基于水文学法的连江高道断面生态流量研究

郑键鹏

(广东省水文局 清远水文分局，广东 清远 511599)

1 概述

随着经济社会的不断发展，人类社会对水资源的需求导致部分河流水资源在数量、质量、可利用量及时空分布上均发生了一定程度的变化，加之人们对良好水生态环境的需求不断增大，水资源的供需矛盾进一步激化。人类对水资源的过度开发，会加大生态用水与经济发展之间的矛盾，也会加剧对水生态平衡的破坏，导致河流水文情势的改变、河道河床的下切，甚至是水生态系统退化等结果的出现[1]。因此，确定合理的生态流量对保证河道基本的生态功能和形态具有现实的迫切性。

河流生态流量是指保证河道生态环境用水需求的最小流量，用以分析河流维持自然生态系统稳定所需流量和人类用水间的相互平衡的关系[2]。世界范围内针对流域生态流量计算的方法超过200种[3]，具体划分为水文学、水力学发、栖息地法和生态模拟法等，其中水文学法是目前国内外研究生态流量领域里应用最广泛的，可直接依据历史流量计算结果，具有快速、简单、经济的特点[4]。常用于计算生态流量的水文学包括Tennant法、Texas 法、Tessman法、NGPRP 法、90%保证率法和最枯月平均流量法等，不同方法的适用条件、范围和优缺点[5]有较大差异，在选取时应结合实际。

随着沿河开发活动及水资源利用日益增多，连江流域沿途一些地区忽视河湖保护，污染河道、破坏河流生态环境的现象非常突出，直接影响沿岸城市发展和人民群众生活质量。连江流域作为具有水文自然调节作用的天然河道，其饮用水水源地数量极多，流域内划有16个具有渔业功用的水功能区，1个为河流型水功能区，其余15个为水库型水功能区，除保障居民饮水和农业灌溉外，水功能区还用于鱼卵动物的生长繁殖等。因此，为维护连江流域生态健康，开展流域生态流量研究、确定适合流域的生态流量具有重要意义。

2 研究区概况

2.1 流域概况

连江流域位于北江右岸，发源于连州市星子镇潭岭村三姊妹峰，流经连州、阳山、英德3县(市)，于英德连江口镇江口咀汇入北江(连江流域所属县区范围示意见图1)。作为珠江流域北江水系里最大的一级支流，连江流域干流全长275 km，集水面积为10 061 km2，平均比降0.765‰，全河共有集水面积100 km2以上支流30条，其中最大支流青莲水的集水面积为1 221 km2。流域地势自西北向东南降低，呈扇羽状的喀斯特地形，是典型的山溪河流，具有河床坡陡、流急、峡滩多而曲折、水位落差大等特点。流域地处亚热带气候区，一年四季受季风影响，降雨集中、洪水多发、涨落明显，多年平均降雨量在1 560～1 990 mm之间，自上游至下游逐步递增，年内分配不均，汛期(4—9月)雨量占全年的73%左右。

图1 连江流域所属县区范围示意

2.2 控制站概况

高道水文站作为连江汇入北江干流较近的站点，为连江流域的控制断面，站点位于英德市西牛镇，地属连江下游，至河口距离23 km处汇入北江，集水面积为9 007 km2，占连江流域总集水面积的89.5%。高道站上下游以山丘、水田为主，地势起伏变化较大，河床坡度较小(见图2)。

图2 连江流域控制断面高道水文站示意

3 研究数据与方法选用

3.1 数据确定

生态流量的计算建立在人类活动影响最小的状态[6]。本文以连江流域高道段为研究区域，选取高道水文站1991—2020年共30 a的历史实测径流数据，计算流域的生态流量。数据均来源于珠江流域水文年鉴(见图3)。

图3 高道站径流量和流量的年内变化

3.2 方法选用

水文学法是依据流域较长的历史实测水文资料来计算生态流量[7]，其重点模拟生物所适应的天然流量节律[8]。本文选用Tennant法、90%保证率法、最枯月平均流量法、Tessman法、Texas法和NGPRP法共6种水文学法计算连江流域高道断面的生态流量，具体见表1。

表1 生态流量计算方法

4 生态流量计算与结果分析

4.1 结果与分析

计算结果见表2，其中Tennant法分别以10%、20%和30%计算。结果可知，高道断面多年平均径流过程丰枯变化显著，其中4—9月为汛期，流量约占全年的70%；10月—次年3月为非汛期，流量约占全年的30%。

表2 生态流量计算结果 m3/s

绘制结果的年内变化过程线(见图4)。从变化规律看，各结果基本相似，生态流量在汛期(4—9月)先升高后降低，在非汛期(10月—次年3月)变化平稳。结合图3可知，生态流量结果在年内也表现出丰枯交替的特征。

