沙潁河周口斷面生態流量過程計算和分析

陶 潔，喬文昭，曹 陽，曲曉寧

（1.鄭州大學 水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001；2.河南省水循環模擬與水環境保護國際聯合實驗室，河南 鄭州 450001；3.鄭州市水資源與水環境重點實驗室，河南 鄭州 450001；4.河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450016）

維持河流合理的生態流量不僅是生態保護的需要，而且是改善水體水質的重要手段［1］。2020 年《水利部關于做好河湖生態流量確定和保障工作的指導意見》提出，以維護河湖生態系統功能為目標，科學確定生態流量。生態流量的概念最早是20 世紀40 年代美國魚類和野生動物保護協會在開展魚類漁獲物和早期資源產量與河流流量響應關系研究中提出的［2］。隨后的相關研究對其內涵進行了延展和細化［3］，對生態流量的認識也從“維持水生生態系統的最小流量”逐漸轉變為“維持水生生態系統近自然的、可變的流量過程”［4］。Tennant［5］分析了美國11 條河流流量與河寬、流速、水深的關系，提出以歷年平均流量的10%、30%分別作為最小生態流量、基本生態流量，這是用水文學法研究河流生態流量理論的開端。King 等［6］提出構建模塊法（BBM），將流量組成人為地分成枯水年基流量、平水年基流量、枯水年高流量和平水年高流量研究流量與生物群落之間的關系，估算可以維持河流健康的生態流量。美國科羅拉多州聯合野生動物管理局提出了流量增量法（IFIM 法），研究特定流量對河道連通性、魚類產卵以及棲息地的影響，是北美估算生態流量常用的方法之一［7］。胡和平等［8］指出生態流量過程線是一個流量過程范圍，可以根據季節的豐枯變化、生物種群及結構的變化定義滿足于河流生態系統的最適宜生態流量過程線。Biggs 等［9］認為不同時間尺度的流量變動通過不同干擾因素對河流生態系統產生影響，如阻力干擾、魚類食物攝取過程等。董哲仁等［10］提出不宜把環境流標準絕對化，應根據河流自然水文情勢變化構建一條可維持水域生物和河岸帶健康的生態流量過程線。

綜合國內外研究成果，盡管生態流量的基本理論和方法還未形成統一認識，但基本認為單一的流量值不能完全滿足河流不同時期的流量需求及下游各生態環境的需水過程，河流生態環境需水在時空上是一個生態流量過程線，因此提出了生態流量過程的概念［8，11］。生態流量過程是以生態基流為基礎，與天然徑流的復雜水文過程相結合，滿足全年不同時期河流及其水生生態系統需求的流量過程線。周口水文站位于沙河與潁河匯流后的沙潁河干流周口閘下，可基本反映沙潁河上中游的水文狀況，因此選取周口水文站作為生態水量控制斷面，基于周口水文站1956—2018年逐日流量序列，明確沙潁河周口段主要生態保護目標，開展生態流量過程計算和分析，以期對沙潁河生態系統健康維持提供科學依據。

1 研究區概況

沙潁河是淮河最大的支流，發源于豫西伏牛山區魯山縣境內二郎廟西，流經平頂山、漯河、周口、阜陽等，在安徽省潁上縣沫河口匯入淮河。沙潁河全長621.20 km（以沙河為源），流域面積為39 075.30 km2，河南省境內流域面積為34 467.0 km2，占流域總面積的88.21%［12］。沙潁河魚類以鯉科為主，體型偏小，調查顯示大部分鯉科魚類喜緩流和靜水，無特定高密度集中群體，產卵期為4—7 月［13－14］。流域內閘壩眾多，閘壩修建運行改善河流水質的同時，破壞了河流的連續性，導致其不能自然流動，污染物不能順利降解從而沉積于壩前，在閘壩泄水時易對下游造成二次污染。

2 計算方法

2.1 改進年內展布法

傳統年內展布法是將年最小流量與多年平均流量的比值作為同期均值比，再與多年平均月流量相乘得到河流月生態流量過程［15］，整個計算過程簡單、資料獲取容易，但忽視了個別極端水文事件和流量的季節性變化［16－17］。因此，多位研究者提出了不同的改進方法。范博偉等［16］只選取5%～95%保證率的月均流量進行河流生態需水量計算，避免了極豐或極枯年份對計算結果的影響；趙然杭等［18］將同期均值比修改為90%保證率河道年平均流量與多年平均流量的比值，使得生態需水量的計算結果更加穩定，更加適用于季節性河流；雷付春［19］基于同頻率月均流量，將12 個月劃分為豐、平、枯水期，分別計算其均值比，適用于季節性較強的北方旱區河流生態基流量的計算；宋增芳等［20］將95%保證率河道年平均流量與去除極豐和極枯年份的最小年平均流量進行耦合，代替多年最小年平均流量與多年平均流量求得同期均值比，進而計算出河流最小生態流量。結合傳統和改進的年內展布法提出以下計算過程。

