基于基流保证率法的泾河流域生态基流计算

2023-07-28安宇廷乔晓英陈永钢王梓宇

中国水土保持 2023年7期

安宇廷　乔晓英　陈永钢　王梓宇

［关键词］生态基流；基流保证率法；水资源；水生态；泾河流域

［摘要］为使我国北方生态基流得到更好的保障，提出了基流保证率法。从河川径流的组成以及生态基流的来源入手，结合生态基流的含义和功能，对径流资料进行年内展布，划分丰水期、平水期、枯水期，以保证率的方式来确保不同水期生态基流的需求。以泾河干流及其支流马莲河为例，应用该方法计算了泾河流域不同断面的生态基流，泾河干流上泾河源断面为0.16～0.65 m3/s，杨家坪断面为2.76～8.03 m3/s，景村断面为7.47～18.23 m3/s，张家山断面为9.03～21.76 m3/s；支流马莲河上洪德断面为0.02～0.82 m3/s，庆阳断面为0.95～2.76 m3/s，雨落坪断面为1.99～6.07 m3/s。与几种传统水文学方法相比，该方法计算的生态基流既能保障生态系统的基本需求又不挤占其他用水量，并且各断面生态基流的保障程度基本都能达到90%以上。

［中图分类号］ X171.1；TV882.1［文献标识码］ A［文章编号］ 1000－0941（2023）07－0031－06

水是生命之源，河道作为水流的载体是联系人与自然的纽带。实现人与自然和谐共处的首要前提就是要维护好河流生态的健康。一旦河道断流，水生态遭到破坏，将再难恢复。因此，维持一定的流量来保障河道水生态环境的健康是十分必要的。《河湖生态环境需水计算规范》（SL/T 712—2021）将维持河流水生态系统功能不丧失的最小流量过程称为生态基流（ecological base flow）[1]。

针对生态基流的研究已有80余a，计算方法多达百余种，可归纳为水文学法、水力学法、生境模拟法、整体分析法四大类[2]。水力学法是以水力学为理论支撑，根据河道物理特性来计算生态基流，未考虑季节变化和水生物需求，计算结果仅能保证河道不断流；生境模拟法是根据径流与目标生物栖息地关系计算生态需水量的，虽具有生态学意义，但生态需水量大于生态基流量，并且要考虑河段生物的种类、数量、习性、繁育等，因此对数据资料要求较高，计算过程更为复杂；整体分析法与生境模拟法较为类似，考虑得更加全面系统，因此对数据资料要求高，计算复杂，更适合生态需水量的计算；传统的水文学法虽然以水文学为理论依据，以水文观测资料为数据支撑，计算简便，但是计算的生态基流过程缺乏内在联系，而且不同的水文学方法计算结果差异较大，难以判断成果的适用性，面对水资源匮乏、挤占生态流量的挑战，不利于水资源的调度与管理[3-4]。

因此，本研究依据《河湖生态环境需水计算规范》（SL/T 712—2021）中对生态基流的定义，提出了一种新的计算生态基流的方法，即基流保证率法。本研究以泾河干流及其支流马莲河为例，对基流保证率法的原理、计算、应用加以说明，并与几种传统水文学法进行对比，以验证该方法的合理性及适用性。

1 研究概况

1.1 研究区概况

泾河是黄河二级支流，发源于老龙潭，流经陕西、甘肃、宁夏三省（区），于陕西高陵入渭。干流长约455.1 km，流域面积约45 421 km2。马莲河为其最大支流，河流自北向南，全长374.8 km，总落差991 m，平均比降1.35‰，集水面积19 086 km2。

泾河流域属温带大陆性季风气候区，是半湿润带向半干旱带过渡带，流域内90%以上区域为半湿润带。降水分布存在明显空间差异性，呈现南多北少态势，其中泾河源头六盘山地区降水最丰沛，多年平均降水量655.05 mm；长武地区是流域的次降水中心，多年平均降水量604.33 mm；环县地区降水量较少，多年平均降水量429.19 mm；支流马莲河源头段多年平均降水量仅为364.00 mm。年均气温为1.47～13.24 ℃，空间分布呈现南热北冷、东暖西寒的态势；多数区域多年平均最高气温30 ℃，六盘山地区23 ℃，中下游区域33 ℃；多年平均最低气温分布有较为明显的南北差异，分别以“灵台—长武—正宁”“泾源—彭阳—慶城”为界，将泾河流域划分为南、中、北3个区域，表现为南暖、中温、北寒的特征，南部地区多年平均最低气温为-10 ℃，中部地区为-15 ℃，北部地区为-20 ℃。

