基于多種水文學方法的贛江下游生態流量估算

黃彬彬， 田 芳， 吳紹飛， 康傳雄

(1.南昌工程學院鄱陽湖流域水工程安全與資源高效利用國家地方聯合工程實驗室，南昌 330099； 2.南昌工程學院江西省水安全與可持續發展軟科學研究基地，南昌 330099)

隨著人口劇增和社會經濟快速發展，河道外生產用水、生活用水和河道內生態環境用水的競爭加劇，導致生態環境退化嚴重。生態流量是維持河流水生態系統不發生退化的最小流量，是水資源開發利用中重要的約束性指標。近年來，越來越多的學者也逐漸關注生態流量方面的研究。

從研究方法上來講，目前中外關于生態流量的計算方法已有200余種[1]。大致可以概括為以下4類：①水文學方法，包括Tennant法、7Q10法、最小日平均流量多年平均值法等。徐宗學等[2]通過水文學方法、水力學方法和水量水質綜合模擬法三類方法計算渭河關中段的生態基流，通過對比分析認為平均水深法的計算結果更能滿足河流生態系統需求。張颯等[3]應用RVA法評估漢江中游的水文情勢，量化了水文變化的程度；徐偉等[4]運用改進的7Q10法計算灤河各段代表水文站的最小生態流量。②水力學方法，包括R2-CROSS法、濕周法、CASMIR法等。郭文獻等[5]通過曲率最大法和斜率法的對比分析計算，確定宜昌、漢口斷面的最小生態流量；張新華等[6]結合濕周法和R2-CROSS法建立了一個新的水力學方法，確定的適宜生態流量更適合渭河關中段。③生物棲息地法，包括IFIM法、加權有效寬度和有效寬度法等。陳敏建等[7]利用魚類生境法和魚類生物量法， 計算松花江流域的適宜生態需水；班璇[8]通過中華鱘生境需求構建中華鱘的物理棲息地模型，得出葛洲壩下游合理的生態流量決策。④綜合分析法，包括澳大利亞的整體分析法和BBM法。水力學方法、生態棲息地法和綜合分析法需要量化水生生物棲息地流速、水深等水力學因子，收集代表性水生生物的適宜生長過程曲線，不僅需要大量的現場實測數據，還需要較長的監測周期，致使這三種方法難以廣泛推廣；水文學方法以河流歷史流量數據為基礎來計算生態流量，簡單方便、需要數據少、數據要求低，實用性較強。

贛江是江西省最大河流，長江的第七大支流。近年來，贛江下游由于挖沙作業的影響，流域內經常發生旱情，枯水期最低水位相繼跌破歷史最低水位，水污染日益嚴重，水生態系統退化明顯[9-11]。為了維持贛江的生態環境健康，恢復水生態系統的多樣性，研究贛江干流的生態流量就顯得十分重要。本文通過收集整理贛江流域外洲水文站六十多年的逐日流量資料，分析贛江干流的生態環境保護目標，采用RVA(range of variability approach)法、最小日平均流量多年平均值法、90%保證率月最小日平均流量法(Q90法)、NGPRP法、Texas法和多年日流量資料排頻法(90%)計算贛江干流的生態流量過程，并采用Tennant法對這6種計算方法的計算結果進行對比檢驗，得到適合贛江下游適宜生態流量過程的計算方法，計算結果可為贛江流域水資源的優化配置、區域可持續開發利用和水生態系統的恢復提供科學依據。

1 研究區概況和與研究方法

1.1 贛江流域概況

贛江流域地理位置及范圍如圖1所示，屬于亞熱帶濕潤季風氣候區，雨量充足但降水分布不均勻，降水多集中在5、6月，兩月降水量占全年的38%～46%，7—9月常出現臺風型暴雨，易形成災害性洪水，贛江流域多年平均流量為2 152 m3·s-1。

圖1 贛江流域地理位置及范圍示意Fig.1 Geographical location and scope of Ganjiang river basin

1.2 數據來源

選用的數據是外洲水文站逐日流量序列1954—2015年共62 a的流量數據資料。

1.3 研究方法

RVA法的計算目的是認識水文變化在維護生態系統中的重要作用[12]。利用RVA閾值來計算流量過程線的可變范圍，為流域生態流量的估算研究提供了參考依據[13]。RVA方法是對32個IHA指標進行分析，僅選用IHA指標中的月平均流量。根據舒暢等[14]的研究，在天然可變范圍(即RVA閾值差)大于正常水文特征值(均值)的變動范圍的情況下，才能夠維持河流健康生態系統。本文RVA法IHA指標參數的上、下限(RVA閾值)的發生概率取25%和75%，生態流量的計算公式為

(1)

