基于水文学法入江水道生态流量保障分析

2024-12-31钱龙娇王洋

安徽农学通报 2024年16期

摘要河湖生态流量保障工作是保障流域生态安全的重要举措之一。依据控制断面选取原则以及断面特性，确定以新桥闸为牛屯河流域生态流量保障主要控制断面，以最低生态水位为生态流量保障指标，基于Qp法、生物空间法、最枯月平均流量法分别计算该流域主要控制断面最低生态水位目标值，并与近40年实测水位进行比较，分析目标的可达性。结果表明，基于Qp法、生物空间法和最枯月平均流量法计算的控制断面最低生态水位值分别为4.60、4.50和4.43 m，从各方法计算精度、满足程度和严格生态流量保障工作要求等角度考虑，最终确定该流域最低生态水位保障目标为4.60 m，月和旬保证程度分别为99.6%、99.3%。基于此，提出生态流量保障管理措施和预警措施，为该流域生态保护和生态流量保障工作提供参考。

关键词生态安全；生态流量；最低生态水位；生态保护

中图分类号 S274.1" " 文献标识码 A" " 文章编号 1007-7731（2024）16-0062-04

DOI号 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2024.16.015

Analysis of ecological flow guarantee for river channels based on hydrological methods

QIAN Longjiao1，2" " WANG Yang3

（1Institute of Hydraulic Science， Huaihe Water Resources Commission， Ministry of Water Resources，

Anhui Province， Hefei 230088， China;

2Anhui Provincial Key Laboratory of Water Science and Intelligent Water Conservancy， Bengbu 233000， China;

3Anhui Hydropower Vocational Technical College， Hefei 230088， China）

Abstract The safeguarding of ecological flow in rivers and lakes is an important measure to ensure the ecological security of river basins. Based on the principles of control section selection and the characteristics of the sections， the Xinqiao Sluice was determined as the main control section for the ecological flow protection of the Niutun River basin， with the lowest ecological water level as the indicator for ecological flow protection. The target values for the lowest ecological water level at the main control section of the Niutun River were calculated using the Qp method， biological spatial method， and the lowest average flow method of the driest month， respectively， and compared with the measured water levels over the past 40 years to analyze the feasibility of the targets. The results showed that the calculated values for the lowest ecological water level at the control section using the Qp method， biological spatial method， and the lowest average flow method of the driest month were 4.60， 4.50， and 4.43 m， respectively. Considering the calculation accuracy， satisfaction level， and the strict requirements for ecological flow protection， the final target for the lowest ecological water level in the basin was set at 4.60 m， with the monthly and ten-day guarantee levels reaching 99.6% and 99.3%， respectively. Based on this， management measures and early warning measures for ecological flow protection were proposed to provide a reference for ecological protection and ecological flow safeguarding in the basin.

Keywords ecological security; ecological flow; the lowest ecological water level; ecological protection

河湖生态流量是指为了维系河流、湖泊等水生态系统的结构和功能，需要在河湖内保留符合水质要求的流量（水量、水位）及其过程[1-3]。合理确定河湖适宜生态流量指标对做好生态流量保障工作具有重要意义。近年来，生态流量保障研究主要围绕自然河湖展开，吴浩云[4]结合太湖流域片生态流量保障工作的具体实践，提出该流域加强生态流量保障工作的策略。刘兆孝等[5]从加快标准体系建设，加强基础信息掌控，推进监测预警能力建设以及加大科学研究力度等方面提出长江流域生态流量保障建议。付小峰等[6]通过确定淮河流域重要河湖的生态流量，从加强组织协调、完善工程调度、落实监测及制度建设等方面提出流域重要河湖的生态流量保障措施。目前，主要江河生态流量保障工作不断完善，而对于入江水道的生态流量保障工作尚待进一步开展。

牛屯河作为主要的入江通道之一，兼具排洪与引江双重作用[7]，该流域水资源开发利用程度较高，降水较为丰沛，但因水资源时空分布不均，河网调蓄能力有限，导致枯水年份局部地区可能出现缺水现象，需利用过境水进行补充。鉴于此，本研究以牛屯河流域为例，开展入江水道生态流量保障工作研究，为同类型河流的生态流量保障工作提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区基本情况

牛屯河流域面积404 km2，全长48.96 km。流域地处亚热带湿润季风气候区，季风明显，气候温和，雨量适中。地形地貌主要为丘陵山地和平原、圩区两类，流域南部主要为平原圩区，水网密布，土地肥沃，是主要产粮区之一。该流域年内径流差别大，汛期洪水频发，枯水期则部分河段出现断流。

