贺江河道生态流量研究

2023-12-08张防修

人民珠江 2023年11期

张盼,孔兰,张防修,王明

(1.黄河水利委员会黄河水利科学研究院,河南郑州 450003;2.中水珠江规划勘测设计有限公司,广东广州 510610)

贺江隶属于中国南部的珠江流域,属于西江左岸的一级支流。南岭山地水源涵养重要区是流域内的一个全国重要生态功能区,该功能区在水资源养护、水土保持和保障生物多样性等方面发挥着重要的作用。但是受历史和实际条件限制,流域内目前仍存在着以下水生态问题:一是前期梯级开发和过度捕捞等行为影响河道生态环境功能;二是大中型水库局部富营养化;三是部分水生态环境问题仍较突出。为了更好地维护水生生物栖息地,保护流域水生生物资源,开展河道生态流量研究,为流域管理与保护提供参考。

国外生态流量研究历经以下几个阶段,早期是针对鱼类渔获量以及其他水生生物与河流流量之间的关系;随后将研究范围扩大到河道外生态环境系统,即研究对象从最初的河流转向了陆地。在发展过程中,美国、澳大利亚、南非等国家在生态需水方面都做了大量的研究[1-8]。国内虽然在生态流量方面的研究起步比国外稍晚,但取得了较快的进展。研究初期,主要是为了解决河流的水污染问题;后期由于西北地区水资源供给与需求的矛盾突出、生态环境的抵御能力较弱,生态环境问题严重,研究者将研究对象主要放在了干旱、半干旱和季节性干旱的半湿润区;随着研究的进一步发展,国内的其他区域也陆续开展生态流量研究[9-13]。

杨志峰等[14]在系统分析计算生态流量方法的基础上,认为水文学法、生境模拟法、环境功能设定法以及综合法等相对更适合于中国。因此,本文从实际出发,根据掌握的水文站点的流量资料,选择水文学方法开展河道生态流量的计算。

SL/T 712—2021《河湖生态环境需水计算规范》中指出,河道生态流量可分为基本生态流量和目标生态流量[15]。河流控制断面的基本生态流量的计算应按生态基流、年内不同时段流量、全年流量等表述;河流控制断面的目标生态流量需计算年内不同时段流量、全年流量。因此,贺江河道生态流量计算按照此规范计算。

1 贺江河道生态流量计算

贺江位于中国南部的珠江流域,本文以实测系列相对较长、测量精度较高为准则,选取信都和古榄2个水文站的实测系列做径流分析。信都、古榄两站多年的天然径流过程见图1,多年平均径流量分别为204、277 m3/s。两站的径流年内分配过程见图2,可以看出,径流在年内分配不均匀,主要集中在汛期4—9月。其中,信都站汛期平均流量311 m3/s,年内最大月流量(491 m3/s)是最小月流量(71 m3/s)的6.9倍;古榄站汛期平均流量410 m3/s,年内最大月流量(609 m3/s)是最小月流量(105 m3/s)的5.8倍。

a)信都

1.1 基本生态流量

1.1.1生态基流

a)90%保证率最枯月平均值法[16]。90%保证率最枯月平均值法又称Q90法,对每一年最枯月流量进行排频,把90%保证率下的流量作为河道生态基流。经计算,信都站生态基流为26.5 m3/s,水量为8.37亿m3;古榄站生态基流为34.6 m3/s,水量为10.9亿m3。

b)最小月平均实测径流法[17]。该法以实测径流量为基础,选取实测时间序列上每一年的月平均流量的最小值,对各个年份的最小值取均值即为生态基流。计算见式(1):

(1)

式中Wb——河道基本生态流量,m3;Qmin,i——第i年月实测平均径流量的最小值,m3/s;τ——时间换算系数,大小为 31.536×106s;n——统计序列的年数。

经计算,信都站生态基流为51.5 m3/s,水量为16.3亿m3;古榄站生态基流为75.5 m3/s,水量为23.8亿m3。

1.1.2年内不同时段流量

a)Tennant法。Tennant法是一种经验公式法,河道内流量大小可以反映出河道内生态环境状况,二者之间的关系见表1[18]。贺江流域现状水资源开发利用率仅为13%左右,属于低开发利用河流。水资源较为丰沛地区,基本生态流量宜在表1“非常好”的分级之下取值,根据贺江流域实际情况,汛期为4—9月,非汛期为10月至次年3月,同时水资源开发利用率较低,河流大体上仍处于自然状态,理应以保护河流的自然生态环境功能为主,因此使用Tennant法时将多年平均天然径流量的30%和50%分别作为非汛期和汛期基本生态流量。经计算,信都站汛期(4—9月)和非汛期(10月至次年3月)基本生态流量为102.0、61.2 m3/s;古榄站汛期(4—9月)和非汛期(10月至次年3月)基本生态流量为139.0、83.1 m3/s。

