

近年来，为充分利用水能资源，在流域内干支流河道上均规划建设了大量的梯级水库和水电站［1］。大量水利工程的修建在发挥其兴利作用的同时，也阻断了河道的天然水力联系，并由此引发了一系列的水生态和水环境问题［2］。早在20世纪40年代，美国率先提出最小生态流量的概念，以改善和维持河道水生态及水环境，形成了生态流量的雏形［3］。自20世纪50年代开始，针对生态流量的计算方法开始出现［4］。国内外已有生态流量计算方法超过了240种［5］。通过梳理已有生态流量计算方法计算原理，现有生态流量计算方法可归纳为水文學法、水力学法、栖息地模拟法、整体法、组合法等5种类型［6-9］。其中水力学法是基于河道形态得出的生态流量指标，计算结果单一，无法反映河道天然来水的水文节律［10-12］；而栖息地模拟法和整体法虽然对生态流量的模拟结果良好，但其模拟耗时长，计算程序较为繁琐［13-14］；水文学法是基于长系列河道天然径流序列，采用相应频率的径流过程作为生态流量，该方法计算简便，是目前国内外最常用的生态流量计算方法［15-18］。

广义上的水文节律既包括天然径流年内分布的丰枯演变特性，同时也包括年际间天然来水的周期性。河道内水生生态系统在对年内来水时程分布提出要求的同时，其对年际间的用水需求同样匹配水文节律的变化［19-21］。而常用的生态流量计算水文学法对水生生态系统在年际间的水文节律要求考虑欠缺，因此研究确定同时具备与年际和年内的水文节律相匹配的河流生态流量指标，是维持河流生态健全需要解决的一个科学问题。

基于此，本文针对常用的生态流量计算水文学法存在的不足，从满足天然径流年内和年际间水文节律角度出发，研究提出基于年内固定来水期和基于不同水平年变来水期两种面向天然径流时程分配的生态流量计算方法，使生态流量计算结果在满足年内来水丰枯演变的同时，保证年际间的天然水文节律特性。在此基础上，分别从时间尺度上和空间层级上，分析探讨生态流量的时空演变规律，以期为无资料和缺资料地区生态流量的拟定提供参考依据。

1 常用的生态流量计算水文学法

Tennant法、最小月平均径流法、Qp法等水文学法作为SL/Z 712-2014《河湖生态环境需水计算规范》（以下简称《规范》）中推荐的方法，是目前科学研究和生产实践中常用的方法。

1.1 Tennant法

Tennant法以河道内多年平均流量为基准，针对年内不同的来水期，以多年平均流量的不同特定百分数描述河道内不同生态流量状态［22-23］，见表1。

1.3 Qp法

Qp法是采用某一保证率下的天然径流作为河道生态流量的方法，常见的Qp法包括Q95和Q90法。利用Qp法计算生态流量时主要包括以下两种方式。

（1） 按年计算方式。

根据《规范》，利用Qp法计算生态流量时，以95%（或90%）保证率下的年最枯月平均流量作为生态流量。该方式下，计算的生态流量结果在全年内均为一个固定值。

（2） 按月计算方式。

Qp法的按月计算方式是通过对各月历史径流资料进行排频计算，以95%（或90%）保证率下的各月平均径流作为生态流量［24］。该方式计算结果在全年内各月生态流量均为不同值，表现为年内历史来水较丰的月份生态流量大，年内历史来水较枯的月份生态流量小。

上述常用生态流量计算水文学法，其计算结果通常未考虑（如Tenannt法中“最小”流量状态、最小月平均径流法、Qp法按年计算方式）或仅考虑了（如Tenannt法中除“最小”流量状态外的其它流量状态、Qp法按月计算方式）与河道年内天然水文节律的匹配性，缺少对年际间天然水文节律的考量。基于此，本文提出两种面向天然径流时程分配的生态流量计算方法，使生态流量计算结果在满足年内来水丰枯演变的同时，保证年际间的天然水文节律特性。

2 面向天然径流时程分配的生态流量计算方法

2.1 基于年内固定来水期的生态流量计算

基于年内固定来水期的生态流量计算（以下简称“FPE法”）是利用多年平均天然来水流量划分年内不同来水期，同时通过划分来水年型，确定不同年型、不同来水期下的生态流量。

（1） 年内来水期划分。

本文采用距平百分率法将年内来水期划分为丰水期、偏丰水期、平水期、偏枯水期和枯水期5个期型。年内来水期划分公式见式（2），划分等级见表2。

根据河道不同控制断面处生态流量计算结果，分析河道生态流量空间演变规律。

4 实例研究

乌江是长江上游南岸最大的支流，流域年内和年际间来水分布差异大，年内降雨多发生在5～10月，多年平均径流量504.8亿m3。乌江梯级水库的建成和投运，阻断了乌江的天然水力联系，使乌江水生态系统面临严峻挑战（图2）。本文以乌江流域洪家渡、普定、引子渡、东风、索风营、乌江渡、大花水、格里桥、构皮滩、思林、沙沱11级混联水库群为研究对象，基于乌江流域1952～2015年各库坝址处长系列天然逐月历史月平均径流资料，开展生态流量计算及其时空演变规律分析。

