非一致水文條件下的永定河生態需水研究

繆萍萍，郭 悅，徐 鶴

（1.海河水利委員會水資源保護科學研究所，天津 300170；2.水利部發展研究中心，北京 100038）

1 引言

河流生態流量是指為維系河流水生態系統的完整性、系統性、穩定性等生態保護目標，保障人類生存與發展合理的用水需求，需要保留在河流的流量（水量、水位、水深）以及過程，可以理解為維系一定生態系統功能所不能被占用的最小資源需求量。國內外不少專家根據所面臨的生態問題不同、需求不同以及看問題的角度不同，又引申出了很多生態需水概念，如河道生態需水量、湖泊生態需水量、濕地生態需水量、林地生態需水量、城市生態需水量等?！逗雍鷳B環境需水計算規范》根據河湖生態流量（水量）的不同保障要求，分為基本生態流量和目標生態流量。其中，基本生態流量是維持河流、湖泊、沼澤給定的生態保護目標所對應的生態環境功能不喪失需要保留的最小生態流量，生態基流系維持河流基本形態和生態功能、防止河道斷流、避免河流生態系統遭受無法恢復性破壞的具有一定設計保證率的生態流量保障要求，是基本生態流量過程中的最低值；目標生態流量是保障河流、湖泊、沼澤給定的生態保護目標所對應的生態環境功能正常發揮需要保留的生態流量。

目前，國內外有很多種計算河流生態需水的方法，可分為水文學法、水力學法、生物棲息地模擬法、整體法等。其中，水文學法是國內外河道生態基流計算最為常用的方法，也稱水文指標法或標準流量法。該方法以歷史徑流量為基礎，以天然徑流百分比、年或月保證率、流量歷時曲線等為指標，根據資料情況，可選取的方法有Tennant 法、不同頻率最枯月平均值法（Qp 法）、流量歷時曲線法、近10 a 最枯月平均流量等。對于流域層面的生態流量管理而言，采用水文學法按照徑流百分比推求生態需水，便于協調社會經濟用水與河道內生態環境用水[1-4]。

水文系列的一致性是水文水資源分析計算的前提條件。往常水文系列的還原，是將各類用水加回實測系列中，還原成天然水文系列。但是，受氣候和下墊面變化等多重因素的影響，流域水文循環規律發生了變化，還原后的系列不能反映現狀下墊面條件下的水資源情況，這就導致水文系列“還原失現”。以永定河流域為例，地表徑流量呈逐漸減少的趨勢，天然徑流量已從20世紀70年代以前的19.71億m3減少到2001―2014年的8.39億m3，與1956―2010年的14.43億m3相比下降41.9%[5]。若按修正前的系列采用水文學方法計算生態需水，生態需水占天然徑流的比例明顯偏高，對于缺水的北方流域而言，疊加地下水虧空影響，生態水量很難得到保障。因此，需要對影響前的系列按照現狀下墊面條件進行修正。若通過降雨徑流關系來修正水資源系列，這只是流域系統降水產流整體特性的綜合反映，針對一個流域所率定的參數僅能用于該流域參數率定時的下墊面情況，當流域面積較大時甚至只能適合于率定時的雨型，無法進行下墊面變化的水文效應分析。因此，迫切需要基于降水產流物理機制的分布式水文模型來科學核算現狀下墊面條件下的天然水資源量[6-7]。

2 流域概況

永定河流域位于東經112°～117°45′、北緯39°～41°20′，發源于內蒙古高原的南緣和山西高原的北部，地跨內蒙古、山西、河北、北京、天津5個?。ㄗ灾螀^、直轄市），面積4.70 萬km2。上游有桑干河、洋河兩大支流，于河北省張家口懷來縣朱官屯匯合后稱永定河，在官廳水庫納媯水河，經官廳山峽于三家店進入平原。三家店以下，兩岸均靠堤防約束，盧溝橋至梁各莊段為地上河，梁各莊以下進入永定河泛區。永定河泛區下口屈家店以下為永定新河，在大張莊以下納龍鳳河、金鐘河、潮白新河和薊運河，于北塘入海[8]。永定河流域，如圖1所示。

圖1 永定河流域

3 研究方法

3.1 趨勢性檢驗

采用Mann-Kendall 檢驗法對永定河長系列降水、徑流資料進行變化趨勢特征分析。將降水或徑流資料按時間順序排列，假設序列為Xt(t= 1,2,…,i)，其對偶數p的計算公式為：

再根據對偶數p值確定τ，進而得出Var（τ）和U，其計算公式如下：

當|U|≥U0.05=1.96 時，表明該系列趨勢變化顯著；反之，當|Uk|＜U0.05=1.96 時，則沒有顯著變化趨勢。Mann-Kendall 法檢驗變化趨勢特征的途徑是通過U值與假設的置信水平的標準值進行比較，得出有無顯著變化趨勢特征。

3.2 SWAT模型

SWAT 模型[9-10]是以水文系統為研究對象，基于GIS 平臺，充分利用現有覆蓋流域的DEM、土地利用、土壤等空間信息數據，以流域內氣象站點和水文站點資料為基礎，依據降雨和徑流在自然界的運動原理建立數學模型，依據劃分的子流域進行流域和產匯流計算，并依據河網、水庫等特征模擬流域水文過程，精確模擬流域內各種水循環物理過程，從而獲取已有資料流域的模型參數，并進行驗證。SWAT是分布式模型，可以計算模擬斷面的以日、月或年為單位的徑流數據，能較好地模擬水文循環過程的時空變化。

