基于生徑比的淮河流域中上游典型斷面生態流量研究

王俊釵　張翔　吳紹飛　朱才榮　劉建峰

摘要：基于選取的淮河中上游5條河流，11個斷面的典型魚類調查資料以及長系列（1956年-2000年）天然和實測逐月徑流數據，運用流速法（最小，平均，最大）、月最小徑流法、逐月頻率法設定四種生態流量的計算方案。首先，根據Tennant法提出針對豐、平、枯、特枯四種年型和年內汛期、非汛期差異的生徑比標準。然后，根據流速法三種計算結果滿足生徑比標準的情況選取合理的生態流量計算方案。研究表明：5條河流的最小和適宜生徑比大小關系均為渦河>沙潁河>淮河干流>淠河>洪汝河；滿足生徑比標準的難易程度為洪汝河>淮河干流>淠河>沙潁河>渦河。渦河、沙潁河生態需水滿足程度低，應提高生態用水比例。

關鍵詞：淮河；流速法；生態流量；生徑比；生徑比標準

中圖分類號：P333 文獻標志碼：A 文章編號：16721683（2016）05007107

人類用水需求與河流生態系統健康用水需求之間的均衡已經成為21世紀河流管理面臨的重要挑戰[13]。面對日益突出的水資源短缺、水污染嚴重、水生態環境惡化等問題，我國正在研究實施最嚴格的水資源管理制度，急需理論創新和管理方法創新。在水資源保護工作中，我們面臨嚴格核定和科學利用水域納污容量、充分考慮基本生態用水需求、恢復水環境、維護河湖健康生態的緊迫任務。生態需水研究標志著人類對自然生態系統需水的再認識，豐富了生態水文學的研究內涵，并對有效開展生態保護、促進生態建設和實現水資源合理配置具有重要意義[34]。

20世紀70年代-80年代，河流生態需水量研究開始蓬勃發展，大量學者進行研究提出了多種評估方法，比如Tennant法[5]、IFIM法[6]、濕周法、R2CROSS法等。20世紀90年代以后，研究重點轉向從完整性角度考慮整個流域生態需求和流量變化關系，出現了整體分析法如澳大利亞的HEA法。21世紀以后，我國眾多學者提出了滿足不同功能的生態需水計算方法，如王西琴等[7]提出的月保證率設定法、劉昌明等[8]提出的生態水力半徑法、潘扎榮等[3]提出并在淮河運用的年內展布計算法。但是，這些方法大都缺乏與河流徑流變化相適應的生態需水表征指標，針對不同目標采用不同計算方式導致計算結果風險大難以在水資源配置和保護中達到預期效果。朱才榮等人[9]提出表征生態需水與徑流變化相適應的生徑比概念，但沒有考慮年際徑流差異和年內汛期、非汛期分配特征對生徑比的影響。本文以淮河流域為例，應用流速法設定三種方案計算生態流量，制定基于Tennant法的考慮年際、年內分配特性的動態生徑比標準，依據該標準分析流速法各方案并選取合理方案確定生態流量，以期為人水矛盾突出的淮河流域的生態建設提供科學依據。

1 研究區域與數據資料

1.1 研究區域

本文以淮河流域中上游的洪澤湖以上區域為研究對象（圖1）。該區域地處我國南北氣候過渡帶，介于長江流域和黃河流域之間。多年平均降雨量約838 mm，降雨量50%～80%集中在6月-9月份；降雨年際變化大，豐水年的雨量多達枯水年的5倍；降雨地區分布也不均勻，北部沿黃河地區平均年降雨量為600～700 mm，南部及西部山區平均年降雨量為900～1 400 mm[10]。區內水系主要有洪汝河、沙潁河、渦河、南部山區水系和淮河干流。其中沙潁河流域和渦河流域生態用水與社會經濟用水矛盾突出。