图4 各方法生态流量结果年内变化过程线示意

从计算结果看：

1)NGPRP法的计算结果为全年最大值，是其余方法结果的外包值，在结果上最接近多年月均流量。

2)Tessman法的生态流量结果全年偏大。该方法在枯水月的生态流量结果为多年月均流量，该取值通过抬高枯水月份的流量大小，保障由于枯水期来水量少造成的水量紧缺问题，因此在非汛期大于其他方法的结果。

3)90保证率法和最枯月平均流量法的结果均为固定值，没有体现季节波动。两者在使用范围上基本一致，但前者更多应用于纳污需求较大的河流，后者则直接选取最枯月均流量的多年平均值。除了水功能区数量较多外，连江流域内自上而下建有蓑衣滩、黄茅峡等多宗梯级航运兼水力发电的枢纽，河流水质目标类别较高、排污需求较大，因此，两种方法的计算结果均不满足河流实际的需求，故不适用于连江流域。

4)Tennant法研究认为，维持河流水生态系统稳定的最低要求是生态流量占同时段多年平均流量的10%，保护水生生物环境的适宜流量要求是占同时段多年平均流量的20%，而为大多数水生生物提供良好栖息生存空间的流量要求是占同时段多年平均流量的30%[22]。为满足河道的最低需求，计算结果应不低于多年平均的10%，从结果来看，3种不同Tennant法的生态流量结果在年内变化与实际吻合，各峰值均出现在汛期的6月，考虑到连江流域的季风气候，3种结果满足了各月的最低、较好、极好3个不同等级的环境状况。

5)Texas法是根据经验频率取50%保证率下各月流量的特定百分率来估算该月的生态流量，一般情况下，国内以20%的特定百分率取值。从结果看，Texas法直观展现了河流的径流过程，大小上也与Tennant法—20%接近。

4.2 方法比选

连江流域没有相关的生态流量研究成果，依据上述计算方法，得到各种不同的生态流量结果，为了优选出更符合流域生态实际的方法，拟从3个方面进行比较，包括满足率分析、鱼卵发育期生态需水保障和生态环境状况评价，选择出适合流域断面的生态流量定值。

4.2.1满足率分析

满足率可判断生态流量对河道的适应性。将9种生态流量结果与30 a实测流量资料对比，分析逐日、丰水年、平水年和枯水年不同水期下的满足程度。结果见表3。各方法在丰水年和平水年时期，满足率均接近100%，而在枯水年时期的满足率结果在54.2%～100%，仅Tessman法在不同水期的满足率均最小。

表3 各方法30年满足率结果

用pearson法验证实测逐日流量资料与生态流量计算结果的线性相关程度，可得相关系数大小在0.40～0.97范围，全序列平均值为0.76，说明数据关系紧密，相关程度较高。

计算2021年和2022年的满足率，结果见表4。逐月看，Tennant法-10%的满足率结果在月均流量和最小流量上都是最大值，而Tessman法和NGPRP法的满足率较小，两种方法结果偏离实际。逐日看，除Tessman法和NGPRP法外，其余结果都较大，说明更贴近实际。

表4 各方法2021—2022年满足率结果

用pearson法验证相关性，可得近2 a的月均流量与生态流量计算结果的相关系数分别为0.80和0.81，说明数据的相关程度也较高。

4.2.2鱼卵动物生态需水保障

鱼卵发育期作为河道生态稳定的敏感时期，分析该时期下生态流量是否满足鱼卵发育所需水量，是判断生态流量计算方法合理与否的一个重要手段，也是维持河道生态系统平衡的重要判断依据。

连江流域共有鱼种98种，隶属9目20科75种，其中以鲮、鲤、子陵吻虾虎鱼、赤眼鳟等小型鱼类种群占优势地位[23]。一般情况下，南方河流大部分鱼卵的繁殖期为3—5月，鱼类动物的发育期为6—8月。因此，3—8月作为鱼卵动物繁殖发育的关键期，水生生物所需水量反映对河道生态用水的要求，水量的大小可视为生态流量的大小。

从多年平均占比和多年满足率评价生态流量对鱼卵动物繁殖发育的适应性，结果越大，则代表生态流量越能满足生态需水要求(结果见表5、表6)。

表5 鱼卵繁殖期多种方法对比分析

表6 鱼卵发育期多种方法对比分析

在鱼卵繁殖期和发育期，Tessman法和NGPRP法两者结果的满足率均偏低，不能满足鱼卵动物初期对水量的需求；而90保证率法和最枯月平均流量法的多年占比结果都低于10%，这不符合鱼类生物生长环境的最低标准，也无法满足鱼类繁衍最低的生态要求。Tennant法和Texas法无论在多年占比还是在生态流量的满足率上，都符合河道鱼卵动物对水量的需求，从结果来看，两者能保障鱼卵动物的生态需水。