（1）流量資料可靠性、代表性和一致性審查。可靠性審查主要考察資料來源是否符合國家標準。根據水文數據模比系數累計平均過程線進行流量資料代表性審查，當系數趨于穩定時，說明所選數據代表性良好［21］。采用Mann－Kendall（M－K）趨勢檢驗法進行流量資料一致性審查，該方法不要求數據具有正態分布特征，適合于水文、氣象資料等的一致性檢驗［22］。標準化統計量Z表征流量序列增大或減小趨勢，當Z＞0時表示增大趨勢，當Z＜0 時表示減小趨勢。輸入置信度水平α（α為M－K 檢驗錯誤地拒絕了零假設時可容忍的概率），若，則表示原假設不成立，變量值隨時間增大或減小顯著，其中Z1－α／2為流量序列發生顯著變化的臨界統計量。置信水平90%、95%、99%對應的Z1－α／2分別為1.64、1.96、2.58。

（2）計算月均流量。考慮極端流量事件對生態流量計算的不利影響，將多年保證率5%～95%的天然月均流量作為計算資料。將計算資料按月份劃分為汛期（6—10 月）和非汛期（11 月至次年5 月）兩個時段，計算多年各月平均流量qt（t為月份）、汛期多年月均流量、非汛期多年月均流量。

（3）選取90%保證率的多年各月平均流量qt（90%）計算汛期、非汛期90% 保證率的多年月均流量。

（4）計算不同時段的同期均值比：

式中：η1、η2分別為汛期、非汛期的同期均值比。

（5）計算各月的生態流量。各月的生態流量Qt為

式中：ηt為同期均值比。

2.2 RVA 法

變化范圍法（RVA）是在水文變化指標法（IHA）基礎上提出的，用以評估受人類活動影響的河流水文變化狀態，從而識別水文變化在維護生態系統中的重要作用［23］。水文特征指標變化范圍不超過其天然可變范圍（即RVA 閾值［24］，RVA 閾值為流量過程線的可變范圍），即天然生態系統可以承受的變化范圍，有利于維持河流生態系統健康。將30%、70%保證率流量值作為閾值上、下限，生態流量估算公式為

式中：QR為RVA 法確定的生態流量；為月均流量；Q上限為RVA 閾值上限；Q下限為RVA 閾值下限。

2.3 Lyon 法

Lyon 法是美國基于水文頻率變動和生態需求開發的水文學方法，計算尺度為月，將多年月中值流量的百分比作為河流生態流量的推薦值，計算公式為

式中：QLF為Lyon 法確定的生態流量；QM為月中值流量；Qm和Qa分別為月均流量和年均流量。

2.4 濕周法

濕周法通過建立濕周與流量關系曲線，在曲線上用斜率法（斜率k＝1）和曲率法（曲率絕對值最大）確定臨界點，臨界點對應流量即河流最小生態流量［25－27］。本文繪制周口水文站各月濕周與流量關系曲線，將關系曲線上曲率絕對值最大處的點所對應的流量作為河流最小生態流量。為了消除坐標尺度的影響，將流量與濕周用相對于各月最大流量Qmax及最大濕周χmax的比例來表示，即相對流量Q相對流量和相對濕周χ相對濕周為

式中：Q為各月流量；χ為各月流量相應的濕周。

2.5 流速法

流速法是將河流流速作為反映生物棲息地狀態的指標，根據河段關鍵指示性物種或優勢物種確定生態流速，以此來確定斷面生態流量過程［14，28］。將沙潁河周口段主要魚類最小生態流速作為滿足河流生態系統基本需求的狀態指標。流速與斷面關系式為

式中：Qv為流速法確定的生態流量；v為根據指示物種或優勢物種確定的河流流速；A為河流過水斷面面積。

3 結果分析

3.1 改進年內展布法計算結果

（1）流量資料可靠性、代表性和一致性審查。采用的流量數據為周口水文站1956—2018 年實測逐日流量數據，可基本反映沙潁河上中游的水文狀況，流量數據均按國家標準整編，資料具有可靠性。流量模比系數累計平均過程線見圖1，由圖1 可以看出，流量模比系數累計平均值隨時間延長變幅越來越小，逐漸趨近于1.0，表明實測流量資料具有穩定性。由Mann－Kendall 檢驗法得到流量序列的統計量Z＝－0.095，＜1.64、1.96、2.58，說明沒有通過90%、95%和99%的顯著性檢驗，周口水文站流量資料一致性較好。

圖1 河流流量模比系數累計平均過程線

（2）生態流量過程計算。根據選取的5%～95%保證率流量數據及改進年內展布法計算過程確定各月生態流量，見表1。6—10 月為汛期，生態流量較大，占多年平均流量的8%～25%；11 月至次年5 月為非汛期，生態流量較小，占多年平均流量的3%～8%。

表1 改進年內展布法計算的各月生態流量

3.2 RVA 法計算結果

RVA 法計算的1—12 月生態流量分別為5.86、2.22、4.11、26.35、25.00、23.06、70.53、50.20、52.91、15.24、19.00、12.05 m3／s。計算結果表現出明顯的季節性，7—9 月生態流量較其他月份的明顯增大。

