某流域河流環境流量閾值研究

李 薇，姚翔宇

(重慶市水利電力職業技術學院，重慶 402160)

1 概 述

河流流量作為影響河流的重要因素，關乎著河流生態功能和環境功能。河流環境流量被定義為保持某區域正常生態功能所需要的水量。隨著用水量的飛速增長，維持河流正常生態功能的流量以平衡人類用水量供需的問題已成為當前研究的熱點之一。

針對河流環境流量問題，科研人員采取一系列研究手段開展了相關研究，并取得豐碩的成果。覃永良等[1]基于平原河網地區河流的背景，以不同功能目標為研究內容，分析其環境流量的特征；通過動態權重法對該地區環境流量進行標準定級，為類似區域提供了相關經驗。李瑋等[2]以汾河干流為研究對象，建立該河流水質水量模擬平臺，分析生態補水對河流水環境容量的影響，對比不同補水方案下河流不同斷面水環境容量及水質狀態，以獲得最佳補水方案。王西琴等[3]以遼河流域為例，分析了二元水循環下河流需水水質和水量，獲得其計算方法和評價標準；通過實際案例，證明了該方法和評價標準的正確性。張遠等[4]以太子河保護魚類為研究對象，通過FLOWS方法，建立生態需求與流量分組關系模型，計算了不同分組的環境流量。張代青等[5]以河流流量的兩個分支(水利流量和環境流量)為研究對象，分析了水利流量和環境流量的計算方法，在二元水循環條件下建立河流環境流量最小閾值模型，分析了河流環境流量預警問題。

本文以某河流為研究對象，開展其環境流量閾值計算，通過對比考慮各計算方法的計算結果與河流水資源實際情況，提出分短期與長期環境流量目標進行河流環境流量保障。

2 河流概況

研究河流流域總面積39 880 km2，河道全長624 km。河流流域位于北溫帶半濕潤大陸性氣候區，氣候變化受季風及地形影響，夏秋季悶熱多雨，冬春季干旱少雨，域內年平均氣溫14℃～16℃。

3 基流匱乏型河流的環境流量界定

基流匱乏型河流水資源較為匱乏，為有效改善河流現狀，需首先保證河流的最小流量。根據流域河流類型劃分思路，該類型河流環境流量保障的目標是為保證水生生物生存所需要的最小水量，其對水量、水質、持續時間等都有一定的要求。

研究采用月保證率法和最小生態徑流逐月頻率法計算環境流量，通過對比分析各方法的適用性，對計算結果處理后得到了河流基流匱乏時的環境流量。

3.1 計算最小生態需水的環境流量

最小生態需水是在保證河流生態系統中重要生物生存空間的同時，還要確保大部分生物的生存狀態，以此達到維護生態系統穩定、保證生物種群結構的完整性和多樣性以及河流長期存水的目的。所以，在此次研究中，選取最小生態徑流逐月頻率法計算河流匱乏狀態下需要的環境流量。該計算方法將河流生態系統不同時期的需水量、生物要求等考慮在內，計算結果更加準確和實際。計算具體方法如下：

1) 選取天然長系列的月徑流量進行頻率計算。

2) 在豐水期(6-9月份)時，選取對應時期天然長系列月徑流量的一半(50%)保證率視作對應月數的環境流量Qfn(月份為n，在n月份基流匱乏型河流的環境流量為Qfn)。

3) 在平水期(4-5月份、10-11月份)時，選取對應時期天然長系列月徑流量的75%保證率視作對應月數的環境流量Qfn。

4) 在枯水期(1-3月份，12月份)時，選取對應時期天然長系列月徑流量的80%保證率作為當月環境流量Qfn。

國外學者研究發現，河道流量的最小值為多年流量平均值的10%。河道流量若是小于10%，則河流的生態系統就有可能遭到破壞，其健康安全得不到保證，河流生物也會受到嚴重影響。因此，本研究中河流環境流量計算工作的開展，是以月河道環境流量和天然月平均徑流量的比值大于10%為前提的。

3.2 計算河流需要的生態基本流量

由于該流域一年內不同時期河流內水量有較大的差距，有些河流流段甚至發生了斷流。為了解決這一問題，要保證河流即使在枯水期時，也存有一部分河水，確保河流生態系統的穩定。所以，此次研究中采用月保證率法對河流生態基流所需環境流量進行計算。

考慮到河道流量會受到徑流量的影響，河道流量始自徑流量又受限于徑流量。徑流量也會受到下墊面、氣候等外界條件的影響而出現規律性的變化，徑流量在保證率不同時也會有所不同。所以，在對河道環境流量進行計算時，要將保證率這個因素考慮在內。計算步驟如下：

1) 對研究對象河流的水文資料進行搜集，同時根據從小到大的順序將各月天然徑流量排序；由于基流匱乏型河流對于水質的要求比較特殊，所以選取典型水文年時，要求：①可以將水文的變化規律反映出來；②年內水環境情況較好，其環境質量達標率不低于80%的水文年。

2) 考慮到基流匱乏型河流水資源匱乏、河道內水量全年均不充足、有些河流部分月份出現斷流情況，為保證河流生態系統的正常運行，因此根據各個河流情況，選擇計算25%(豐水年)、50%(平水期)、75%保證率(枯水期)下所對應的水文年及多年平均情況下的月天然流量、多年平均月流量值。