1.2 数据来源

为了更好地探讨基流保证率法对生态基流计算的适用性，共选取了泾河流域7个水文站，其中泾河源站、杨家坪站、景村站、张家山站位于泾河干流，洪德站、庆阳站、雨落坪站位于支流马莲河。此外，收集了各水文站1974—2019年月径流资料，泾河源站1974年1月至1978年12月径流资料为宁夏水文水资源勘测局通过径流还原所得，资料可靠。各水文站情况见表1。

2 研究方法

2.1 基本思路

对于我国北方常流河而言，河川径流由地表径流和基流共同组成，其中基流即汇入河道的地下径流，常年存在于河道，流量过程较为稳定[5]。生态基流是由河川径流提供补给的，作为维持河流水生态系统功能不丧失的最小流量过程，需常年存在于河道，这与基流存在一定的共性，那么可以考虑优先由基流来保证对生态基流的供给。因此，可以通过基流来推求生态基流。

在我国北方常根据降雨规律将径流分为汛期径流和非汛期径流，汛期为7—10月，其他月为非汛期。这样的水期划分与河道对生态基流的需求规律未能充分匹配，可进一步结合气候条件、地理环境、水生态需求等细化为丰水期、平水期、枯水期。枯水期气温较低，部分河流会面临冰封状态，河道内生物多数停滞生长，所需生态基流相对最小，且人类对水资源利用程度相对最低，可以最大程度保障生态基流；平水期一般在春秋季，正是万物生长与凋零的季节，该时段降水也相对较多，可兼顾水生态和人类活动的需求制定生态基流的保证率；丰水期通常在汛期内，降水充沛，正是生物生长发育高峰季，北方河流更兼具输沙功能，生态基流理应最大，但此时农业灌溉、水力发电等人类活动对水资源需求较大，因此需要适当降低生态基流的保证率，但不会降低其水量[6-8]。

因此，在采用基流保证率法计算生态基流时，应先计算断面基流及基流指数，判断基流与河川径流的水利联系是否密切，是否为河川径流的主要补给来源；再将河川径流划分为丰、平、枯水期，根据不同水期对生态基流的需求给予相应的设计保证率，即可计算出该断面的生态基流。

2.2 计算方法

2.2.1 基流计算方法

基流通常难以直接观测，一般采用基流分割方法将基流量从河川径流中分割出来。基流分割方法众多，本研究采用Chapman-Maxwell数字滤波法进行基流分割计算[9-10]。公式为

2.2.3 生态基流计算方法

在确保基流是河川径流的主要补给来源的前提下，根据河川径流资料划分为丰水期、平水期、枯水期3个水期，并结合《河湖生态环境需水计算规范》（SL/T 712—2021）分别取50%、75%、90%设计保证率下的基流作为河道断面生态基流保障阈值。在我国绝大部分流域径流特性均符合皮尔逊Ⅲ型（P-Ⅲ）分布，本研究中涉及频率分析均采用适线法进行P-Ⅲ拟合[14]。

3 传统水文学方法

3.1 Tennant法

Tennant法又称为Montana法，是将多年平均流量的特定百分比作为生态基流[15]。Tennant法将多年平均流量的10%、30%分别作为保持河流生态系统健康与保障水生物栖息条件的最小流量，我国北方地区常取20%作为生态基流[16-18]。

3.2 Texas法

对月平均流量逐月排频，以50%保证率下的特定百分数作为生态基流[19]。吴喜军等[20]根据渭河宝鸡段典型植物及鱼类的水量要求，提出特定百分比取20%为宜。

3.3 NGPRP法

NGPRP法即Northern Great Plains Resource Program法，将水文年划分为丰、平、枯3种年型，取平水年90%保证率流量作为生态基流[2]。该方法缺乏生物学依据[21]。