1.2 數據資料

本研究針對的是淮河流域中上游5條干支流，其中北部支流為洪汝河、沙潁河和渦河水系，南部支流為淠河水系。按照穩定性、代表性、可靠性和連續性原則[11]選取了11個生態研究斷面，其中干流5個，支流6個（圖1）。收集11個斷面1956年-2000年的天然和實測月均徑流序列，并根據淮河流域水資源保護局、華東師范大學、中科院地理科學與資源研究所2006年實施的淮河流域生態調查所采集的魚類信息得到各斷面的典型魚類[1213]（圖1），其中新蔡、班臺和阜陽斷面，王家壩和淮濱斷面的典型魚類相同。依據11個斷面的長期流速流量觀測資料得到流速流量經驗關系為：[WTB1X]v[WT]=aQb，其中a、b為經驗系數，其取值見表1。

2 研究方法

2.1 流速法

流速法認為滿足水生生物相應的流速要求也就滿足了水生生物對棲息地的相應要求，以流速作為棲息地指標來確定河道生態流量[11]。其原理是根據斷面關鍵指示性物種確定生態流速，再依據斷面（[WTB1X]v[WT]Q）關系得到斷面生態流量。對于生態調查資料相對缺乏的河段一般選擇魚類作為指示性物種，調查各種魚類的生活習性，并確定其產卵期和非產卵期的感覺流速、喜愛流速和極限流速范圍，得到最小及適宜生態流速。由于當非產卵期流速為01 m/s時，魚類游動緩慢僅在特定區域作小幅運動，故本文取01 m/s為非產卵期最小生態流速[14]，以感覺流速為產卵期最小生態流速。喜愛流速的上限和下限則分別作為產卵期和非產卵期適宜生態流速[15]。淮河流域中上游主要典型魚類的生態流速見表2。

考慮斷面魚類多樣性、用水矛盾的差異，以結合生徑比標準選取合理的生態流量計算方案。將最小和適宜生態流速均劃分為三種方案（表3）。方案四采用常用的逐月最小生態徑流法[16]（計算最小生態流量）、逐月頻率計算法[17]（計算適宜生態流量），用以驗證流速法計算結果的合理性，其中逐月頻率計算法按照以下規則確定適宜生態流量[18]：冬季取80%月徑流保證率、春秋季取75%、夏季取50%。

2.2 生徑比標準

生徑比指一定時空范圍內生態系統為維持某一生態目標狀態所需的生態需水量和其天然徑流量之比[9]。根據時間尺度的不同分為年、汛期非汛期、月及日生徑比。生徑比可以反映生態需水量的動態變化特征及與天然徑流之間的吻合情況。為使生態流量更好的體現河流生物棲息地需水的年際和年內變化，采用距平百分率將長期徑流系列資料劃分為豐、平、枯和特枯四種年型[19]。計算不同年型及其年內汛期、非汛期的生徑比并制定相應的生徑比標準。

2.2.1 年生徑比標準

采用基流比例法[20]計算不同年型年生徑比。首先確定某一年型的生徑比；其次根據各年型多年平均流量的比值采用式（1）推求不同年型生徑比之間的關系；由各年型生徑比之間的關系計算得到其它年型的生徑比。

2.2.2汛期非汛期生徑比標準

我國河流的汛期一般是河道內生物生長的高峰期，河道流量大，生態流量也相對較大；非汛期河道流量小，生物生長緩慢，生態流量小。總體而言，由于汛期水量增長相對于生態需水量快，所以非汛期生徑比應大于汛期。采用下述方式進行處理。

3 結果與分析

3.1 生態流量

根據各個斷面的魚類調查結果、表2列出的魚類不同時期的生態[HJ2.5mm]流速和表1所列的vQ經驗關系系數計算得到各斷面的逐月最小和適宜生態流量。以淮濱斷面為例，由圖1知淮濱斷面調查到的魚類為鯉、鯽、餐、鰱、鳙、光澤黃顙魚、蛇鮈、銀鮈、蒙古鲌，以這些魚類為斷面關鍵物種，依據本文21節魚類生態流速的確定方法確定最小和適宜生態流速，進一步得到逐月最小和適宜生態流量（表8）。其它各斷面的計算結果鑒于篇幅所限不再列出。

