基于水文學法的沙潁河周口斷面生態(tài)流量研究

張澤賢，檀 月，張鈺萌，丁曉雯

(1.華北電力大學環(huán)境科學與工程學院，北京 102206；2.北京市排水管理事務(wù)中心，北京 100000)

1 概述

河流作為地球生命的重要組成部分、人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，對物質(zhì)以及能量的運輸與傳遞有重要影響作用。人們不合理地使用水資源，導致河流出現(xiàn)干枯、斷流現(xiàn)象，生物多樣性結(jié)構(gòu)遭到破壞、生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生退化現(xiàn)象[1]。河流生態(tài)系統(tǒng)一旦遭到破壞會難以恢復，因此河流應長期保持一定的基本水量即最小生態(tài)流量來維持自身健康發(fā)展。

目前，國內(nèi)外河流生態(tài)需水量的計算方法[2]可分為：基于長序列歷史流量數(shù)據(jù)進行計算，計算步驟簡便，但精度較低的水文學方法；以研究斷面的水力參數(shù)如寬度、流速等來計算生態(tài)流量并受河道斷面影響較大的水力學方法；通過指示生物及其所需水力條件綜合分析來確定生態(tài)流量的生境模擬法[3]；綜合分析法是基于整體概念出發(fā)研究河流，涉及多個領(lǐng)域?qū)＜业墓餐芯?，計算結(jié)果精度最高。采用水文學方法進行生態(tài)流量計算時只需依據(jù)多年歷史流量資料，因此應用較其它3種計算方法更為廣泛，并且適用于任何河流。生態(tài)流量的計算最先在美國西部得到應用，我國起步較晚，近年的研究多是基于原有方法進行改進并應用于實踐。如Andrzej等[4]選用Tennant和Tessman方法對波蘭杜納耶茨河谷上的3條河流的生態(tài)流量進行了核算。欒清華等[5]采用細化到月尺度的基流比例法，根據(jù)年型、年際、年內(nèi)的不同方面，分層次對洋河干流生態(tài)流量變化進行了解析，并評價了現(xiàn)狀年河流生態(tài)基流的保障程度。林夢珂等[6]將改進年內(nèi)展布法應用到渭河流域，將年徑流過程分為汛期、非汛期兩個過程計算生態(tài)基流，考慮了天然徑流的季節(jié)性，減弱了極端天氣對計算的影響，結(jié)果更加合理。周曉玉[7]以遼寧省下河套水庫壩下河段當?shù)氐牡乩須夂蚺c河流特點為基礎(chǔ)提出了一種改進Tennant法，對流域水資源開發(fā)提供借鑒。張小艷等[8]利用多種水文學方法計算了白龍江上游麻牙寺水文站和舟曲水文站斷面的生態(tài)流量并比較分析了不同方法的經(jīng)濟效益。

沙潁河流域位于河南省中南部，是重要的能源基地，有著豫中南地區(qū)的母親河之稱。但沙潁河在枯水期因水動力不足而出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，因此有必要對其開展生態(tài)流量計算保障河流健康?；谒膶W生態(tài)流量計算方法適用性以及研究發(fā)展，決定選用改進年內(nèi)展布法、Tessman法以及基流比例法在周口斷面進行生態(tài)流量核算，采用Tennant法[9]對計算得到的結(jié)果進行評價分析得出最小生態(tài)流量推薦范圍。

2 研究區(qū)域概況和數(shù)據(jù)分析

2.1 沙潁河流域概況

沙潁河是淮河左岸的最大一級支流，流域總面積39075.3km2，跨河南與安徽兩省，河道全長約621.2km[10]。流域氣候表現(xiàn)為四季分明、夏季高溫、冬季寒冷、雨熱同期，屬溫帶大陸性季風氣候，平均年降水量為641.2mm，并有明顯的季節(jié)性變化，汛期可能發(fā)生洪水，枯季可能出現(xiàn)斷流現(xiàn)象；且降水量南部較北部大，山區(qū)較平原大。

2.2 核算斷面的選擇

沙河與潁河在周口交匯，在交匯之前沙河與潁河的水質(zhì)相差較大，在周口斷面交匯時流域的分布形狀由扇形變?yōu)閹?，在交匯之后下游水質(zhì)則主要是受周口斷面來水的影響?？梢娭芸跀嗝媸巧碀}河干流的起始斷面，保障其生態(tài)流量對維護沙潁河干流的水生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要[11]。因此以沙潁河分布形狀改變的重要節(jié)點——周口斷面作為核算斷面。

