基于生態水文學法長江荊江三口生態流量研究

王鴻翔，李萌萌，查胡飛，郭文獻

(華北水利水電大學，鄭州 450045)

0 引 言

河流生態流量研究是河流生態水文學中的新興范疇，主要分析流域維持自然生態系統穩定所需流量和人類用水之間的相互平衡關系，在完成我國水利生態化建設、制定最優的水資源調度方案和開展高效的生態保護措施等方面具有非常重要的指引作用[1]。多年以來，長江荊江三口由于受下荊江裁彎、上游葛洲壩和三峽水利樞紐的興建等自然和人類活動的重大影響,導致三口洪道逐漸泥沙淤積萎縮，水位抬高并且多年連續出現斷流。因此，生態流量的合理計算對促進流域水資源可持續開發利用和實現合理的水資源優化配置有著重要的研究意義。

目前對于河流生態流量的計算方法比較多，歸納起來可以分為：綜合分析法、水文學法、生境模擬法和水力學法等[2]。近幾年來國內在河流生態流量的研究方面有了突破性的進展，其中水文學法的應用最為普遍。許多學者還采用水文學法、水力學法等多種方法進行對比計算研究，一般選用Tennant法進行驗證，然而這些計算方法都有其各自的優缺點[3]。其中，康玲等[4]采用水文學方法的變動范圍法分析計算了漢江的最小和適宜生態流量，同時以丹江口為例利用逐步優化算法建立了基于河流生態流量的水庫生態調度模型。潘扎榮等[5]針對河流生態水文過程對徑流的年內動態需求，提出采用年內展布法計算淮河流域河道基本生態流量。王高旭等[6]針對不同的保護目標分級計算河道生態流量，采用相對流量-河流規模模型和魚類生境法分別對黃河中下游的最小生態流量和適宜生態流量進行了計算。

本研究在綜合評價現有河流生態流量計算方法基礎上，提出了一種綜合年內展布法和IHA-RVA法的水文學方法，綜合評價了長江荊江三口水系的虎渡口、藕池口和松滋口斷面的最小和適宜生態流量，并對計算結果進行了合理性分析，對于開展荊江三口河道生態修復具有重要研究意義。

1 研究區概況

長江荊江全長約為360 km，流經洞庭湖平原和江漢之間，地處長江沖積平原河流的上段，它被稱之為“萬里長江險在荊江”。俗稱荊南三口的虎渡口、藕池口、松滋口、調弦口(1958年冬渡口)分布在荊江的南岸，從虎渡河、松滋河和藕池河分泄長江干流進入洞庭湖[7]。松滋河是松滋口分流入湖的河道，在大口分為東西二支。藕池河于荊江藕池口分泄長江水沙進入洞庭湖，分為東、中、西三支。虎渡河在彌陀寺以下有分支中和口匯入松滋河懂不河道；其他支流經過南閘最后匯入松虎河流，虎渡河是太平口分泄長江之水注入洞庭湖的河道[8]。近幾十年來，長江與洞庭湖之間的江湖關系變化較大，荊江三口分流入湖的水資源量急劇減少、斷流時間逐漸增長，河道急劇淤積萎縮，水系中的水生動植物大量消亡，帶來湖區水資源、水生態、水環境與防洪等問題[9]。

2 研究方法

河流生態流量是保持河道不斷流，保護水生生物正常生長和維持水體一定稀釋自凈能力的基本條件。河流生態流量是一個與河流特性相關的流量范圍，而不是一個某個特定不變的值，它可以分為忍耐下限、最適宜范圍和忍耐上限。為了計算方便考慮，通常將河流生態流量分為最小和適宜生態流量進行計算，其中河流最小生態流量是維持河道生態系統生物物種不消亡，河道生態系統的健康以及基本功能不嚴重退化所需要保持的最小流量；適宜生態流量是指維持河流生態系統結構穩定和生物多樣性不受損所需的最適宜的流量。本研究基于河流生態流量基本理論以及當前已有生態流量計算方法，綜合考慮長江荊江三口水系基本特征，選用了年內展布法和IHA-RVA法對三口水系生態流量進行了綜合評價。

2.1 基本原理

河流水文過程具有周期性變化規律，并伴隨著相應的生態系統響應與特定的生態作用。河流水生生物的生命史已經適應河流的天然水文情勢，河流生態系統處于相對平衡的一種狀態。而天然最小月均流量能夠滿足河流基本生態環境功能、水生生物生存及群落結構對水量的基本需求，天然適宜生態流量能夠提供河流生態系統結構穩定的適宜流量[5,10]。然而，由各月最小月均流量和適宜生態流量構成的年內過程不能很好地反映出河流的水文特征，而河流多年月均流量過程能夠更好地反映出河流歷史水文情勢變化特征。因此，本研究認為河道生態流量計算方法應該基于河流天然徑流過程的自身特征來進行確定與量化水文指標，并結合多年條件下的同期平均徑流進行生態流量計算，即基于長時間序列的天然月均徑流資料，選取多年年均徑流量與年內各月最小(適宜)月均徑流量的年均值這兩個典型的水文特征變量進行確定與量化關鍵水文指標——同期均值比，并結合典型年徑流量過程或多年平均徑流量過程進行河道內生態標準流量的年內過程計算。

