基于多方法的汾河干流中游生態流量計算

申 瑜

(山西省水文水資源勘測總站，山西 太原 030001)

在全球氣候變化和區域社會經濟迅猛發展的共同作用下[1]，人類對水資源的利用情況加劇，且多用于工農業生產和生活用水，導致了河道內天然流量的降低，情況嚴重時，可能會出現河道斷流，河道基本生態環境遭到了嚴重破壞[2]。河流維持生態環境功能需要河道保持一定的水量，但又需開發利用水資源，河流生態環境保護與水資源利用之間存在矛盾。為平衡二者之間的關系，水利專家學者們提出了生態流量的概念。生態流量是維護河流基本形態和水生生物基本棲息地的河道內最小流量，生態流量的研究是實現河流生態環境健康、可持續發展的必要前提。

目前生態流量計算方法很多。在20世紀40年代末，美國率先在其西部地區開展了對河流生態流量的評估，到了70年代，估算方法進入了快速發展的階段，出現了各種類型的生態流量計算方法[3]。1976年Tennant[4]提出將10%的多年平均流量作為河流水生物可以生存的底限流量；1980年美國魚類及水資源保護部門[5]研究了一種適用于中小型棲息地的IFIM法，該方法可以評價水資源的開發管理對河道內魚類及生態系統的影響，可較好解決河道內最小需水量；2007年，國際環境大會上ELOHA法(以整體法為基礎)受到重點推薦，并作為發展較好的整體法得到全世界廣泛使用。國內河流生態流量計算方法多為改進的水文學及水力學方法，隨后學者們根據自身經驗及實驗研究提出了很多新的生境模擬法和整體分析法的相關計算方法。林夢珂等[6]基于渭河干流主要控制斷面，提出了改進年內展布法，除去多年河道月徑流資料的最大最小值，分年內汛期和年內非汛期計算兩個時段的同期均值比，得出計算年限內的綜合生態流量；徐偉等[7]在利用傳統水文方法進行生態流量推算時受到人為因素的干擾，導致觀測到的徑流序列值偏小，提出了一種改進的7Q10法；阿金寰[8]運用生態流量計算方法Texas法對倭肯河中下游進行生態需水量的計算，以中游倭肯水文站多年月徑流數據為例，通過Texas法對倭肯河流域生態流量進行成果分析及結果優選，以探求Texas法在東北地區河流的適用性。

當前生態流量計算方法多種多樣且多為國外引進，每一種計算方法法的適用性、側重點和需要的數據類型都不同，計算結果也有較大差異，沒有任何一種計算方法可以匹配所有的河流，單一的生態流量計算法不能保證其精度與適應性的問題。因此在實際工作中應根據河流所處的區域位置，綜合考慮生態保護的要求、河流生態系統結構和功能的特點等，采用多種生態流量計算方法，結合河流自身的生態環境確定最終生態流量取值?；诖?，本文以汾河干流中游段為研究對象，分析了汾河中游河道水文特征和水力特征，選取了14種方法計算蘭村、汾河二壩、義棠和趙城4個典型斷面的逐月生態流量，并對各方法計算結果進行年內保障性分析，最終確定每個斷面各月份生態流量推薦值及計算方法，為汾河流域的生態保護工作提供支撐。

1 研究流域概況

起源于山西省寧武縣管涔山的汾河，是山西省最大的河流，自北向南流經27個縣(市、區)，在萬榮縣榮河鎮廟前村匯入黃河。省境中部偏西地區為汾河流域，其整體呈現出不規則帶狀，從南到北全長412.5km，河道從東到西寬188km，流域面積39471km2，干流長716km，占山西省國土總面積的25.3%。汾河干流按河流特征可分為上、中、下游3部分，其中本文主要對中游段太原蘭村至洪洞趙城的河流水系及生態流量情況進行具體研究及計算。中游全長244km，流域面積20509km2，屬平原性河流，較大支流有瀟河、文峪河、昌源河等，是全河防洪的重點河段。汾河流域為大陸性季風氣候，春夏秋冬四季分明，中游降雨年內分配極不均勻，多年平均降水量為495.7mm。其中約60%集中在汛期7、8、9月。氣溫差異明顯，多年平均氣溫約為10.4℃，多年平均蒸發量約為1819.8mm。

2 研究數據與方法

2.1 數據來源

按照計算方法對數據的要求，本文收集了汾河中游蘭村、汾河二壩、義棠、趙城4個重點斷面的1974—2020年月實測徑流數據、日徑流數據及各斷面實測大斷面資料。數據均來源于山西省水文水資源勘測總站，、天然流量數據經實測流量還原得到。

