不同时间尺度下的生态径流风险评价方法

王飞龙,郭晓明,张 松,胡 挺

(1.中国长江三峡集团有限公司,湖北 宜昌 443100; 2.河南大学 黄河文明与可持续发展研究中心,郑州 450046)

0 引 言

生态径流是影响河流生态系统健康的因素之一,水文情势的改变将影响河流生态演变方向[1],例如,持续的涨水过程可以刺激鱼类产卵,一定量级的洪水给河流沿岸植物提供所需的水分和营养物质,水温变化是鱼类繁殖迁移的信号,但是极端的干旱和洪水会破坏鱼类栖息地[2-3]。目前,世界范围内约有46%的流域受到筑坝影响改变了流域水文特性[4-5],为此,研究人员提出了许多指标来评估筑坝对流域生态水文情势的影响,如当前广泛流行的水文变化指标(Indicators of Hydrologic Alteration, IHA)[6-7]。近些年,基于流量历时曲线(Flow Duration Curve, FDC)提出的生态盈余(Eco-Surplus, ES)和生态赤字(Eco-Deficit, ED)2个指标被广泛用来评估河流生态径流情势[8-10]。

通常以FDC的第25、75分位数作为河流生态径流保护范围的下限和上限,年生态赤字表示低于年内下限范围的径流,年生态盈余表示高于年内上限范围的径流,月、季尺度生态赤字、生态盈余含义与年尺度类似。尽管以流量历时曲线计算的生态径流指标已运用多年[11-12],但仍存在诸多限制,张松等[13]指出了其中的局限性:①月生态赤字非零,而对应季生态赤字为零,月生态赤字非零表示该月缺水,季生态赤字为零表示本季节不缺水,这2个时间尺度指标含义相互矛盾;②生态盈余和生态赤字能间接反映某些生态径流条件对生态系统造成损害的风险,但是决策者不能从FDC上找出风险发生时间。

张松等[13]因此提出基于流量过程线(Discharge Hydrograph, DH)来计算生态盈余与生态赤字,新方法克服了上述限制,且展现出与河流鱼类生物多样性指数具有更强的相关性,能更好地反映河流的生态水文状况,但仍存在2个方面的问题没有解决。一是不能发现极端最不利情况,尽管生态赤字能反映河流缺水程度,但是不能找出最不利生态赤字情况,没有最不利的生态赤字,决策者仅从生态赤字上不能辨析河流生态径流缺水程度,影响实际决策。二是季(年)生态赤字通过累加月生态赤字求得,使得季生态赤字比月生态赤字更小,从含义上来看整个季节的生态径流形势更差,进一步放大了季生态赤字,而实际每个月的生态径流可能不是很差。

为弥补以上2个不足,本文在张松等[13]提出的原方法上,建立新的生态盈余与生态赤字计算方案,在满足不同时间尺度计算情况下,辨明生态赤字与河流缺水程度关系,并将方法用于金沙江下游屏山站,分析屏山站不同时间尺度下的生态径流特征,为决策者有针对性地改善河流生态径流提供技术支持。

1 评估方法建立

1.1 月生态径流指标

本文基于流量过程线(DH)来定义月、季、年生态径流,DH是水文站1 a的日流量过程线。通过整理天然情况下水文站每年的DH曲线得到该站点历史长系列DHs,从每年同一天的日流量数据中计算该日的第25、75分位数流量,由每日的第25、75分位数流量得到第25、75分位数流量曲线。位于第25、75分位数区间的流量可以被认为是河流生态系统可以适应的流量变化范围,因此第25、75分位数流量也是生态径流的下限与上限,如图1(a)所示。

图1 可适应流量范围、可适应范围最大径流与可适应范围最小径流

生态径流上下限确定后,把第75分位数流量曲线与时间横坐标所围成的面积定义为可适应范围最大径流(MaxWm),第25分位数流量曲线与时间横所围成的面积定义为可适应范围最小径流(MinWm)[13]。以3月份为例,1—31日第75分位数流量过程线与时间轴所围成的区域面积即为该月的最大生态径流(图1(b)中绿色区域),第25分位数流量与时间轴所围成区域面积为该月最小生态径流(图1(c)中红色区域)。其他月份的可适应最大径流(MaxWm)和可适应最小径流(MinWm)类似同样计算。

对于确定年份的日流量过程线,每月流量低于第25分位数流量过程线的径流称为月不足径流(图2中黄色区域),每月流量高于第75分位数流量过程线的径流称为月多余径流(图2中青色区域)。通过第25、75分数流量曲线定义,可以得出基于流量过程线DH定义的生态盈余与生态赤字[13]。2个指标ES″m、ED″m定义如下:

