基于生態水文法的城市河流生態基流綜合評估

王鴻翔，張愛民，郭文獻，郭 科

(華北水利水電大學，鄭州 450045)

對于城市河流來說，人類社會經濟的發展與河流生態系統健康的發展矛盾尤為突出, 目前河流斷流、污染事件頻繁發生，部分河流功能基本喪失[1]，因此對城市河流開展河道生態基流對保護水環境、維持河道生態系統正常運轉研究意義重大。生態基流的出現主要是為了協調生態系統與經濟社會需水之間的矛盾，使得河流生態系統與城市生態系統能夠達到共生的一種狀態流量。國內外研究主要集中在河流生態需水內涵及計算方法上，逐步形成水文學法、水力學法、棲息地及整體法等四大類方法，水力學法計算生態流量難以排除城市河道人為渠化因素，棲息地法及整體法對資料要求較高以及可實際操作性不佳，并且受全球氣候變化與人類活動的共同影響，河流水文情勢與河流生態系統都發生了較大的改變[2],以往的城市河流流量研究大多基于環境功能設定法，將河流生態流量分為各個部分分別計算，但很難應用于實踐，進行水環境調水實驗也只是粗略估算或主觀確定稀釋用水居多[1]。綜合上述因素，本研究從生態水文情勢角度出發，通過多種水文法計算河道最小生態需水，結合徑流特征分析及多年降雨量的變化，對比分析各種水文法對城市河流的適用性，最后根據河流站點天然時期徑流資料，利用適合城市河流的水文法計算河道生態基流，研究結果綜合水量水質等方面考慮了河流生態系統最小生態需水量，對保護河流水質及魚類產卵需求及水質水量聯合調度決策具有重要意義，可為城市水資源的配置及生態補水提供參考依據。

1 研究區概況

鄭州市河流分屬淮河和黃河兩大流域，即外河黃河和內河賈魯河。涉及現有河流9條，其中枯河屬于黃河流域，其余8條屬于賈魯河水系，賈魯河發源于新密市，向東北流經鄭州市，至市區北郊折向東流，經中牟，入開封，過尉氏縣，后至周口市入沙潁河，最后流入淮河。流域面積2 750 km2，多年平均徑流量2.99 億m3[3]，包括賈魯河干流以及其一級支流索須河(索河、須河)、東風渠、魏河、金水河、熊耳河、七里河(十八里河、十七里河)、潮河等支流，現均為城市排污河道，生態水系輸水工程為新開挖河流，為南部四河進行輸水，水庫12座，湖泊3個，共同組成鄭州市生態水系框架[4]。

2 數據與方法

2.1 數 據

鄭州市河流多為小河流，缺少水文觀測資料，僅賈魯河干流中牟水文站有部分水文資料，水文資料為1965-2008年徑流資料，1951-2011年鄭州市降雨資料來源于中國氣象科學數據共享網。

2.2 方 法

本研究收集鄭州市市區控制水文站中牟站1965-2008年的長序列徑流資料通過線性傾向法及M-K突變檢驗法對其徑流特征變化進行分析及突變點檢驗，并通過水文方法計算生態基流。

2.2.1 趨勢分析及突變檢驗方法

(1)線性傾向法。通過線性傾向法分析中牟水文站實測流量序列年均徑流及汛期與非汛期的徑流變化趨勢，線性傾向法計算公式見式(1)。

(1)

式中：b為常數；a為回歸系數。

(2)Mann-Kendall突變檢驗法：M-K (mann-kendall)突變檢驗是一種非參數統計檢驗方法，可以排除異常值的干擾，M-K法能夠大致確定突變點的位置，Mann-Kendall突變檢驗法是在時間序列平穩的前提下，要求該序列獨立，且隨機變量概率服從同一分布，設定原假設時間序列無變化[5-7]。Mann-Kendall突變檢驗的統計量構造秩序列：

(2)

sk的數學期望和方差為：

(5)