4.1 生態流量计算

采用FPE法、DPE法、Tennant法、最小月平均径流法、Qp法计算的不同生态流量见图3，年平均生态流量见表3（为减少篇幅，下面仅展示洪家渡水库计算结果）。

由图3可知，FPE法、DPE法、Tennant法（最小流量状态除外）、Qp法（按月计算）生态流量计算结果均可反映年内水文情势的变化，但Tennant法（最小流量状态）、最小月平均径流法、Qp法（按年计算）生态流量计算结果在年内不同来水期均是一固定不变值，对水文情势的反映较差。同时，相比传统生态流量计算方法，FPE法、DPE法生态流量计算结果体现了不同来水年型下生态流量的变化，可较好地反映年际间的水文情势变化。

根据《贵州乌江梯级水电站水库调度手册》，洪家渡水库坝址下游生态基流为14.4 m3/s，与Tennant法中“最小”的流量状态计算结果基本一致，均小于其他生态流量计算方法计算结果，表明上述生态流量计算方法计算结果均能满足洪家渡下游生态保障需求。同时，由表3可知，在不同生态流量计算方法的年内平均生态流量方面，FPE法、DPE法、Qp法（按月计算）均接近或略高于Tennant法中“好”的流量状态，表明利用这3种方法计算的生态流量能较好地保护或维持水生态系统的安全。

由前述计算结果可知，FPE法、DPE法生态流量计算结果在量级层面均能接近或达到“好”的流量状态，且其能反映出天然径流在年际间的水文节律，同时考虑到DPE法较FPE法对不同水平年来水期的划分更为精确，因此，本文通过采用DPE法生态流量计算结果，分析生态流量时空演变规律。

4.2 生态流量时空演变规律

4.2.1 生态流量时程演变规律

根据《规范》，采用水文学法计算生态流量时，河道天然径流资料不低于10 a，因此，本文在计算不同阶段生态流量时，取t0=10，d=5，计算得不同阶段生态流量如图4所示，变化趋势见表4（为减少篇幅，以下仅展示洪家渡、乌江渡、大花水和构皮滩4座典型水库计算结果），其中“综合”是根据不同年型的年内平均生态流量，结合不同年型的年数加权平均计算得出。

由图4和表4可以看出：① 针对河道某一控制断面，受不同水平年下不同来水期最小月平均径流差异的影响，在径流序列长度较小时，断面年均生态流量并非完全遵循主观认识上的由丰水年、偏丰水年、平水年、偏枯水年、枯水年依次递减的规律。② 针对每座水库，其丰水年年均生态流量在时程上均呈增加趋势，而在其它年型中，除大花水水库平水年年均生态流量在时程上呈增加趋势外，均表现出年均生态流量在时程上减小的趋势，表明流域年际间来水的丰枯差异增大；同时，由“综合”曲线可以看出，上述各库的年均生态流量均呈降低趋势，表明近年来流域来水整体上较水库运行前期有所减少。③ 径流序列长度较小时，针对某一控制断面，其生态流量计算结果变化较大，随径流序列长度的增加，生态流量计算结果趋于平稳。

4.2.2 生态流量空间演变规律

基于乌江流域1952～2015年各库坝址处长系列天然逐月历史月平均径流资料，采用DPE法计算得乌江11级水库生态流量过程，绘制控制断面生态流量与控制流域面积关系，如图5所示。其中各月的生态流量是根据不同水平年下相应月份的生态流量，结合不同水平年的年份，通过加权平均计算得到。

由图5可知，针对流域内不同控制断面，各月间的生态流量和年均生态流量均与其控制流域面积呈显著的线性正相关关系。

5 结 论

本文针对常用的生态流量计算水文学法计算结果难以匹配天然径流年际间水文节律的问题，分别提出了基于年内固定来水期和不同水平年变来水期的两种面向天然径流时程分配的生态流量确定方法，还研究了生态流量时空演变规律分析方法，并以乌江流域为对象开展了实例研究，得出结论如下：

（1） 基于年内固定来水期和不同水平年变来水期的两种生态流量计算方法的计算结果整体上接近或达到Tennant法中“好”的流量状态，且较传统水文学法能更好地反映天然径流年际间的水文节律。

（2） 运用水文学法计算生态流量时，采用的径流序列长度越短，计算结果稳定性越差，径流序列长度越长，结果稳定性越好。

（3） 流域内河道控制断面的生态流量与断面控制流域面积呈显著的线性正相关关系。基于此，可通过线性插值法确定流域河道内各断面生态流量指标，为无资料或缺资料河段或地区生态流量指标确定提供了参考依据。

参考文献：

［1］ 刘本宝，李克峰，杨吉龙.水利工程建设对生态环境的作用研究［J］.环境与发展，2020，32（5）：209-210.

［2］ 黄强，赵梦龙，李瑛.水库生态调度研究新进展［J］.水力发电学报，2017，36（3）：1-11.

［3］ DANIEL C.Comparison and regionalization of hydrologically based instream flow techniques in Atlantic Canada［J］.Canadian Journal of Civil Engineering，1995，22（2）：235-246.

