基于徑流還原的桑干河生態基流及其盈缺分析研究

陳凱霖， 馮民權， 王丹丹

(西安理工大學 省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室， 陜西 西安 710048)

1 研究背景

河流是地球系統中必不可少的組成成分，是水文循環的重要路徑，對于全球物質、能量的傳遞有著十分重要的作用[1-2]。為了社會經濟的發展，人們不斷地對河流資源進行開發和利用，這導致了天然河流的水文情勢發生改變，出現了河道徑流量減少的問題。為了保護河流生態系統，需要維持河道一定的流量，因此，河流生態基流的研究變得非常重要。同時由于水利工程的影響，目前大部分水文站實測資料已經不能反映天然情況，這對河流生態基流量的確定產生了誤差。因此需要對測站以上受人類影響部分的水量進行還原[3]。學者將受近期下墊面條件[4]和人類影響的河川徑流還原到過去沒有人類影響的天然徑流，稱為還原計算[5]。在實際中進行還原計算時，一個完全未受到人類活動干擾的分界點是難以確定的，也就是說很難區分出人類活動對流域產生影響的分界時間。

20世紀末，研究者在對天然徑流進行還原計算時多數采取逐項還原法[6]。1985年，鄭濯清[7]提出了逐項還原法和降雨徑流相關法，張佑民[8]和陸中央[9]分別對逐項還原法進行了補充說明和進一步的發展。針對于南方地區還原較為困難，夏岑嶺等[10]提出了水文模擬法，余曉珍[11]將水文模擬法應用于太湖流域，許嘉模等[12]在平原水網區對徑流還原做出了成果。21世紀初期，研究者對天然徑流的還原計算方法有了更深的認識。沈宏[6]、宋承新等[13]以及李龍輝[14]對天然徑流還原的方法做出了進一步的探究。王忠靜等[15]對于徑流還原的失真與失效的情況進行了闡述，耿玉琴[16]針對平原河網方面做出了探究。一些學者開始利用分布式模型進行水資源評價[17-18]，學者們主要在水文模擬法上進行了較多的研究。陳佳蕾等[19]在SWAT模型下對徑流還原方法進行了研究，范輝等[20]將天然徑流還原方法與VIC模型相結合進行了探究。

綜上所述，以天然徑流量的10%(極限最低流量)作為保證河道生態系統的最小生態基流量。取羅莊、固定橋、冊田水庫水文站作為典型斷面，采用典型Tennant法來計算桑干河的生態基流量。由于Tennant法計算時采用河道天然徑流，因此先對實測徑流進行還原。其次對桑干河河道生態基流量進行計算，在天然徑流量的10%為基礎下，對其進行多年平均河道生態基流的分析以及不同頻率年分別計算生態基流量。通過結果分析，可以更加直觀的明確河道生態基流量的變化情況。并通過對比桑干河不同水文站1980-2015年長系列實測徑流與對應生態基流，分析桑干河年際生態基流盈缺情況。

2 桑干河徑流還原計算分析

2.1 流域概況

桑干河是山西省第二大河流，發源于寧武縣管涔山廟兒溝,桑干河從西向東流經朔州市，在東榆林水庫設有監測斷面，即為羅莊水文站;桑干河在古家坡附近進入大同市，在固定橋設有水文站進行監測。桑干河經過冊田水庫，最后進入河北省后匯入永定河。桑干河長506 km，流域面積2.39×104km2,桑干河水系圖如圖1所示。流域內屬北溫帶較干燥的大陸性氣候，流域內多年平均降水量350～400 mm，多年平均蒸發量為1745.8～2035.6 mm，多年平均氣溫6.5～7.9℃，多年平均風速為2.2～2.6 m/s，汛期最大風速達19 m/s，最大凍土深為1.57 m。