3.4 90%保证率法

根据长序列水文资料，对月径流进行频率分析，取保证率P=90%的流量作为生态基流。该方法适用于开发程度较高或水量较小的河段[22]。

4 试验与分析

4.1 基流保证率法生态基流计算

4.1.1 基流计算

通过Chapman-Maxwell数字滤波法分别对各水文站河川径流进行基流分割，得到各水文断面的基流。此处以张家山断面作为代表，其流量、基流变化情况见图1。

本研究以1980年、1990年、2000年、2010年作为时间节点，分别计算了泾河干流及其支流马莲河各水文站断面IBF值，计算结果见表3。

从表3可以看出，泾河源断面IBF最大为0.64，最小为0.54，差值为0.10；杨家坪断面IBF最大为0.60，最小为0.56，差值为0.04；景村断面IBF最大为0.61，最小为0.57，差值为0.04；张家山断面IBF最大为0.62，最小为0.58，差值为0.04；洪德断面IBF最大为0.60，最小为0.48，差值为0.12；庆阳断面IBF最大为0.60，最小为0.57，差值为0.03；雨落坪断面IBF最大为0.61，最小为0.53，差值为0.08。根据各水文站IBF最大值与最小值差值可以看出，泾河流域基流占据河川总流量的比例变幅较小，说明泾河流域各断面基流对河川径流的补给较为稳定。各水文站断面多年平均IBF均大于0.50，其中洪德站最小为0.53，张家山站最大为0.60，其他断面基流指数均在0.58及以上，表明泾河流域基流占据河川径流比例较大，地下水是河川径流的主要补给来源。这表明泾河流域地表水与地下水之间存在长期且稳定的水利联系，那么在考虑以基流作为生态基流的优先补给源的前提下，可以通过基流来量化生态基流。

4.1.2 水期划分

根據本研究所述水期划分方法，泾河流域不同断面丰、平、枯水期的分布并不完全一致。泾河干流断面丰水期主要集中于7—10月，平水期以6月、11月为主，枯水期集中于12月至次年5月；而支流马莲河的丰水期主要集中于7月、8月，平水期以6月、9月为主，枯水期主要集中于10月至次年5月。泾河流域水期划分情况见表4。

由表4可知，泾河流域不同水文站丰水期相对稳定，平水期、枯水期差异较大。丰水期常现于汛期内，主要受降水的影响，泾河流域虽然范围较广，但流域内降水集中时期较为一致，因此丰水期的差异不大；而平水期、枯水期多为非汛期，该时段内降水量小且不集中，此时段制约水量的主要因素除降水外还有气温，尤其是在春、冬季，伴随着冰雪融化、冻土消融，部分河段3月份水量较大。

一般情况下在丰水期与枯水期之间有平水期作为过渡，呈现一种“枯—平—丰—平—枯”的变化规律，但洪德站则较为特殊，仅呈现“枯—丰—平—枯”的变化规律，这不代表洪德站直接由枯变丰没有平水期过渡，而是因其过渡时间较短，在本次计算采用的月尺度下无法显现。

总之，划分水期的目的就是提升生态基流计算的精度。尤其是计算流域面积大、地形地貌复杂、跨气候分区的大中型流域，要有针对性地计算各个断面的生态基流，争取做到既能保证生态基流又能不挤占其他水资源利用量。支流与干流还是存在差异的，在计算中不仅要考虑干支流共性特征，还应考虑其个性特征。

4.1.3 生态基流计算

根据IBF值已确定基流是泾河流域河川径流的主要补给来源，结合各断面水期划分，丰、平、枯水期分别以50%、75%、90%设计保证率下的基流作为生态基流的保障阈值。如此，既能保证枯水期不断流，又能兼顾平水期、丰水期水生动植物生存、繁育，同时不挤占其他用水量，可使流域水资源开发利用的生态、经济效益最大化。泾河流域各水文站生态基流计算成果见表5。

由表5可知，泾河干流上泾河源断面生态基流为0.16～0.65 m3/s，最小值出现于2月、3月，最大值出现在10月；杨家坪断面生态基流为2.76～8.03 m3/s，最小值出现于5月，最大值出现在10月；景村断面生态基流为7.47～18.23 m3/s，最小值出现于5月，最大值出现在9月；张家山断面生态基流为9.03～21.76 m3/s，最小值出现于5月，最大值出现在10月。支流马莲河上洪德断面生态基流为0.02～0.82 m3/s，最小值出现于1月、2月，最大值出现在8月；庆阳断面生态基流为0.95～2.76 m3/s，最小值出现于2月，最大值出现在8月；雨落坪断面生态基流为1.99～6.07 m3/s，最小值出现于1月、2月，最大值出现在9月。

结合划分的水期，泾河流域生态基流最小值均出现于枯水期，最大值均出现在丰水期，这表明采用基流保证率法计算的生态基流是符合泾河流域水文年内分布特征的。

为了进一步探讨由基流保证率法计算的生态基流是否能保证泾河流域各断面对生态基流的需求，在此参照基流指数引入生态基流比例，即本时段某断面的生态基流与多年平均流量的百分比。本研究计算了泾河流域各断面的生态基流比例，见图2。

由图2可知，泾河干流上各断面生态基流比例分别为：泾河源断面16.56%～44.66%；杨家坪断面19.88%～43.77%；景村断面19.16%～55.73%；张家山断面21.18%～58.78%。泾河支流马莲河上各断面生态基流比例分别为：洪德断面6.25%～49.15%；庆阳断面11.52%～70.07%；雨落坪断面13.32%～62.22%。

