韓城市澽水河最小生態流量分析研究

馬肖雄，王 健

(西北農林科技大學，陜西 咸陽 712100)

黃河流域生態保護與高質量發展是貫徹落實區域協調發展戰略的重要舉措，也是踐行習近平生態文明思想的重要抓手，黃河流域省區如何借力國家戰略支持，發揮后發優勢，破解生態保護與發展的協同難題，對于實現黃河經濟帶的高質量發展意義重大[1]。澽水河是黃河的一級支流，也是韓城人民的母親河。澽水河干流位于韓城市西北約20km上建有薛峰水庫，是一座具有農業灌溉、城市供水、防洪保安等綜合效益的中型水庫。2019年5月5日韓城市水務局在“韓水發【2019】43號文”中要求“在正常供水情況下，澽水河生態基流不能低于多年平均徑流量的15%”，澽水河流經下游鎮辦、城區、竹園村景區及澽水濕地公園，薛峰水庫對澽水河下游河道的生態環境影響較大，適宜的最小生態流量計算方法為快速估算薛峰水庫下泄生態流量提供有效途徑[2]。

河道是生態系統的重要組成部分，河道破壞與河道污染會增加生態環境負擔，致使生態環境惡化，影響生活環境。目前國內外對于河道生態流量的計算可分為4大類，分別為水文學法、水力學法、棲息地法和整體分析法，其中應用較多的是水文學法[3- 5]。

河流的生態徑流量與流域的水文氣象和水資源開發利用程度等因素有關，由于我國幅員遼闊河流眾多，不同地域的河流時空變化性大，不同的水文學法在計算河流生態徑流的過程中出現了計算結果差異較大的情況[6]。本文參考國內外文獻選用水文學方法中的Tennant法、年內展布法、頻率曲線法、逐月最小徑流法分別計算澽水河生態徑流量，并分析不同方法計算結果之間的差異性，確定適合澽水河河道生態需水實際情況的計算方法，為薛峰水庫下泄補充生態用水量提供參考。

1 研究區概況

1.1 流域概況

澽水河是陜西省境內黃河流域直接入黃的一條支流，東西長40.25km，南北寬39.65km，流域分屬延安市黃龍縣和渭南市韓城市。澽水河全流域面積1083km2，主河道全長83.3km，河床平均比降6.7‰。韓城境內主河道長53km，流域面積616km2，占全流域面積的57%。

薛峰水庫位于韓城市西北約20km的澽水河干流上，1973年7月基本建成，總庫容4360×104m3，有效庫容3024×104m3，死庫容240×104m3，水庫壩址處多年平均徑流量5854×104m3，多年平均供水量2136×104m3。水庫主要擔負著韓城市7個鎮(辦)10667hm2農田灌溉任務和市區及韓城發電廠供水任務，是一座具有農業灌溉、城市供水、防洪保安等綜合效益的中型水庫。

1.2 水文氣象

澽水河流域地處內陸，屬暖溫帶半干旱半濕潤大陸性季風氣候區，在大氣環流和地形綜合作用下，形成汛期降水量大而集中、冬季降水量小，降水量年際變化大的特點[7]。根據韓城市氣象站實測資料統計，澽水河流域多年年平均氣溫13.5℃，多年平均降雨量554mm，區域內降水量時空分布不均，年內降水主要集中在7—9月。

2 資料來源和研究方法

2.1 資料來源

黃河水利委員會曾于1958年12月在澽水河薛峰水庫壩址斷面以上5km處設牛心水文站，控制流域面積499km2，1967年撤銷。牛心站記錄了澽水河1959—1966年共8年實測水文數據。薛峰水庫位于韓城市板橋鎮小米川口的澽水河干流上，始建于1972年，1975年投入使用。薛峰水庫自1975年建成后，水庫管理處對庫水位和入庫流量進行了詳細的觀測記錄。根據庫水位升降結合庫容曲線推求來水量，由此整理出1975—2014年共40年的徑流資料。由于牛心站水文資料系列較短，且年代久遠，本文選用薛峰水庫1975—2014年共40年的徑流資料來作為基礎數據。

2.2 研究方法

2.2.1Tennant法

Tennant法目前廣泛用于我國河流生態徑流的研究，在計算時根據流域實際徑流特征將統計時段分為汛期和非汛期2部分，構建河道年內不同時段河道流量與生態質量之間的經驗關系，并且按照汛期、非汛期2個時段來統計[8- 9]。北方缺水性河道在年內較枯時期基本生態需水量不得小于河道多年平均徑流量的10%，較豐時期河道基本生態需水量為河道多年平均流量的20%～30%[10]，考慮到薛峰水庫用水緊張及結合韓水發【2019】43號文對澽水河生態基流的要求，本文在汛期(7—9月)取20%，非汛期(1—6月、10—12月)取15%，計算公式為：

(1)

式中，Qj—第j月河道生態徑流量，m3/s；Qij—第i年第j月平均徑流量，m3/s；n—統計年數；k—系數。

2.2.2年內展布法

年內展布法建立最小年均徑流量與多年年均徑流量的同期均值比，結合各月多年平均徑流過程，確定年內基本生態需水過程，年內展布法能夠反映河道年內徑流過程和變化特征，具有很強的適用性和良好的區域代表性[11]，計算公式如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