1.2 研究方法

1.2.1 控制断面选择" 控制断面包括考核断面和管理断面两类，其中考核断面是年度生态流量保障工作考核的重点，以水量分配方案中已明确生态流量要求的控制断面以及省界断面、把口断面、重要敏感区、重要水文站和控制性工程断面为主。新城闸是牛屯河流入长江的把口断面，距离入江口3.4 km，同时该断面是水文监测断面，具有长系列的水文监测数据，结合控制断面的选取原则以及断面对流域水生态系统的重要性，确定新桥闸为该河流生态流量保障的主要控制断面。

1.2.2 生态流量指标确定" 河湖生态流量包括基本生态流量和目标生态流量，可用流量、水量、水位和水深等指标表示。其中，基本生态流量包括生态基流、敏感期生态流量、不同时段生态流量和全年生态流量等指标[8-9]。根据相关要求，以基本生态流量中的生态基流作为河流生态流量的保障指标。考虑到该流域范围内重要保护对象没有明显的需水敏感期要求，因此，不需要根据敏感保护物种的生态需水习性，确定敏感期生态需水量。河湖生态基流采用流量为控制指标时，使用常用等价的最低生态流量术语表述更为清楚。

研究对象具有汛期排洪，旱季引江补水功能，把口断面易受长江水位顶托影响，断面流量震动幅度较大，也无实测流量资料。因此，不适宜将流量作为新桥闸断面的考核指标。综合考虑，确定最低生态水位作为该流域生态流量保障指标。

1.2.3 生态水位计算" 明确河流生态流量目标，是管控河流生态流量的前提。河流生态流量计算方法包括水文学法、水力学法、整体法以及栖息地模拟法[10-12]，其中，水文学法是依赖历史河流流量等水文资料估算生态需水的方法，也是生态流量计算应用较为广泛的方法，代表方法包括Qp法、生物空间法和最枯月平均水位法等。

（1）[Qp]法。[Qp]法又称为不同频率最枯月平均值法，以河道控制断面长系列（n≥30 a）天然月平均流量、月平均水位和径流量Q为基础，用每年的最枯月排频，选择不同频率下的最枯月平均流量、月平均水位和径流量作为河流控制断面的生态基流。根据流域水资源开发利用程度、规模和来水等实际情况，频率P宜取90%或95%。考虑到研究区流域水资源配置工程体系较为健全，调蓄能力较强，同时为从严保障河流生态水位，确定最低生态水位设计保证率为90%。

（2）最枯月平均水位法。最枯月平均水位法主要是将长系列实测水文资料中最小的月均水位数值作为最枯月平均水位，通过对历年最枯月平均水位进行频率分析或以近10年最枯月平均水位作为设计水位，一般选取90%保证率下的最枯月平均水位。

（3）生物空间法。河湖水位与河湖生物生存空间是一一对应的，因此，可以用河湖水位作为河湖生物生存空间的指标。生物空间法是基于各类生物对生存空间的需求来确定河湖的最低生态水位，植物、鱼类等为维持各自群落不严重衰退均需要一个最低生态水位，取这些最低生态水位的最大值，即为河湖最低生态水位。因鱼类通常作为水生态系统中的顶级群落，对其他类群的存在和丰度有着重要作用，加之鱼类对生存空间较为敏感，故将鱼类作为关键物种和指示生物，认为鱼类的生存空间得到满足，其他生物的最小生存空间也得到满足。生物空间法最低生态水位计算如式（1）～（2）。

[ℎ鱼=max（ℎ鱼1， h鱼2， …， ℎ鱼i， …， ℎ鱼n）， i=1～n]"（1）

[Hmin=H+ℎ鱼 ] （2）

式中，[ℎ鱼]为鱼类所需最小水深（m）；[ℎ鱼i]为第i种鱼类所需最小水深（m）；H为湖底高程（m）；[Hmin]为鱼类所需湖库最低生态水位（m）。

2 结果与分析

2.1 历年水位特征

根据所选取的控制断面以及确定的生态流量保障指标，采用新桥闸水文站1979—2020年水位水文数据进行最低生态水位核算。其间，该站多年月均水位年内分布不均，汛期水位明显高于非汛期，最高水位8.99 m，出现在7月，最低水位5.35 m，出现在1月；月平均水位极小值3.75 m，出现在2004年2月（施工导致），极大值11.28 m，出现在2020年7月；最枯月水位极小值3.75 m，出现在2004年2月；极大值7.02 m，出现在2020年12月，极小值与极大值之间增长率为87.2%。