水文站實測得到的斷面徑流量，已不能真實反映本流域的天然來水量，實測徑流量與斷面天然徑流量存在較大差別。因此需對水文站實測徑流量進行還原，以便準確計算桑干河生態基流。選用了羅莊、固定橋、冊田水庫共3個水文站的流量資料，包含18個雨量站的資料以及羅莊和冊田水庫兩個蒸發站的資料。收集到了1980年-2015年各觀測站的相關資料，觀測資料可靠。

圖1 桑干河水系圖

2.2 徑流還原計算

在現有資料基礎上，采用逐項還原法對徑流進行還原，針對1980-2015年系列，在對桑干河羅莊-固定橋、固定橋一冊田水庫逐年計算時，采用逐項還原法，公式表示如下：

W天然=W實測+W農耗+W工業+W生活+W庫蒸+

W庫滲±W蓄變±W引水±W分洪

(1)

式中：W天然為天然徑流量，m3；W實測為實測徑流量，m3；W農耗為農業灌溉地表水耗損量，m3；W工業為工業地表水耗損量，m3；W生活為城鎮生活地表水耗損量，m3；W庫蒸為庫區水面蒸發與陸面蒸發差值，m3；W庫滲為水庫、閘壩滲漏量，m3；W蓄變為計算時段始末的蓄變量，m3，增加為正，減少為負；W引水為跨流域引水量，m3，引入為負，引出為正；W分洪為河道分洪決口水量，m3，分出為正，分入為負。

在逐年分析還原工作中對引出水量全部還原，對引入水量以退水量進行還原計算。考慮到地下水引水退水量是包含在實測水量當中的部分，因此需要扣除這部分取用地下水耗損后入河排水量。同時考慮到城市用水問題日益凸顯，在還原時需要扣除抽取地下水的水量。經計算，羅莊、固定橋、冊田水庫水文站實測徑流量還原結果見表1。

表1 1980-2015年各水文站實測徑流量與還原徑流量比較 104m3

由表1實測徑流與還原徑流對比分析可以看出，采用逐項還原法還原羅莊、固定橋、冊田水庫水文站1980-2015長系列流量資料，還原后的天然徑流量較實測徑流量均增大。羅莊水文站還原后的天然年平均徑流量比實測徑流量增加了9 453×104m3，固定橋水文站增加了30 206×104m3，冊田水庫水文站增加了35 805×104m3。

3 桑干河生態基流分析研究

取羅莊、固定橋、冊田水庫水文站作為典型斷面。以天然徑流量的10%(極限最低流量)作為保證水生生境的最小生態基流量。

3.1 最小月平均流量法計算

最小月平均流量法：即以河流最小月平均實測徑流量的多年平均值作為河流的基本生態環境需水量。最小月平均流量法計算所得結果見圖2，由圖2可看出1980-2015年最小月平均徑流量變化。由羅莊、固定橋、冊田水庫水文站計算得出桑干河最小月平均生態基流量分別為0.58、0.47和0.12 m3/s。

圖2 不同水文站1980-2015年最小月平均徑流量

3.2 Tennant法計算

將生態環境與水文情勢聯系在一起，分析河流水力斷面參數與歷史流量百分比的關系，選取提前確定的年天然徑流量的10%、30%和60%作為河流生態基流的推薦值。10%為河道流量的下限，若河道流量低于10%，則河流生態系統不健全，水環境問題會日益凸顯，生態環境功能將逐漸喪失(見表2)。

表2 Tennant法平均流量百分率的取值

選取羅莊、固定橋、冊田水庫水文站從1980年至2015年的天然徑流量，通過分析以及計算河道生態基流量見表3。從表3中可以看出羅莊、固定橋、冊田水庫3個水文站的河道生態基流量分別為0.67、1.29和1.39 m3/s，滿足完全最小值。滿足適宜生境的最小平均流量分別為4.03、7.74和8.34 m3/s。

表3 采用Tennant法計算不同百分率生態基流量 m3/s

取天然徑流量的10%為河道生態基流量，分多年平均和代表年兩種情況對河道生態基流進行分析計算。

3.2.1 多年平均河道生態基流的分析 通過對羅莊、固定橋、冊田水庫水文站1980-2015年天然徑流量的分析，選取各月均值的10%作為桑干河生態基流量，見圖3。

