基于多種水文學(xué)方法的倭肯河生態(tài)基流研究

任 曄

(黑龍江省水文水資源中心佳木斯分中心，黑龍江 佳木斯 154002)

河流生態(tài)基流是指維持河流基本形態(tài)和基本生態(tài)功能，保證水生態(tài)系統(tǒng)基本功能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的最小流量。由于當(dāng)前受人類生產(chǎn)活動和水利工程設(shè)施建設(shè)的影響，降低了天然河流的自我修復(fù)能力，河流的水生態(tài)環(huán)境遭到了破壞；由于農(nóng)業(yè)灌溉等人類活動對水資源的過度開發(fā)利用，使得天然河流的可持續(xù)發(fā)展收到了很大的影響。因此研究和確定河流生態(tài)基流量具有實(shí)際意義。生態(tài)基流的研究最早開始于20世紀(jì)70年代，隨著研究不斷深入，生態(tài)基流理論也不斷豐富，最主要的研究方法包括水文學(xué)方法、水力學(xué)方法、生態(tài)環(huán)境模擬法和整體分析法等[1]，下面本文以水文學(xué)方法為主，選擇在國內(nèi)應(yīng)用面較廣的八種方法對倭肯河流域進(jìn)行分別分析，并提出具體措施建議。

1 生態(tài)基流量計(jì)算方法

1.1 Tennant法

依據(jù)觀測資料建立的流量和河流生態(tài)環(huán)境狀況之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，用歷史流量資料確定年內(nèi)不同時(shí)段的生態(tài)環(huán)境需水量。以多年平均流量作為推薦流量，在不同的月份采用不同的百分比。

(1)枯水月份(月均流量≤多年日均流量)，0.1～0.2×年均流量；

(2)豐水月份(月均流量>多年日均流量)，0.2～0.4×年均流量。

1.2 改進(jìn)的Tennant法

傳統(tǒng)Tennant法未考慮生物種群生活習(xí)性的時(shí)空變化和北方河流的水量分配年內(nèi)變化，冰凍期部分河段出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，此時(shí)河道一般鮮有魚類等生物活動，所需生態(tài)需水量并不是很大，因此合理的確定生態(tài)基流量能夠有效緩解水庫枯水期用水和下游河道生態(tài)需水量之間的矛盾。根據(jù)歷史調(diào)查倭肯河干流中下游曾分布著細(xì)鱗魚、哲羅魚等冷水魚類，為了能更好還原生態(tài)基流量的歷史水平，因此在應(yīng)用Tennant法時(shí)應(yīng)考慮豐枯水量變化較為明顯的河流應(yīng)用方法，此改進(jìn)方法采用逐月平均天然流量來修正生態(tài)需水量。

1.3 最枯月平均流量法

最枯月平均流量法，又稱為最小稀釋凈化水量，主要依據(jù)為《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》(GB/T 25173—2010)[2]國家標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算河流水域納污能力應(yīng)以天然月平均流量為基礎(chǔ)，同時(shí)對于冰封河流，宜選取不為零的最小月平均流量作為樣本，用歷年最枯月平均流量進(jìn)行頻率分析或近10年最枯月平均流量作為設(shè)計(jì)流量。一般選取90%保證率下的最枯月平均流量，作為該斷面的年生態(tài)基流量。

1.4 Q 95法

Q95法計(jì)算是以河流水文學(xué)為計(jì)算基礎(chǔ)，構(gòu)建自然狀態(tài)下(還原后天然流量)各典型流量級的低流量指標(biāo)分析方法，該方法常被用來在流域規(guī)劃中開展河流一般性環(huán)境流量指標(biāo)的計(jì)算和確定，實(shí)際應(yīng)用中較適用于水量時(shí)空變化較小和河流各利益相關(guān)方對生態(tài)流量不存在顯著爭議的河流。國內(nèi)文獻(xiàn)多采用保證率95%最枯月徑流量控制。

1.5 Smakhtin法

2004年，魏茨曼科學(xué)研究院學(xué)者Smakhtin.V，Revenga.C等人根據(jù)美國水務(wù)和林業(yè)部(DWAF)建議提出一種生態(tài)基流量中考慮年徑流量年際變化一種計(jì)算方法[3]，具體為將河流生態(tài)狀態(tài)定義為四個(gè)部分，Q50代表為良好的生態(tài)流量狀態(tài)，Q75為中度生態(tài)狀態(tài)，將Q90定義為生態(tài)基流基本需求，不滿足Q90的河流定義為河流生態(tài)退化狀態(tài)。