2.2 生態流量計算方法

生態流量是基于算法導向的，計算方法大致可以劃分為水文學法、水力學法、棲息地法和整體法4種[9]，其中水文學方法具有計算簡單快速、計算資料容易獲取、無需現場測量等優點，但沒有考慮流量、水質和水生生物等因素，未涉及水生態響應機理，計算結果不夠精確；水力學方法的評價方式一般為水力參數，適用于穩定的河道，數據需求為水力數據，也相對易得。然而，該類方法的生態流量為一個定值，無法反映生態流量的年內、年際變化，也無法反映水生物需水量的年內變化；生境模擬法在計算生態流量時充分考慮了生物生長環境和棲息地環境，計算結果更實用，但其所需的生物數據較缺乏，相關性分析較復雜，計算結果的準確性較低；整體分析法是考慮因素最多最全面的一類計算方法，其優勢是能夠兼顧各種生物、環境等對生態流量的需求，體現出了河道生態系統的整體特性，但不足之處在于需要大量的數據和多學科專家們的意見，很難實施[10]。

不同類型的河流生態流量計算方法有其相應的應用領域，對應的基礎資料也不同。其中生境模擬法和整體分析法所需資料較難獲取，且計算時還需專業人員進行實地勘測、實驗考察[11]，因條件的限制，這兩類方法更加適用于小流域，不適用于受人類影響較大，水污染較嚴重，同時對于流域內水生物的生活階段的研究還沒有充分數據的河流。而水文學法和水力學法這兩大類方法由于資料易獲得、計算簡單，所以被廣泛地應用于生態流量的計算中。分析汾河中游在河道的水文、水力和水生態特征，①水文特征：汾河屬于中國北方大型常流河，河道徑流量隨著季節改變而改變，夏季流量大，冬季流量小，有結冰期，含沙量大；②水力特征：該河段縱坡較緩，平均縱坡約1.7‰，由于匯入支流多，徑流量大，坡度緩，汛期排泄不暢；③水生態特征：研究河段為汾河中游，水生生物以鯉魚、鯰魚為代表?；诖耍x用13種水文學法：蒙大拿法、改進蒙大拿法、NGPRP法、Texas法、7Q10法、頻率曲線法、年內展布法、逐月頻率計算法、Q90法、最小月平均實測徑流法、Lyon法、Tessman法和月流量變動法(VMF)；1種水力學法濕周法，共14種方法計算汾河干流中游逐月生態流量。

2.2.1水文學方法

水文學法出現最早并且應用最廣泛，也稱作歷時流量法。該方法適合任何地區，只需要歷史流量數據資料就可推求得到生態流量，評價方式一般為水文指標法。目前常用的水文學方法有蒙大拿法[12]、Texas法[8]、NGPRP法[13]、7Q10法[14]、RVA法[15]等，本文選用的水文學計算方法的適用性特征見表1。

表1 水文學計算方法的適用性特征

2.2.2水力學方法

水力學法是以水力、水文資料為基礎，依據河道水文參數與水力參數之間的相互關系，以曼寧公式為基礎公式，建立濕周與流速、流量之間的相關關系，并繪出相應的相關關系圖，從而得到生態流量[16]。本文選用的水力學計算方法的適用性特征見表2。

表2 水力學計算方法的適用性特征

3 結果分析與討論

3.1 不同方法計算結果對比

為保證計算結果的準確性和實用性，更好地利用在水資源規劃管理中，采用多種方法確定蘭村、汾河二壩、義棠、趙城4個斷面的生態流量。本文將生態流量的計算做到月尺度上。以蘭村為例，利用以上14種方法計算得到的生態流量結果見表3。同時繪制14種方法的生態流量計算結果曲線圖，如圖1—4所示。

圖1 蘭村斷面生態流量曲線圖

圖2 汾河二壩生態流量曲線圖

圖3 義棠斷面生態流量曲線圖

圖4 趙城斷面生態流量曲線圖

表3 蘭村斷面生態流量計算結果統計表 單位：m3/s

將多種方法計算的4個斷面逐月生態流量過程繪制成上圖進行對比，結果表明：整體而言，4個斷面各種計算方法結果具有一定的相似性，其中逐月頻率計算法的生態流量計算結果最大，Tessman法次之；蘭村斷面頻率曲線法計算結果最小，汾河二壩、義棠、趙城斷面頻率曲線法計算結果最小。逐月頻率法計算的4個斷面的生態流量在汛期大于其他方法。從年內豐枯季節變化來看，蒙大拿法、改進蒙大拿法、NGPRP法、Texas法、頻率曲線法、年內展布法、逐月頻率計算法、Lyon法、Tessman法、月流量變動法(VMF)都能較好地體現年內豐枯季節變化過程；7Q10法、Q90法、最小月平均實測徑流法、濕周法計算出的生態流量均為固定值，不能體現年內的季節變化。

