基于多種水文學法的涇河生態基流估算＊

于昊含，李超超△，包淑萍，顧靖超

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏水文水資源監測預警中心，寧夏 銀川 750021；3.寧夏水利科學研究院，寧夏 銀川750021)

隨著經濟的高速發展，水資源不合理開發利用使河流生態系統結構和功能遭到破壞[1]。大量本應該用于維持生態平衡與良性運轉的水資源被用于工業制造、農業生產，自然水文平衡遭到破壞，出現了一系列諸如河道斷流、濕地萎縮、水質惡化和生物多樣性減少等生態問題[2]。因此重視生態基流問題，在保證農業、工業和生活用水的同時，科學計算生態基流，明確河流維持基本生態要求的需水量，是實現水資源可持續發展的必經之路。

目前生態基流的計算方法主要分為四種：水文學法、水力學法、棲息地法和整體法。其中，水文學法是根據水文指標對河流生態基流進行界定，常見的方法有：Tennant 法、流量歷時曲線法、7Q10 法、近十年最枯月平均流量法和最小月平均徑流法等。張潔[3]采用Tennant 法分別計算各站生態基流，認為Tennant法適用于常年流水性河流；孟慧穎[4]分析認為，流量歷時曲線法適用于水文資料系列達到20 年以上的河流，而保證率法適合水量較小，開發利用程度較高同時擁有較長系列水文觀測資料的河流；曹建中[5]利用多種方法對六盤山取水點進行生態基流計算，最后認為Tennant 法是最適合該取水點的計算方法。水力學法是借助水力學原理，尋求流量與河流中某些生物指示系數之間的關系，從而確定生態基流的方法[6]。主要的方法有濕周法和R2CROSS 法。濕周法適用于寬淺矩形渠道和濕潤河網地區[7]；R2CROSS 法適用于淺灘棲息地類型的河流[8]。棲息地法的計算中包括了生物等因素的影響，并根據所需物種需要的物理條件確定生態基流，為建設適合水生生物的生存環境提供保障。代表方法包括IFIM/PHABSIM 法等[9]。整體法包括例如BBM 法、整體研究法和水文-生態響應關系法等等。其中，陳昂[10]等認為BBM 法是分析專家建議，構建流量狀態的組成部分，利用這些部分確定生態基流；阮曉紅[11]等揭示了整體研究法能夠克服棲息地模擬法中只針對單一生物需求的缺點，強調計算的關鍵在于從生態系統的整體考慮。本文對比多種計算方法的適用范圍以及優缺點，見表1，最終確定使用水文學法進行涇河流域生態基流的計算。

表1 河道生態基流多種方法比較

續表1

考慮整個生態系統的需水要求，本文參考已有的成果，選擇多種水文學方法：Tennant 法、近十年最枯月平均徑流法、逐月最小徑流法、90%保證率法、Texas 法和NGPRP 法對涇河流域生態基流進行分析估算，結合涇河自身特點及生態要求，對比多種方法的適用性，選擇合適的計算方法。對涇河生態

基流的計算，可為涇河流域實現生態治理提供理論依據，促進涇河流域生態環境向好發展。

1 研究區概況

涇河是西北黃土高原上的一條重要河流，位于東經106°14′～108°42′，北緯34°46′～37°19′之間，流域面積45421 km2，橫跨寧夏、甘肅、陜西三省部分地區。其中，甘肅境內面積占流域面積的67%。涇河干流發源于寧夏涇源縣老龍潭，河流由西北流向東南，在崆峒峽進入平涼市境內，在寧縣政平與馬蓮河匯合后進入陜西省。流域多年降水量545.6mm，徑流量9.93 億m3。流域內主要支流有馬蓮河、柔遠河、四郎河、蒲河、茹河、納河、黑河、達溪河和石堡子河等。支流馬蓮河全長374 km，流域面積19080 km2，在甘肅境內16900 km2，多年徑流量4.47 億m3。涇河流域是隴東經濟發達地區，工礦業集中，人口密集。2005 年，流域內年取水量4.10 億m3，其中地表水3.09 億m3，地下水1.01 億m3；工業用水1.13 億m3，農業用水1.98 億m3，生活用水0.99 億m3；年排污量達5800萬t。涇河源水文站是六盤山東麓區域的代表站，位于涇源縣涇河源鎮。測站流域面積152km2，由西向東流，河道落差大，河道比降1.74%，山地植被良好，林草茂密，覆蓋度平均可達70%～80%，陰坡大于陽坡。

2 數據來源與生態基流水文學計算方法

2.1 數據來源

本文所采用降水、徑流數據包括1956-2019 年涇河源站逐月降水和逐月徑流資料，來源于寧夏水文水資源勘測局，對原始資料進行分析計算得到各年年徑流量、多年平均徑流量等特征值。