(1)枯水月份(月均流量≤年均流量)，Q90。

(2)豐水月份(月均流量>年均流量)，(0～0.2)×年均流量。計(jì)算生態(tài)基流量，確定豐水月份采用10%的年均流量。

1.6 Lyon法

年際、年內(nèi)變化很大，河流的多年平均流量受極端值的影響很大。用中位數(shù)代替河流的多年平均流量，以減少極端值對計(jì)算結(jié)果的影響。年內(nèi)不同月份采用不同比例的月均流量中位值。

(1)10月—次年2月，40%×月均流量中位值。

(2)3—9月，60%×月均流量中位值。

(3)所有月份，低于7Q2(保護(hù)水質(zhì)的最低流量閾值)。

1.7 Tessman法

Tessman法[4]是改進(jìn)的Tennant法，在1980年由南達(dá)科他州立大學(xué)水資源研究所學(xué)者Tessman.S提出，其方法是將月份劃分得更細(xì)致，增加平水月份。

(1)枯水月份(月均流量≤40%×年均流量)，月均流量。

(2)豐水月份(月均流量>年均流量)，40%×月均流量。

(3)平水月份(40%×年均流量<月均流量≤年均流量)，40%×年均流量。

1.8 月流量變動法(VMF)

月流量變動法，瓦赫寧根大學(xué)學(xué)者A. V. Pasto與F. Ludwig提出一種基于月均流量的生態(tài)基流算法，與Tessman法相比，VMF在枯水期將月平均流量的60%分配給了生態(tài)基流量，同時(shí)留給用水部門40%的流量，這樣既保證河流生態(tài)系統(tǒng)仍能保持在合理的生態(tài)條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，又保證了人類生活用水的基本空間。

(1)枯水月份(月均流量≤40%×年均流量)，60%×月均流量。

(2)豐水月份(月均流量>80%×年均流量)，30%×月均流量。

(3)平水月份(40%×年均流量<月均流量≤80%×年均流量)，45%×月均流量。

2 實(shí)例分析

本文數(shù)據(jù)選用倭為肯水文站，以1956—2016年逐月天然徑流量成果基礎(chǔ)，流確定原則為：汛期(6—9月)和非汛期(4—5月、10—11月)，12—3月確定為冰凍期。將汛期確定為豐水月份，非汛期和冰凍期確定為枯水月份，后續(xù)所有豐枯月份判定均按此類方法，計(jì)算生態(tài)基流。本次采用上述8種水文學(xué)方法對倭肯河生態(tài)基流進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

從表1可知，這8種計(jì)算方法的結(jié)果存在一定的差別，尤其是6—9月汛期的生態(tài)基流，各月份生態(tài)基流相差明顯，體現(xiàn)出各種計(jì)算方法的自身特點(diǎn)。北方河流的生態(tài)基流在條件允許的情況下，盡量采用多種方法，一般情況下，非汛期生態(tài)基流不可低于多年平均天然流量的10%，汛期生態(tài)基流應(yīng)達(dá)到多年平均天然流量的20%～30%為宜。生態(tài)基流和河流生態(tài)系統(tǒng)的演進(jìn)過程以及水生生物密切相關(guān)，在不同時(shí)期，生態(tài)基流并非固定值[5]。

表1 倭肯站不同方法生態(tài)基流匯總 m3·s-1

最枯月平均流量法與Q95法各月生態(tài)基流數(shù)據(jù)一致，汛期和非汛期生態(tài)基流沒變化，不能體現(xiàn)出季節(jié)的變化，且非汛期月份達(dá)不到多年平均流量的10%，該方法與最枯月平均流量法的缺陷是難以對不同敏感河段生態(tài)流量與生物多樣性保護(hù)提出具體和差異化的準(zhǔn)確描述，研究成果對生態(tài)保護(hù)作用的體現(xiàn)不足，計(jì)算得到的河流生態(tài)流量成果的歷史生態(tài)狀況重現(xiàn)性及保護(hù)效果有較大不確定性。特別是對于東北地區(qū)豐枯流量差異顯著的江河，所推算的流量成果難以較好和系統(tǒng)滿足生態(tài)保護(hù)要求。因此此方法不適用倭肯河這種汛期流量占比大，季節(jié)變化明顯的河流。