由圖2可知，在汛期（6月-9月）流速法三種方案計算的最小和適宜生態流量均小于最小徑流法和逐月頻率法；而在非汛期流速法計算的適宜生態流量均大于逐月頻率法，非汛期除11、12月方案三結果均大于最小徑流法；表明汛期流速法結果較水文學法偏小即一般情況下汛期生態流量可以得到滿足。用Tennant法進行檢驗，流速法計算最小生態流量除方案三在4月-9月對應差（生徑比03）外，其它均對應極差（生徑比0～01）。這并不說明流速法計算結果偏小，而是由于淮濱斷面屬于淮河干流，河面寬敞，根據Tennant法可知，若大江大河的生態流量占其平均流量的5%～10%并保有一定的河寬、水深和流速，便可以滿足魚類回游、生存和旅游、景觀的一般要求[21]。

3.2 生徑比

3.2.1 年生徑比

不同年型淮河水系主要河流最小年生徑比和根據本文2.2節所計算的年生徑比標準見表10。可以根據表10動態選擇不同河流不同年型的流速法方案，如渦河豐水年選取方案二，其它年份選取方案一。

3.2.2 汛期非汛期生徑比

根據流速法計算結果計算11個斷面不同年型的汛期、非汛期最小和適宜生徑比。

由圖3知，不同等級下流速法結果滿足生徑比標準情況存在差異。最小生徑比計算結果中大部分僅需方案一即可滿足Tennant法所定的標準，適宜生徑比（除沙潁河和渦河外）則至少需要方案二才能滿足，豐水年洪汝河斷面各方案均不能滿足所定標準，主要原因是河道水力坡度較大，生態流速易于達到要求，故而采用流速法所求結果較小，不易滿足以歷史流量為基礎的水文學法所定的標準。不同水平年流速法結果滿足情況亦不一樣。豐水年及平水年用流速法所求生徑比結果較小于枯水年和特枯年，從而較不易滿足Tennant法所定生徑比標準。年內不同時期其滿足情況也不一樣，因適宜等級下非汛期生徑比標準遠大于汛期，從而使得生徑比在非汛期比汛期更難滿足，以致非汛期需更高方案來滿足生態需水要求。

圖3表明，沙潁河和渦河采用方案一即可滿足基于Tennant法制定的最小生徑比標準；淮河干流最小生徑比標準僅需方案一即可滿足，適宜生徑比標準則至少需要方案二才可滿足；淠河則與淮河干流類似，但其較淮河干流更易獲得滿足；洪汝河最難滿足。各水系滿足生徑比標準的難易程度為渦河<沙潁河<淠河<淮河干流<洪汝河，這與水系生態需水保證率大小關系基本相反，該結論為洪汝河、淮河干流及淠河等干支流采用較高等級流速法方案提供了依據，而渦河在水資源緊缺現狀條件下應采用方案一以防止生態系統健康進一步惡化；沙潁河則應在適當條件下（如豐水年和平水年）采用方案二或方案三來改善生態環境。因此一定程度上，流速法及Tennant法生徑比標準可為維持流域內生態系統健康的宏觀把握，為水資源調度管理提供一定參考依據。

4 結論

本文剖析和發展了生徑比概念的內涵、特征，并基于Tennant法提出了考慮徑流年際變化、年內汛期和非汛期差異的生徑比標準，應用流速法設定三種生態流速方案計算得到不同等級的最小、適宜生態流量及其對應的生徑比。根據該生徑比滿足生徑比標準的難易程度，選取動態生態需水方案，從而與徑流變化相適應。研究表明：時間上，枯水年和汛期易滿足生徑比標準；空間上，渦河、沙潁河較淠河、淮河干流、洪汝河更易滿足生徑比標準；渦河、沙潁河需要提高河道生態用水比例以改善河道生態環境；不同河流在不同年型、年內不同時期可以動態選取生態流量。

本文研究尚存在一些缺陷，由于河道生態需水受水質和水量的雙重約束，而本文僅從水量角度研究生態流量和生徑比的動態變化規律，以后可以從水質水量耦合角度研究生徑比規律，以期提供更科學的生態需水計算方案。

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