由圖4～6以看出，近年來隨著人為因素影響的日趨嚴重，天然徑流量較以往有所減少；且天然徑流均比實測徑流大2倍以上，表明人類活動及水利設施的建設，對河道徑流有明顯影響。由表4采用Tennant法計算得到羅莊、固定橋、冊田水庫水文站的生態基流結果可以看出：平均天然年徑流量分別為210×106m3、410×106m3和440×106m3。將多年平均徑流分為兩個時段來看，前期(1980-1997)由羅莊、固定橋、冊田水庫水文站計算出的河道生態基流量分別為0.79、1.54與1.63 m3/s，近期(1998-2015)計算出的河道生態基流量分別為0.55、1.04與1.55 m3/s。

圖3 用Tennant法對多年平均河道生態基流的分析結果

圖4羅莊水文站天然與實測多年徑流量變化圖5固定橋天然與實測多年徑流量變化

圖6 冊田水庫水文站天然與實測多年徑流量變化

3.2.2 代表年法 Tennant法沒有區分不同頻率年的差異，因此采用水文年排頻法，針對枯水年、豐水年和平水年來計算生態基流量。依據水文頻率計算結果最終選取的代表年為：P=25%、P=50%、P=75%和P=90%。采用1980-2015年的年均流量計算成果，計算不同保證率對應的各月份河道生態基流量，最終結果如表4所示。

表4 不同水文頻率年河道生態基流量 m3/s

不同頻率年各水文站汛期與非汛期生態基流量對比見表5。從表5可以看出，豐水年(P=25%)到枯水年(P=90%)計算出的各水文站生態基流量有所不同，其中羅莊在不同頻率年的年均生態基流量依次約為0.81、0.65、0.50和0.42 m3/s，固定橋在不同頻率年的年均生態基流量依次約為1.50、1.18、1.02和0.83 m3/s，冊田水庫在不同頻率年的年均生態基流量依次約為1.60、1.32、1.13和0.91 m3/s。

表5 不同頻率年汛期與非汛期生態基流量對比 m3/s

3.3 生態基流計算結果討論

分別采用最小月平均流量法和Tennant法計算了羅莊、固定橋、冊田水庫水文站的生態基流量，計算結果見表6。從表6可以看出，采用不同計算方法計算出的羅莊、固定橋及冊田水庫水文站不同頻率年的生態基流量分別占多年平均天然徑流量的6.3%～12.1%、3.6%～11.6%和0.9%～11.5%，其中最小月平均流量法計算所得的生態基流值最小(羅莊水文站除外)，Tennant法25%頻率年計算出的生態基流量最大。且Tennant法多年平均計算結果介于25%和50%頻率年的計算結果，符合河流實際情況，表明采用Tennant計算所得生態基流值合理，可作為桑干河河道生態基流參考值。

由于本研究的目的是為保證河道常年不斷流，且桑干河沿河有不同水文站點，因此在確定生態基流值時分別以不同站點的生態基流作為該河段的基流值，見表7。由表6生態基流綜合分析結果可知，對比不同方法計算所得生態基流，最終確定的各水文站生態基流下限值分別為：羅莊0.50 m3/s，固定橋1.02 m3/s，冊田水庫1.13 m3/s。

表6 兩種方法下生態基流量計算結果的比較

表7 各水文站生態基流量綜合分析值 m3/s

4 河流生態基流盈缺分析

生態基流的盈缺情況以及水量如何調配才能滿足生態基流的要求是河流生態環境健康發展研究的基礎。為了使河道不會出現斷流現象，本研究采用不同水文站點的生態基流量進行缺水分析。

