黃河下游重要水文站生態環境流量區間研究

黃志鴻，董增川，張發鴻，劉金華，李啟龍，郭偉建

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098)

0 引 言

黃河下游由于建成了大量的水工建筑物，河道已經高度人工化，碎片化。由于經濟發展用水增加擠占河道內生態用水，導致生態環境惡化趨勢顯著[1]。黃河下游目前主要存在以下生態問題：①黃河下游河道基流滿足度不高[2]；②黃河下游水沙關系不協調[3]；③河口自然濕地退化嚴重[4]；④魚類生長繁殖條件差[5]。因此，因地制宜地研究黃河下游的生態環境需水量，具有重要的意義。

自20世紀70年代以來，大量學者對生態環境需水量進行了研究，從概念定義到結合水資源規劃管理，從保障河流生態系統的最低需求到注重系統性、地域性，均有成果。

在定義上，王西琴等[6]對河道最小環境需水量的生態意義進行闡述與界定，并提出河道中必須常年保持最小水量的閾值；馮寶平等[7]將區域生態需水量的計算分為河道內和河道外兩部分，并梳理了一些常用的計算方法。在計算方法上，于龍娟等[8]將逐月最小生態徑流法用于生態流量估算，并以洛河和伊河為實例研究對象，分析了不同計算方法的優缺點。河道內生態環境需水量的計算方法中，水力學法和水文學法需要長序列和高精度的水文信息；棲息地法需要大量野外勘測收集數據，耗時長、難度大；整體分析法需要魚類生態學、湖泊學、植物學等多學科的資料。生態環境需水計算方法雖然繁多，但往往片面采用且沒有綜合考慮黃河下游實際面臨的問題。

因此，本文由黃河下游現狀生態環境存在的問題出發，在生態環境需水計算中綜合考慮魚類生活、水沙沖淤、污染防治等方面的要求，使得計算的生態流量區間達到以下幾點目標：①保持河道不斷流并盡量滿足水質要求；②維護下游水沙平衡；③滿足魚類產卵及生長。

1 研究區概況

黃河是我國重要的母親河，有悠久的歷時和廣袤的水域，本文主要研究的區間是三門峽以下的黃河下游河段，包含的水文站有三門峽、花園口、高村、艾山、利津，研究區的流域圖如圖1所示。

圖1 研究區流域

2 基本生態環境流量

河道內基本生態環境需水量有兩個方面的含義。一是基本生態需水量，維系和保護河流的基本功能不受破壞，即保持河道不斷流；二是基本環境需水量，滿足水污染防治的基本需求。只有在滿足了基本生態環境需水量的要求下，才能考慮其他的用水需求。

本文中保持河道不斷流的基本生態需水量的計算方法采取歷史流量法[9]。采用多年平均流量的1/10作為河道內基本生態環境需水量，結果如表1所示。

表1 黃河下游站點生態基流 m3/s

黃河下游含沙量大的特點使得下游的環境污染情況較為復雜，泥沙的存在對于水質的改變如何是一個復雜的研究，而且黃河下游的污染物排放也具有相當大的不確定性，使得常規的估算方法不能達到很好的精度，如以河道水質目標為約束的模型計算等[10]。所以本文基本環境需水量中滿足水污染防治的需水量計算，可參考每10年最枯月平均流量法，黃河下游各重要站點各年代的最枯月平均流量如表2所示。

表2 黃河下游站點各年代最枯月平均流量 m3/s

由于黃河下游20世紀60年代以后三門峽水庫投入運行對下游河段生態環境造成了嚴重影響。從表2也可看出，1960年～1969年的10年最枯月平均流量極低，20世紀70年代經過一定的調度平衡后最枯流量有所增加，50年代是最接近天然徑流情勢的時期，所以本文采用1950年～1969年計算數據作為污染防治生態需水量。

3 適宜生態環境流量

與最小生態環境需水量不同，適宜生態環境需水量主要針對河流水生態系統中的輸沙水量、魚類群落生態環境需水量，應當遵循整體性、穩定性和動態性的原則。

3.1 改進的Tennant法

在黃河下游河道水流游蕩且含沙量大等因素影響下，研究區內生物多樣性較低。本次工作也因缺乏生物觀測資料，而考慮先用改進的Tennant法求得一個參考流量序列。其改進通過引入修正因子實現。

3.2 生態水文季節的改進

生態水文季節即在一個流域中，由于水情變化、生物習性不同而劃分的時間段。本文將完整的生態時序分成汛前期、主汛期、汛后期。

每年的4月～6月為汛前期，也是黃河下游魚類產卵育幼的高峰活躍期。該時間段最小生態環境需水量取多年平均徑流量的15%，適宜生態環境需水量可取多年平均徑流量的50%；每年的7月～10月為主汛期，黃河下游來水較豐，泥沙含量較高，最小生態環境需水量可取多年平均徑流量的15%，適宜生態環境需水量應以輸沙用水為主，可取多年平均徑流量的60%；11月至次年3月為汛后期，河流來水相對較枯，泥沙含量相對較低，最小生態環境需水量可取多年平均徑流量的10%，適宜生態環境需水量應以補給下游濕地和河岸為主，可取多年平均徑流量的40%。