2.2 生態基流水文學計算方法

現階段，由于缺乏大量的生物資料，適用棲息地法計算生態基流有較大困難[42]，而整體法和水力學法包含了更具體的河流信息卻耗費大量人力物力。水文學法是根據水文指標對生態基流進行界定，具有操作簡便、成本較低的特點[43]，是目前生態流量計算方法開發最多的一類方法。本文將采用以下水文學方法，對涇河生態基流進行估算。

2.2.1 Tennant 法

Tennant 法是1964-1974 年在美國3 個洲的11條河流進行了周密的野外分析研究[44]，在196 英里長的58 個斷面上調查了38 個流量下的生物信息、化學信息和物理信息對冷水和暖水漁業的影響，在1976 年由Tennant 提出來的，屬于非現場測定類型的標準設定法[45]。Tennant 法中，用事先確定的多年平均流量的百分數為基準，將保護河流生態環境的河流流量推薦值分為最大允許極限值、最佳狀態值、極好狀態值、很好狀態值、良好狀態值、一般或較差狀態值、差或最小狀態值和極差狀態值等，1 個高限標準、1 個最佳范圍標準和6 個低限標準，又根據水生生物在不同的季節對環境的要求不同這一特點，分為4～9 月份魚類產卵育肥期和10～3 月份（下一年）為一般用水期。

本文以多年平均徑流量的百分數來描述生態基流，并依據北方河流的諸多特點，選取10%進行計算。

2.2.2 近十年最枯月平均徑流法

以河流年最枯月流量的多年平均值作為河流的基本環境需水量，該方法采用近10 年實測流量作為計算依據[46]。計算公式為:

式中:Wb——河流生態基流，m3/s；

Qmin——第i 年實測最枯月平均流量，m3/s；

n——統計年數。

2.2.3 逐月最小徑流法

以河流最小月平均實測徑流量的多年平均值作為河流的基本生態環境需水量。據此，將1956-2019年的長序列徑流資料分為1～12 月份共計12 組，選取每組序列的最小值作為該月的生態流量，從而得到全年的生態流量過程[47-49]。

2.2.4 90%保證率法

該方法把最小月平均流量按從大到小的順序排序，并獲得頻率P，并把P 與對應的最小月平均流量擬合頻率曲線，并確定90%保證率所對應的流量作為生態基流。

2.2.5 Texas 法

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。參考吳喜軍[48]等人對我國北方河流生態基流的研究，選取20%作為本文的特定百分率。

2.2.6 NGPRP 法

該方法充分考慮豐水年、平水年和枯水年天然水文情勢差別，將水文系列根據不同水平年差別分為枯水年組、平水年組和豐水年組。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。取平水年組各月流量90%保證率流量值作為最小生態流量。本文采用距平百分率法[49]進行豐、平、枯年的劃分，計算公式為：

式中：E——斷面的距平百分比，%；

Qi——斷面第i 年平均徑流量，m3/s；

Qa——斷面多年平均徑流量，m3/s。

距平百分率的劃分標準見表2。

表2 豐、平、枯年劃分標準

3 徑流特征及生態基流計算結果分析

3.1 徑流特征分析

圖1 是涇河源站多年平均月徑流量圖，得到徑流量最大的月份是7 月為845 萬m3，其次為8 月為732 萬m3，9 月為713 萬m3，這三個月多年平均徑流量的和占總數50.2%，可以得到涇河年內變化劇烈，豐枯明顯的結論。圖2 表示涇河流域徑流量變化，總體變化呈現出下降的趨勢。1956-1962 年呈上升的趨勢，1963-1970 年呈減少趨勢，1971-1975 年隨時間序列呈上升趨勢，1976-2009 年隨時間序列呈波動性下降的趨勢，2010-2019 年之間2014 年為最大值，2017 年為最小值。Mann-Kendall 趨勢檢驗法結果顯示，Z=-1.36，Z 為正值表示增加趨勢，負值表示減少趨勢。說明年徑流呈減小的趨勢，且絕對值小于顯著水平（α=0.05）時的水平值1.96，說明年徑流的減少趨勢不顯著。

圖1 涇河源站多年平均月徑流量

圖2 五年滑動平均徑流量曲線

利用M-K 檢驗法和滑動t 檢驗法對涇河流域1956-2019 年徑流時間序列進行突變分析。在M-K突變點檢驗中，取UF 和UB 曲線交點為突變點，由圖3 可知兩條曲線在95%的臨界線±1.96 之間有三個交點，分別為1992 年、2011 年和2013 年。滑動t 統計量曲線如圖4 所示，依據數據資料長度取滑動步長為5 年，以α=0.01 為判別突變的顯著水平，自1956 年以來t 的統計量有6 次超過0.01 顯著水平，分別為1972 年、1993 年、1999 年、2001 年、2011 年和2019 年。綜合分析，1956-2019 年涇河流域徑流突變點發生在2011 年，徑流變化通過了顯著性檢驗。

