基于水文學法的海南省三大江生態需水量研究

陳曉璐，林建海，梁華玲

(1.海南省水文水資源勘測局，海南?？?70203；2.海南省水利水電勘測設計研究院，海南?？?70203； 3.廣東省佛山市氣象局，廣東佛山528000)

隨著經濟社會的不斷發展，人類不斷開發利用水資源，不斷加劇對生態環境的干擾程度，由此引發了一系列與水相關的生態問題，生態保護與環境治理已成為國家發展和社會進步的關注重點，也是國內外學者的研究熱點。

河流生態需水量的概念最早是在20世紀40年代被美國漁業與野生生物保護組織提出，他們指出，河流生態需水量就是避免河流生態系統退化的河道最小流量[1]。但發展至今，生態需水量尚未形成統一、規范的定義，一般都以計算生態流量的方式從整體上滿足河流的生態需求[2]。為了保證河流生態系統的穩定，生態系統所需的徑流過程也應發生變化，因此生態需水量不是一個固定不變的值，而應具有一定的變化范圍[3]。本文認為，生態需水量的最小值是指為維持河流基本形態和基本生態功能，即防止河道斷流，避免河流水生生物群落遭受到無法恢復性破壞的河道內最小水量[4]。而在此基礎上，對生態系統的穩定及保持物種多樣性最為適宜的水量稱為適宜生態需水量[5]，它相較于最小生態流量更利于河流的生態健康。

近年來，對生態需水量的研究在中國各地區逐漸鋪開，如干旱半干旱地區的新疆瑪納斯河流域[6]、塔里木河流域[7]，濕潤半濕潤地區的長江流域[3]、珠江流域[8]等，而海南省尚未深入開展相關工作。南渡江、昌化江及萬泉河是海南省的三大河流，流域面積之和占海南島總面積的46.5%，流域范圍涉及瓊中、海口、昌江、萬寧等15個市縣，占海南省市縣總數的83.3%，覆蓋全省重要的農業、工業及經濟中心。對這3條河流開展生態流量研究，明確三大江生態需水量的最佳計算方法，為海南省水利工程建設及流域水資源規劃提供科學依據，響應生態文明建設的決定，促進經濟社會與流域生態環境可持續發展，是水文工作者重要的任務之一。

1 研究區概況

1.1 流域概況

南渡江、昌化江、萬泉河分別位于海南省中北部、西南部及中東部，流域面積分別為7 033、5 150、3 693 km2，分別占海南島總面積的20.6%、15.1%及10.8%。南渡江干流發源于白沙縣南峰山，流經白沙、瓊中、儋州、澄邁、屯昌、定安至海口市三聯村匯入瓊州海峽，支流伸展到臨高、文昌等市縣，干流全長334 km，平均坡降0.72‰，流域平均寬度21.1 km；昌化江干流發源于五指山北麓的瓊中縣空禾嶺，流經瓊中、通什、樂東、東方和昌江等市縣，于昌江縣昌化港入北部灣，干流全長232 km，平均坡降13.9‰，流域平均寬度22.2 km；萬泉河有南北兩源，南源稱乘坡河或樂會水，為干流，北源稱大邊河或定安水，為一級支流，兩源均發源于五指山風門嶺，南北源匯合于瓊海市合口咀，合流后稱萬泉河，于博鰲港匯入南海，干流全長157 km，平均坡降1.12‰，流域平均寬度23.5 km。

三大江流域均屬熱帶季風氣候，氣候溫和，雨量充沛，臺風頻繁。降雨時空分配不均，自上游向下游遞減，山區多于沿海，年內有明顯的干、濕季之分。雨季5—10月，降雨量可占全年降雨量的80%～90%，臺風帶來暴雨，致使中下游兩岸平原地區洪水泛濫；11月至次年4月為旱季，降雨量僅占全年的10%～20%，常發生春旱。