另外，由于多年平均徑流量的平均化處理可能會坦化實際的來水徑流。為了更好地體現河流流量年內徑流的豐枯動態變化，我們可以引入季節系數s來實現典型年流量置換多年平均徑流[11]，也可實現在Tennant法應用中反映河流生態水文季節的變化。季節系數計算如下

s=Qt/Qa

(1)

式中，s為季節系數；Qt為典型年t時段的徑流量；Qa為天然狀況下的多年平均流量。

由于黃河下游主要站點水文資料比較齊全，黃河下游河流健康狀況下多年平均流量值可選擇1952年～1959年的水文系列資料。如前文所述，該時期黃河上人工干預的大型水庫尚未建成運用，其水資源開發利用程度低，水生態環境屬于自然狀態下的健康水平。

從1952年～1959年中，需要選取一個典型年，典型年選取步驟參考文獻[11]，選取黃河下游典型年為1953年，重要水文站實測流量見表3。

表3 黃河下游站點多年平均及典型年流量值 m3/s

由式(3)計算出黃河下游各站季節系數，詳見表4。

表4 黃河下游站點季節系數

3.3 非汛期輸沙的改進

對于泥沙淤積嚴重的河流，其輸沙量主要與河道中的流量和流速相關。黃強等[11]提出，在非汛期，當流量穩定在一定區間時，輸沙量多少就只與流速大小相關。若是河流較為接近天然狀態，沒有過度的人工開發，在非汛期由于流量較小而淤積下來的泥沙可以在流量較大的汛期得到有效的沖刷。這是天然河流自身的天然平衡。在這樣的狀態中，短時間的河流淤積非但不會破壞河流生態環境的健康，甚至由于泥沙的存在，滋養微生物等可以幫助水體自凈，優化河流水質。而如今的黃河，由于許多水工建筑的建設，其天然狀態破壞率早已大于50%，無法達到天然的平衡狀態。黃河下游嚴重的泥沙淤積問題，嚴重改變了下游的河道形態，抬高了河床，降低了水深，河槽比降也被填平，流速也隨之減少，一系列的連鎖反應更是會加重下游的河床淤積問題。如此惡性循環，總會對生態環境造成更大的破壞。因此，調度中需要研究在非汛期維持一定的流速和水量汛前沖沙，使得主槽沖淤平衡。

當河流在山區時，由于比降較大，流量小也可以達到沖淤條件，不至于破壞生態環境的健康；而在開闊平原的河段，河道平坦，比降很小，此時流量小時就很容易抬高河床，形成“地上懸河”。據此，我們可以在Tennant法的計算中考慮河流形態的變化，進而綜合考慮輸沙的生態流量。在多年平均天然流量百分比基礎上引入比降系數ie，來表征河道的比降。即

(2)

表5 黃河下游各河段比降 %

由各河段比降求出黃河下游平均比降為0.021%，將以上數據代入式(2)，得到黃河下游河段各站的環境比降(見表5)。

基于以上所述的兩方面改進，改進后的Tennant法通過在原方法的多年平均天然流量百分比r0基礎上乘上引進的季節系數s和比降系數ie，使其可以更好的適應黃河下游的生態環境。具體如下

r=r0·s·ie

(3)

式中，r為本文改進后的推薦流量百分比；r0為原方法定義的平均天然流量百分比。得出黃河下游各站點基本生態環境需水和適宜生態環境需水參考序列(見表6)。

表6 黃河下游站點生態環境需水參考序列 m3/s

3.4 汛期輸沙水量

在Tennant法中考慮的輸沙改進主要針對的是非汛期的改進。據黃河流域水資源綜合規劃報告，黃河流域產沙時間較為集中，年內分配不均，黃河年徑流量中60%的流量和85%的輸沙量均集中在汛期。所以，需要特別考慮汛期的輸沙水量。

汛期輸沙水量的影響因素主要有汛期下游來沙量和汛期下游河道沖淤量[12]。參考《黃河流域水資源綜合規劃報告》(2012～2020)及黃河水利科學研究院[12]關于黃河下游汛期輸沙水量的相關研究，各因子間具有良好的相關關系，汛期花園口站和利津站輸沙水量與下游來沙量、水量的關系為

W=22Ws-42.3Ys+86.8

(4)

(5)

式中，W為汛期花園口站輸沙水量，億m3；Ys為汛期下游河道沖淤量，億t；Ws為汛期下游來沙量，億t；Wsl為汛期利津站來沙量，億t；Wl為汛期利津站輸沙水量，億m3。

河道允許淤積量與來沙量之間存在一定的關系，申冠卿等[12]給出了下游來沙量與下游河道允許預計量的數據，如表7所示。

表7 下游來沙量與允許預計量 億t

對以上數據做相關性分析，并擬合關系函數，如式(6)所示，其確定系數R2為0.981 6。具體為

Y=0.426 8x-1.412 4

(6)