2.3 數(shù)據(jù)選擇

通過收集得到的資料，研究選用沙潁河1988—2017年共30年的實測流量數(shù)據(jù)進行生態(tài)流量核算，求得沙潁河多年逐月平均流量見表1。

表1 1988—2017年周口斷面逐月平均流量 單位：m3/s

由表1可知，沙潁河周口斷面降水分布年內(nèi)明顯不均，流量變化較大，呈現(xiàn)出季節(jié)差異：最大值可達1310m3/s，而最小值僅為0.16m3/s。

2.4 數(shù)據(jù)檢驗

Mann-Kendall法[12]是一種非參數(shù)檢驗方法，因其對樣本數(shù)據(jù)分布沒有特別的要求，少數(shù)異常值的存在對計算結(jié)果基本沒有影響，并兼有突變檢驗功能而被廣泛使用。因此針對周口站1988—2017年共30年的年平均流量數(shù)據(jù)，采用Mann-Kendall法進行趨勢檢驗。計算得到S=-9，Z=-0.14,小于0，說明流量數(shù)據(jù)整體呈下降趨勢。同時結(jié)合圖1所示的Mann-Kendall突變檢驗圖可知，周口站這30年的年均流量數(shù)據(jù)沒有顯著性趨勢變化，即流量與年份之間沒有一定的相關(guān)性[13]。表明流量數(shù)據(jù)具有一定的科學性、代表性以及可操作性，可以用于沙潁河生態(tài)流量計算。

圖1 Mann-Kendall突變檢驗圖

3 研究方法與結(jié)果

3.1 改進年內(nèi)展布法

先采用還原方法或模型將實測流量資料還原為天然流量[14]，最終還原結(jié)果參見表2。本研究采用逐項還原法[15]。公式如下：

W天然=W實測+W農(nóng)耗+W工業(yè)+W蓄變+
W庫蒸發(fā)+W引水+W其它

(1)

式中，W天然—天然年徑流量，108m3；W實測—實測年徑流量，108m3；W農(nóng)耗—地表水農(nóng)業(yè)灌溉耗損量，108m3；W工業(yè)—地表水工業(yè)耗損量，108m3；W蓄變—時段始末的水庫、閘壩蓄變量，增加為正，減少為負，108m3；W庫蒸發(fā)—水庫、閘壩庫區(qū)水面蒸發(fā)與陸面蒸發(fā)差值，108m3；W引水—跨流域引水，108m3；W其它—其他還原水量，108m3。

具體計算過程如下：

(1)依據(jù)沙潁河周口站1988—2017年的流量數(shù)據(jù)資料，將1年劃分為豐、平、枯水期。

表2 1988—2017年周口斷面天然年徑流量 單位：108m3

(4)計算不同時期不同的同期均值比η1、η2、η3。

(5)依據(jù)公式Qi=ηi×qi，計算各月最小生態(tài)流量，計算結(jié)果見表3。

3.2 Tessman法

Tessman法[16]是由Tennant法修改而來的，需要劃分為豐水期、平水期及枯水期。計算公式如下：

(2)

當P<40%時，該月的最小生態(tài)流量取為本月平均流量；當40%100%時，該月的最小生態(tài)流量為本月平均流量的40%。

表3 改進年內(nèi)展布法計算結(jié)果

最終計算得到各月P頻率及最小生態(tài)流量見表4。

表4 Tessman法各月份頻率及最小生態(tài)流量表 單位：m3/s

3.3 基流比例法

3.3.1年型劃分及其生態(tài)流量計算

首先計算距平百分率的大小，再按年份劃分標準將1988—2017年分為豐、平、枯及特枯水年等不同年型[17]。不同年型的劃分標準見表5。不同年型對應不同基流比例值，但同一年型不同時段采用相同基流比例值。

表5 不同年型劃分標準表

生態(tài)基流比例計算：

Ta+1=[1+(Qa/Qa+1-1)×μ]×Ta

(3)

設(shè)

α=1+(Qa/Qa+1-1)×μ

(4)

