基于多種水文學法的襄陽市主要河流生態基流估算

石永強， 左其亭,2

(1. 鄭州大學水利與環境學院，鄭州 450001；2. 鄭州大學水科學研究中心，鄭州 450001)

改革開放以來，隨著人口的增加、工業化和城市化進程的迅速推進，我國對水資源的需求不斷增加，水資源開發力度不斷增強。然而，由于認識上的局限性，在發展經濟和開發利用水資源的過程中，往往會忽略生態系統的用水需求，大量本應用于維持生態系統良性運轉的水資源被用于工農業生產及生活當中，自然水文循環過程受到嚴重干擾甚至破壞，生態系統因所需水資源無法得到滿足而急劇退化或受損，出現了一系列諸如河道斷流、濕地萎縮、水質惡化、生物多樣性減少等生態環境問題，威脅著人類的生存和發展[1]。水作為河流的主要組成部分，在河流生態系統中起著重要的、無可替代的決定作用，水資源的多少和水質的好壞直接決定著河流生態系統的健康與否。因此，重視河流生態系統對水資源的需求，在生產、生活用水的同時，科學合理確定維護河流生態系統的良性循環所需水量，是實現水資源可持續利用和人水和諧的關鍵所在。

為避免河流生態系統退化，美國魚類和野生動物保護協會于20世紀40年代首次提出了河道最小環境流量的概念[2,3]；1998年Gleick提出了基本生態需水的概念，即提供一定質量和數量的水給天然生境，以保護物種多樣性和生態完整性[4]；劉靜玲等將生態基流定義為維持或恢復河流生態系統基本結構與功能所需的最小流量[5]。可見國內對生態基流目前尚無統一的定義，基本上可以認為生態基流是維持河流基本形態和基本生態功能的河道內最小流量。近年來國內學者在生態基流確定方面進行了大量研究工作[6,7]，如羅小勇等采用Tennant法、最小月90%保證率法以及10 a最枯月平均流量法計算了漢江各控制斷面的生態基流量，最后選取最小月90%保證率法的計算結果作為生態基流的值[8]；于松延等利用Tennant法、Texas法等多種水文學方法對渭河關中段生態基流進行計算，最后認為Tennant法最優[9]。目前已有研究多針對1條河流采用不同方法進行生態基流計算，然后選取某一種方法的計算結果作為該河道的生態基流。然而一條河流可能同時適用多種方法，且各種方法的計算結果之間并沒有明顯的優劣之分，這種情況下生態基流如何確定尚缺乏研究。本文擬采用多種水文學法方法對襄陽市幾條代表河流進行生態基流計算，在對計算結果進行對比分析的基礎上，結合每條河流的具體特點及生態系統的要求，確定出各條河流生態基流的推薦值。開展襄陽市主要河流的生態需水計算，可為襄陽市水資源的合理開發利用提供依據，促進襄陽市水生態系統健康和水生態文明建設。

1 研究區概況

襄陽市位于湖北省西北部，漢江中游平原腹地，地跨東經110°45′-113°43′，北緯31°14′-32°37′，位于“南水北調”中線水源地——丹江口水庫的下游，處于承東啟西、南北暢聯的區域性交通樞紐地位，歷史上素有“南船北馬”、“七省通衢”之稱。境內河流縱橫，水系發育，有大小河流985條，流域面積在50 km2以上的有131條，100 km2以上的有66條，絕大部分屬漢江流域，西南部屬沮漳河流域。境內河流水面面積占全市面積的5.4%。該地區屬北亞熱帶大陸性季風氣候區，具有南北過渡型氣候特征。四季分明，光熱充足，雨熱同季。多年平均降雨量919.6 mm，徑流深309.5 mm，總體呈西南向東北遞減，山區大于崗地。降雨年內分布不均，主要集中在4-10月，占全年的80%以上。襄陽境內主要河流有漢江、清河、唐白河、唐河、滾河、南河、北河、蠻河、沮河、漳河等，見圖1。

根據自然地理特征、生態系統類型、生態服務功能重要性、生態環境敏感性、社會經濟發展分區特點及生態環境問題，襄陽市生態功能區劃分為鄂西山地森林生態區和鄂中北丘陵崗地農林生態區。鄂西山地森林生態區包括谷城、保康和南漳3縣，該生態區主要生態功能為水源涵養、水土保持、水質保護及生物多樣性維護。鄂中北丘陵崗地農林生態區包括襄州區、樊城區、襄城區、老河口市、宜城市和棗陽市，該生態區主要生態功能為生物多樣性與景觀保護及農業生產。