表1 Tennant法确定的河道内生态环境状况与流量的关系 %

b)逐月最小流量法[17]。该法选择将长系列的流量数据按照月份分为12个月均径流系列,将每个月均径流系列的最小值作为对应月份的基本生态流量,这样即可获得全年生态流量过程。该方法考虑了年内不同时段径流量的丰枯变化,同时也照顾到了河流生态环境系统在不同季节对水文条件的需求。信都站和古榄站两站全年流量值分别为58.0、85.5 m3/s,两站年内逐月流量过程见表2。

表2 逐月最小流量法基本生态流量计算结果

c)年内展布计算法[19]。由获取的长序列水文资料,确定年内各月的多年最小月均径流量、最小年均径流量,计算两站点的多年平均径流量,最小年均径流量与多年年均径流量的比值即为同期百分比。根据两站点的径流在年内不同时段的分配过程,乘以同期百分比即可得到基本生态流量,基本生态流量与多年年均径流量的比值即为年均值比,信都、古榄两站全年基本生态流量值为58.8、86.7 m3/s,年均值比分别为28.8%、31.3%。两站年内流量分配过程见表3。Tennant法是通过河道径流量反映河道生态环境状况的一种经验方法,可以用来评价其他方法的计算结果。为了维护贺江大部分鱼类的正常繁殖与生存,把年内时段划分为鱼类产卵育幼期(4—9月)和一般用水期(10月至次年3月),根据年内展布计算法计算得到的年均值比,对照表1得到相应的河道内生态环境状况,见表4。

表3 年内展布计算法基本生态流量年内过程

根据表4所得结果分析,在鱼类产卵育幼期(4—9月),两水文断面的生态环境流量占多年年均径流量的比例超过40%,根据Tennant法对河道生态环境状况的评价标准,当河道内的流量占多年年均径流量的30%～60%时,河宽、水深及流速一般是能够使人满意的,绝大多数的浅滩能够处在水面下,大部分的边槽也将存有水,鱼类的大部分活动区域可以得到满足;在一般用水期(10月至次年3月),两水文断面的生态流量占多年年均径流量的比例处于10%～20%,根据Tennant法对河道生态环境状况的评价标准,当河道内的流量占多年年均径流量的10%时,对于大部分水生生物来说,这是它们生存的栖息地所能允许的最小瞬时流量,只能作为短期的支撑。在这种状况下,河宽、水深及流速明显下降,栖息地出现退化的现象,河道底质有半数裸露在空气中,旁支河流将严重或完全脱水。一些研究者证实在美国维吉尼亚地区的河流中[20],占年均径流量20%比例的流量提供了保护水生栖息地的适当标准。综上所述,该方法计算贺江河道基本生态流量所得到的结果符合当地实际水流条件,能够满足鱼类对流量的实际需求。

1.1.3全年流量

各种方法计算基本生态流量的年内不同时段值上文已列出,全年值的计算见式(2):

(2)

式中Wba——基本生态流量的全年计算值,m3;Wbi——基本生态流量的年内不同时段的值,m3,如各月值、汛期与非汛期的值;n——年内划分的时段数。

经计算,90%保证率最枯月平均值法的需水量最小,Tennant法的需水量最大,各种方法对基本生态流量全年值的具体计算结果见表5。

表5 各种方法基本生态流量全年值计算结果

1.2 目标生态流量

1.2.1年内不同时段流量

a)频率曲线法[21]。该方法又被称为逐月频率计算法,该法利用长系列的水文资料,构建月平均流量的各月水文频率曲线,将95%保证率下的月平均流量作为对应月份的目标生态流量,据此组成年内不同时段值。该方法对水文序列数据要求较高,一般要求30 a以上的水文序列数据。频率一般推荐选取95%,也可根据实际需要做适当的调整。贺江属于南方河流,径流量丰枯变化明显,未出现过河道断流的情况,因此针对贺江流域内的古榄站和信都站,依据获取的长序列水文资料,计算各月平均流量。95%保证率下,信都站和古榄站的年内目标生态流量分别为83.9、121.0 m3/s,年内具体流量分配过程见表6。

表6 频率曲线法目标生态流量计算结果

b)Tennant法。水资源丰沛地区,目标生态流量宜在表1“非常好”和“极好”的分级之上合理取值,为了使河流能更好地发挥其栖息地功能,保护流域水生生物资源,因此取多年平均天然径流量的40%和60%作为非汛期和汛期目标生态流量。经计算,信都站汛期(4—9月)和非汛期(10月至次年3月)目标生态流量为122.0、81.6 m3/s;古榄站汛期(4—9月)和非汛期(10月至次年3月)目标生态流量为166、111 m3/s。

