澧水流域山溪性河流生態(tài)基流的計(jì)算與分析

(1.湖南食品藥品職業(yè)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410208;2.湖南省水文水資源勘測(cè)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410007;3.郴州水文水資源勘測(cè)局，湖南 郴州 423000)

生態(tài)基流是維持河流、湖泊、沼澤等水生態(tài)系統(tǒng)功能不喪失，需要保留的底線(xiàn)流量，是基本生態(tài)流量過(guò)程的最低值[1]。河道內(nèi)生態(tài)需水的計(jì)算方法主要有水文學(xué)法、水力學(xué)法、生物棲息地模擬法、整體法等[2-3]。水文學(xué)方法蘊(yùn)含生態(tài)理論基礎(chǔ)，計(jì)算成本相對(duì)低，應(yīng)用范圍廣，比較適合我國(guó)國(guó)情[4]。其中，Tennant法作為國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的水文學(xué)方法，在生態(tài)基流研究中起著重要作用[5-7]。山溪性河流指匯水區(qū)為山地丘陵的河流，山地丘陵地面陡峻坡度大，降于山坡上的雨水迅速向溝壑、溪流匯集，坡面匯流時(shí)間短，河流多呈現(xiàn)季節(jié)性水流，汛期河流水源補(bǔ)給豐富，旱季河槽水少甚至干涸[8]。由于山溪性河流徑流隨季節(jié)顯著變化，使得Tennant法并不適用于徑流量年內(nèi)和年際變化大的河流[9]。本研究以澧水流域典型的山溪性河流為研究對(duì)象，采用典型水文學(xué)方法計(jì)算流域主要水文站監(jiān)測(cè)斷面生態(tài)基流，重點(diǎn)分析枯水期生態(tài)流量可達(dá)性，為山溪性河流的生態(tài)基流計(jì)算提供參考。

1 研究區(qū)域概況

澧水流域位于武陵山脈北端東側(cè)向洞庭湖平原過(guò)渡地帶，介于東經(jīng)109°31′～111°56′、北緯29°30′～36°21′ 之間，全長(zhǎng)390km，流域面積18583km2。澧水流域?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候，位于湘西北暴雨高值區(qū)內(nèi)，暴雨多出現(xiàn)在6—8月，澧水干流上游與溇水、渫水上游為暴雨中心。澧水是一條典型的雨洪河流，暴雨強(qiáng)度大，流域坡度陡，集流快，洪水陡漲陡落。澧水魚(yú)類(lèi)資源豐富，對(duì)洞庭湖乃至長(zhǎng)江水系魚(yú)類(lèi)資源多樣性的維持或補(bǔ)充有著重要作用[10]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源和計(jì)算方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究根據(jù)澧水流域河流生態(tài)基流計(jì)算的需求，收集整理流域內(nèi)各水文站的長(zhǎng)時(shí)間序列逐日平均流量數(shù)據(jù)。溇水選擇雙楓潭水文站、淋溪河水文站和長(zhǎng)潭河水文站，控制流域面積分別為414km2、2348km2和4913km2，雙楓潭水文站位于支流溹水，淋溪河水文站位于新建成運(yùn)行的江坪河水電站下游，長(zhǎng)潭河水文站位于江埡水庫(kù)及其反調(diào)節(jié)水庫(kù)長(zhǎng)潭河水庫(kù)下游。渫水選擇皂市水文站，該站位于皂市水庫(kù)下游。澧水干流選擇涼水口、桑植、張家界、石門(mén)和津市5個(gè)水文站，控制流域面積依次為877km2、3114km2、4627km2、15307km2和17549km2，魚(yú)潭水電站位于桑植和張家界兩站區(qū)間河段。詳見(jiàn)圖1。

圖1 澧水流域示意圖

2.2 計(jì)算方法

考慮區(qū)域水文水資源特性，采用《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范》(SL/T 712—2021)推薦的Qp法(p取90%)、Tennant法(取多年平均流量的10%)計(jì)算流域主要水文斷面生態(tài)基流，協(xié)調(diào)其他來(lái)源生態(tài)基流成果，進(jìn)行可達(dá)性分析，綜合確定澧水流域主要控制斷面生態(tài)基流指標(biāo)。Qp法對(duì)每年最枯月天然月均流量進(jìn)行排頻，選取90%頻率下月均流量作為生態(tài)基流；Tennant法取多年平均流量的10%作為生態(tài)基流。由于河湖生態(tài)流量計(jì)算要采用天然徑流系列，魚(yú)潭、皂市、江埡等大型水利工程的修建使得流域水文情勢(shì)已經(jīng)發(fā)生較大變化，Qp法計(jì)算資料為受水利工程調(diào)節(jié)影響前的水文站整編逐日平均流量資料。