3.2.3生态状况评价

Tenannt法除了计算生态流量，还能评价水文学法计算的生态流量结果的优劣[23]，以河流逐月生态流量占各月多年平均流量的百分数为基础，将河道生态环境状况从高到低分级为最大、最佳、极好、非常好、好、中、差和极差共8个标准[24]，同时结合水生生物对季节性的要求，分为汛期和非汛期两种类别(评价标准见表7)。

表7 Tennant法生态流量评价标准

结合30 a系列的多年平均流量，用tennant法评价各方法生态流量结果。定义百分率大于等于60%为最大(红色)，百分率在20%到60%之间为适宜(黄色)，百分率小于20%为最小(绿色)(评价结果见图5)。

图5 Tennant法评价结果示意

4—9月的汛期来水量大，河道流量较大，而10月—次年3月的非汛期偏枯，河道内的流量较小。从表6可以看出，各方法在全年长度上均出现3种不同的评价结果，对于90%保证率法、最枯月平均流量法和Texas法-20%这3种方法，生态状况评级基本为最小或适宜，说明河道流量分配给生态的流量仅能满足最小程度的生态稳定。对于Tessman法和NGPRP法，两者的评价结果都较大，生态评价结果均在适宜及以上，但实际上，河道流量不能出现绝大部分都分配到生态系统的情况，且两种方法计算出的生态流量偏大，其合理性较差。

4.3 方法确定

经上述分析，可发现Tessman法和NGPRP法不适用于连江流域，一是生态流量的满足率随水文年而变化，丰水年满足率高，枯水年满足率低，但两种方法结果的满足率大小在1991—2022年均较低；二是两者生态流量没有很好地满足实际用水需求，包括鱼卵繁殖和发育期所需的生态水量，因此不宜作为生态流量的计算方法。

90%保证率法和最枯月平均流量法的生态流量满足率均较高，但没有体现季节变化，从表2结果也能发现其生态流量计算结果过低，不能满足水生生物的最低生态需水量。研究表明，丰枯年份、月份的生态流量大小要有区分，一般枯水时期来水量少，该时段水生生物对流量需求最为敏感[25]，因此，在枯水期保障生态流量更为重要，两法不适用于计算连江流域的生态流量。

Texas法是在Tennant法下的改进，但Texas法一般不适用于南方河流，因结果与实际差异较大，在环境评级上，该法仅体现了满足功能需求的最低要求，该结果作为保证河流生态的临界值，一旦出现河损低于该值，河流的生态系统将遭到破坏，环境变差而且难以恢复，因此不能作为合适的生态流量选择，应在此基础上适当预留一定的空间。

综合来看，Tenannt法既满足流量在年内变化的适用性，又能满足丰、平及枯水期生态需求的保证率，根据2010年水利部水利水电规划设计总院印发的《水工程规划设计生态指标体系与应用指导意见》：“我国南方河流，生态流量可采用Tennant法取多年平均天然流量的20-30%或以上。”因此，选用Tennant法-20%作为连江流域高道断面计算生态流量的方法(见表8)。

表8 生态流量计算方法确定及其计算结果 m3/s

5 结语

本文基于连江流域控制断面高道站1991—2020年长系列实测径流数据，结合6种水文学方法，计算各月的生态流量，最后结合满足率、鱼卵期动物生态需水保障与生态状况评价等3个方面对结果进行评价，选择最合理的方法。结论如下：

1)6种生态流量计算方法所得结果存在一定的差异，90%保证率法和最枯月平均流量法计算结果全年恒定不变，没有突出径流在年内的丰枯变化；Tennant法、Tessman法、Texas法和NGPRP法4种方法的结果变化特征基本一致，汛期随流量增大而增大，非汛期随流量减少而减少，但生态流量计算结果差异较大，其中NGPRP法为各方法中的最大值，Tennant法-10%为最小值。

2)从满足率结果看，各方法计算的生态流量结果在不同水期的满足程度不同，在丰水年和平水年的满足率基本为100%，枯水年则偏小，其中Tessman法在各水期的满足率均较小，说明该法不适用于连江流域；除NGPRP法的满足率较小外，其余方法在逐月、逐日水期中的满足率均大于90%，结合pearson分析法，相关系数大于0.8，证明生态流量结果与实测资料有较强的相关性。

3)从鱼卵动物生态需水保障看，Tennant法和Texas法能满足鱼卵3—5月繁殖期和6—8月发育期的生态需水要求，为鱼卵动物能提供稳定健康的生态环境。

4)从Tennant法评价结果看，90%保证率法、最枯月平均流量法和Texas法-20%生态流量的结果对应的河道生态状况评价为最小或适宜，满足生态流量的最低需求；Tessman法和NGPRP法虽评价较高，但不符合实际用水现状。

5)由于每种计算方法所需的应用条件不同，选择合理的生态流量计算方法还需要充分考虑河流实际情况。综合水文节律变化、满足率分析、鱼卵动物生态需水保障和Tennant法检验，选取Tennant-20%方法计算连江流域高道断面的生态流量。