則

Ta+1=αTa

(5)

式中，Ta—斷面a年型的基流比例，%，a=1(豐水年)、2(平水年)、3(枯水年)、4(特枯水年)；Qa—斷面a年型的年均徑流量值；μ—比例消減系數(shù)，本文中取為0.4。

各年型最小生態(tài)流量的計算：

(6)

計算所得最小生態(tài)流量見表6。

表6 周口站各年型最小生態(tài)流量表

從表6中可以看出，豐水年、平水年、枯水年及特枯水年的生態(tài)基礎(chǔ)流量均達到了多年平均流量的10%以上，可以滿足河流最低要求。而豐水年甚至達到了33.65%，可以為大多數(shù)水生生物提供較好的生存環(huán)境。

3.3.2同一年型內(nèi)不同時段生態(tài)流量的計算

同一年型內(nèi)根據(jù)不同月份的流量大小將其分為豐水期(7—9月)、平水期(10—11、6月)及枯水期(12—5月)等不同時段。3個時段根據(jù)同一年型采用同一基流比例分別計算生態(tài)流量。

同一年型不同時段最小生態(tài)流量的計算：

(7)

計算結(jié)果見表7。

表7 基流比例法生態(tài)流量計算表 單位：m3/s

4 計算結(jié)果分析與討論

郭利丹等[18]對Tennant法的應用及合理性進行分析發(fā)現(xiàn)：采用同時段的平均流量較多年平均流量進行評價更為合理。因此采用Tennant法對計算結(jié)果進行分析評價，其評估參數(shù)見表8。以水利部印發(fā)的《關(guān)于印發(fā)第一批重點河湖生態(tài)流量保障目標的函》(水資管函〔2020〕43號)[19]中的第一批重點河湖生態(tài)流量保障目標(試行)中規(guī)定的沙潁河周口斷面最小生態(tài)流量4.3m3/s為參照值。

P1代表改進年內(nèi)展布法，P2代表Tessman法，P3—P6分別代表基流比例不同年型比值，以4.3m3/s為參照進行對比表示為P7。各方法所得P值及評估結(jié)果見表9。

Tennant法認為多年平均流量的10%是維持河流水生態(tài)健康的最低要求，30%能為多數(shù)水生生物提供較好的生存環(huán)境[20]。而Tessman法的各月流量占多年平均流量比值范圍為29.77%～74.57%，比值過大，現(xiàn)實中很難達到；改進年內(nèi)展布法和基流比例特枯水年的評價結(jié)果處于10%～30%之間，較參考值稍好；基流比例法豐、平、枯水年的評價結(jié)果高于對比值P7，得到的最小生態(tài)流量偏大。

表8 Tennant法評估參數(shù)表

結(jié)合圖2可得，3種方法計算結(jié)果均能體現(xiàn)出各月份流量值之間的差異。但Tessman法3月流量值較2月份未體現(xiàn)出上升趨勢，與實際不符；基流比例法中7—9月流量是取這3個月多年平均值乘以基流比例得到，與實際情況8月較7月流量值呈下降趨勢不符；改進年內(nèi)展布法各月份流量峰值出現(xiàn)在7月份，符合實際情況。

表9 P值及評估結(jié)果

圖2 各方法計算結(jié)果對比圖

5 結(jié)論

本文選用了改進年內(nèi)展布法、Tessman法以及基流比例法3種水文學方法對沙潁河周口斷面生態(tài)流量進行核算并利用Tennant法對結(jié)果進行比較，得到以下結(jié)論：

(1)Tessman法計算結(jié)果過高，基流比例法豐、平、枯水年計算結(jié)果較參照值偏高，基流比例法特枯水年和改進年內(nèi)展布法的評價結(jié)果能更好的貼合參照值。

(2)改進年內(nèi)展布法計算結(jié)果能體現(xiàn)沙潁河實際各月份流量有明顯季節(jié)性變化的特點，因此選擇該法計算沙潁河周口斷面生態(tài)流量更為合理，得到最小生態(tài)流量范圍為6.37～31.39m3/s。

研究結(jié)果可用于管控沙潁河生態(tài)流量，促進流域水生態(tài)保護工作，此外，由于生態(tài)流量核算工作十分復雜，今后可結(jié)合水力學法及生境模擬法進一步完善研究。