2 河流生態基流的水文學計算方法

目前，國內外關于河流生態流量的計算方法已有200多種，大致可分為水文學法、水力學法、棲息地模擬法和整體法4大類。在現階段，由于生物資料并不充分，無法使用棲息地法模擬法，整體法和水力學法需要大量的時間以及人力物力，應用較為困難[]。水文學法以歷史流量資料為基礎，采取一定的規則，來確定生態流量的推薦值，其優點在于操作簡單，因此常用于流域規劃層面，作為戰略性的評估方法，提供最初的評價，或者在不允許進行詳細調研的情況下使用。常用的水文學方法包括以下幾種：

(1)Tennant法。該方法由Tennant等人在對美國11條河流進行詳細野外調研的基礎上提出，構建了水深、流速、河寬等棲息地參數和流量之間的關系，設定河流多年平均流量的百分比作為生態流量估算的標準，不同月份采用的百分比不同(見表1)。其中，多年平均流量的10%可以作為支撐多數水生生物短期生存棲息地的最小瞬時流量[1]。

表1 Tennant法中棲息地質量和流量的關系Tab.1 The relationship between the quality ofhabitat quality and flow in Tennannt method

(2)7Q10法。7Q10法將90%保證率下，連續最枯7 d實測徑流量的平均值作為河道生態基流的設計值。該方法在20世紀70年代傳入我國，主要應用于有納污需求的河流中，如果在沒有排污目標的河流中應用，該方法所取得的值一般要大于河流實際的生態環境需水量。

(3)最枯月平均流量法。最枯月平均流量法比較簡潔，直接取最枯月平均實測流量的多年平均值作為河流的生態基流量。該方法常需要長系列水文資料，在人類影響比較劇烈的流域，結果可靠性偏低。該方法采用的公式為：

(1)

式中：Qb為河道生態基流，m3/s；Qij為第i年第j月實測平均流量，m3/s；n為統計年數。

(4)保證率法。一般采用90%保證率下最枯月平均流量作為生態基流。保證率法比較適合水量較小，同時開發利用程度較高的河流，要求有較長序列(一般不低于20 a)的水文觀測資料。

使用多種水文學方法對生態基流進行計算，可避免因使用單一方法而造成計算結果不合理。然而，不同水文學法的計算結果可能會有所差異，且不同河流適用的計算方法可能不同，給生態基流的最終確定造成困難。本文選取Tennant法、7Q10法、90%保證率法和最枯月平均流量法等4種水文學方法對生態基流進行計算，在對計算結果對比分析的基礎上，結合每條河流的徑流特征，判斷計算結果的合理性。然后結合河流的生態需水要求，最終確定襄陽市各條河流的生態基流的推薦值。

3 基于多種水文學法的襄陽市主要河流生態基流估算

3.1 代表河流控制斷面的選取

考慮到根據各流域氣候和水文特點，每條河流可選擇1個或多個斷面，作為生態基流的控制斷面。控制斷面選取依據下述原則：①主要河流的重要控制斷面；②重要大中型水利樞紐的控制斷面；③重要水生生物棲息地及濕地等敏感水域控制斷面。為便于監控，所選擇的控制斷面應盡可能與水文測站相一致。

依據上述性原則，結合資料收集情況，本文選取滾河張集水文站、蠻河挽魚溝水文站、漳河打鼓臺水文站、南河臺口(二)水文站監測斷面作為作為代表河流控制斷面。

3.2 代表河流控制斷面徑流量演變趨勢分析

在對生態基流進行計算之前，需對徑流數據進行分析，以了解徑流的演變趨勢，判斷其適用的計算方法。常用的趨勢分析方法有線性傾向估計、二次平滑、及肯德爾秩次相關法等，本文采用線性傾向估計法確定河流徑流量的變化趨勢，各斷面的年徑流的變化情況見圖2。