Q90法[15]即90%保證率月最小日平均流量法，源于美國的7Q10法,即采用90%保證率下最枯連續7 d的平均流量作為河流最小流量設計值并將此作為污染物排放對水生物長期影響效果的水質標準設計流量。7Q10法在20世紀70年代傳入中國并在許多大型水利工程建設的環境影響評價中應用。但是該準則的要求較高，不太適合中國的國情，因此對于該方法進行修改，一般采用近10 a的最枯月平均流量或90%保證率最枯月平均流量。即對多年某一月份下的最枯流量進行頻率分析(通常選用P-Ⅲ型曲線)，90%保證率對應的流量即為所求。

最枯月平均流量多年平均值法[16]應用較為廣泛，就是在長系列的水文資料下，計算月平均流量，選擇最小的流量數據作為最枯月平均流量，然后選擇該數據在選擇的水文序列中的最小值流量。

多年日流量排頻法[12]，即假設每月的日流量的發生概率是相等的，然后把每月的所有日流量數據進行從大到小排頻，畫出P-Ⅲ曲線，得到不同頻率下的流量的一種水文學方法。此方法一般用來對比不同頻率的流量過程，以滿足不同目標下的生態保護用水。

NGPRP法[17]對所取年份進行干旱年、標準年和濕潤年的分組，最小流量的取值為標準年組90%保證率下的流量值。該方法不僅重視干旱年、標準年和濕潤年的差別，還將氣候條件以及接受范圍內的頻率因素考慮在內，但唯一的缺點就是生物學基礎不強。

Texas法[18]在考慮了季節變化因素的基礎上，將最小流量的取值定義在50%保證率下月流量取值。其中特定百分率是以研究區內典型植物一級魚類的水量需求設定的，該法首次考慮了不同生物特征和區域水文特征條件下的需水量。本文由贛江下游控制站外洲水文站62 a的月徑流量資料，經頻率計算后取50%保證率下月流量的特定百分率作為最小流量[19]。

隨著社會經濟結構的調整、生態文明建設的不斷推進和實施，人們對生態環境功能的需求不斷增加，可以根據在下泄流量為較高保證率的生態流量值條件下，不斷調整保證率水平，以維持社會不同的生態環境功能的需求。此時，生態流量不再是一組恒定不變的數值，而是與生態環境功能相關聯的一系列可變動的數值[20]。

2 計算結果分析

2.1 計算結果

各種方法的計算結果如表1所示。由表1可知，1—6月的徑流量逐漸增加，7—12月逐漸減少。其中贛江流域的主汛期是4—6月，三個月的月徑流總量占全年總徑流量49.26%，10月—次年1月份為枯水期，四個月的月徑流總量僅占全年總徑流量的14.40%。6種方法計算的生態流量結果均能反映出年內變化特征與季節性的變化趨勢。計算得到4—6月的生態流量較大，且最大的生態流量出現在6月，達到了4 509 m3·s-1，10月—次年1月為枯水期，生態流量相對較小，其中12月份的生態流量最小，最小的低至210 m3·s-1。4月與3月相比有一個較大的增長，7月與6月相比有一個較大的回落。

表1 6種方法下的生態流量計算結果

2.2 計算結果對比分析與評價

各種方法的生態流量過程線圖如圖2所示。6種計算方法得出的生態流量值都在多年平均值之下，Texas法計算出來的生態流量最大，接近多年平均流量值，但在一般情況下該流量值難以實現；Q90法得到的生態流量過程最小，對應較低的生態環境保護要求；最枯月平均流量多年平均值法計算的生態流量過程變化程度大，上升和下降的程度劇烈，且在非汛期生態流量較低；多年日流量排頻法中在90%頻率下對應的生態流量過程與RVA法、NGPRP法計算的生態流量過程相似。

圖2 6種方法計算的年生態流量過程Fig.2 Annual ecological flow process calculated by 6 methods

根據這6種方法的計算結果并利用Tennant法[21]進行對比分析。Tennant法是目前應用最為廣泛的水文學方法之一。該方法構建了水深、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(見表2)，在計算中對12個月進行分類，4—9月為魚類產卵育肥期和10月—次年3月份為一般用水期，然后采用不同的百分比進行計算。這里根據贛江的流域的實際情況，將Tennant法的分期進行部分調整，分為汛期與非汛期，且4—6月為汛期，7月—次年3月為非汛期。其中綜合Tennant等和另外一些學者在美國維吉尼亞的河流中得出的結論：一般河流中，10%的年平均流量是河道流量的最低下限；20%的年平均流量為保護水生生物棲息地的適當標準；河道內流量占多年流量的30%～60%，河寬、水深及流速達到令人滿意的程度；而60%～100%的年平均流量、河寬、水深及流速為最佳范圍；河道內流量達到年平均流量的200%時，是最大的生物棲息地標準，但超過其值反而不利于生態系統的發展[22]。