1.2 水文測站分布情況

1954年，南渡江干流上設立龍塘，1958年興建松濤水庫，1959年先后在入庫的干流上設立福才水文站及庫區南豐水文站，至2015年設立邁灣水利樞紐工程臨時水文觀測站；昌化江流域內最早的水文站是1943年在干流上設立的寶橋水文站，1956年設立樂東水文站，一直沿用至今；萬泉河干流上的加積水文站設立于1947年，1956年起先后設立加報、乘坡2處水文站。水文站觀測的項目有水位、流量和降水量等。各站點分布情況見圖1、表1。

圖1 三大江流域主要水文站點分布

表1 三大江流域主要水文站點信息

1.3 長序列資料選用

1.3.1資料確定

本次研究選用三大江流域主要水文站點的徑流長序列資料?？紤]到南渡江邁灣站為工程臨時觀測站，設站時間短，水文序列不足30 a，不具有代表性，不足以支撐研究成果；而松濤水庫(南豐)站僅有1966、1987及1993年3 a的徑流資料整理成冊，故本次研究不采用以上2站點數據。最終確定，南渡江選用福才、龍塘站；昌化江選用樂東、寶橋站；萬泉河選用乘坡、加報、加積站共計7個站點1979—2018年共40 a的實測月平均流量資料。

1.3.2數據檢驗

理論上，運用水文學法進行生態需水量分析，應當選用還原為天然徑流的長序列資料。但由于缺少三大江流域的用水資料，無法進行徑流還原計算。當前大多數學者提出來的徑流還原計算，是希望通過控制河流的生態徑流過程，使河流恢復到原來沒有人類活動影響之前的狀態[5]。但隨著人類活動的加劇，世界上幾乎所有的河流都或多或少地受到了人類活動的影響，恢復到人類活動以前的狀態幾乎是不可能的，所謂的“天然條件”只能認為是受人類活動影響較小的狀態[9]。

將三大江7個站點1979—2018年實測月平均流量長序列進行整理，得到各站點1979—2018年共計40 a的年均流量。運用Mann-Kendall法[10-13]對其進行趨勢分析與突變檢驗，選顯著性水平，置信區間為(-1.96,1.96)。以萬泉河加積站為例，長序列年均流量Mann-Kendall統計量曲線見圖2。結果表明在1979—2018年，各站點的年均流量并未出現顯著趨勢變化。

圖2 加積站多年平均流量Mann-Kendall統計量曲線

選取1979—1990、1991—2000、2001—2010、2011—2018年共4個時間段，計算各時間段7個站點的年均流量，與各站點多年平均流量進行比較，得到各站點不同年代距平值。結果表明各站點不同年代的年均流量與多年平均流量相差不大，距平值均未超過。以南渡江福才、龍塘2站為例，不同年代年均流量距平值見圖3。

圖3 南渡江各站點不同年代年均流量距平值

綜上，本文認為三大江當下的水文情勢受人類活動影響較小，仍處在自身能夠逐漸恢復的范圍之內，接近于“天然條件”。如果保持現有狀態不再進一步惡化，仍然能夠維持河流的自然生態功能。加之現有水生生物已適應了當前河流的生態環境，因而直接采用實測的徑流資料進行水文學法的生態流量計算具有其合理性，所得結果可視為當前下墊面條件下的三大江生態需水量。

2 研究方法

2.1 研究思路

目前，對生態需水量的研究，國內外學者已開展諸多工作。根據研究方法的不同，生態需水量在全球的計算方法可超過200種[14]，整合來看，可大致分為4 類，即基于歷史流量基礎的水文學法、基于水力學基礎的水力定額法、基于生物學基礎的生境模擬法和基于河流系統整體性理論的整體分析法等。

