考慮水文非一致性變異的河道基本生態流量

王鵬全，吳元梅，楊旭亮

(1. 青海民族大學 土木與交通工程學院，青海 西寧 810007；2. 青海省水利水電科學研究院有限公司，青海 西寧810001)

河流生態系統具有開放性、流動性、隨機性、復合性和連續性，水文、氣象、地貌、地質、水質等都是其重要的生態因子，其中水文因子對河流生態系統具有顯著影響，流量、水深、流速、水溫、泥沙等都是水生態系統的函數[1]。根據歷史流量計算河道內生態流量的方法稱為水文學法[2-3]，該方面國內研究成果較多。但是水文學法計算生態流量的前提是保證水文資料的一致性，在“自然-社會”二元水循環模式下，考慮氣候變化及人類活動綜合影響，在水文非一致性變異分析及還原基礎上，利用天然流量過程進行河道生態系統需水量計算非常必要[4]。Bunn 等[5-6]提出天然流量的動態過程對維持河流生物多樣性和生態系統完整性具有重要意義，包括低流量、高流量、不同量級洪水及流量脈沖等組分，以保證河道不斷流，為水生生物產卵、洄游、生長提供適宜的生境條件，而僅僅維持河流中的最低流量難以保證河流生態系統健康[7]。河道內基本流量要維持河流廊道生態系統基本功能，保證營養物質以河流為載體進行交換、擴散、轉化、累積與釋放。一定量級的洪水及其洪水脈沖也會傳遞特殊的生命信號，生物根據這種信號進行繁衍、產卵和遷徙，而超大洪水又會破壞河流生態系統。根據生物生長發展所遵循的耐受定律，當生態流量超過其上下限時就會使生物群落退化或關鍵物種死亡。由此可見，河道內基本生態流量應具有合理的閾值[8]。

本文在考慮水文非一致性變異的基礎上，參考已有學術成果，認為僅僅維持河流中的生態基流難以保證河流生態系統健康，故提出基本生態流量閾值計算方法與模型，并將其應用于湟水干流上游西寧斷面進行例證。基本生態流量閾值下限是為了維持生態系統發揮正常功能所需要的水量（即生態基流），上限是為了維持河流本土生物多樣性和生態系統的完整性。

1 研究區域與數據來源

湟水干流發源于青海省海晏縣境內祁連山系大坂山南坡，自西北流向東南，干流全長374 km，流域面積32 863 km2，水資源總量為22.74 億 m3。西寧以上為上游，河段長約174 km，控制流域面積9 022 km2，多年平均徑流量13.10 億 m3，西寧水文站距河口約200 km。湟水干流上游水資源在年內、年際分配不均，河流汛期來水集中，約占全年水量的60%，年最大徑流與最小徑流的極值比為1.7～9.5。區域內主要的中型水庫有東大灘水庫、盤道水庫和大南川水庫，其中東大灘水庫是目前湟水干流上游最大的調節型水庫。海晏至西寧段已建成15 座水電站，水電梯級開發使得河流縱向連通性遭到破壞。區域內水資源開發利用率高，人類活動影響較大，水利工程對河流水文、地貌形態、生物棲息地脅迫效應顯著，河流廊道生態功能嚴重退化，珍稀瀕危魚類棲息地嚴重萎縮，河谷生態系統及沿岸景觀遭到不同程度破壞。湟水干流上游水系見圖1。

本文重點研究湟水干流西寧站水文斷面河道內基本生態流量閾值，西寧站1954—2018 年共65 年長系列實測徑流資料由青海省水文水資源勘測局提供，年徑流量時間序列見圖2。研究所需其他數據來源于《青海省水資源公報》《湟水流域綜合規劃》《湟水九縣市水資源評價及優化配置》和《青海省第一次水利普查》等資料。

圖 2 西寧站實測徑流時間序列Fig. 2 Time series of measured run off at Xining Hydrological Station