式中統計量UF服從標準正態分布，表示年均徑流順序時間序列曲線，UF為正，表示系列具有上升趨勢；UF為負，表示系列具有下降趨勢；取α=0.05置信水平下顯著性檢驗水平值，UF值大于α=0.05置信水平表示序列上升或下降趨勢顯著，以上方法應用于反序列，重復上述計算過程，并使UF計算值乘以“-1”，得到UB，UB為年均徑流序列逆序時間序列曲線，如果UB和UF曲線出現交點，且交點在臨界線之間，則交點對應的時刻為突變開始的時間。

2.2.2 水文學方法

計算河流生態需水有多種水文學方法，本研究選擇5種常用的水文學法計算河流最小生態流量，方法分別為逐月最小徑流法、逐月頻率法、tennant法、90%最枯月平均流量法(Q90)、Texas法，其具體操作步驟如下：

逐月最小徑流法計算的最小生態流量過程滿足生物的繁殖和發育規律，是保證水生生物在生命史周期中的最低生存條件，該法考慮了河流徑流豐枯變化的連續性以及不同時期河流生態系統對水文條件的需求，具體步驟為首先將流量資料分為1-12月份共12個月平均徑流系列，取每個月徑流系列的最小值作為該月的最小生態徑流量。

逐月頻率法是對不同時期擬定不同的保證率，一般月保證率取50%，優點是相較于最小生態徑流確定的短期、極限的水文狀態，提供了河流生態需水所需的最佳水文條件[8]，缺點是未考慮年際變化趨勢，適用于計算大中型河流的適宜生態徑流，基于城市河流基本都是小河流，月保證率取90%，具體步驟對年平均流量系列分別取頻率75%以上、25%～75%、25%以下劃分水平年為枯水年、平水年、豐水年，對枯水年組取90%保證率的月平均流量作為河流最小生態基流。

Tennant法由美國學者Tennant分析了美國11條河流的斷面數據后發現河寬、流速和水深在流量小于年平均流量的10%的增加幅度較大，當流量大于年平均流量10%時，對應的水力參數的增長幅度下降。該方法涉及臨近棲息地、水力學和生物學因素,其實質是將測站的年平均流量的百分比作為最小生態流量[9],具體操作步驟是依據各月平均流量序列求平均值得出多年月平均流量過程，取多年月平均流量的10%作為最小生態流量。

90%最枯月平均流量法(Q90)由美國7Q10法演變而來的，起初是美國用于保證排放的污水滿足干旱季節的水質要求，應用于我國主要是防止河流水質污染，設定近10年最小月平均流量或90%保證率的最枯月平均流量替代年最枯連續 7 d 的平均水量作為河流最小流量即標準流量設計值[10]。步驟為采用90%保證率的最枯月平均流量并假設該法下年內各月生態流量均為保證率90%對應的生態流量，該法的缺點未考慮水量的季節變化、水生生物等因素。

Texas法采用某一保證率的月平均流量作為生態流量，該法考慮了不同的生物特性(如孵化器和產卵期)和區域水文特征條件下的月需水量[10]，參考吳喜軍在渭河寶雞段典型魚類及植物的需水條件，取50%保證率下的月流量的20%作為河道生態基流[11]。

3 徑流特征及水文法適用性分析

3.1 城市河流徑流變化分析

3.1.1 徑流趨勢性分析

圖1和圖2為中牟水文站年際變化時間序列,據圖1分析得河流年均徑流的總體變化呈遞減趨勢，由M-K檢驗遞減趨勢不明顯。據圖2可看出汛期徑流變化隨時間序列呈遞減趨勢,非汛期內徑流變化則隨時間序列呈遞增趨勢。水文情勢隨年際之間的豐枯變化幅度的減小而逐漸減弱,年內流量的季節變化差異正在減小甚至消失。

圖1 中牟水文站年均徑流變化Fig.1 Annual runoff variation of Zhongmou hydrological station

圖2 汛期和非汛期年均徑流量變化Fig.2 Annual runoff variation in flood season and non-flood season