3.3 生態基流計算

Tennant法是較為常用的生態需水計算方法，該方法通過建立河流流量與河道內生態環境狀況之間的經驗關系，以多年平均流量的一定百分比來計算生態需水量，使用簡單、方便。不同河道內生態環境需水量狀況對應的流量百分比，詳見表1。

表1 不同河道內生態環境狀況對應的流量百分比

4 計算結果

4.1 降水徑流趨勢性分析

永定河上游有桑干河、洋河兩大支流。本文選取桑干河冊田水庫、洋河響水堡、永定河官廳水庫3個水文站的天然徑流深及控制流域的降水量作為分析系列，分析1956―2010 年系列降水、天然徑流的趨勢變化情況，結果如圖2―3所示。

圖2 1956—2010年逐年降水量

圖3 1956—2010年逐年天然徑流深

根據分析結果，永定河降水呈減少趨勢，但||U＜U0.05，減小趨勢不明顯；天然徑流深呈下降趨勢， ||U＞U0.05，且減少趨勢較為顯著。永定河降水、徑流趨勢分析結果，詳見表2。

表2 永定河降水、徑流趨勢分析

4.2 永定河SWAT模型構建

4.2.1 基礎數據庫建立

永定河SWAT 模型基礎數據庫主要包括DEM數據（30 m 分辨率）、流域水系圖（1∶25 萬）、土地利用（30 m×30 m，2010 年土地利用數據）、土壤類型（1∶100萬）、氣象數據（1980―2015 年氣象站氣象數據及永定河流域降水站降水數據）。本次采用的數據均為現狀下墊面條件下的基礎數據，徑流模擬系列為2006―2015 年。模型經率定后用于計算現狀下墊面條件下的長系列天然徑流過程。

4.2.2 模型搭建

在前期數據處理的基礎上，選取桑干河冊田水庫、洋河響水堡、永定河官廳水庫作為控制站，通過設定集水面積閾值，將流域劃分為101 個子流域、3 299 個水文響應單元（HRU）。由于永定河上游地表用水主要為農業用水，很多灌區沒有計量設施，用水數據收集較為困難，本次利用還原后的2006―2015 年系列天然逐月徑流過程，從上游往下游、從支流往干流分區域進行模型參數的率定與驗證。

4.2.3 參數敏感性分析

通過t-Stat 和p-Value 對參數進行敏感性分析，若p-Value 值越小，t-Stat 絕對值越大，說明參數越敏感。根據分析，徑流模擬的計算中地表徑流、最大冠層截留量、地下水相關的參數、土壤性質、基流衰退系數等參數較為敏感，如CN2、CANMX、GW_DELAY、GWQMN、 REVAPMN、ESCO、EPCO、ALPHA_BF、CH_K2、SOL_K 和GW_REVAP。其中，地表徑流系數為最敏感的參數。

4.2.4 評價指標

選擇相對誤差Re評價模擬結果，其用下式表示：

式中：Re為模型模擬相對誤差；Qi為實測值；Pi為模擬值。Re若為正值，說明模型模擬值偏大；Re若為負值，說明模型模擬值偏?。籖e約接近0，說明模型模擬值與實測值約接近。當 ||Re≤25%，模型模擬結果可以接受。

4.2.5 模擬結果

選取2006―2007 年為模型預熱器，2008―2015年為模型率定期。利用SWAT-CUP 軟件SUFI-2 算法重點對敏感性參數進行率定，選擇相對誤差為目標函數，對每個率定節點進行500次迭代運算，優選出模型參數。各斷面天然徑流模擬結果，如圖4―6所示。

圖4 冊田水庫天然徑流量模擬結果

圖5 響水堡天然徑流量模擬結果

圖6 官廳水庫天然徑流量模擬結果

根據天然徑流的還原結果及模擬結果計算模擬評價指標 |Re|，各控制斷面均小于25%，屬于可接受范圍。

永定河流域校核節點模擬評價成果，詳見表3。

表3 永定河流域校核節點模擬評價成果

4.2.6 現狀下墊面條件下長系列天然徑流演算

利用率定好參數的SWAT 模型，將1980―2015年降雨資料作為降水輸入，對歷史降水過程按現狀下墊面進行模擬。其中，1980―1981 年為預熱器，1982―2015年為模擬期，得到1982―2015年現狀下墊面條件下各個子流域出口徑流過程，其中控制斷面模擬的逐年徑流過程如圖7所示。

圖7 現狀下墊面條件下各斷面逐年徑流過程

4.3 生態基流計算

永定河流域6―9 月降水量占全年的70%～90%，為年內的豐水時段；10 月至次年5 月為年內枯水時段。根據不同流量百分比對應河道內生態環境狀況，為保障河流不斷流、維持河流最基本的生態環境需求，選取各月多年平均天然徑流量的10% 作為各月的生態基流，計算結果如圖8所示。

圖8 各斷面生態基流計算結果

5 討論

（1）基于分布式水文模型的SWAT技術，利用現狀下墊面條件下降水徑流資料率定模型參數，通過歷史降水資料計算現狀下墊面條件下徑流量，可從物理機制上解決下墊面不一致引起的水文系列不一致性的問題。

（2）由于永定河天然徑流呈明顯衰減趨勢，利用修正后的天然徑流過程計算的生態基流會比修正前計算結果偏小。對于北方缺水流域而言，基流過程偏小更加有利于協調河道外社會經濟用水。

（3）河流生態需水應包括生態基流、敏感期生態需水以及脈沖需水，本文計算的基流過程建議作為河流生態需水的下限，用于保障河流最小生態需水過程。