不同的生態需水量計算方法在各自的適用條件及適用范圍內各有其優缺點[15]。綜合來看，水力定額法需要投入較長時間和較大的人力、物力以獲取現場數據，應用較為困難；中國缺乏生態數據，無法使用生境模擬法；整體分析法因其復雜性和綜合性，難以在中國廣泛應用。只有水文學法是最簡單的、使用資料最單一的計算方法，它僅通過水文長序列歷史流量資料便可評價或估算生態需水量，在中國大部分地區都可推廣應用，海南省的三大江流域也具備使用水文學法計算生態需水量的條件。基于此，本文選用最小月平均流量法[16]、7Q10法[17]、逐月最小生態徑流計算法及逐月頻率計算法[18]4種方法計算三大江7個斷面的生態流量，通過對計算結果的對比與分析，確定三大江各站點的最小生態流量與適宜生態流量，確定三大江的最佳生態流量計算方法，并用Tennant[19]法進行檢驗，分析其合理性。

2.2 方法概述及計算結果

2.2.1最小月平均流量法

最小月平均流量法也稱河流基本環境需水量法，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。據此，將各站點1979—2018年的實測長序列徑流資料分為1—12月份共計12組，選取每組序列的最小值作為該月的生態流量，從而得到全年的生態流量過程。各站點最小月平均流量法計算結果見表2。

表2 各站點逐月最小生態徑流 單位：m3/s

2.2.27Q10法

7Q10 法通過求取90%保證率最枯連續7 d的平均流量作為河流最小流量設計值[3]。該法在20世紀70年代傳入中國，主要用于估算河流水污染防治用水并在此基礎上對該方法進行改進，重點用于計算污染物允許排放量，在許多大型水利工程建設的環境影響評價中得到應用。鑒于當時中國的經濟發展水平相對落后、南北方水資源現狀差別較大，所以在制訂GB 3839—83《地方水污染物排放標準的技術原則和方法》時規定，一般河流采用近10 a最枯月平均流量或90%保證率最枯月平均流量。

據此，在長序列資料中選取2009—2018年作為近10 a，計算逐年最枯月的平均流量；并將三大江7個站點1979—2018年逐年的最枯月流量進行排頻，采用目估適線法[20]，選用P-Ⅲ型[20-22]分布適配頻率分布曲線，各站點頻率曲線擬合度范圍在0.91～0.99，擬合程度較好，結果較為可靠，由此推求得到各站點90%保證率最枯月流量結果見表3。

2.2.3逐月最小生態徑流計算法

逐月最小生態徑流計算法認為生態需水量同河道水流年內變化特征一樣, 是連續變化的，應該逐月計算。在盡可能長的天然月徑流系列中取最小值作為該月的最小生態徑流量，從而構造全年的最小生態需水過程。該方法認為，如果在天然情況下水生生物已經安全經歷過這樣的最小徑流，并且生態系統沒有遭到嚴重的不可恢復的破壞，就說明在不考慮水質的情況下，水生生態系統能夠適應這個最小徑流量，水生生物的最低生存條件在這個流量條件下能夠得到保證。據此，本文結合前述對徑流長序列資料的檢驗結果，以實測流量資料替代天然月流量，分別將各站點流量數據按照1—12月分為12組，每組選取最小值作為該月的最小生態需水量，從而形成各站點全年的生態需水過程，計算結果見表3。

2.2.4逐月頻率計算法

逐月頻率計算法將生態需水量看作一個有豐有枯的年內變化過程，根據歷史流量資料，將一年劃分為豐、平、枯或汛期、非汛期等特征時期，對各個時期擬定不同的保證率，將盡可能長的月流量序列進行頻率計算，由此得出各個時期在不同保證率下的流量，這樣得到的即為該年的適宜生態徑流過程。不同的學者采用的時期劃分與保證率選取方法不盡相同，主要有陳竹青[3]根據長江流域特性，枯水期取90%，平水期取70%，豐水期取50%；李捷等[5]認為年內各月徑流系列的保證率取50%更為合理；而張強等[6]對珠江流域的研究中，將1 a劃分為汛期、非汛期，汛期選取多年平均流量、非汛期取80%作為生態需水量。