2.2 基本步驟

(1)

在計算最小生態流量過程基礎上，采用IHA-RVA法計算河道適宜生態流量，其計算原理是考慮到河流適宜生態流量變動范圍應超過天然可變范圍(即RVA閾值)，這樣才能夠維持河流健康生態系統。RVA閾值描述流量過程線的可變范圍，也即天然生態系統可以承受的變化范圍，這為估算河流生態流量系列提供了參考價值。通常，以各指標的平均值±δ(標準差)或者以頻率為75%和25%作為各個指標的上下限，稱為RVA閾值，研究以RVA下限流量作為適宜生態流量下限[11,12]。本研究基于長時間序列的天然月均流量資料，選取多年年均徑流量和RVA下限流量的年均值(適宜生態流量下限)，這兩個典型的水文特征變量進行確定與量化關鍵水文指標-同期均值比，并結合典型年徑流量過程或多年平均徑流量過程進行河道內生態標準流量的年內過程計算，計算步驟與公式1類似。

3 結果與討論

根據荊江三口多年相關的天然水文徑流資料分析，選取荊江三口水系的虎渡口、藕池口和松滋口的三個典型水文斷面1955-1980年的作為天然月均流量資料，進行河道生態流量計算，并以Tentant法進行驗證。根據荊江三口控制站最小年均流量、適宜年均流量以及多年平均流量，計算各控制斷面的同期均值比，計算結果見表1所示。其中荊江三口控制斷面的多年月均流量過程見表2。

根據表1和表2數據，計算荊江三口控制站的最小和適宜生態流量，其計算結果見表3。為了分析本研究成果的合理性，采用Tennant法評價標準進行對比，Tennant法也稱Montana法，是利用河流的多年徑流流量資料來確定河流生態流量，以年平均流量的百分比作為基流量，分析結果表明多年平均流量的10%是保持河流生態系統健康的最小流量，多年平均流量的40%能為大多數水生生物提供較好的棲息條件[13,14]。對比分析荊江三口三個水文斷面的河道最小生態流量和河道適宜生態流量的計算值和Tennant法評價結果，見表4。

表1 三個控制斷面均值比Tab.1 Results of three typical stations

表2 三個控制斷面多年平均天然月均徑流過程 m3/s

根據計算結果與Tennant法比較可知，最小生態流量在一般用水期(10月至翌年3月)各個水文斷面生態流量占多年年均水位的4.7%～18.0%，根據Tennant法評價標準均處在差至一般的范圍，此時河道徑流量條件要保持一定的水深、流速、河寬，滿足魚類生存、洄游、景觀一般要求，是保持絕大多數水生生物在較短的時間能夠滿足生存的最低流量推薦值。在魚類產卵育幼期(4-9月)各水文斷面生態水位占多年年均徑流量的28.1%～75.8%，處于一般到最佳的范圍，其中虎渡口和松滋口均處于最佳狀態，能夠為大多數水生生物提供良好的棲息條件。

表3 河流基本和適宜生態流量 m3/s

表4 河流生態流量Tennant法評價Tab.4 Evaluation of river ecological flow by Tennant method

適宜生態流量在一般用水期占多年平均水位的12%～26.9%，按照Tennant法評價均處在較好范圍。在魚類產卵育幼期，各水文斷面生態水位占多年年均徑流量的71.4%～113.3%處于最佳范圍內，此時水深和流速都是最佳的程度，河流的生態系統非常健康，能夠提供給水生生物棲息和產卵、育幼的良好環境以及保持生物物種多樣性[14]。因此利 用生態流量年內展布計算法計算的最小生態流量和利用IHA-RVA法計算出的河道適宜生態流量與Tennant法設定的分期相符，能夠滿足河流生態目標的需求。

4 結 論

(1)利用年內展布法和IHA-RVA法分別計算了虎渡口、藕池口、松滋口三個水文斷面的最小生態流量和適宜生態流量，最小生態流量分別為264.3、241.3、680 m3/s，分別占多年平均天然流量的44.4%、16.4%、46.9%；虎渡口、藕池口、松滋口三個斷面的適宜生態流量分別為409.5、613.2、1 017.2 m3/s，分別占多年平均天然流量的68.8%、41.7%、70.1%。

(2)參照Tennant法評價標準可知，利用生態流量年內展布法和IHA-RVA法計算出的最小生態流量和適宜生態流量都與Tennant法設定的分期相符，能夠滿足河流生態目標的需求，計算結果較為合理。該研究結果可為荊江三口河道生態修復提供科學基礎參考。

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