3.1.2 突變點的確定

采用M-K的突變檢驗法檢測流量受人為因素影響隨時間序列變化的突變年份，突變分析結果見圖3。

圖3 1965-2008年均徑流突變分析圖Fig.3 Analysis of runoff variation in 1965-2008

據圖3分析可得UF曲線總體呈現遞減趨勢，UF曲線和UB曲線于1985、1990、1992年在95%的臨界線±1.96之間有3個明顯的交點。1985、1990、1992年可能是鄭州市年均徑流的突變點，并且在1990年之前的UF曲線值大于等于0,年均徑流序列呈現遞增趨勢，且于1974-1981年之間UF曲線超過了95%的臨界線1.96，通過0.05水平的顯著性檢驗，年均徑流時間序列上升變化顯著；1990年之后的UF曲線值小于等于0，年均徑流趨勢呈現遞減趨勢，UF曲線下降范圍為超過95%的臨界線-1.96，沒有通過0.05水平的顯著性檢驗，即下降趨勢不明顯。因為可能的突變點年份較為接近，可認為發生了一次突變,可能的突變年份取最早出現突變的1985年。因此以1985年為分界點，將1965-1985年期間近似看作天然徑流時期，1985至2008年看作是人類活動干擾時期。

3.2 水文法適用性分析

3.2.1 河道生態基流的計算結果

以賈魯河干流為例，河流生態需水計算結果見表1，據表1繪制多種水文學方法計算最小生態流量過程線如圖4所示。

表1 中牟水文站多種水文法估算最小生態流量 m3/s

圖4 最小生態流量過程線Fig.4 Minimum ecological discharge hydrograph

3.2.2 生態流量過程線分析

(1)分析圖4可知:逐月頻率法的計算值高于逐月最小生態徑流；texas的計算結果與tennant的計算結果趨勢走向大體一致，且其計算結果總體上大于tennant計算值且小于逐月最小生態徑流計算值；Q90法計算結果最小。從反映徑流年內季節變化的角度出發，逐月頻率法、逐月最小徑流法均較好反應賈魯河水文站汛期與非汛期間的生態基流年內顯著的變化，texas法次之，tennant反應年內生態基流在汛期與非汛期間的變化強度最弱，90%最枯月平均流量法不能反映徑流的年內豐枯變化特征。

(2)結果的差異性分析：Q90法只考慮了滿足河流水質污染的流量，沒有考慮水生生物、水量的季節變化, 計算結果最?。籺ennant法取實測多年平均徑流量的10%,只考慮了維持河流生態系統不退化所需水量，未考慮河流稀釋自凈、輸沙需水的等環境功能需水量, 計算結果總體大于Q90法,屬于次最小值；texas則考慮了典型魚類及植物的需水條件，取50%保證率下的月平均流量的20%作為生態需水量，計算結果大于tennant法計算值；逐月頻率法是基于水平年的劃分取枯水年組的90%保證率作為最小生態流量，而逐月最小生態徑流法也是基于天然徑流資料，是以水生生物在天然狀況下已經安全經歷過的最小徑流過程的假設前提下計算最小生態徑流，這兩種方法的計算結果差距相對較小。

圖5 鄭州市多年平均月降雨量圖Fig.5 Annual average monthly rainfall in Zhengzhou City

據圖5可知，降雨量最多為7月為149.7 mm，其次為8月份128.3 mm，因而最大流量也會出現在這一時段，結合圖4分析，逐月頻率法、逐月最小生態徑流法只能反應7月份的流量變化，對比汛期內6月份和9月份的流量，8月份計算值偏小，texas、tennant最大值出現在8月份分別為4.6、2.6，具有一定的遲滯性，逐月頻率法及逐月最小生態徑流法均有能反映徑流的季節變化特征，但計算結果略大且未考慮生物因素，texas與tennant法考慮了水生生物因素，但對于徑流的特征變化具有遲滯性，Q90法只考慮了水質因素，計算結果較低，上述方法考慮方面單一，因此本研究從結合徑流變化特征、水生生物因素、水質因素角度出發，取逐月頻率法、最小生態徑流法、texas、tennant及Q90法計算結果的平均值作為最小生態基流。多年平均流量的10%是保證棲息地不會退化的最低條件，一旦低于此值，河流生境會急劇下降，難以恢復，最好預留一定的空間[12]，因此綜合分析認為多種方法計算結果的平均值對于城市河流具有較好的適用性。

