基于水文學法的漓江生態流量研究

林 詩 雋,張 紅 艷,莫 建 英,代 俊 峰,4,吳 樹 誠

(1.桂林理工大學 環境科學與工程學院,廣西 桂林 541004; 2.桂林理工大學 廣西巖溶地區水污染控制與用水安全保障協同創新中心,廣西 桂林 541004; 3.桂林水文中心,廣西 桂林 541000; 4.桂林理工大學 廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室,廣西 桂林 541004 )

0 引 言

生態流量是指能夠維持河流生態系統健康,從而保障河流生態功能正常發揮的河道內最小流量[1]。近年來,對于河流生態流量的研究已成為水利行業研究的熱點問題。

漓江是山溪雨源性河流,也是桂林市的主要用水來源。漓江水資源總量豐富,但時空分布極不均勻。流域內土壤蓄水能力有限,且水資源調蓄能力弱,在枯水季節干旱嚴重,汛期洪災頻繁,面臨多水和少水的雙重生態問題[2]。桂林市旅游業和社會經濟日益發展的同時,對漓江水資源開發利用的程度和要求也逐漸增大,漓江生態流量的確定顯得日益緊迫。目前,關于漓江水資源計算和變化特點的研究較多,但對于生態流量的研究相對較少。漓江生態流量的確定對于游船航行、生態補水和水資源利用等具有十分重要的作用,針對漓江水文特點,采用合適的方法計算漓江生態流量具有重要的科學研究價值和實際應用價值。

1 資料與數據

1.1 研究區概況

漓江屬珠江流域西江水系,為西江支流桂江上游河段的通稱,發源于桂林市興安縣西北部的貓兒山,自北向南依次流經興安縣、靈川縣、桂林市城區、陽朔縣和平樂縣,全長228 km,流域總面積12 159 km2。

漓江流域(見圖1)位于北緯24°38′10″～25°53′59″、東經110°7′39″～110°42′57″,屬于亞熱帶季風氣候。從流域整個生態系統來看,漓江維持了流域基本生態系統的良性循環,保證流域居民的用水需求;同時,漓江作為桂林市經濟活動、工農業用水的主要水源地,保證了區域的工農業生產和社會生產力發展。

圖1 漓江流域水系及其水文站分布Fig.1 Distribution of Lijiang River system and hydrographic stations

1.2 數據基礎

桂林水文站為國家重要水文站,是珠江流域西江水系的桂江上游漓江河段重要控制水文站[3]。本文利用桂林水文站1954～2017年的逐月平均流量數據,進行漓江河道生態流量計算和評價。實測徑流資料來源于桂林市水文中心,數據經嚴格整編,具有較高的可靠性和代表性。表1和表2的檢驗結果顯示,實測徑流序列的變化趨勢和突變性不顯著,受河流水電開發為主的人類活動影響較小,徑流觀測序列較接近天然來流。

表1 Mann-Kendall法變化趨勢檢驗Tab.1 Mann-Kendall method for trend test

表2 徑流序列突變性檢驗Tab.2 Variability test of runoff series

漓江徑流量的年內變化(見圖2)和年際變化(見圖3)明顯,水量在汛期(3～8月)和非汛期(9月至次年2月)相差懸殊[4]。

圖2 桂林水文站多年月均徑流量年內分布Fig.2 Monthly average runoff of of Guilin hydrology station

圖3 桂林水文站多年年均徑流量年際變化Fig.3 Interannual variation of annual average runoff of Guilin Hydrology Station

2 研究方法

2.1 生態流量計算方法

目前,國內外計算生態流量的方法已經有200多種,可以大致分為水文學法、水力學法、生境模擬法和整體分析法四大類[5]。本文選用Q90法、年內展布法、Texas法、逐月頻率法、NGPRP法和Tessman法6種常見的水文學方法,計算漓江干流的生態流量。

(1) Q90法[6-8]。即90%經驗頻率的最枯月平均流量法,用歷年的最枯月流量數據進行排頻,選擇90%經驗頻率下的最枯月平均徑流量值作為生態流量。

(2) 年內展布法[9]。取各月份多年平均流量,以各月最小月徑流量之和與多年平均流量之和的比值,計算求得生態流量。具體公式如下:

(1)

(2)

k=Qmin/Q

(3)

Qi=kqi

(4)

