基于生態(tài)水文學(xué)法的湘江生態(tài)流量研究

(華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450045)

河流生態(tài)流量研究屬于河流生態(tài)水文學(xué)的范疇，主要是分析河流流域維持自然生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定所需流量和人類(lèi)用水之間的相互平衡的關(guān)系，在完成我國(guó)水利生態(tài)化建設(shè)、制定最優(yōu)的水資源調(diào)度方案和開(kāi)展高效的生態(tài)保護(hù)措施等方面具有非常重要的指引作用[1]。隨著人口的增加和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，河流受到各種形式人類(lèi)活動(dòng)的干擾，河流天然水文情勢(shì)發(fā)生改變[2]。多年以來(lái)，流域降雨量減少、河道河床下切、洞庭湖水位下降和人類(lèi)活動(dòng)影響等原因，導(dǎo)致湘江出現(xiàn)低水位。因此，生態(tài)流量的合理計(jì)算對(duì)促進(jìn)流域水資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用和實(shí)現(xiàn)合理的水資源優(yōu)化配置有著重要的研究意義。

目前對(duì)于河流生態(tài)流量的計(jì)算方法比較多，歸納起來(lái)可以分為：綜合分析法、水文學(xué)法、生境模擬法和水力學(xué)法等[3]。近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)在河流生態(tài)流量的研究方面有了突破性的進(jìn)展，其中水文學(xué)法的應(yīng)用最為普遍[4]。許多學(xué)者還采用水文學(xué)法、水力學(xué)法等多種方法進(jìn)行對(duì)比計(jì)算研究，一般選用Tennant法進(jìn)行驗(yàn)證[5]。其中，康玲等[6]采用水文學(xué)方法的變動(dòng)范圍法分析計(jì)算了漢江的最小和適宜生態(tài)流量，同時(shí)以丹江口為例利用逐步優(yōu)化算法建立了基于河流生態(tài)流量的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型。潘扎榮等[7]針對(duì)河流生態(tài)水文過(guò)程對(duì)徑流的年內(nèi)動(dòng)態(tài)需求，提出采用年內(nèi)展布法計(jì)算淮河流域河道基本生態(tài)流量。王高旭等[8]針對(duì)不同的保護(hù)目標(biāo)分級(jí)計(jì)算河道生態(tài)流量，采用相對(duì)流量-河流規(guī)模模型和魚(yú)類(lèi)生境法分別對(duì)黃河中下游的最小生態(tài)流量和適宜生態(tài)流量進(jìn)行了計(jì)算。

本研究在綜合評(píng)價(jià)現(xiàn)有河流生態(tài)流量計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，提出了一種綜合年內(nèi)展布法和IHA-RVA法[9]的水文學(xué)方法，綜合評(píng)價(jià)了湘江湘潭斷面的最小生態(tài)流量和適宜生態(tài)流量，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了合理性分析，對(duì)于開(kāi)展湘江河道生態(tài)修復(fù)具有重要的研究意義。

1 研究區(qū)概況

湘江是長(zhǎng)江水系的主要支流之一，同時(shí)也是湖南省最大的河流，被稱(chēng)作湖南省的母親河，對(duì)兩岸人民生活用水和人文發(fā)展都有著重要的作用。湘江全長(zhǎng)約為856 km，流經(jīng)永州、衡陽(yáng)、株洲、湘潭、長(zhǎng)沙等市縣。湘潭水文站位于湘江干流下游，控制流域面積81 638 km2，為湘江入洞庭湖的控制站。近幾十年來(lái)，長(zhǎng)江與洞庭湖之間的江湖關(guān)系變化較大，湘江入湖的水資源量減少，泥沙不斷淤積，河道逐漸萎縮，水系中的水生動(dòng)植物大量消亡，帶來(lái)湖區(qū)水資源、水生態(tài)、水環(huán)境與防洪等問(wèn)題[10]。