生态基流比例最小值分布月份、水期均较为集中，除泾河源、洪德断面分别于5月（平水期）、2月（枯水期）出现外，其他断面均出现在7月（丰水期）。而生态基流比例最大值的分布月份相对分散、水期相对集中，泾河源断面出现在11月（平水期），洪德断面出现在10月（枯水期），雨落坪断面出现在12月（枯水期），其他断面均出现在1月份（枯水期）。泾河干流上泾河源、杨家坪、景村、张家山断面生态基流比例平均值分别为29.29%、31.17%、36.27%、37.96%；支流马莲河上洪德、庆阳、雨落坪断面生态基流比例平均值分别为20.68%、39.17%、36.79%。结合表5和图2来看，洪德断面1—5月为枯水期，不仅生态基流小，而且生态基流比例也较小，这与其他断面枯水期生态基流小但生态基流比例较大的规律不同。根据洪德断面所处的地理位置、气候条件以及河道特性来看，通常在1—3月为冰冻期，河流冰封以及冻土滞流致使该时段内基流对河川径流的补给受阻。这也说明该时段内河道对生态基流的需求并不强烈，因此并不影响生态基流的计算成果适用性。我国对生态基流比例无明确标准，但是有些国家规定最低生态基流不得小于多年平均流量的5%，以此为参考，本研究采用基流保证率法计算的泾河流域生态基流是适用的。

4.2 与传统水文学法对比

本研究不仅用基流保证率法计算了泾河流域各断面的生态基流，同时也通过Tennant法、Texas法、NGPRP法、90%保证率法4种传统水文学方法计算了泾河流域各断面的生态基流。通过与多种传统方法的对比，可以更加直观地评判基流保证率法的计算成果。多种方法计算的生态基流结果对比情况见图3。

由图3可知，由基流保证率法计算的生态基流在其他方法计算值之间，且涨落规律与其他方法计算结果一致，这表明由基流保证率法计算的生态基流在数值与规律上都是合理的。

在传统水文学方法中，Tennant法和Texas法的计算规律相似，但数值偏大，差别在于Tennant法用的是多年平均流量，而Texas法是考虑了季节变化因素，用的是50%保证率下的月平均流量。采用这两种方法计算生态基流时多数人选用的特定百分比为20%，这样算出的生态基流是否过剩或不足难以鉴定。基流保证率法则是根据生态基流需求制定保证率，更具合理性。从图3来看，NGPRP法计算的生态基流最大，在其他方法合理的情况下，由NGPRP法计算的生态基流将挤占其他用水量，这不利于河道水资源的开发利用。整体上看，由90%保证率法计算的生态基流虽然确保了生态基流的保证率能达到90%，但是在丰水期计算所得生态基流偏大，而此时正是农业灌溉、水力发电、水资源调度以及防洪的关键时期，生态基流偏大则过分挤占其他用水，不利于上述水利活动的开展。基流保证率法计算的生态基流基本都在90%保证率计算值之下和Texas法计算值之上，这说明由基流保证率法计算的生态基流的保障程度可达90%以上。

综合来看，在泾河流域无论是干流还是支流，也无论是河流源头还是上、中、下游，由基流保证率法计算的生态基流都具有合理性和普适性，而且保障程度高达90%以上。相对于传统方法，基流保证率法计算所得生态基流过程线无陡涨陡落，曲线更加平滑，更有利于对河床的保护以及对生态基流的调控。

5 结论

1）本研究提出的基流保证率法，是根据河川径流的组成以及生态基流的来源，结合生态基流的含义和功能，通过划分年内水期以保證率的方式来确保各水期生态基流的需求的。这为河道生态基流的计算提供了新的思路及方法。

2）通过该方法在泾河干流及支流马莲河的应用，得到了泾河流域不同断面的生态基流：泾河源断面生态基流为0.16～0.65 m3/s，杨家坪断面生态基流为2.76～8.03 m3/s，景村断面生态基流为7.47～18.23 m3/s，张家山断面生态基流为9.03～21.76 m3/s；支流马莲河上洪德断面生态基流为0.02～0.82 m3/s，庆阳断面生态基流为0.95～2.76 m3/s，雨落坪断面生态基流为1.99～6.07 m3/s。各断面生态基流的保障程度基本都能达到90%以上。

3）与Tennant法、Texas法、NGPRP法、90%保证率法相比，该方法有更科学的理论支撑，受资料约束小，计算程序简便；该方法的计算成果既能保证生态系统的基本需求又不挤占其他用水，有利于水利部门对水资源的调度与管理。

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