2 水文非一致性變異診斷

水文學方法必須建立在未來與過去水文時間序列一致的基礎上，以歷史水文數據為基準計算生態流量，而在氣候變化和人類活動影響下，河流水文情勢的一致性被嚴重破壞。水文時間序列變異分析的重點是識別和診斷變異可能發生的時間節點，為還原計算提供依據。本次采用Mann-Kendal （M-K）檢驗和滑動t 檢驗兩種方法[9]綜合診斷1954—2018 年間西寧站實測年徑流量系列變化趨勢及突變點。

采用M-K 檢驗法所得檢驗結果如圖3 所示，UF ＜0說明徑流量基本呈減少趨勢，且1980—1982 年減少趨勢最顯著，與上游東大灘調節水庫1981 年底建成蓄水有關。通過計算可得系列整體顯著性水平為0.764，整體趨勢的變化速率為-0.161。M-K 檢驗曲線中UF 與UB 統計量沒有交叉點，即在時間統計意義上年徑流序列不存在明顯突變點。進一步采用滑動t 檢驗法所得檢驗結果見圖4，1970、1982、1990、2000 和2006 年均達到局部極值點，但2000 年t統計量最大且大于0.01 顯著性水平檢驗臨界值，故可診斷年徑流量時間序列從2000 年開始明顯變異，與文獻[10]得到徑流突變發生在2004 年比較接近。

圖 3 M-K 非參數檢驗結果Fig. 3 Results of M-K non-parametric test

圖 4 滑動t 檢驗結果Fig. 4 Results of sliding t test

根據文獻[11]，湟水流域降水量減少對徑流量減少貢獻22.00%，蒸散發減少對徑流量減少貢獻13.46%，人類活動對徑流量減少貢獻64.54%。M-K 檢驗表明1970 年以后徑流下降趨勢明顯，氣候變化大背景下，人類活動、降水減少、氣溫上升是造成徑流量減少的主要原因。2000 年之后徑流有所增加，其原因是水土保持措施的大力實施，耕地向林地的轉化、耕地與草地的相互轉化以及耕地向建設用地的轉化。其次，2000 年前后海晏至西寧段建設15 座梯級電站，平均100 km 有12.7 個水電站，河流縱向連通性嚴重破壞，密集水電站群建設對河流生態系統產生了嚴重脅迫效應，河流水文、地貌形態、生物棲息地等發生了較大改變。

結合《青海省第一次水利普查水利工程基本情況普查表》，考慮湟水干流上游蓄水工程、引水工程興建及水資源開發利用狀況，本次確定年徑流量序列變異時間為2000 年，并對變異前1954—2000 年的實測徑流量進行還原計算得到天然徑流過程，以保證一致性條件成立。還原成果與青海省水文水資源勘測局2009 年完成的《湟水九縣市水資源評價及優化配置》典型年成果基本一致。選用湟水干流西寧站還原后1954—2000 年天然徑流系列進行河道內生態流量計算，以修正氣候變化和人類活動對河流水文情勢的影響。西寧站1954—2000 年天然徑流過程見圖5。

圖 5 西寧站1954—2000 年天然徑流序列Fig. 5 Natural runoff sequence of Xining Hydrological Station(1954—2000)

3 生態流量閾值計算方法

3.1 廣義極值分布流量眾值法

生物群落和生境之間是一種物質和能量的供需關系，河流生物群落隨流量豐枯變化呈現脈沖式變化，河流生物與流量在長期的自然選擇和進化過程中形成了相互適應能力。根據生物群落與生境因子的關系，歷史出現的流量眾值比較適合河道內生態系統的良性循環。根據生物群落與生境因子的選擇關系，將歷史上多年各月流量眾值作為基本生態流量上限

為進一步驗證GEV 分布的適用性，選用西寧站枯水期（1 月份）、豐水期（9 月份）1954—2000 年天然月平均徑流系列作為典型計算，利用廣義極值分布（GEV）、伽馬分布（Gamma）、正態分布（Normal）和Weibull分布4 種函數進行概率分布擬合，發現GEV 概率分布理論曲線與經驗頻率曲線擬合最佳，并利用最大對數似然統計量進行擬合優度評價，擬合優度依次是GEV＞Gamma＞Weibull＞Normal，故確定廣義極值分布更適合月徑流系列概率分布函數。概率分布函數（Cumulative Distribution Function，CDF）與經驗頻率曲線的擬合關系見圖6～7。