［4］ 华祖林，董越洋，褚克坚.高度人工化城市河流生态水位和生态流量计算方法［J］.水资源保护，2021，37（1）：140-144.

［5］ THARME R E.A global perspective on environmental flow assessment：emerging trends in the development and application of environmental flow methodologies for rivers［J］.River Research and Applications，2003，19（5-6）：397-441.

［6］ 徐志俠，陈敏建，董增川.河流生态需水计算方法评述［J］.河海大学学报（自然科学版），2004，32（1）：5-9.

［7］ SHOKOO A.Introducing a new method to determine rivers′ ecological water requirement in comparison with hydrological and hydraulic methods［J］.International Journal of Environmental Science & Technology，2014，11（3）：747-756.

［8］ 童心，刘冀，彭涛，等.基于水文学法的雅砻江中游河段生态流量研究［J］.人民长江，2022，53（8）：58-64，93.

［9］ 任黎，高家琛，杨灏宇，等.考虑水文变异的漾弓江干流生态流量计算［J］.人民长江，2022，53（5）：82-87，100.

［10］ SEDIGHKIA M，DATTA B，ABDOLI A.Design of optimal environmental flow regime at downstream of reservoirs using wetted perimeter-optimization method［J］.Journal of Hydro-environment Research，2021，39：1-14.

［11］ 葛金金，张汶海，彭文启，等.水文-生态响应关系构建方法综述［J］.水利水电技术，2020，51（11）：23-29.

［12］ 王煌，周买春，刘远，等.水力学法估算广东省山区小水电站减脱水河段生态需水量的探讨［J］.水力发电学报，2014，33（2）：154-161.

［13］ MA B，DONG F，PENG W Q，et al.Evaluation of impact of spur dike designs on enhancement of aquatic habitats in urban streams using 2D habitat numerical simulations［J］.Global Ecology and Conservation，2020，24：e01288.

［14］ STUART I，SHARPE C，STANISLAWSKI K，et al.From an irrigation system to an ecological asset：adding environmental flows establishes recovery of a threatened fish species［J］.Marine and Freshwater Research，2019，70（9）：1295-1306.

［15］ 李计生，于海超，张扬，等.基于Tennant改进法的讨赖河生态流量分析与评价［J］.节水灌溉，2020（8）：72-75，81.

［16］ 肖卫，周刚炎.三种生态流量计算适应性分析及选择［J］.水利水电快报，2020，41（12）：59-62.

［17］ 王鑫茹，崔惠娟，刘亚平，等.基于熵理论流量历时曲线的生态流量变化分析—以1961～2012年黄河流域径流为例［J］.人民长江，2021，52（3）：58-65.

［18］ 王鸿翔，桑明崎，查胡飞，等.基于生态水文学法的湘江生态流量研究［J］.人民长江，2019，50（8）：70-73.

［19］ 李昌文，康玲，张松，等.一种计算多属性生态流量的改进FDC法［J］.长江科学院院报，2015，32（11）：1-6，13.

［20］ O′KEEFFE J，GRAAS S，MOMBO F，et al.Stakeholder-enhanced environmental flow assessment：The Rufiji Basin case study in Tanzania［J］.River Research and Applications，2017，35（5）：520-528.

［21］ OIKONOMOU P D，SIDHU R，WIBLE T，et al.R2Cross：A Web-based decision support tool for instream flows［J］.Journal of the American Water Resources Association，2021（4）：652-660.

［22］ 于松延，徐宗学，武玮.基于多种水文学方法估算渭河关中段生态基流［J］.北京师范大学学报（自然科学版），2013，49（增1）：175-179.

［23］ 朱敏翔，杨柳，杨超，等.Tennant法在河流生态基流计算中的适用性探讨：以福建省东南沿海地区为例［J］.人民长江，2020，51（4）：59-64.

［24］ 吴昌贤，薄岩，黄微尘，等.黄河干流生态流量赤字及其成因［J］.南水北调与水利科技，2020，18（4）：8-16.

［25］ 黄志强，季亚辉，闫团进，等.鄂西山区小流域汇流面积与设计洪水相关分析［J］.中国防汛抗旱，2018，28（8）：36-40.

（编辑：黄文晋）

Abstract：

The existing commonly used hydrological methods for ecological flow calculation lacks consideration of the inter-annual natural hydrological rhythm.By dividing the incoming water period within a year and the incoming water year type between years，using the calculation principle of Minimum Monthly Average Runoff Method，two ecological flow calculation methods for natural runoff time-history allocation based on annual fixed inflow period（FPE）and different levels of years with variable inflow period（DPE）are proposed respectively in this paper.We also studied the temporal and spatial variation of ecological flow.The Wujiang River Basin is studied as a case.The results show that the ecological flow calculated by FPE and DPE are in a level that can be evaluated as good by Tennant method.In terms of time history，the ecological flow calculation results in wet years show increasing trends，while the other year types show decreasing trends.Spatially，there is a significant positive correlation between the ecological flow of the control section of the river and the area of the basin.

Key words：

ecological flow；hydrological method；hydrological rhythm；temporal and spatial variation；Wujiang River Basin