3 結(jié) 果

3.1 生態(tài)基流成果與可達(dá)性分析

澧水流域主要水文站點(diǎn)的生態(tài)流量計(jì)算成果見(jiàn)表1，明顯可見(jiàn)除張家界站以外，其余各站點(diǎn)Qp法計(jì)算成果均明顯小于Tennant法計(jì)算成果值。由于枯水期11月、12月、1月和2月是生態(tài)基流保障的重點(diǎn)時(shí)期，故以此分析皂市站、長(zhǎng)潭河站、張家界站、石門(mén)站受水利工程調(diào)蓄影響后各月生態(tài)基流滿(mǎn)足程度。另外，盡管研究期間淋溪河站、涼水口站和桑植站未受大型水利工程調(diào)節(jié)影響，流域內(nèi)調(diào)節(jié)能力有限的眾多中小型水利工程對(duì)枯水期河道徑流仍可能具有明顯影響，故分析1995年后淋溪河站、涼水口站和桑植站各月生態(tài)基流滿(mǎn)足程度。根據(jù)生態(tài)基流考核要求，對(duì)于各月生態(tài)基流滿(mǎn)足程度低于90%目標(biāo)值的水文站點(diǎn)，再補(bǔ)充計(jì)算受水利工程調(diào)節(jié)影響前的生態(tài)基流滿(mǎn)足程度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 澧水流域主要水文站點(diǎn)生態(tài)流量計(jì)算成果 單位：m3/s

表2 澧水流域主要河流控制斷面生態(tài)流量滿(mǎn)足程度統(tǒng)計(jì)

續(xù)表

a.雙楓潭。枯水期各月均能滿(mǎn)足Qp法和Tennant法兩種方法計(jì)算的生態(tài)基流，生態(tài)基流可采用Qp法計(jì)算成果1.21m3/s。

b.皂市。Qp法和Tennant法計(jì)算生態(tài)基流分別為7.67m3/s和9.19m3/s。皂市水庫(kù)運(yùn)行前枯水期各月均能滿(mǎn)足Qp法生態(tài)基流值，但運(yùn)行后12月至次年2月生態(tài)基流滿(mǎn)足程度降低。比較皂市水庫(kù)2007年蓄水運(yùn)行前后兩個(gè)時(shí)期的特征流量，運(yùn)行后12月至次年1月平均流量大幅增長(zhǎng)，分別由23.35m3/s、19.21m3/s大幅增長(zhǎng)到74.94m3/s、35.33m3/s，但2月平均流量由35.18m3/s減少為24.76m3/s，相應(yīng)年最小1日平均流量、3日和7日流量均值由8.29m3/s、8.54m3/s、8.90m3/s減少到0、0、0.06m3/s。皂市生態(tài)基流宜采用Qp法成果7.67m3/s。

c.淋溪河。Qp法和Tennant法計(jì)算所得生態(tài)基流值分別為6.80m3/s和8.64m3/s。1959—1995年間，Qp法生態(tài)基流滿(mǎn)足程度較高，但Tennant法生態(tài)基流1月份滿(mǎn)足程度低于90%。1995年后，枯水期各月生態(tài)流量滿(mǎn)足程度均下降，其中12月和1月下降明顯。與1959—1995年相比，1996—2015年期間，12月月均流量由21.32m3/s增長(zhǎng)到23.73m3/s，1月月均流量由16.52m3/s下降到12.13m3/s。因此，淋溪河站上游調(diào)節(jié)能力相對(duì)較弱的中小型水利工程對(duì)枯水期河道徑流仍具有明顯影響。此外，年際間河道內(nèi)徑流變化也會(huì)影響生態(tài)基流保證率，淋溪河生態(tài)基流宜采用Qp法計(jì)算成果6.80m3/s。