圖 6 典型枯水期月徑流系列概率分布擬合Fig. 6 CDF fitting of monthly runoff in typical dry season

圖 7 典型豐水期月徑流系列概率分布擬合Fig. 7 CDF fitting of monthly runoff in typical wet season

廣義極值分布（GEV）是國外學者Jenkinson1955 年提出[12]，其分布函數為：

式中： σ為尺度參數；u為位置參數；k為形狀參數。

水文中常研究某一水文變量X超過設計值的概率，即對應分布函數[13]為：

3.2 歷時曲線法

根據《河湖生態環境需水計算規范（SL/Z 712—2014）》，用變異前月平均天然流量歷史資料構建各月水文歷時曲線，將95%保證率相應的月平均流量作為河道內不同時段生態流量。分別利用GEV 分布和PIII 型分布計算95%保證率下的生態流量。

3.3 改進年內同頻率展布法

湟水流域河流水文生態系統具有明顯的季節性特征[14]。4—6 月是土著魚類產卵繁殖的高峰季節，需要一定水流刺激和一定水深及水面寬，保證魚類棲息生境要求，同時也是河谷植被需水的高峰期；7—10 月水量多而集中，是土著魚類和河谷植被生長關鍵期，需要一定量級的洪水過程發生，營造良好的生境。11 月—翌年3 月河流水量相對較枯，主要考慮維持河流基本生態環境功能的生態流量。因此，為反映河流年內豐枯變化特征和敏感生態對象的需水規律，劃分豐水期（7—10 月）、平水期（4—6 月）和枯水期（11 月—翌年3 月）3 個頻率時期，先確定同期均值比，即各頻率期內最小月均徑流量均值與月均徑流量均值之比，然后以同頻率時期內多年月平均流量為基準，計算得到河道內生態流量展布過程。

3.4 結果與分析

利用變異前1954—2000 年還原計算后的天然徑流資料進行計算，得到多種方法對應的河道內生態流量過程見表1。

表 1 河道內基本生態流量過程計算結果Tab. 1 Calculation results of basic ecological instream flow 單位：（m3·s-1）

取多種方法計算結果形成的生態流量過程（圖8）外包線作為河道內基本生態流量閾值的上下限。西寧站枯水期（11 月—翌年3 月）、平水期（4—6 月）、豐水期（7—10 月）的基本生態流量下限均值分別是11.0、17.6 和27.5 m3/s，上限均值分別是17.0、35.6 和56.0 m3/s。若河道內各月生態用水保證率采用數量上大于或等于河流內生態需水量下限所發生的頻率表示[15]，則根據1954—2018 年西寧站各月實測徑流資料，計算各月生態流量滿足頻率見圖9。生態流量滿足頻率平均值75%，最小滿足頻率54%（4 月份），最大滿足頻率89%（10 月份），3—7 月、11 月生態流量滿足頻率均低于80%，顯然是用水高峰期生產用水大量擠占生態用水所致。建議將河道內生態用水納入水資源配置指標，強化水資源用途管制，嚴格取水許可制度，尋求河流上下游各用水主體間的最佳組合關系，優化水庫與閘壩的調節功能，實現水資源的優化配置，從而劃定生態紅線，進一步提高河道內生態用水保證程度。