2 研究方法

河流生態(tài)流量是保持河道不斷流，保護(hù)水生生物正常生長(zhǎng)和維持水體具備一定稀釋自?xún)裟芰Φ幕緱l件。河流生態(tài)流量是一個(gè)與河流特性相關(guān)的流量范圍，而不是某個(gè)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(jì)算方便，通常將河流生態(tài)流量分為最小和適宜生態(tài)流量進(jìn)行計(jì)算，其中河流最小生態(tài)流量是維持河道生態(tài)系統(tǒng)生物物種不消亡，河道生態(tài)系統(tǒng)健康以及基本功能不嚴(yán)重退化所需要保持的最小流量；適宜生態(tài)流量是指維持河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(tài)流量基本理論以及當(dāng)前已有生態(tài)流量計(jì)算方法，綜合考慮湘江湘潭水系基本特征，選用了年內(nèi)展布法對(duì)湘潭水系生態(tài)流量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2.1 基本原理

河流水文過(guò)程具有周期性變化規(guī)律，并伴隨著相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)與特定的生態(tài)作用。河流水生生物的生命史已經(jīng)適應(yīng)河流的天然水文情勢(shì)，河流生態(tài)系統(tǒng)處于相對(duì)平衡的一種狀態(tài)。而天然最小月均流量能夠滿(mǎn)足河流基本生態(tài)環(huán)境功能、水生生物生存及群落結(jié)構(gòu)對(duì)水量的基本需求，天然適宜生態(tài)流量能夠提供河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的適宜流量[7，11]。然而，由各月最小月均流量和適宜生態(tài)流量構(gòu)成的年內(nèi)過(guò)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(guò)程能夠很好地反映出河流歷史水文情勢(shì)變化特征。因此，本研究認(rèn)為河道生態(tài)流量計(jì)算方法應(yīng)該基于河流天然徑流過(guò)程的自身特征來(lái)確定與量化水文指標(biāo)，并結(jié)合多年的同期平均徑流進(jìn)行生態(tài)流量計(jì)算，即基于長(zhǎng)時(shí)間序列的天然月均徑流資料，選取多年年均徑流量與年內(nèi)各月最小(適宜)月均徑流量的年均值這兩個(gè)典型的水文特征變量確定關(guān)鍵水文指標(biāo)——同期均值比，并結(jié)合典型年徑流量過(guò)程或多年平均徑流量過(guò)程進(jìn)行河道內(nèi)生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)流量的年內(nèi)過(guò)程計(jì)算。

2.2 基本步驟

(1)

(2)

(3)

(4)

在計(jì)算最小生態(tài)流量過(guò)程基礎(chǔ)上，采用IHA-RVA法計(jì)算河道適宜生態(tài)流量。其計(jì)算原理是河流適宜生態(tài)流量變動(dòng)范圍應(yīng)超過(guò)天然可變范圍(即RVA閾值)，這樣才能夠維持河流健康生態(tài)系統(tǒng)。RVA閾值描述流量過(guò)程線(xiàn)的可變范圍，也即天然生態(tài)系統(tǒng)可以承受的變化范圍，這為估算河流生態(tài)流量系列提供了參考。通常，RVA閾值取以各指標(biāo)的平均值±δ(標(biāo)準(zhǔn)差)或者以頻率為75%和25%作為各個(gè)指標(biāo)的上下限。本研究以RVA下限流量作為適宜生態(tài)流量下限[12-13]。基于長(zhǎng)時(shí)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(tài)流量下限)這2個(gè)典型的水文特征變量確定關(guān)鍵水文指標(biāo)——同期均值比，并結(jié)合典型年徑流量過(guò)程或多年平均徑流量過(guò)程計(jì)算河道內(nèi)生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)流量的年內(nèi)過(guò)程。