Smakhtin法計(jì)算4—5月非汛期的生態(tài)基流大于6—9月汛期的生態(tài)基流。根據(jù)倭肯河河流氣候特點(diǎn)，每年的降水主要集中在7—9月，因而最大流量出現(xiàn)在這一時(shí)期，但此方法計(jì)算出的最大值出現(xiàn)在5月，而每年農(nóng)業(yè)灌溉用水也大多集中在此月份，雖然較其他方法此時(shí)生態(tài)基流量結(jié)果偏大，但是考慮到倭肯河現(xiàn)有生態(tài)狀況是退化趨勢，而生態(tài)基流最終目標(biāo)是改善生態(tài)情況而不是維持現(xiàn)有生態(tài)狀況，可以適當(dāng)參考Smakhtin方法。

3 結(jié)果評價(jià)

由于倭肯河倭肯站斷面具有長系列的水文數(shù)據(jù)，Tennant法作為計(jì)算環(huán)境流域最常用的方法且普遍適用基流評估，因此以Tennant法生態(tài)基流評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)作為基礎(chǔ)對其他方法進(jìn)行分析評價(jià)，具體評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)詳見表2[6]。

表2 河流棲息地狀況和河道生態(tài)基流標(biāo)準(zhǔn)

從表3中我們可以看出，能夠保證河流生態(tài)系統(tǒng)不至退化的(出現(xiàn)河流嚴(yán)重退化狀態(tài)最少)幾種方法分別是改進(jìn)的Tenant法(以月平均流量為基礎(chǔ))、Lyon法、Tessman法、VMF法，考慮到倭肯河還需要滿足周邊人類生產(chǎn)生活用水，并且大部分取水時(shí)段都集中在5—9月份，這部分時(shí)段生態(tài)基流目標(biāo)不宜定得過高，因此加入Tennant法和Smakhtin法進(jìn)行分析，Q95法和最枯流量法嚴(yán)重退化狀態(tài)次數(shù)出現(xiàn)較多，對河流生態(tài)恢復(fù)不利，因此在本次分析中首先予以舍棄，下一步將分別選擇特枯水期保證率下的典型年對各種方法的滿足程度,通過反映出的河道內(nèi)季節(jié)變化以及年際徑流豐枯變化與生態(tài)基流的滿足程度來優(yōu)選最佳的生態(tài)基流方法。

由表3可知在特枯水年下，Tennant法、Lyon法、Tessman法、VMF法和Texas中基流法基本已經(jīng)無法滿足，值得一提的是，此時(shí)Tennant法在非汛期及封凍期出現(xiàn)了不滿足情況，這是由于Tennant是基于年均流量百分比劃分河流生態(tài)健康狀況，未能全面考慮流量與水生生物之間受季節(jié)性變化的影響、淡化了河流流量年內(nèi)分配影響，沒有區(qū)分豐、平、枯年份的差異，其他方法雖然考慮了年內(nèi)分配，但是由于標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性較差，平水年就出現(xiàn)了不滿足的程度，可能會加大倭肯河流域用水管理部門的實(shí)際操作難度，雖然本次倭肯河生態(tài)基流量分析中，并未要求對生態(tài)敏感期做專題分析，但是在確定各種生態(tài)基流方法時(shí)應(yīng)該考慮進(jìn)水生物因素，例如冷水魚主要產(chǎn)卵期為4—5月份，溫水性魚類主要產(chǎn)卵期為5—6月份，因此魚類產(chǎn)卵的敏感時(shí)期應(yīng)為4—8月份，除此之外考慮到河流濕地需水量，一般濕地植物的生長季節(jié)在4—10月份，在確定生態(tài)流量目標(biāo)時(shí)需要考慮以上因素。Smakhtin法恰恰在4—5月份提高了生態(tài)基流目標(biāo)，在滿足程度較高的基礎(chǔ)上，也為魚類及下游濕地植物補(bǔ)水提供了水量保證。

表3 特枯水年各方法滿足程度

4 結(jié) 論

通過上文的分析，最后選擇Smakhtin法是考慮到綜合人類生產(chǎn)生活用水的滿足程度和河流生態(tài)狀態(tài)評價(jià)后的結(jié)果，同時(shí)上文提到的許多生態(tài)基流量算法(除最枯月和Q95方法外)都是充分考慮到河流的能夠保持不斷優(yōu)化基本生態(tài)特性的，例如Tessman和VMF都能夠加強(qiáng)河流生態(tài)修復(fù)功能，Smakhtin法和Tennant法趨向于生態(tài)維持。