本文在充分參考多位學者的研究成果的基礎上，結合海南省徑流特性，參照《海南省人民政府辦公廳關于印發海南省防汛防風抗旱應急預案的通知》(瓊府辦〔2016〕60號)中對汛期的劃定，將1 a劃分為汛期(5—11月)與非汛期(12月至次年4月)。汛期選取平均流量、非汛期取80%作為河流生態需水量。采用目估適線法對各站點長序列實測月流量資料進行適線，選用P-Ⅲ型頻率分布曲線，各站點頻率曲線擬合度均較好，擬合度值均達到0.95以上。以昌化江樂東站為例，適線結果見圖4。由此推求各站點汛期、非汛期生態需水量計算結果見表3。

3 研究成果

3.1 各算法成果分析

從表3中可以看出，各站點最小月平均流量法計算得到的生態流量對相應多年平均實測流量的占比變化范圍為11.75%～33.20%；在7Q10法計算的成果中，以近10 a最枯月平均流量計算得到的各站點生態流量變化范圍為14.43%～34.57%，以90%保證率最枯月平均流量法計算得到的各站點生態流量變化范圍為3.41%～17.45%；以逐月最小生態徑流計算法得到的各站點生態流量變化范圍為14.99%～24.02%；而以逐月頻率計算法計算得到的各站點非汛期生態流量的變化范圍為12.15%～40.21%。

由此可知，在4種生態流量的計算方法中，以90%保證率最枯月平均流量計算得到的生態流量值最小，計算結果中福才、寶橋兩站的生態流量僅為1.01、4.17 m3/s，遠不足相應多年實測平均流量的10%。最小月平均流量法的計算結果較近10 a最枯月平均流量稍大，除福才站外，各站點兩者的生態流量計算結果對相應多年實測平均流量的占比均為20%～35%。各站點逐月最小生態徑流計算法的生態流量計算結果最為集中，對相應多年實測平均流量的占比為15%～25%。逐月頻率計算法的生態徑流計算結果最大。

表3 各站點不同算法生態需水量計算結果對比

產生上述計算結果差異的原因為，7Q10法主要是為了防止河流水質污染而設定，在計算過程中并沒有考慮水生生物、河流水量的季節性變化，故其設計值較小。最小月平均流量法計算的是河流的基本生態環境需水量，主要用以維持水生生物的正常生長，滿足部分排鹽、入滲補給、污染自凈等方面的要求。它在7Q10法的基礎上稍有改進，但仍然以水質對指示物的影響為主要依據，側重于分析水生生物所需要的水質，沒有反映出河流水文的年內豐枯變化特征。而逐月最小生態流量計算法認為生態流量與河道水流年內變化特征一致，是一個有豐有枯的過程，根據每個月的徑流特性選取河道內最小的生態流量值。逐月頻率計算法則是在逐月最小生態流量計算法的基礎上，按照河道的不同特征時期，擬定不同保證率作為生態流量值。

3.2 最佳計算方法確定

有關驗證認為，在多年平均流量的10%情況下，大多數河流覆蓋底土層達60%，平均水深達0.3 m，平均流速達0.23 m/s，這是一個維持大多數水生生物，尤其是魚類短期內生存的最低限度[4]。因此最小生態流量的計算值，不能低于多年平均流量的10%。由此可知， 90%保證率最枯月平均流量法的計算結果過低，不宜作為最小生態流量的計算方法。

大多數的工程設計水文計算中，常將多年平均流量的10%作為最小生態流量。然而本文認為，雖然多年平均流量的10%是保證棲息地不會退化或貧瘠的最低條件，但因其為保證河流生態環境的臨界值，一旦小于此值，河流的生態系統將遭到破壞，健康狀況急劇下降，難以恢復。因此，不能簡單地僅將多年平均流量的10%作為河流的最小生態流量，應在此基礎適當預留一定的空間。綜合來看，各站點逐月最小生態徑流計算法的計算結果最為集中，均稍高于實測多年平均流量的10%，因而將其作為三大江最小生態流量計算方法是最為合適的。