從圖1—4計算的生態流量計算結果可以看出，4個斷面在12、1、2月的生態流量都很小，但是在3月的時候，卻出現了明顯的增長，這是由于汾河流域在12、1、2月時處于冰凍期，徑流本來就很少，但是在3月的時候，由于河水的融化，徑流變得更大了且由于3月春季灌溉需水增大，導致3月流量的急劇增長。

3.2 生態流量年內保障性分析

本文用生態流量年內保障率作為生態流量年內保障性分析的依據。生態流量年內保障率是指各月份生態流量得到保障的年數占總年數的比值。通過計算得出1974—2020年蘭村、汾河二壩、義棠及趙城斷面生態流量年內保障率，并繪制成折線圖，如圖5—8所示。

圖5 蘭村斷面生態流量年內保障率折線圖

圖6 汾河二壩生態流量年內保障率折線圖

由圖5—6可以看出，蘭村和汾河二壩斷面在各個月份的生態流量保障率總體趨勢是一致的，Q90法測定的生態流量保障率是最高的，90%的保障率是其次的，這兩個斷面在1、2、12月的保障率都很低，3、11月的保障率是最高的，其余月份的保障率都是波動變化，這是因為1、2、12月的氣溫都比較低，而3、11月的保障率是最高的，這是因為1、2、12月河道結冰，河水的流量很少，所以不能保證河流的徑流量滿足生態系統的需要，同時因為要滿足春灌要求，河水的徑流量在3月增加。11月是因為秋季灌溉的需要，導致了該段的實測徑流增大，因此蘭村和汾河二壩的3、11月，該段的生態流量保障率較高；采用不同方法計算的蘭村和汾河兩個斷面在非汛期的生態流量保障率相差不大，以Q90法計算的生態流量保障率在非汛期為最大，以逐月頻率法計算的生態流量保障率最低。

由圖7—8可以看出，義棠和趙城兩個斷面用不同方法計算出的生態流量保障率在各個月的變化趨勢上是相似的，其中在義棠區域用Q90法計算出的生態流量保障率是最大的，其次是典型水文頻度年法，最后是Tessman法計算出的生態流量保障率是最小的?？傮w上表現為在汛期得到較高的保障，在非汛期得到較低的保障。采用多種方法計算得到的趙城斷面3月的保障率低于其他月份，是因為中游灌區春季灌溉取水過多，占據了一部分流量，從而造成了河流流量減少；在汛期，除了頻率曲線法和NGPRP法之外，其余方法獲得結果都很低，特別是在汛期的6—7月，這可能是由于水庫在汛期大量蓄水，反而造成河道內水量的減少，不能滿足河道維持生態環境功能的最少流量。

圖7 義棠斷面生態流量年內保障率折線圖

圖8 趙城斷面生態流量年內保障率折線圖

3.3 各月份生態流量過程推薦

根據汾河流域的具體條件，將其分為汛期(7—9月)和非汛期(1—6月和10—12月)兩個階段，并將非汛期分為結冰期(1、2、12月)和一般用水期(10—11月和3—6月)。4個斷面各月計算的最終生態流量推薦值見表4。

表4 汾河干流中游斷面各月份生態流量過程推薦值 單位：m3/s

根據汾河天然徑流的特點，對4個斷面用不同方法計算出的生態流量進行了保障分析，由于1、2、12月的河水流量都是很小的，所以只要考慮到能夠保持河流生態系統穩定所需的最低水量就可以了，所以，建議生態流量的計算結果按照蒙大拿法的計算結果；在一般用水期，生態流量能為水生生物的存活創造有利的環境，建議使用最小月均實測徑流的方法，但是在3月，4個斷面上，由于河水融化及蘭村和趙城斷面受到了春秋兩季灌溉用水的影響較大，為了保持基本的生態系統穩定性，我們選取了顧及生物棲息地的濕周法的計算結果來作為生態流量值；在汛期，為了更好地反映出流域年徑流量對流域生態環境的影響，建議使用年內展布法進行生態流量計算。

4 結論

(1)14種方法得出的生態流量成果差異很大，Q90法計算的生態流量結果最小，逐月頻率法計算的生態流量在汛期大于其他方法。改進蒙大拿法、NGPRP法等都能較好地體現年內豐枯季節變化過程。

(2)通過年內保障性計算分析，并結合汾河實際情況得出3月是汾河中游需要重點監護的時段。

(3)將生態流量過程劃分為汛期與非汛期，非汛期又包括結冰期及一般用水期。結冰期(1、2、12月)的生態流量推薦采用蒙大拿法的計算結果；一般用水期(10—11月和4—6月)生態流量推薦采用最小月平均實測徑流法的計算結果，3月作為汾河中游的重點監測時期，選擇濕周法的計算結果作為生態流量值；汛期(7—9月)生態流量推薦采用年內展布法的計算結果。