3 結(jié)果與討論

根據(jù)湘江多年相關(guān)的天然水文徑流資料分析，選取1959～1990年湘江水系的湘潭站作為典型水文斷面的天然月均流量資料，進(jìn)行河道生態(tài)流量計(jì)算，并以Tentant法進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)湘江湘潭控制站最小年均流量、適宜年均流量以及多年平均流量，計(jì)算控制斷面的同期均值比，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。其中湘江湘潭控制斷面的多年月均流量過(guò)程見(jiàn)表2。

表1 控制斷面均值比Tab.1 Results of average flow at typical station

表2 控制斷面多年天然月均徑流過(guò)程Tab.2 Natural monthly average flow process of typical station m3/s

根據(jù)表1和表2數(shù)據(jù)，計(jì)算湘江湘潭控制站的最小和適宜生態(tài)流量，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。圖1為湘潭生態(tài)流量過(guò)程。為了分析本研究成果的合理性，采用Tennant法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比。Tennant法也稱(chēng)Montana法，是利用河流的多年徑流流量資料來(lái)確定河流生態(tài)流量，以年平均流量的百分比作為基流量。分析結(jié)果表明多年平均流量的10%是保持河流生態(tài)系統(tǒng)健康的最小流量，多年平均流量的40%能為大多數(shù)水生生物提供較好的棲息條件[14-15]。對(duì)比分析湘江湘潭水文斷面的河道最小生態(tài)流量和河道適宜生態(tài)流量的計(jì)算值和Tennant法評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 河流最小和適宜生態(tài)流量Tab.3 The minimal and optimal river ecological flow m3/s

圖1 生態(tài)流量過(guò)程Fig.1 Ecological flow process

根據(jù)計(jì)算結(jié)果與Tennant法的比較可知，最小生態(tài)流量在一般用水期(10月至翌年3月)各個(gè)水文斷面生態(tài)流量占多年年均水位的4.7%～18.0%，根據(jù)Tennant法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)均處在差至一般的范圍，此時(shí)河道徑流量條件要保持一定的水深、流速、河寬，滿(mǎn)足魚(yú)類(lèi)生存、洄游、景觀(guān)一般要求，是保持絕大多數(shù)水生生物在較短的時(shí)間能夠滿(mǎn)足生存的最低流量推薦值。在魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵育幼期(4～9月)各水文斷面生態(tài)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(tài)，能夠?yàn)榇蠖鄶?shù)水生生物提供良好的棲息條件。

表4 河流生態(tài)流量Tennant法評(píng)價(jià)Tab.4 Evaluation of river ecological flow by Tennant method

適宜生態(tài)流量在一般用水期占多年平均水位的12.0%～26.9%，按照Tennant法評(píng)價(jià)均處在較好范圍。在魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵育幼期，各水文斷面生態(tài)水位占多年年均徑流量的71.4%～113.3%處于最佳范圍內(nèi)，此時(shí)水深和流速都是最佳的程度，河流的生態(tài)系統(tǒng)非常健康，能夠提供給水生生物棲息和產(chǎn)卵、育幼的良好環(huán)境以及保持生物物種多樣性[15]。因此利用生態(tài)流量年內(nèi)展布計(jì)算法計(jì)算的最小生態(tài)流量和利用IHA-RVA法計(jì)算出的河道適宜生態(tài)流量與Tennant法設(shè)定的分期相符，能夠滿(mǎn)足河流生態(tài)目標(biāo)的需求。

4 結(jié) 論

(1) 利用年內(nèi)展布法和IHA-RVA法計(jì)算出湘潭站水文斷面的最小生態(tài)流量為639.6 m3/s，占多年平均天然流量的32.2%；適宜生態(tài)流量為983.4 m3/s，占多年平均天然流量的49.5%。

(2) 參照Tennant法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知，利用生態(tài)流量年內(nèi)展布法和IHA-RVA法計(jì)算出的最小生態(tài)流量和適宜生態(tài)流量都與Tennant法設(shè)定的分期相符，能夠滿(mǎn)足河流生態(tài)目標(biāo)的需求，計(jì)算結(jié)果較為合理。該研究結(jié)果可為荊江三口河道生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)基礎(chǔ)參考。