1.2.2全年流量

Tennant法和频率曲线法对河道目标生态流量全年值的计算,前者大于后者,计算结果见表7。

表7 目标生态流量全年值计算结果

2 计算结果与分析

2.1 计算结果

根据上述方法的计算结果,确定各种计算方法所得的生态流量占年均径流量的比例,见表8。可以看出,90%保证率最枯月平均值法所得的河道基本生态流量最小,信都站和古榄站计算所得的水量仅占年均径流量的13%和12%;Tennant法由于是选取的固定百分比,因此两站汛期与非汛期生态流量占年均径流量的比例没有发生变化;频率曲线法计算的结果占年均径流量的比例超过40%;逐月最小流量法与年内展布计算法计算所得的生态流量占年均径流量的比例基本是一致的,比例占到30%左右;最小月平均实测径流法计算所得的生态流量占年均径流量的比例不足30%。

表8 各种方法计算的生态流量占年均径流量的比例 %

除Tennant法外,两站的生态流量占年均径流量的比例并不相同,古榄站生态流量占年均径流量的比例要大于信都站(90%保证率最枯月平均值法除外)。

为进一步分析上述计算方法所得的生态流量与各站点年内径流分配过程之间的关系,作图3,由于最小月平均实测径流法与90%保证率最枯月平均值法仅提供了一个全年的流量值,因此按照其各月生态环境流量值是相同的来处理。信都站和古榄站各种方法算出的生态流量过程对比见图3。

a)信都

由图3可以看出,最小月平均实测径流法与90%保证率最枯月平均值法由于方法本身的原因,全年各月的生态流量是同一个固定值,没有随季节产生变化,2种方法算出的河道内基本生态流量占同时段多年年均天然流量百分比的比例不超过30%,其中信都断面和古榄断面90%保证率最枯月平均值法算得的结果比例为13.0%和12.5%。逐月最小流量法、年内展布计算法与频率曲线法不同月份的生态流量有明显的季节性,这3种方法年内径流分配过程与年均径流量的年内分配过程变化趋势是相近的。

2.2 分析与建议

2.2.1基本生态流量

文献[22]中指出当生态流量占年均径流量的比例为10%时,生物的栖息地条件处于退化的或者贫瘠的边缘。信都站和古榄站90%保证率最枯月平均值法计算的结果占多年年均径流量的比例分别为13.0%和12.5%,接近于栖息地退化的临界条件,因此为了维持河道其生态环境功能不丧失,可以将90%保证率最枯月平均值法计算成果作为生态基流。对于信都断面,河道生态基流为26.5 m3/s,水量为8.37亿m3;对于古榄断面,河道生态基流为34.6 m3/s,水量为10.9亿m3。

在确定年内不同时段流量时,Tennant法与年内展布计算法相比,前者年内径流过程虽有变化,但仅仅只是对汛期与非汛期做了区别,汛期内与非汛期内的流量随月份没有发生变化。同时该方法确定的生态流量在枯水期,尤其是12、1月,其数值大小已与多年平均径流量很接近,这也就意味着很可能部分枯水年份里河道内的实际流量是达不到生态流量的要求。然而年内展布计算法径流年内过程划分得更为细致,年内径流过程分布与多年年均径流过程分布变化趋势更为接近,径流年内分配过程也能够满足鱼类产卵育幼期和一般用水期的要求。逐月最小流量法与年内展布计算法相比,后者的年内径流分配过程与多年年均径流过程的趋势性更为一致。

故选择年内展布计算法的结果作为两断面基本生态流量的年内不同时段值,年内不同时段流量累加即为全年生态流量。对于信都断面,河道基本生态流量的全年值为58.8 m3/s,水量为18.6亿m3,占断面年均径流量的比例为28.8%;对于古榄断面,河道基本生态流量的全年值为87.0 m3/s,水量为27.3亿m3,占断面年均径流量的比例为31.4%,其年内径流分配过程见表3。

2.2.2目标生态流量

由计算结果可知,信都站汛期与非汛期生态流量占年均径流量的比例分别为61.0%和22.4%;古榄站汛期与非汛期生态流量占年均径流量的比例分别为64.3%和24.2%,结合Tennant法河道生态环境状况的判别标准,信都站和古榄站汛期的河道内生态环境状况处于最佳状态,非汛期的河道内生态环境状况处于“好”与“非常好”之间。该方法确定的结果与Tennant法相比,年内时段的划分更为细致,能够反映出径流年内的季节性变化,综合考虑选取频率曲线法确定的生态流量过程作为贺江河道目标生态流量过程,具体年内生态流量过程见表6。对于信都断面,河道目标生态流量为83.9 m3/s,水量为26.5亿m3,占断面年均径流量的比例为41.1%;对于古榄断面,河道内目标生态流量为121 m3/s,水量为38.2亿m3,占断面年均径流量的比例为43.7%。信都站和古榄站河道内生态流量计算结果对比情况见表9和图4。