2.2 不同方法计算的最低生态水位比较

（1）[ Qp]法。对1979—2020年最枯月平均水位进行排频分析，结果显示，90%频率下的最枯月水位4.60 m。（2）最枯月平均水位法。经数据分析，2011—2020年控制断面水位，最枯月平均水位最高在4.47 m，最低在4.39 m。最枯月平均水位频率分析结果显示，90%保证率下的最枯月平均水位值为4.43 m。（3）生物空间法。资料表明，鱼类生存要求的最小水深约为1.0 m[8-9]。研究区主河道河底高程2.79～3.60 m，控制断面高程3.50 m。因此，当控制断面水位为4.50 m时，主河道以及支流水深能够满足鱼类繁殖、生长的要求。

综合对比Qp法、生物空间法和最枯月平均水位法计算结果（表1）可知，生物空间法计算的最低生态水位目标值与其余两种方法相比，计算结果精度有待提高；Qp法计算得到的最低水位目标为4.60 m，与近10年最枯月平均水位法计算得到的最低生态水位目标（4.43 m）相差不大，前者更为严格（90%频率下的年最枯月平均水位），后者采用的系列较短，导致前者计算结果要大于后者。因此，从计算精度、满足程度及严格生态流量保障工作要求等角度考虑，最终采用Qp法计算得出的90%频率下的4.60 m作为该流域最低生态水位目标值。

2.3 满足程度

利用该水位站1979—2020年实测闸上水位数据，将本次确定的最低生态水位目标值与实测水位值进行比较，复核分析目标的可达性。在1979—2020年系列中，最低生态水位控制指标，月和旬保证程度分别达到99.6%、99.3%，保障程度较高。

3 生态流量保障管理措施

3.1 河道外用水管控

生态流量保障管理结合取用水专项整治、取水口摸底排查等方案，研究流域用水主要包括农业、生活以及工业企业用水。根据流域实际用水结构，提出以下河道外用水管控具体措施。一是正常来水年份，根据区域用水指标“红线”下达取用水分配标准，将水量合理分配，严格按照分配标准取水，同时加强取水计量监测。二是特枯水年、连续枯水年，根据控制断面以上来水、闸的启闭情况，考虑生态流量保障要求，开展生态水位保障统一调度，保障控制断面生态水位达标。

3.2 生态流量预警

预警等级及阈值。生态流量监测预警是实施生态流量保障管控的重要依据[13]。根据《河湖生态流量监测预警技术指南（试行）》对预警等级设置以及阈值设定的相关要求，选择新桥闸水位站闸上水位作为研究区生态水位预警指标，预警等级分为蓝色、红色两级。将控制断面实时水位在生态水位目标值至近10年枯期（11月至次年2月）平均水位（4.6～5.7 m）设定为蓝色预警值；将控制断面实时水位小于生态水位目标值（lt;4.6 m）设定为红色预警值。

预警响应措施。启动蓝色预警响应时，优先保证生活用水，按比例控制农业用水；加强水利工程优化调度，通过引长江水进入主河道，增加河道径流量，保障考核断面生态水位达标。启动红色预警响应时，加大引江枢纽引江水量，通过引长江水进入内河，抬高上水位，保证生活用水，同时压减农业用水，保障流域水位不下降。

本文基于[Qp]法、生物空间法和最枯月平均水位法3种水文学法，利用研究区控制断面1979—2020年闸上实测水位数据，分别计算流域内最低生态水位保障目标，结论如下。

（1）[Qp]法、生物空间法及最枯月平均水位法计算得到的最低生态水位分别为4.60、4.50和4.43 m。通过综合分析，最终确定以[Qp]法计算结果作为该流域的最低生态水位值，与实测水位对比，控制断面闸上最低生态水位值月和旬保障程度分别达到99.6%、99.3%，保障程度较高。

（2）研究区农业用水占比较大，其次为生活用水，工业用水较少，河道外用水管控需根据不同来水年份，通过加强计划用水、做好计量监测、开展生态水位调度及分行业压减用水等措施来保障断面生态水位达标。

（3）将该水文站上水位作为研究区生态水位预警指标，并设蓝色、红色两级预警，预警阈值分别在4.6～5.7、lt;4.6 m。当启动预警响应时，除了按比例控制河道外用水外，另可利用引江枢纽，引长江水进入主河道，抬高该水文站上水位，保障研究区生态水位达标。

参考文献

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[6] 付小峰，庞兴红，韦翠珍. 淮河流域重要河湖生态流量保障现状与对策研究[J]. 中国水利，2022（7）：67-70.