圖 8 多種方法生態流量過程線Fig. 8 Ecological flow process of multiple methods

圖 9 河道內生態流量滿足頻率Fig. 9 Guarantee rate of ecological instream flow

本次計算結果與Tennant 法相比，河道內生態環境狀況均處于“好”水平以上。圖8 中Tennant 法河道內生態流量10—3 月取同期多年平均月徑流量的20%計算，4—9 月取同期多年平均月徑流量的40%計算。西寧站基本生態流量下限在枯水期（11 月—翌年3 月）、平水期（4—6 月）、豐水期（7—10 月）的平均值分別是11.0、17.6 和27.5 m3/s；上游石崖莊站枯水期、平水期、豐水期的平均生態流量下限分別是3.4、5.6 和6.4 m3/s；下游民和站枯水期、平水期、豐水期的平均生態流量下限分別是17.3、25.0 和46.9 m3/s。湟水干流石崖莊站、西寧站、民和站等重要斷面生態流量在空間分布上具有相對的合理性。《湟水流域綜合規劃》中西寧站枯水期、平水期、豐水期的生態流量分別是8.7、13.0 和30.0 m3/s，本次計算生態流量下限成果與規劃成果比較接近。

根據文獻[14]湟水干流改進Tennant 法計算的生態需水“好至很好”的區間是最佳范圍，西寧站枯水期、平水期、豐水期的最佳生態流量下限分別是11.2、18.6 和24.4 m3/s，最佳生態流量上限分別是27.9、46.4 和60.9 m3/s，此范圍要求的瞬時流量可為流域提供最佳的生存條件，同時可滿足一定量的河谷濕地和植被的生態需水，與本次計算成果比較接近。

根據《青藏高原魚類》記載，湟水干流黃河裸裂尻魚、黃河高原鰍、擬硬鰭高原鰍為優勢種，以黃河裸裂尻魚作為研究斷面指示生物，其產卵旺季集中于5—6 月，產卵場在礫石底質、水流較急的河灘地段，卵沉性，體長多介于90～170 mm，平均體長約140 mm。有研究[16]表明，適應魚類生存最大水深下限約為魚類體長的3 倍，計算指示生物生態水深約0.42 m。根據2012 年青海省水利水電勘測設計研究院編制的《青海省湟水干流及北川河河道治理工程可行性研究報告》，選擇湟水西寧段（黑嘴橋-鐵路橋）實測典型大斷面，河道平均糙率0.033，平均比降5.7‰，利用曼寧公式計算水深與流量的關系滿足以下定量關系：

根據生態水深下限計算7—8 月份適合指示生物的生態流量17.7 m3/s，與本次計算平水期（4—6 月）基本生態流量下限均值17.6 m3/s 非常接近，充分說明本次研究方法具有一定的合理性。

湟水干流屬于水資源開發利用程度高，人類活動影響較大，開發利用過度的河流，研究區需重點解決當前經濟社會用水與河流生態環境用水的矛盾，逐漸恢復河流自然的生態環境功能。為協調經濟社會發展與生態環境保護之間的關系，根據本次計算成果，建議未來河道內生態流量枯水期比例維持在月平均流量的20%～25%，平水期比例維持在月平均流量的40%～45%，豐水期比例維持在月平均流量的60%～70%，可滿足研究區生態環境保護目標。

4 結 語

在考慮水文非一致性變異的基礎上，對湟水干流西寧站實測流量資料的變異特征進行診斷分析，將還原修正得到的天然流量過程作為河道內生態流量的計算基準，基于廣義極值分布流量眾值法、水文歷時曲線法、改進年內同頻率展布法提出河道內生態流量閾值的計算方法。經例證分析，本次結果具有一定的合理性，可滿足研究區河道內生態流量適應性管理目標。

河流生態系統的健康穩定受多方面因素影響，本文僅考慮水文生態因素，對河道形態、輸水沖沙、稀釋自凈、生物群落、閘壩調度、水資源配置等因素的組合未充分考慮，計算結果具有一定的不確定性。如何協調社會經濟系統與河流生態系統的相互作用，通過動態修正閘壩生態調度與生態系統的響應關系，提高河道內生態需水保證率需進一步研究。其次，受氣候變化和人類活動影響，河流水文情勢的一致性嚴重破壞，由于資料缺乏，流量數據還原往往比較困難且精度不能保證，如何在水文非一致性條件下進行河道內生態流量計算尚需研究。