3.3 Lyon 法計算結果

Lyon 法計算的1—12 月生態流量分別為10.30、8.51、10.91、14.23、16.95、14.68、60.37、64.70、47.07、22.66、19.14、14.59 m3／s。7 月生態流量驟然增大，7—9 月生態流量均較大，其余月份生態流量較小且較穩定。

3.4 濕周法計算結果

沙潁河周口水文站斷面為復式斷面，當建立全斷面濕周與流量的關系時，曲率絕對值最大處（臨界點）出現在斷面變化較大的位置，其對應的流量非常大，在汛期漫灘時才能出現這種大流量情況。因此，選擇主河槽部分（水位41.5 m 以下河槽）的水文數據建立濕周與流量關系曲線，進而找出臨界點對應的河道最小生態流量。沙潁河周口水文站不同季節代表性月份濕周與流量關系曲線見圖2。將關系曲線上曲率絕對值最大的點所對應的流量作為河道的最小生態流量，1—12 月生態流量分別為3.37、3.20、3.87、4.69、6.26、7.42、15.65、17.98、11.23、9.70、6.24、3.98 m3／s。生態流量在11 月至次年4 月較小且變化不大，6—10 月較大，體現出流量的年內變化特性。

圖2 周口水文站不同季節代表性月份濕周與流量關系曲線

3.5 流速法計算結果

調查沙潁河主要鯉科魚類的生態習性，魚類產卵期最小生態流速為0.2 m／s，非產卵期最小生態流速為0.07 m／s［14，29－30］。擬合周口水文站的流量與流速散點圖（見圖3），推算出產卵期（4—7 月）河流最小生態流量為19.16 m3／s，非產卵期（8 月至次年3 月）最小生態流量為2.06 m3／s。8 月至次年3 月生態流量值過小且固定，可能無法滿足其他生物的正常需求，因此不考慮流速法計算的生態流量過程。

圖3 周口水文站流量與流速關系曲線

4 結果比較分析

周口水文站多年月均流量及5 種方法計算的生態流量過程見圖4。斷面多年月均流量呈明顯季節性變化，7—8 月流量明顯高于其他月份的。改進年內展布法與濕周法計算結果年內變化趨勢及生態流量相近，所求均為河流較小生態流量過程，生態流量整體變化不明顯，4 月流量小幅度增大，7—8 月達到最大。其中，改進年內展布法計算結果較好地反映了沙潁河流量的年內變化特征；濕周法建立在實測河道斷面與流量數據基礎上，有較高可信度，但生態流量在產卵期與汛期均較小且變化不大，可能無法滿足魚類產卵期對流量及流量脈沖的需求。RVA 法和Lyon 法計算結果變化趨勢基本一致，所計算的生態流量在5 種方法中較大。其中，RVA 法是在多年月均流量基礎上減去RVA 閾值差，與多年月均流量變化趨勢一致；Lyon 法將月中值流量的百分比作為生態流量，7—9 月生態流量較大，但4—6 月生態流量小于RVA 法和流速法計算的最小生態流量，不利于魚類產卵。每種方法均有利弊，計算得到的生態流量過程各有優劣。改進年內展布法和濕周法得到周口水文站斷面較小生態流量過程，這是維持河流生態健康的基本生態流量過程；RVA法和Lyon 法計算的生態流量過程年內變化較大，能較好反映研究區季節性變化特征，還可以保證魚類產卵期最低生態流量需求。

圖4 不同方法計算結果對比

依據Tennant 法［31－33］，當河道內某時段最小生態流量占同時段多年平均天然流量的10%以上時，河流仍可以保持一定的河寬、水深和流速，用以滿足魚類洄游等要求，是維持大多數水生生物短期生存棲息的最小瞬時流量。6—10 月為汛期和水生生物的主要生長期，需要較大的生態流量保證魚類繁殖、魚卵的懸浮等，取生態流量為10～25 m3／s。由4 種計算方法得到最小生態流量過程及其占多年月平均流量百分比見表2。

表2 周口水文站生態流量過程計算結果對比及最小生態流量過程綜合確定

5 結論與展望

運用改進年內展布法、RVA 法、Lyon 法、濕周法和流速法從水文水力學角度計算了周口水文站河流斷面生態流量過程，分析各方法的優劣，探討其適用性，并依據Tennant 法，對改進年內展布法、RVA 法、Lyon 法和濕周法4 種方法的計算結果進行合理性分析，綜合得到最小生態流量過程線，以滿足魚類繁殖和河流生態健康的基本需求。

目前計算河流生態流量的眾多方法中，水文學方法因應用簡捷、數據易獲取而應用最多，但該類方法缺乏對河流生物需求及與周圍環境相互作用的考慮，設定的統計標準也沒有嚴格驗證。濕周法和流速法屬于水力學方法，但計算結果僅為最小生態流量，能滿足河流生態系統基本流量需求，但無法維持河流生態系統在最好狀態，且流速法根據優勢魚類或指示魚類等可接受的流速求生態流量，計算結果具有局限性。因此，在后續河流生態流量的計算工作中，應更加清晰其生態功能定位，不斷完善其生態流量過程。