圖3 徑流量M-K 突變點檢驗分析

圖4 徑流量滑動t 檢驗

3.2 生態基流計算

生態基流計算結果見表3，根據表3 繪制多種水文學方法計算生態基流過程線如圖5 所示。

圖5 不同方法生態基流過程線

表3 年平均生態基流計算結果對比 單位：m3/s

由數據計算繪制折線圖得：

由圖5 可以得到：

從結果的差異性分析，NGPRP 法克服了無法展現年內變化的問題，但由于該方法是取平水年組90%保證率流量作為生態基流，計算得到的結果十分接近多年平均徑流量，這是該計算方法結果偏大的原因；Texas 法的計算值與Tennant 法的計算值基本走向趨勢大體一致，其中Texas 法根據北方河流的變化特點，取50%保證率下的月平均流量的20%作為生態基流，而Tennant 法取多年平均徑流量10%作為生態基流，只考慮了維持河流不退化的所需水量，并沒有其他環境功能的水量，所以Texas 法整體大于Tennant 法；90%保證率法只考慮了達到河流水質污染的生態水量，沒有考慮生物、年內變化等因素所以計算結果最小。

其次從反映徑流年內變化的角度出發，近十年最枯月平均流量法和逐月最小徑流法可以較好地反映出涇河的汛期和非汛期生態基流變化顯著的特點，NGPRP 次之，Tennant 法和90%保證率法沒有區分豐水年、平水年和枯水年之間的差異。結合圖1和圖5 分析，其中近十年最枯月平均徑流法的峰值分別在6 月、8 月和10 月，對比6 月和10 月的徑流量可知，7 月和9 月生態基流計算值偏小，不符合涇河實際徑流要求；逐月最小徑流法的最大值出現在6 月和8 月，無法滿足多年平均徑流量中7 月生態基流的要求，且有一定滯后性。

綜上，本文從徑流汛期和非汛期年內變化特征、水生生物影響和水質等角度出發，取Tennant法、近十年最枯月平均流量法、逐月最小徑流法、90%保證率法、Texas 法和NGPRP 法的平均值作為涇河的生態基流。根據其平均值的計算結果，涇河生態基流量見表4。

表4 涇河生態基流計算結果 單位：m3/s

3.3 生態基流滿足程度分析

根據上述方法生態基流的計算結果，通過與涇河實際徑流的比較研究，用于檢驗流域的實際徑流是否滿足生態需水的要求，這是河流健康評價的基礎[42]。由于生態基流是滿足功能需求的最小流量，考慮“最不利”條件，分別采用年徑流量頻率曲線25%、50%和75%對應選取1989 年（豐水年）、1996年（平水年）和1995 年（枯水年）河道的實際徑流量與生態基流計算值進行分析，判斷涇河生態基流的滿足程度。實際徑流量與生態基流計算值對比情況如圖6 所示。

圖6 不同水平年實際涇流與生態基流對比圖

由圖6 可知，豐水年、平水年和枯水年滿足程度逐級遞減，其中，豐水年、平水年和枯水年均能滿足生態基流的要求。但根據《寧夏水資源公報》統計，涇河河道取用水量呈現逐年增長的趨勢，而年降水量變化趨勢不顯著，因此，未來涇河流域生態基流保障能力將減弱，應加強對涇河流域水資源合理調配的重視。

4 結論

本文采用M-K 法和滑動t 檢驗法針對涇河流域1956-2019 年徑流進行趨勢分析，運用Tennant法等六種水文學法對涇河流域生態基流進行估算，最后劃分不同水平年分析所算生態基流的滿足程度，結論如下：

（1）涇河源站多年平均徑流量在7 月達到最大值，占全年18.5%，通過分析涇河流域徑流趨勢發現徑流變化總體不明顯，徑流序列在2011 年出現最強的突變。

（2）綜合考慮涇河徑流變化特征、水生生物因素、水質因素等，采用Tennant 法、近十年最枯月平均徑流法、逐月最小徑流法、Texas 法和NGPRP 法計算結果的平均值作為涇河生態基流計算值，這一結果為涇河河流生態治理提供理論依據，對進一步進行該區域生態調控具有重要意義。

（3）通過進一步對不同水平年生態基流的滿足程度進行分析，發現豐水年、平水年和枯水年都可以保證生態基流的要求，但滿足程度逐漸減弱，說明還需要加強對涇河河流水資源的合理使用，保證生態環境用水，避免河流流量長時間低于極限值而導致難以恢復的破壞。