表2 河流流量狀況分級標準

由表1中可以看出，RVA法計算出的生態流量占多年月平均流量百分比的變化范圍為18.56%～46.38%；最枯月平均流量多年平均值法和Q90法計算出的生態流量值占多年月平均流量的百分比的變化范圍分別為21.9%～44.07%、17.64%～34.50%；多年日流量資料排頻法(90%)和NGPRP法計算得到的生態流量占多年月平均流量的百分比的變化范圍為24.73%～53.08%和30.54%～64.08%；Texas法計算得出的生態流量值占多年月平均流量值的變化范圍為64.93%～93.62%。根據Tennant法的評價標準對各種方法計算的生態流量結果進行評價，可知以下結論：

(1)除了RVA法中7月和Q90法中的3、4、7月的計算結果在20%以下，6種方法計算的月生態流量均在20%以上，所以6種方法的計算結果均能滿足棲息地的絕大多數的水生生物短時間生存所需的最低流量，不會導致水生棲息地功能退化。

(2)多年日流量資料排頻法(90%)和NGPRP法的生態流量基本上達到了30%以上，使棲息地質量達到了令人滿意的標準；最枯月平均流量多年平均值法和Q90法的生態流量值大多數維持在了20%左右，能使棲息地質量維持在“適當”的標準；RVA法除了7月的生態流量在“適當”的標準外，其他的月份均達到了令人滿意的程度；Texas法的生態流量值偏大，其計算結果使棲息地質量達到最佳狀態。

(3)就總體結果而言，NGPRP法的生態流量普遍高于多年日流量資料排頻法(90%)的生態流量，但是NGPRP法的計算結果在5月的時候突然下降，減緩了流量脈沖，這樣不利魚類的產卵繁殖。

(4)在汛期，RVA法的生態流量高于多年日流量資料排頻法(90%)的生態流量，但是在非汛期，多年日流量資料排頻法(90%)的生態流量高于RVA法的生態流量。

相較于最小生態流量所確定的河流的極限的、短期的水文狀態而言，適宜的生態流量更有利于河流的生態健康。根據表1并結合圖2進行分析，6種方法基本上都能滿足贛江下游的河道流量最低下限，但是RVA法、Q90法和最枯月平均流量多年平均值法在非汛期得到的生態流量值都較小，NGPRP法在5月的突降會對魚類的產卵繁殖造成不利影響，所以根據結果在汛期和非汛期分別選擇RVA和多年日流量資料排頻法(90%)的生態流量。結合兩種方法的計算結果，得出贛江下游各月的適宜生態流量，如表3、圖3所示。

表3 贛江下游各月的適宜生態流量

圖3 贛江下游適宜生態流量過程線Fig.3 Suitable ecological flow hydrograph in the lower reaches of Ganjiang River

計算多年月平均流量與對應月份適宜生態流量的比值，將結果分為0～1，1～2，2～3，3～4與大于4五類，統計各月份計算結果落在不同區間的比例。由表4、圖4可以看出1、11月生態流量保障率最低，不達標的比例達到17.65%，大部分月份都能滿足生態流量的基本需求；比值結果落在1～2區間的百分數最多，其中7月多年平均流量與適宜生態流量的比值在4以上的比例超過了50%。

表4 各月多年平均流量與對應月份適宜流量比值分類表

圖4 五組倍比百分比分布圖Fig.4 Percentage distribution of power ratio of five groups

3 結論

利用水文學方法對贛江下游的生態流量值進行了計算，并通過Tennant法檢驗其計算結果，可以得出如下結論。

(1)除了RVA法中7月和Q90法中的3、4、7月的計算結果在20% 以下，6種計算方法計算的生態流量每月均在20% 以上，所以6種計算方法的計算結果均能滿足河道流量的最低下限，不會導致水生棲息地功能退化。

(2)RVA法和多年日流量資料排頻法(90%)計算出的生態流量值都較為合理反映出贛江下游的豐枯變化特征。但前者汛期的生態流量值大于后者，后者的非汛期的生態流量值大于前者，結合兩種方法的生態流量過程，得到了各月的適宜生態流量過程。

(3)河流中的魚類的洄游、產卵、生長與流量的漲落過程及流量的大小有直接的關系。由得到的適宜生態流量過程可以看出，12月—次年3月的低流量保持了河道持續的水流條件，為魚類提供足夠的棲息地且為魚類洄游提供通道；4—6月形成一個高流量脈沖，刺激魚類洄游產卵，塑造河床形態改善河流底質；7—11月的中高流量為魚類的生長繁殖提供穩定的流量條件。

(4)統計多年平均流量與適宜生態流量的比值的分類結果，發現贛江下游枯水期河道生態流量難以得到保障，不達標比例高于13%，尤其以1月和11月最為嚴重。