式中，Y為下游河道允許淤積量，億t；x為下游汛期來沙量，億t。

黃河下游引沙主要集中在汛期，其平均含沙量為33.9kg/m3。經計算，黃河下游汛期日均引沙量為59.04萬t。據以上計算，可得花園口站和利津站汛期輸沙流量分別為2 032.52、1 830.51 m3/s。

3.5 魚類生態需水量

一年內的河道徑流有豐有枯，按照流量的大小我們可以將其劃分出低流量、中等流量與高流量。其中，高流量中又可分為流量脈沖、中小洪水及漫灘洪水，而中等流量對生態環境的影響較小，可忽略。

對河流生態環境系統有不同意義的以上各流量組分可通過長系列連續的流量數據按以下步驟確定。

(1)對所有的流量進行排頻計算。

(2)計算流量的時段變化率

Ki=[(Qi+1-Qi)/Qi]×100%

(7)

式中，Ki為第i時段的流量變化率；Qi表示第i時段的流量。

(3)設定如下規則初步劃分出高流量QH和低流量QL。其中，Q75、Q25分別為P=75%、P=25%時對應的流量：①如果Qi≤Q75，則Qi屬于低流量QL；否則，Qi屬于高流量QH。歷史低流量區間為0～549 m3/s，低流量代表平均值為374.62 m3/s。而高流量由于洪水的持續時間性，由步驟2～3確定。②如果Qi>Q75同時Qi-10%時，說明Qi與Qi-1相差較小，又為連續流量系列，可將Qi列為高流量，同時若Ki>0，說明后一時段Qi+1大于已經列為高流量的Qi，Qi+1也列為高流量；若后一時段Qi+1是高流量時，當Ki<10%時，說明Qi與Qi+1相差較小，又為連續流量系列，可將Qi列為高流量，同時若Ki<0，說明前一時段Qi-1大于已經列為高流量的Qi，Qi-1也列為高流量。③將所有高流量QH羅列出，重新進行一次高流量排頻計算(見圖2)。

圖2 高流量系列排頻

QH10、QH25分別為所有QH中P=10%、25%時對應的流量值，QH10=4 377.5 m3/s，QH25=3 147 m3/s。再按以下規則劃分高流量QH中的高流量脈沖、中小洪水、漫灘洪水：若Qi≤QH25，則Qi為高流量脈沖；如果Qi≥QH10，則Qi為漫灘洪水；如果Qi>QH25同時，Qi

由以上步驟可得不同的流量組分區間，其對魚類有不同的生態意義，詳見表8。

表8 不同流量組分對魚類的生態意義

由于汛前期4月～6月是魚類的生長育幼期，也是黃河下游調水調沙的生態調度時期，該時段末要將水位降低至死水位。所以本文采用高流量脈沖的低值作為適宜生態需水量，既有利于魚類的生存和洄游，也有利于汛前沖沙。然而，為滿足魚類繁殖的刺激性要求，還需要短暫幾天的更高流量脈沖刺激。

蔣曉輝等[5]利用流量恢復法模擬自然流量的過程研究黃河下游魚類的生活習性。蔣曉輝提出，黃河下游11月～3月應保持低流量270 m3/s，為魚類過冬提供棲息環境；4月～6月魚類繁殖生長期首先應保證低流量，為魚類洄游提供通道，也為幼魚生長提供棲息地，同時在4月初需要生成維持6天左右流量為2 600 m3/s的高流量脈沖刺激魚類產卵。該結果與以上計算流量組分區間吻合，由于水力學數據較難獲取，無法模擬自然流態，本研究引用該計算結果。

3.6 生態環境流量區間

天然狀態下，徑流的類型和時空變化規律趨于自然穩定。穩定的自然徑流是最優的生態徑流量，所以我們有必要使調度后的徑流盡可能接近自然徑流。而生態需水量本身是一個閾值范圍[13]；因此生態環境流量也應該有上下限范圍，調度后的下泄流量應盡可能地落在這個區間內。綜合上文關于生態環境需水的研究，將基本生態環境流量整合作為生態環境閾值下限，將適宜生態環境流量整合作為生態環境閾值上限，詳見表9。

表9 黃河下游重要水文站生態環境流量區間 m3/s

4 結 論

本研究從黃河下游現狀生態環境存在的問題出發，在魚類生態需水計算中，由長系列的歷史流量數據計算出黃河下游各流量組分的閾值區間；在輸沙生態需水量計算中，分別計算了下游控制站花園口站和河口控制站利津站在汛期的輸沙水量，考慮了汛期河道的輸沙需求。本研究提出了生態環境整體性、穩定性、動態性等特點，從多角度考慮，將基本生態環境流量整合作為生態環境閾值下限，將適宜生態環境流量整合作為生態環境閾值上限，為水庫群的優化調度研究提供數據支撐。