图2 1994年多余径流(青色区域)与不足径流(黄色区域)

(1)

(3)

(4)

图3 月可能最大多余径流、月可能最大不足径流

(5)

式(5)表明生态盈余ESm和可适应最大径流MaxWm没有关系,生态赤字EDm与可适应最小径流MinWm没有关系,并且ESm在0～1之间变化,EDm在-1～0之间变化。EDm为负表示河流缺水,-1为最不利情况,因此,采用EDm指标能够直接判断生态径流破坏程度,EDm值越接近-1,表明生态径流越不利。

1.2 季生态径流指标

依据月生态径流指标建立方法,建立季生态径流指标,并定义3—5月份为春季,6—8月份为夏季,9—11月份为秋季,12月份—次年2月份为冬季,季生态径流指标计算如下:

(7)

(8)

式中:ESs、EDs分别是季生态盈余、生态赤字;S为一个季度总天数。式(7)的分母表示了季可能最大多余径流,式(8)的分母表示了季可能最大不足径流。

1.3 年生态径流指标

对于给定年流量过程线,可以定义以下的年生态径流指标如下:

(9)

式中:ESa、EDa分别为年生态盈余、年生态赤字;Y为1 a的天数(365 d或366 d)。式(9)中的分母表示年可能最大多余径流,式(10)中的分母表示年可能最大不足径流。

基于流量过程线(DH)计算的月、季、年生态径流指标,避免了月生态赤字(ED)非零而季生态赤字为零的情况。月、季、年尺度的生态赤字通过与-1比较,便可知道河流生态径流的不利程度,越接近-1,河流缺水程度越严重。同时季、年尺度生态赤字计算方案克服了文献[13]通过累加月生态赤字而导致季、年生态赤字被放大的不足。

1.4 生态径流风险评估阈值划分

维持一定河道流量是保护河流生态系统健康的重要条件,缺水会造成河流生态系统恶化、退化风险升高[14-17],而生态赤字本质上反映了建库后下游河段的径流减少程度,且相关文献[18-22]证明了它与河流鱼类生物多样性指数的较强相关性,因此,生态赤字被用于评估径流减少对生态系统稳定性带来的风险。将风险等级划分为:无风险、低风险、中风险、高风险,按照文献[13]的划分方法各风险等级如表1所示。

表1 生态风险等级划分

2 案例研究

向家坝水电站为金沙江下游4个水电梯级电站中的最下一级电站,坝址左岸位于四川省宜宾县,右岸位于云南省水富县,控制流域面积45.88万km2,占金沙江流域面积的97%。屏山站位于溪洛渡电站下游124 km处,向家坝水库建成后向下迁站至向家坝坝址下游13 km处,改名为向家坝水文站,本文统一称为屏山站。历史长系列数据以2007年(建库)为界,分为1940—2007年,2008—2012年2个区间系列,其中1940—2007年为建库前系列,第25、75分位数基于建库前系列计算得到。以屏山站数据为例,运用以上建立的方法对屏山站生态径流风险进行评价。

3 结果分析

3.1 屏山站生态径流特征

采用月累计生态径流指标来探究生态径流的长期变化特征,图4所示为1940—2012年的累积月生态盈余(ES)、累积月生态赤字(ED)过程线。生态赤字累积曲线上,某一小段陡然降低表明右边年份生态赤字大于左边的生态赤字,某一小段水平表示右边年份的生态赤字为0。生态盈余累积曲线也可类似解释。

图4 1940—2012年累积月生态盈余和生态赤字

以2007年为分界的前后曲线斜率明显不同,2008—2012年生态赤字累计曲线在6月份、8月份下降更快,说明上游来水在这几个月偏枯;生态盈余累计曲线在2月份、3月份上升更快,说明上游来水在这几个月偏丰。

为了分析屏山站在2007年前后的径流指标变化程度,通过计算1940—2007年、2008—2012年累计径流指标的斜率,并用2008—2012年斜率与1940—2007年斜率相比,最终得出2007年后的径流变化百分比,结果如表2所示。对月生态盈余ES而言,正的百分比变化表示产生了有利影响,反之亦然;对月生态赤字ED而言,负的百分比变化表示有利作用,反之亦然。