3) 當河流的狀態不同時，選擇的保證率也不同(如果河流一整年沒有斷流，保證率選用75%對應的水文年；如果河流已經斷流，要結合實際條件，根據數據實際情況，保證率選用50%或25%所對應的水文年)，將對應每個月份的天然徑流量視作原始數據，并分為5個推薦流量等級(Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級)。下列5種假定條件分別對應以上的5個等級，以此計算各月環境流量。①假設河道所需流量為年平均天然徑流的全部(100%)，則河道環境流量的最高值為年天然徑流總值的平均值，只有當月份內所需值大于該平均值時才可以進行河道外引水。此時計算河道環境流量時要按照兩種步驟進行：第一當月份流量大于年均值時，選擇其年均值作為環境流量；第二當月份流量小于年均值時，選擇該月的天然徑流量作為環境流量。這種方法即可確保一年內每個月份的河道環境流量都處于設計標準之上。②假設河道所需流量為年平均天然徑流的60%，則河道環境流量的最高值為年天然徑流的60%，同樣當月份流量大于年均值時，選擇其年均值，比年均值小的月份選擇取當月流量，同樣能夠確保一年內每個月份的河道環境流量都處于設計標準之上。③選擇計算方法②，河道所需流量為平均天然徑流量的40%。④選擇計算方法②，河道所需流量為平均天然徑流量的30%。⑤選擇計算方法②，河道所需流量為平均天然徑流量的10%。

在以上后3種計算方法(③、④、⑤)里，可能發生月河道環境流量和天然月平均徑流量的比值小于10%的現象。若是發生了這種現象，就要按照上一級假設來計算月河道環境流量。例如，在30%假設中發生這種現象，就按照40%假設進行計算；若是依據上一級假設計算得出的月河道環境流量和天然月平均徑流量的比值遠比10%大，計算仍以10%進行。

3.3 基流匱乏型河流環境流量整合計算方法

對不同時期研究對象河段的環境流量條件進行綜合考慮，結合河流需要的生態基本流量、最小生態需水，得到不同水期時計算基流匱乏型河流環境流量的公式：

(1)

式中：第n月份為n，在n月份基流匱乏型河流的環境流量為QFn。

4 結果與分析

根據基流匱乏型典型河流——某河環境流量閾值研究過程，對該流域A河下游、B河中下游、C河等基流匱乏型河流，依據以上研究思路，分別計算開展了相關環境流量閾值研究。圖1為不同站點長系列天然徑流變化趨勢。

圖1 不同站點長系列天然徑流變化趨勢

根據長系列天然徑流數據分析，A河下游某壩站多年平均徑流約為20.880 m3/s，該水文站75%保證率所對應的典型水文年為2012年。以此為基礎，圖2(a)所示即為A河中下游環境流量按照最小生態徑流逐月頻率法、多年流量平均值10%、月保證率法計算得出的結果比較。

B河中下游某站多年平均徑流約為17.16 m3/s，該水文站75%保證率所對應的典型水文年為2009年。以此為基礎，圖2(b)所示即為B河中下游環境流量按照最小生態徑流逐月頻率法、多年流量平均值10%、月保證率法計算得出的結果比較。

C河某壩站多年平均徑流約為89.31 m3/s，該水文站75%保證率所對應的典型水文年為1988年。以此為基礎，圖2(c)所示即為C河中下游環境流量按照最小生態徑流逐月頻率法、多年流量平均值10%、月保證率法計算得出的結果比較。

圖2 基流匱乏型河流不同方法計算所得環境流量對比

通過不同方法計算所得環境流量對比分析，根據式(1)基流匱乏型河流環境流量整合計算方法，基流匱乏型河流環境流量閾值分期界定結果見表1-表3。

表1 A河中下游某壩站環境流量閾值分期界定結果

表2 B河中下游某壩站環境流量閾值分期界定結果

表3 C河某壩站環境流量閾值分期界定結果

另外，鑒于基流匱乏型河流水資源匱乏、調控難度大，本研究中對河流環境流量的保障分短期和長期目標。長期保障即為通過式(1)基流匱乏型河流環境流量整合計算得出的閾值界定結果為長久的優良環境流量保障目標，以月保證率法的Ⅳ級流量等級為短期的最低環境流量保障目標。為了確保河流能夠達到流量需求的最低要求，通過上述計算得出的環境流量保障目標如果比多年徑流平均值10%小的，就定為多年徑流平均值的10%。

5 結 論

選取某河流域作為典型河流開展其環境流量閾值計算，通過對比考慮各方法的計算結果與河流水資源實際情況，提出分短期與長期環境流量目標對河流環境流量進行保障。長期的適宜環境流量閾值目標的計算方法分別為：月保證率法第Ⅱ流量等級(1-5月份)、最小生態徑流逐月頻率法(6-12月份)。短期的最低環境流量閾值目標的計算方法分別為：月保證率法第Ⅳ流量等級(1-7月份、10-11月份)、10%多年平均徑流法(8-9月份、12月份)。在對典型河流的環境流量閾值計算研究基礎上，對該河流域A河中下游、B河中下游、C河這些基流匱乏型河流開展了環境流量閾值分期計算，同樣采取分短期和長期環境流量目標保障的思路，為上述河流提出了適宜的最低環境流量閾值目標。