式中:Q為多年各月均徑流量的總和,m3/s;qi為第i個月的多年月均流量,m3/s;Qmin為多年各月的最小月均流量的總和,m3/s;qmin為最小月的多年月均流量,m3/s;Qi為第i個月對應的月生態流量推薦值,m3/s;k為同月份均值比。

(3) Texas法[10-12]。考慮了河流季節變化因素,通過取某特定百分率下對應50%保證率的月平均流量值作為生態流量。在本文中,取40%的特定百分率。

(4) Tessman法[13]。當多年月均流量值低于多年年均流量值的40%時,將多年月平均流量值作為生態流量;當多年月均流量值處于多年年均流量值的40%～100%時,將多年年均流量值的40%作為生態流量;當多年月均流量值高于多年年均流量值時,將多年月均流量值的40%作為生態流量。

(5) 逐月頻率法[14]。結合漓江流域水文特征[7],設置10月至次年1月的枯水期取90%保障率下的月平均流量值作為生態流量,2～3月及8～9月的平水期取70%保障率下的月平均流量值作為生態流量,4～7月的豐水期取50%保障率下的月平均流量值作為生態流量。

(6) NGPRP法[15]。將系列年份劃分為枯水年、平水年、豐水年,并取平水年組90%保障率對應的月平均流量值作為生態流量。本文選用GB/T 22482-2008《水文情報預報規范》中距平百分率作為豐、平、枯水典型年份的劃分標準(見表3)。距平百分率公式為

表3 典型年劃分標準Tab.3 Division standard of typical year

E=(Qi-Qa)/Qa×100%

(5)

式中:Qi為第i年年平均流量,m3/s;Qa為多年平均流量,m3/s;E為距平百分比,%。

2.2 需水程度評價法

Tennant法是以多年條件下的年平均流量百分比作為基準,在以往的研究中常被作為其他計算方法的一種需水量檢驗評價[16-18]。

Tennant對11條河流進行詳細的實地研究,發現河流流量達到多年平均流量的10%能夠維持大多數水生生物短期生存棲息的需要;河流流量達到多年平均流量的30%就可以為大多數水生生物提供良好的生存棲息條件[19]。因此,本文將表4中的“一般”等級作為生態流量的最低需水限度。即建議8月至次年3月的一般用水期不低于多年平均流量的10%;漓江流域4～7月正值降雨量和徑流量較大的豐水期,為考慮魚類產卵和育幼,則不應低于多年平均流量的30%。

表4 Tennant法的生態流量等級劃分評價標準Tab.4 Evaluation criteria for ecological flow classification by Tennant method

2.3 水文節律評價法

河流生態系統與水文節律變化有著明顯的生態-水文響應關系,獨特的水文節律特征形成特定水系的水生動植物種群分布以及塑造了河流棲息地特征[20-22]。河流生態流量除了應滿足基本需水量以外,還應盡可能使得生態環境棲息地維持年內豐枯變化的自然水情規律[23-25]。因此,水文節律常作為確定適宜生態流量的重要參考依據[26]。

本文采用SPSS-26軟件,將不同方法計算出的逐月結果與多年平均的逐月徑流量進行相關性分析。相關性系數越高,則說明計算的生態流量值能夠更好地反映河流流量年內豐枯的水文節律上的變化。

2.4 滿足程度評價法

生態流量的滿足程度是維持河流生態系統的重要衡量指標,也是為河流生態調度提供的重要科學支撐。本文以月平均流量進行生態流量的滿足程度保障率計算,以反映河流生態系統缺水的實際情況。

生態流量的滿足程度保障率指一定時段內河道內流量能夠滿足生態需水的系列長度與總系列長度的比值[27-29]。比值越大表明生態流量滿足程度越高,該時段內河流生態系統更健康。

3 結果分析

3.1 漓江生態流量需水程度分析

上述6種水文學方法計算的漓江生態流量具體結果見表5。

表5 各方法生態流量計算結果Tab.5 Results of ecological flow calculated by different methods m3/s

由圖4可得:年內展布法和Q90法在魚類產卵期無法滿足大多數水生生物棲息適宜條件的多年平均流量的30%,并且Q90法在全年范圍不滿足全年需水量低限,因此認為以上兩種方法并不適用。在魚類產卵期和全年范圍內,逐月頻率法所需水量最大;而在一般用水期,Tessman法所需水量最大;而過多的生態用水量可能導致該時段內其他產業的用水不足、加重“三生用水”的矛盾。整體來看,除Q90法和年內展布法以外,Texas法在符合最小的基本需水程度的前提下,分別在各時期對水量需求最小。