滾河張集水文站1953年設立，1965年撤銷，共有13 a實測徑流資料。通過圖2可以看出，滾河年徑流量變化較為劇烈，最大值出現在1954年，為11.8 億m3，1957年的年徑流量為最小值，為0.741 億m3，極值比達到了11.9。由于數據系列較短，沒有規律性的變化趨勢。蠻河挽魚溝斷面的年徑流量序列均為1985-2014年，共有30 a實測徑流資料，年徑流量的最大值為4.40 億m3，最小值為1.09 億m3，極值比為4.05，多年平均年徑流量約2.5 億m3。序列值在均值上下波動，振幅較小，呈現出略微下降的趨勢。漳河打鼓臺斷面的年徑流量序列均為1985-2014年，共有30 a實測徑流資料，年徑流量的最大值為6.20 億m3，最小值為1.45 億m3，極值比為4.28，多年平均年徑流量約3.2 億m3，漳河打鼓臺斷面的年徑流量變化趨勢與蠻河挽漁溝斷面具有較高的一致性。南河臺口(二)斷面年徑流量序列均為1970-2005年，共有36 a實測徑流資料，年徑流量的最大值為14.80 億m3，最小值為4.45 億m3，極值比為3.33，多年平均年徑流量約9.1 億m3，序列值在均值上下波動，振幅較小，呈現出明顯的下降趨勢。

圖2 襄陽市代表河流控制斷面年徑流量變化Fig.2 The annual runoff change of representative river control sections in Xiangyang city

3.3 代表河流生態基流計算結果及分析

生態基流及河流生態系統的演進過程與水生生物的生活史階段有關。河流水生生物的生長與水、熱同期，在汛期及非汛期對水量的要求不同，因此生態基流有汛期和非汛期之分。襄陽市河流以雨水補給為主，由于降水年內分配不均，年徑流的季節性變化也很大。地表水年徑流量主要集中在汛期(4-9月)，其量約占全年的67%～83%。枯季(10-1月)只占年徑流的17%～33%。由于汛期生態基流多能得到滿足，通常對各條河流進行生態基流計算時指的是非汛期生態基流。

本文選取Tennant法(多年平均流量的10%)、7Q10法、90%保證率最枯月平均流量法和最枯月平均流量法計算各條代表河流控制斷面的非汛期(10-3月)生態基流；對于汛期(4-9月)，取多年平均流量的30%作為生態基流的值。幾條代表河流典型斷面非汛期生態基流計算結果如表2。

表2 代表河流控制斷面非汛期生態基流計算結果 m3/s

通過表2可以看出，使用不同方法計算出的同一個斷面的生態基流的值存在差別。對于滾河張家集斷面，Tennant法計算出的生態基流值為1.61 m3/s，而其他3種方法計算結果為0.27～0.81 m3/s，占多年平均流量的1.7%～5.0%。分析原因可能是因為該斷面實測徑流系列較短，且滾河上修建了較多的水利工程，徑流受人類影響較大，變幅比較劇烈，不適宜使用后3種方法。考慮到該流域處在鄂中北丘陵崗地農林生態區，農業活動強度大，對河道水需求較大，為盡可能保證流域內農業用水，最終選取生態基流的最低標準，即多年平均流量的10%作為滾河張集斷面的非汛期生態基流值，為1.61 m3/s。

蠻河、漳河、南河處在鄂西山地森林生態區，該生態區主要生態功能為水源涵養、水土保持、水質保護及生物多樣性維護，對河流生態需水的要求較高。對于蠻河挽魚溝斷面，Tennant法計算出的生態基流值為0.79 m3/s，而其他3種方法計算結果比較接近，為1.02～1.16 m3/s，占多年平均流量的13%～15%。對于漳河打鼓臺斷面，Tennant法計算出的生態基流值為1.01 m3/s，其他3種方法計算結果比較接近，為1.67～1.99 m3/s，占多年平均流量的17%～20%。考慮到蠻河、漳河對生態需水的要求較高，最終選取7Q10法、90%保證率法和最枯月平均流量法3者計算結果的平均值作為蠻河挽魚溝斷面和漳河打鼓臺斷面的非汛期生態基流的推薦值，分別為1.10和1.82 m3/s，占多年平均流量的13.9%和18.0%。

對于南河臺口(二)斷面，Tennant法計算出的生態基流值為2.84 m3/s，其他3種方法計算結果為5.86～7.92 m3/s，遠大于多年平均流量的10%，占多年平均流量的20%～28%。通過分析可知，該斷面各年份最枯月平均流量值分布比較接近，相差不大，這可能是造成Tennant法的計算結果小于其他3種方法的原因。在該斷面所有年份中，最枯月平均流量的最小值為3.38 m3/s，已大于Tennant法計算結果2.84 m3/s，因此在確定生態基流時不再考慮Tennant法的計算結果。又鑒于7Q10法和最枯月平均流量法的計算結果偏大，考慮到居民生活和工農業生產用水需求，最后選取90%保證率最枯月平均流量法的計算結果5.86 m3/s作為南河臺口(二)的非汛期的生態基流。計算結果見表3。