表2 2007年前后屏山站累积月生态盈余和生态赤字变化率

根据表2,2008—2012年1月份的生态径流形势是最有利于河流生态系统,ES增长率相比2007年以前增大了约275%,ED下降率减小了约55%;10月份是最不利的生态径流月份,ES增长率较2007年以前减小89%,ED增加了约125%。

图5为1940—2012年的累积季生态径流指标,对于ES累积曲线,2008—2012年春季、冬季的曲线斜率高于2007年以前,夏季、秋季低于2007年以前。表3反映了屏山站在2007年前后的季生态径流差异特征。在春季、冬季ES表现为有利于河流生态健康特征;在夏季、秋季,ES和ED都表现为不利于河流生态健康特征,其中秋季ES有-72%的变化,ED有144%的变化,季尺度影响变化与月尺度表现一致。

表3 2007年前后季生态盈余和生态赤字变化率

图5 1940—2012年累积季生态盈余和生态赤字

1940—2012年的累积年生态径流指标如图6所示,ED累积曲线在1991年、2005年快速下降。2007年前后年生态径流指标增长率对比如表4所示,2008—2012年间,上游来水减少对年生态盈余与年生态赤字产生了影响,其中年生态赤字受影响程度大于ES,从历史流量来看,1940—2007年均流量为4 570 m3/s,2008—2012年为4 300 m3/s,以上结论与实际情况符合。

表4 2007年前后累积年生态盈余和生态赤字变化率

3.2 不同时间尺度的生态风险评价

根据表1的生态赤字风险等级划分,得到1940—2012年屏山站不同时间尺度的生态赤字风险评估,如图7所示,从图7上能直观看出月、季、年的河流生态风险。年风险评估图上显示1992—1996年具有中高风险,1994年、2006年、2011年出现高风险,侧面反映了这些年份为枯水年。1994年夏季长江中下游地区94.5%地区先后遭受干旱,为1951年以来历史同期范围最广的一年,长江中下游地区区域平均降水量为近60 a同期最少[23]。2006年夏季长江中上游发生干旱,长江出现了历史同期最低水位,四川、重庆遭遇特大干旱,受灾严重[24]。2011年夏季长江中下游遭遇罕见大旱,5月份鄱阳湖水面主体及附近水域面积仅为历史同期多年平均面积的一半[25-26]。以上分析表明,基于此方法计算的季、年生态径流风险评估与实际保持一致。

图7 月、季、年3种时间尺度下的生态赤字风险

对1940—2012年屏山站月尺度下的的4种风险等级进一步分析,各风险等级出现频率如图8所示。

图8 2007年前后4种风险频率对比

以7月份为例,2008—2012年高风险没有发生,中风险减少,低风险与无风险发生频率较低,这种风险状况的转变表明2008—2012年7月份上游来水增多,对屏山站的生态径流产生了有利影响。

在季尺度上,以秋季为例,2007年前秋季1/3的时间为无风险,2007年后,无风险、中风险没有出现,低风险增多,高风险出现频率变多,这种转变表明屏山站在秋季生态径流存在风险,与3.1节结论一致。年尺度上,2007年后,无风险没有出现,中、低风险频率减少,高风险增多,表明2007—2012年生态径流存在不足,屏山站来水减少。

4 结 论

采用新方法重新定义了3种时间尺度上的生态盈余和生态赤字,将它们的取值范围分别限定在0～1和-1～0,可以据此更直观地认识到评估结果与可能最大生态盈余(1,代表可能最好的生态水文状况)和可能最小生态赤字(-1,代表可能最差的生态水文状况)的相差程度,从而判断河流的生态水文状况。此外,新方法还克服了原有方法中季、年生态赤字通过累加月尺度生态赤字造成季、年生态赤字进一步放大的不足。

基于本方法对屏山站的生态径流评估结果表明:①建库后,1月份和10月份变化最为明显:1月份ES增加,ED减少,无风险年份比例增加,低风险年份比例降低,中、高风险未出现,向有利方向发展;10月份ES减小,ED增加,无风险年份比例减少,中风险未出现,低、高风险年份例增加,向不利方向发展。②建库后,秋季ES减少,ED增加,无、中风险未出现,低、高风险年份比例变高。③建库后,年生态风险中的中、低、高风险年份比例均变高。

基于上述结果,建议河流管理部门应重点关注秋季、10月份的生态径流指标,可考虑针对10月份和秋季实施生态径流调控措施,如上游水库适当加大下泄水量,使流量过程更接近可适应的流量变化范围,减小生态赤字,使10月份和秋季生态风险维持在低风险状态,并利用本方法对实施效果进行后评估。