圖4 各方法計算生態流量結果占多年平均流量比值Fig.4 Proportion of ecological flow to annual average flow by different methods

3.2 漓江生態流量水文節律分析

漓江流域的生態流量在體現徑流年內逐月豐枯季節性變化特征方面發揮著重大的意義,不合理的水資源配置可能導致漓江原本灘潭交替、緩急自如的流態不復存在,多年來形成的河道生態系統平衡也會因河流流態變化而遭受破壞,甚至出現失調現象。

結合圖5和表6可得:Q90法各月生態流量數據一致,“全年一個值”的特征未能體現生態流量年內豐枯期的季節變化,因此認為該方法并不適用于漓江這樣季節性變化明顯的河流,這也是造成其計算結果與歷史水文節律無相關性的原因所在。而除Q90法以外的其他5種計算方法均在P≤0.01水平上呈顯著相關(雙尾),且相關系數均在0.9以上,水文節律擬合均較好。其中,年內展布法在水文節律模擬方面效果最好,相關系數達1.000,最能體現漓江徑流年內豐枯變化特征;逐月頻率法是除年內展布法外水文節律模擬效果最佳的,相關系數為0.993;Texas法次之,相關性系數為0.991。

表6 各方法計算的生態流量與多年平均流量相關性Tab.6 Correlation analysis between results of ecological flow calculated by different methods and annual average flow

圖5 各方法計算的生態流量結果對比Fig.5 Comparison of ecological flow calculated results by each method

3.3 漓江生態流量滿足程度分析

各個敏感時段的生態流量滿足程度也是維持其河流生態系統健康的重要基礎。漓江流域為山溪雨源性流域,一般用水期為8月至次年3月,其中,在10月至次年1月的枯水期水量相較4～7月的魚類產卵期差異較大,較低的滿足程度可能造成大量水生物種消減甚至滅絕。因此,本文分別從枯水期、一般用水期、魚類產卵期和全年時段不同時間尺度方面分別分析不同方法計算的生態流量的滿足程度。

綜合圖6和表7可看出,除Q90法和年內展布法外,在魚類產卵期、一般用水期、枯水期和全年時段的滿足程度保障率均較高的有Texas法和NGPRP法,各時期滿足程度保障率均在85%以上。NGPRP法在各時段的滿足程度保障率均次于Texas法,可能是由于NGPRP法缺乏對枯水年份組的考慮。Tessman法在枯水期、一般用水期和全年時段的滿足程度保障率最低,分別僅有35.94%、52.54%和66.02%;逐月頻率法在魚類產卵期的滿足程度最低,保障率僅達51.95%。而Texas法在各時期的滿足程度保障率均達90%以上,逐月保障率基本在90%以上,且在大多數月份的月保障率高于NGPRP法。

表7 各時段不同計算方法的滿足程度Tab.7 Satisfaction degree of different calculation methods in different periods %

圖6 各方法逐月滿足程度保障率Fig.6 Guarantee rate of monthly satisfaction degree by each method

3.4 漓江生態流量計算方法優選

年內展布法和Q90法均在魚類產卵期不足以滿足水生生物棲息的最低基本需水量,并且Q90法在水文節律上毫無相關性;Tessman法在一般用水期對水量的需求最大,在全年、一般用水期和枯水期滿足程度均較低;逐月頻率法在全年范圍和魚類產卵期對水量的需求最大,在魚類產卵期的滿足程度較低;而Texas法在水文節律上僅次于逐月頻率法,在不同用水期需水程度和滿足程度方面的各時間尺度上整體體現較佳,在需水程度、水文節律和滿足程度3個方面均有較好體現,且均較NGPRP法更有優勢。因此來看,利用Texas法計算漓江的生態流量最為合理。

4 結 論

本文基于桂林水文站1954～2017年的長系列月均流量數據,分析了Q90法、年內展布法、Texas法、逐月頻率法、NGPRP法以及Tessman法6種不同水文學方法計算的漓江生態流量。得到以下結論:

(1) 綜合分析需水度、水文節律以及滿足程度3個方面,取40%特定百分率的Texas法是最適合計算漓江生態流量的方法,在3方面均有較好的體現。

(2) 以Texas法計算漓江桂林水文站的逐月生態流量結果范圍為11.4～124.0 m3/s。其中,魚類產卵期為64.2～124.0 m3/s,一般用水期為11.4～38.9 m3/s。