4 計算結果與討論

因鄭州市河流只有賈魯河干流中牟站有部分實測水文資料,控制流域面積為2 106 km2，多年平均徑流量(1965-2008年)為42 989 萬m3，多年平均流量為13.57 m3/s。為了推求鄭州市其他河流的年均徑流量，通過相關河流控制面積間接計算，鄭州市水系河流徑流量計算結果如表2所示。根據平均值可以計算出各流量狀況下河流推薦值,如表3所示。

表2 鄭州市河流年均徑流量計算成果表Tab.2 Annual runoff calculation results of zhengzhou river

表3 鄭州市水系河流最小生態需水量推薦值Tab.3 Recommended minimum ecological water requirement of urban river in Zhengzhou

為了分析本研究所采用方法計算的合理性，本研究結果與《鄭州市生態水系規劃》(簡稱規劃報告)中河流生態需水計算結果進行綜合對比，對比結果見表4。

本研究通過均值法得到的流量過程線值能夠滿足魚類產卵育幼期及水質需求，并且從更好響應城市河流降雨及徑流的水文特征，計算結果與《鄭州市生態水系規劃》的研究結果相比，有一定差別，但總體相差不大，枯水期內金水河計算結果比規劃報告結果稍小，其他河流計算結果均大于規劃報告結果，差值占規劃報告結果的22.2%；豐水期內計算值均稍小于規劃報告結果，差值占規劃報告結果的20.3%，誤差在可允許誤差之內，因此可以認為本研究計算的河道生態基流基本合理。

表4 鄭州市水系河流生態流量結果比較 m3/s

5 結 語

(1)研究顯示賈魯河干流年均徑流量總體上呈遞減趨勢，遞減趨勢不顯著，汛期徑流變化呈現遞減趨勢，非汛期的徑流變化呈現遞增趨勢，水文情勢隨年際之間的豐枯變化幅度的減小而逐漸減弱，年內流量的季節變化的差異正在減小甚至消失。

(2)綜合徑流變化特征、水生生物因素、水質因素等，取逐月頻率法、最小生態徑流法、texas、tennant及Q90法計算結果的平均值作為最小生態基流，能夠很好反應河流徑流變化趨勢、水生生物需水及自凈需水要求，均值相較于取多年平均流量的10%作為保證棲息地不會退化或極限水文最低的條件，預留了一定的幅度可變空間，能夠較大程度避免和降低因河道流量低于極限值而導致河流生境長時間遭受難以恢復的破壞幾率，適合用于計算城市河道最小生態基流。

(3)本研究中的生態基流是指是從水生生物需水及河流自凈需水角度出發，是常年維持河道內的生態系統穩定的基本流量,不包含輸沙需水、蒸發滲漏需水等的部分。

□

[1] 楊 薇.城市河流生態環境需水優化配置理論及應用研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學,2007.

[2] 徐宗學,武 瑋,于松延.生態基流研究:進展與挑戰[J].水力發電學報,2016,(4):1-11.

[3] 鄭州市水利局. 鄭州市水資源開發利用現狀調查分析[Z]. 1993.

[4] 鄭州市生態水系建設與水資源優化調度研究[R] 鄭州.華北水利水電學院，2010.

[5] 侯欽磊,白紅英,任園園,等.50年來渭河干流徑流變化及其驅動力分析.[J]資源科學,2011,(8):1 505-1 512.

[6] Kendall MG. Rank Correlation Measures[M]. London: Charles Griffin,1975.

[7] 魏鳳英.現代氣候統計診斷與預測技術[M]. 北京:氣象出版社,2007.

[8] 李 捷,夏自強,馬廣慧. 河流生態徑流計算的逐月頻率計算法[J]. 生態學報,2007,27(7):2 916-2 921.

[9] TennantD L.Instream flowregimes for fish, wildliferecreationandrelate- denvironmentalresources[J].Fisheries,1976,1(4):6-10.

[10] 鐘華平,劉 恒,耿雷華,等.河道內生態需水估算方法及其評述[J].水科學進展,2006,(3):430-434.

[11] 吳喜軍,李懷恩,董 穎,等.基于基流比例法的渭河生態基流計算[J]. 農業工程學報,2011,27(10):154-159.

[12] 張 強,崔 瑛,陳永勤,等.基于水文學方法的珠江流域生態流量研究[J].生態環境學報,2010,19(8):1 828-1 837.