在4種計算方法中，逐月頻率計算法的生態流量計算結果最大，在此狀態下河道的生態環境達到最佳，故將此方法作為三大江適宜生態流量計算方法。

3.3 Tennant法評價

選用Tennant法[1-2,4,6]對上述選定的2種生態流量計算方法的成果進行檢驗與對比。Tennant法主要根據水文資料和年平均徑流量百分數來描述河道內流量狀態，通常在研究優先度不高的河段中作為河流流量推薦值使用或作為其他方法的一種檢驗[23-24]。Tennant法認為，多年平均流量的10%是保持大多數水生生物短時間生存所需的最低短時徑流量；多年平均流量的20%是保護水生生物棲息地的適當流量；多年平均流量的30%～60%是為大多數水生生物在主要生長期提供優良至極好棲息條件所需的基本徑流量；而多年平均流量的60%～100%是能為水生生物提供令人滿意的生長環境的最佳范圍。各方法計算的生態流量Tennant評價結果見表4。

表4 逐月最小生態徑流計算法與逐月頻率計算法計算得到的生態流量及Tennant評價結果

由表4可知，由逐月最小生態徑流計算法計算得到的各站點最小生態流量，對相應多年實測平均流量的占比均為14%以上，運用Tennant法的評價結果基本為較差(乘坡站一般用水期為良好，龍塘、樂東站魚類產卵育幼期分別為很好、良好)，表明此時河流雖處在生態環境所需水量的低值，但不至于界于臨界點，仍有一定的調節空間。在如三大江這類水質和水量條件改變較小的河流里，因生態系統在經歷歷史系列的最小值時沒有遭到嚴重的破壞，故由逐月最小生態徑流計算法計算得到的最小生態流量是適用的。

而由逐月頻率計算法計算得到的各站點生態流量，在一般用水期(10月至次年3月)的Tennant法評價結果均達到極好；在魚類用水期(4—9月)，各站點Tennant法評價結果均為最佳。由此表明，逐月頻率計算法的計算結果為三大江的水生生物提供了令人非常滿意的生長環境，尤其是在魚類產卵期，三大江的水生態環境達到最佳狀態，更加促進魚類的繁殖與生態系統的穩定，利于河流周圍生態棲息地保護。因此，該方法適用于三大江適宜生態流量的計算。

綜上，計算得到的三大江7個斷面年最小生態需水量與適宜生態需水量見表5。

4 結論

本文通過研究分析，并引入Tennant法進行檢驗，結論如下。

a) 河流生態需水量與河道水流年內變化特征一致，是一個有豐有枯的過程，而不是一個固定不變的值。據此，在計算河流生態需水量過程中，需要明確最小生態需水量，即保持河流生態狀況不至退化的最小流量；及適宜生態需水量，即保證河流生態狀況達到最佳狀態的流量。一般來說，在人類開發利用河川徑流過程中，必須保證豐水年份的河道最小水量不小于適宜生態需水量，枯水年份的河道最小水量不小于最小生態需水量[3]。

表5 三大江流域7站點年生態需水量

b) 有關驗證認為，多年平均流量的10%是維持河流生態系統不受破壞的最小流量，但其為維持河道生態的臨界值，長期處于這種生存條件下并不利于水生態系統的健康發展[6]。因此本文認為，要在此基礎上適當預留一定空間作為河道最小生態需水量。而逐月最小生態徑流計算法對三大江7個站點的生態流量計算成果，占相應多年實測年均流量的14.99%～24.02%，最符合上述要求，故選取逐月最小生態徑流計算方法作為海南省南渡江、萬泉河及昌化江的最小生態需水量計算方法。

c) 在逐月頻率計算法中，不同學者將研究河流分為不同的特征時期，并針對各特征時期擬定不同保證率。本文參照張強等[8]在珠江流域的研究成果，將全年劃分為汛期與非汛期，在汛期選用80%保證率，非汛期選取多年平均值作為生態流量。計算結果在Tennant法評價中均處于很好-最佳的結果，符合適宜生態需水量的需求。

d) 本文計算得到的三大江7站點年生態需水量計算成果為海南省南渡江、萬泉河及昌化江流域水資源在不同時期的優化配置和規劃調度提供了科學依據。