2.2.3頻率曲線法

頻率曲線法在計算生態徑流量時，首先將河道多年平均徑流量數據按照月份分為12個系列，對每個系列的平均徑流量數據按從大到小進行排序，按大小順序排位的第i項月平均徑流量的頻率為：

(6)

式中，Pij—j月第i項月平均徑流量的頻率(j=1，2，…，12)，%；i—月平均徑流量的序位；n—統計年數。

用12個月的平均徑流量資料構建水文頻率曲線，并分別用P-Ⅲ型曲線進行頻率適線，將95%頻率下對應的月平均流量作為對應月份的生態徑流量。

2.2.4逐月最小徑流法

逐月最小徑流法考慮了河道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，將河道多年月平均徑流量數據按照月份分成12個系列，用每個系列中最小的徑流量來作為河道的月生態徑流量[12]。

3 結果與分析

澽水河河川徑流特征主要受降雨影響，由于降水量年際變化大，年內分配不均，所以徑流也呈現出與降水相似的特征。每年7—9月份澽水河流域常出現暴雨和大暴雨，致使河道在汛期和非汛期徑流量變化明顯。根據澽水河流域徑流特征，在計算時將統計時段分為2部分，即汛期(7—9月)和非汛期(1—6月、10—12月)。用Tennant法、年內展布法、頻率曲線法和逐月最小徑流法分別計算澽水河生態徑流，并將計算結果進行對比，計算結果見表1。通過對比發現4種方法計算的生態徑流存在一定的差異性。為便于分析不同方法之間的差異性，根據表1的計算結果繪制澽水河年內生態徑流過程線，如圖1所示。

表1 不同水文學方法生態流量計算結果表

圖1從年內不同時段生態徑流的整體變化趨勢看，4種方法計算得到的生態徑流量在非汛期時的生態徑流數值接近且變化趨勢相似，而在汛期卻存在明顯的差異。Tennant法汛期明顯偏大，年內展布法適中，頻率曲線法和逐月最小徑流法偏小。結合韓城市澽水河流域水文氣象特征，澽水河流域多年平均降水時空分布不均，暴雨多發在7—9月份，這就造成澽水河汛期來水量大，汛期和非汛期流量變化顯著的特點。頻率曲線法和逐月最小徑流法計算到的汛期與非汛期生態徑流變化不顯著，不適用于韓城市澽水河生態徑流的計算。

圖1 不同計算方法下澽水河生態徑流量過程線

為進一步分析不同水文學方法的合理性，并選出適用于澽水河年內生態徑流過程的計算方法，本文使用SPSS統計軟件將4種計算方法得到的結果與2005—2014年(近10年)的逐月月平均徑流量進行相關性分析[13]。Pearson相關分析法是分析相關性的首選統計學方法，但Pearson僅適用于參數服從正態分布時使用，當參數不服從正態分布時，用Spearman秩相關系數來代替Pearson線性相關系數，Pearson相關系數計算公式為[14]：

(7)

式中，RXY—兩參數的相關性系數；E—數學期望；X、Y—參數。

首先對參數是否滿足正態分布進行檢驗，當參數的顯著性值sig≥0.05時，則符合正態分布，反之則不滿足正態分布[15]，計算結果見表2。由表2可知，參數不服從正態分布，應使用Spearman秩相關系數來進行分析。

表2 參數的顯著性值

Spearman秩相關系數基于顯著性水平P、秩相關系數ρ，判斷參數間的相關性，當秩相關系數絕對值|ρ|∈(0.6，1]表示密切相關，|ρ|∈(0.3，0.6]表示相關，|ρ|∈[0，0.3]表示不相關[14]。計算公式如下：

di=X-Y

(8)

(9)

式中，X、Y—參數；di—兩參數變量之間的差值；ρ—秩相關系數。

若計算得到的生態徑流與逐月平均徑流量之間密切，則該方法適用于澽水河年內不同時段生態徑流的計算，且能顯著反應澽水河汛期與非汛期生態徑流的變化，相關性分析見表3。

表3 相關性分析

由表3可知，Tennant法與2005—2014年逐月平均徑流量之間密切相關，且相關程度最高，能很好地反映出澽水河年內生態徑流變化過程，與其他方法相比是最適合澽水河實際情況的生態徑流計算方法，其次是年內展布法。

4 結論及建議

(1)Tennant法能很好地反映出澽水河年內生態徑流變化過程，與其他水文學方法相比是最適合澽水河實際情況的生態徑流計算方法。

(2)計算得到澽水河汛期最小生態徑流為0.516m3/s，出現在7月；非汛期最小生態徑流為0.047m3/s，出現在2月，全年生態徑流范圍為0.047～1.182m3/s，為薛峰水庫下泄生態流量提供參考。

(3)確定能夠維持生態環境功能不喪失，需要留在河道內的最小水量是河道生態修復和治理的前提和基礎，相關性分析對合理選擇適合于河道實際情況的生態徑流計算方法具有一定的參考意義。

(4)本文使用的生態流量計算方法均屬于水文學方法，未來還需用水力學法、棲息地法和整體分析法做深入研究。