通過對比桑干河不同水文站1980-2015年長系列實測徑流與對應生態基流(圖7～9)，分析桑干河年際生態基流盈缺情況。由圖7～9可以看出，桑干河1980-2015系列年多年實測徑流量基本能滿足河道生態基流量，但各水文站滿足情況有所不同，其中固定橋和冊田水庫段均出現不同程度的缺水情況。冊田水庫段缺水最為嚴重，超過1/3的年份實測徑流量明顯不能滿足河道生態基流量，表明上游水利設施及人類活動用水對桑干河下游的徑流有很大影響。另一方面，隨著年代的增加，不同水文站實測徑流量均呈下降的趨勢，實測徑流量在近期甚至小于生態基流量，說明近年來桑干河已經出現了缺水情況，同樣表明人類活動對地表徑流量的影響是密切相關的。

桑干河近年來水量減少，且汛期和非汛期的徑流量有明顯的差別，特別是汛期徑流量減少，所以年際的生態基流盈缺情況并不能完全反映生態基流盈缺的真實情況，有必要對其年內生態基流盈缺情況進行分析。

通過對比桑干河不同水文站4個典型頻率年的年內實測徑流量與對應生態基流量來分析河道的年內生態基流盈缺(圖10～12)，由圖10～12可以看出，不同典型年實測徑流量的變化趨勢有所不同，但同時反映出的基本趨勢為汛期徑流量大于非汛期。實測徑流總體趨勢反映出豐水年>平水年>枯水年>特枯年，不同水文站典型年的實測徑流與生態基流對比結果反映出豐水年各月份的平均實測徑流量均能滿足其生態基流的需要；平水年汛期可以滿足生態基流，非汛期無法滿足基流，表明非汛期缺水較為嚴重，原因是河道天然徑流的減少以及桑干河灌區引用水量的增加，使得桑干河生態基流缺水越來越嚴重，不能滿足的月份也增多；而枯水年狀況更為嚴重，固定橋和冊田水庫即使在汛期也無法滿足基流，且年內至少有8個月份出現缺水。可見典型年生態基流總體缺水狀況較為嚴重，甚至汛期徑流量也不能滿足生態基流的要求，急需對其水資源進行合理調配。

圖7羅莊1980-2015年實測徑流與生態基流對比圖8固定橋1980-2015年實測徑流與生態基流對比

圖9冊田水庫1980-2015年實測徑流與生態基流對比圖10羅莊典型年實測徑流與生態基流對比

圖11固定橋典型年實測徑流與生態基流對比圖12冊田水庫典型年實測徑流與生態基流對比

對桑干河河道生態基流量的盈缺情況進行分析后，發現桑干河生態基流存在不同程度的缺水，在非汛期時，桑干河生態基流的缺水情況最為嚴重。為滿足生態基流的要求，應當合理配置水資源，在確定影響桑干河生態基流缺水因素的前提下，著重分析影響程度。可通過對桑干河沿線較大的用水單位的分析，采用合理分配用水單位間水資源的方法來達到保障桑干河生態基流的目的。

5 結 論

(1)通過Tennant法和最小月平均流量法對桑干河不同水文站羅莊、固定橋及冊田水庫生態基流分別進行了分析計算，Tennant法多年平均生態基流量計算值介于25%和50%頻率年的計算結果，符合河流實際情況。綜合分析得到各水文站生態基流下限值分別為：羅莊0.50 m3/s，固定橋1.02 m3/s，冊田水庫1.13 m3/s。

(2)通過對河道生態基流量系列做比較，發現由羅莊水文站計算出近期河道生態基流量比前期減少了30.5%，由固定橋水文站計算出其河道生態基流量減少32.1%，由冊田水庫水文站計算出其河道生態基流量減少了29.3%，表明近年來在各種人為因素、自然因素的驅使下，使得河道基流量大為減少。

(3)通過對桑干河灌區引水與河道實測徑流量變化對比，發現其引水對河道生態基流起到了制約作用，近年來尤為明顯。為了改善生態基流的缺水狀況，需要依靠多種途徑來調節桑干河灌區的現狀引水量。

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