3.4 其他主要河流生態基流估算

襄陽市其他幾條主要河流缺乏逐日徑流序列，只有多年平均流量資料，無法直接對其生態基流進行計算。考慮其與上述4條代表河流相似性，結合其生態需水要求，分別對每條河流的多年平均流量進行適當的倍比，進而得出襄陽市其他主要河流的非汛期生態基流推薦值。具體如下：①唐河、唐白河、清河與滾河同處在鄂中北丘陵崗地農林生態區，農業活動強度大，對河道水需求較大，最終選取多年平均流量的10%作為非汛期生態基流值。②北河靠近南河，兩者的所處的自然地理環境相似，且都處在鄂西山地森林生態區，對河流生態需水的要求較高因，因此取多年平均流量的20.3%作為北河的非汛期生態基流值。③沮河與漳河同為沮漳河支流，二者所處的自然地理環境相似，因此選取多年平均流量的13.9%作為沮河非汛期生態基流值。④對于漢江，考慮兩岸支流的非汛期生態基流所占多年平均流量的比例，取最大占比和最小占比的平均值15%作為漢江非汛期生態基流的比例。

至于汛期生態基流，即生物敏感期(4-9月)，統一取多年平均流量的30%作為推薦值。由此，最終得到漢江及其他主要河流典型斷面生態基流及生態需水見表3。

3.5 代表河流生態基流保障分析

為分析襄陽市主要河流生態基流的保障情況，對幾條代表河流各月份的平均流量系列進行統計分析，得到各90%保證率的各月份流量，并與生態基流進行對比分析，見圖3。可知滾河張集斷面的生態基流保障情況最差，各月份90%保證率的流量均低于生態基流值。滾河所在地區農業活動強度較大，修筑有大量攔河壩、水庫等蓄水工程，用于農業灌溉，嚴重擠占了河道生態基流。蠻河挽魚溝斷面在1、2、4、5、6、9、12月生態基流無法保障，原因是蠻河流域工農業生產對水資源需求量大，再加上居民生活用水，造成河道內生態基流無法保障。漳河打鼓臺在1、2月生態基流無法保障。南河臺口(二)斷面的生態基流保障情況最優，在90%保證率條件下，各個月份的生態基流都能得到保證。

針對河流生態基流被嚴重擠占的現象，必須采取一定的措施保證河道的生態流量，維護河流健康，提出以下保障措施。

表3 襄陽市主要河流控制斷面生態基流計算結果Fig.3 The results of ecological base flow of main river control sections in Xiangyang city

圖3 代表河流控制斷面各月份90%保證率流量與生態基流對比Fig.3 The comparison between 90% assurance flow and ecological base flow of the representative river control sections

(1)推廣節水技術，減少河道取用水量。對于以農業用水比重較大的地區，應大力推廣推廣渠道防滲、管道輸水、噴灌、微灌等節水灌溉技術，適當調整調整作物種植結構，加大耐旱作物種植比例，推廣作物節水抗旱技術。抓好工業節水，提高工業用水重復利用率，在高耗水行業，引入先進節水工藝。

(2)加強江河湖庫水量調度管理，完善水量調度方案。統籌防洪、發電、灌溉等與生態環境保護的關系，采取閘壩聯合調度、生態補水等措施，協調上下游生態環境需水量的關系，合理安排閘壩下泄水量和泄流時段，維持河流基本生態用水需求，重點保障枯水期生態基流。

4 結 語

本文首先對生態基流水文學計算方法進行總結和對比，結合資料獲取情況，選取Tennant法、7Q10法、90%保證率法和最枯月平均流量法對襄陽市4條主要河流生態基流進行計算，在對計算結果進行對比和分析的基礎上，結合河流生態需水要求，確定其生態基流的推薦值，既避免了因某種方法不適用而出現計算結果不合理的情況，又同時考慮了多種方法的計算結果。對于其他缺乏逐日徑流序列資料的河流，考慮每條河流的實際特征，結合上述4條代表河流的計算結果，分別對每條河流的多年平均流量進行適當的倍比，進而得出襄陽市其他主要河流的生態基流推薦值。這樣可以保證無長系列逐日徑流資料河流生態基流計算結果盡量準確。最后，將90%保證率下的各月平均流量與計算出的生態流量過程比較，發現滾河、蠻河在枯水年份生態基流被擠占的現象比較嚴重，在今后的水資源配置工作中需加強生態用水的分配。

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