d.長(zhǎng)潭河。Qp法和Tennant法計(jì)算的生態(tài)基流值分別為14.35m3/s和15.92m3/s。江埡水庫(kù)運(yùn)行前的1959—1997年間，枯水期各月均能滿(mǎn)足Qp法生態(tài)基流值，12月和1月不能滿(mǎn)足Tennant法生態(tài)基流值；1998—2015年間，各月生態(tài)基流滿(mǎn)足程度均略低于90%。受上游江埡水庫(kù)和長(zhǎng)潭河水電站兩個(gè)梯級(jí)水利工程的水力發(fā)電調(diào)度影響，1998—2015年間長(zhǎng)潭河站12月至次年2月平均流量由40.79m3/s、31.10m3/s、52.33m3/s大幅增長(zhǎng)到85.73m3/s、84.61m3/s、98.8m3/s，但年最小1日、3日和7日流量均值卻由15.99m3/s、16.48m3/s、16.95m3/s大幅減少至4.15m3/s、6.86m3/s、11.07m3/s。因此，上游調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)的水利工程能夠增加枯水期水量，但長(zhǎng)蓄短發(fā)的發(fā)電模式卻導(dǎo)致生態(tài)基流保障程度下降。長(zhǎng)潭河宜采用Qp法生態(tài)基流成果14.35m3/s。

e.涼水口。Qp法和Tennant法計(jì)算的生態(tài)基流值較為接近，1995年前后兩個(gè)時(shí)期枯水期各月基本能滿(mǎn)足Qp法生態(tài)基流值，但1月的Tennant法生態(tài)基流滿(mǎn)足程度低于90%。涼水口宜采用Qp法生態(tài)基流成果3.72m3/s。

f.桑植。Qp法和Tennant法計(jì)算生態(tài)基流值分別為8.32m3/s和10.21m3/s。1996—2015年間兩種生態(tài)基流滿(mǎn)足程度均較低，但1959—1995年間各月基本能滿(mǎn)足Qp法生態(tài)基流值。比較1995年前后兩個(gè)時(shí)期的特征流量值，11月至次年2月平均流量由57.15m3/s、25.23m3/s、20.31m3/s、30.07m3/s分別增長(zhǎng)到70.69m3/s、32.87m3/s、23.49m3/s、45.56m3/s，但年最小1日、3日和7日流量均值由9.17m3/s、9.65m3/s和10.20m3/s分別減少到3.45m3/s、4.33m3/s和5.94m3/s。桑植站上游沒(méi)有較強(qiáng)調(diào)節(jié)能力的大型水利工程，但具備日調(diào)節(jié)能力的賀龍水庫(kù)等中小型水利工程對(duì)枯水期河道徑流具有一定調(diào)節(jié)能力。桑植站宜采用Qp法生態(tài)基流成果8.32m3/s。

g.張家界。與其他站點(diǎn)不同，該站Qp法生態(tài)基流計(jì)算成果大于Tennant法計(jì)算成果。1959—1995年間，均基本滿(mǎn)足兩種方法所計(jì)算的生態(tài)基流值，但1996—2015年間滿(mǎn)足程度均較低。比較1995年前后兩個(gè)時(shí)期的特征流量值，11月至次年1月流量均值沒(méi)有顯著變化，僅2月流量由47.45m3/s增長(zhǎng)到61.70m3/s，但年最小1日、3日和7日流量均值由13.30m3/s、15.69m3/s、17.84m3/s大幅減少到1.40m3/s、2.77m3/s、6.38m3/s。因此，受上游魚(yú)潭壩等水利工程調(diào)度的顯著影響，導(dǎo)致張家界站生態(tài)基流滿(mǎn)足程度大幅下降。張家界生態(tài)基流可采用14.40m3/s。

h.石門(mén)。Qp法和Tennant法計(jì)算所得生態(tài)基流值分別為44.04m3/s和46.08m3/s，各月均能滿(mǎn)足生態(tài)基流要求。但對(duì)于《湖南省主要河流斷面生態(tài)流量方案》設(shè)置的生態(tài)流量指標(biāo)70.00m3/s，12月、1月兩個(gè)月的滿(mǎn)足程度均低于90%。石門(mén)站生態(tài)基流可采用44.04m3/s。

i.津市。枯水期各月均能滿(mǎn)足Qp法和Tennant法兩種方法計(jì)算的生態(tài)基流，為與石門(mén)站生態(tài)基流協(xié)調(diào)一致，津市站生態(tài)基流采用Tennant法計(jì)算成果47.03m3/s。

3.2 成果比較

比較《澧水流域水量分配方案》《江坪河水電站和淋溪河水電站取水許可》《淋溪河水電站環(huán)境影響報(bào)告》和《湖南省主要河流控制斷面生態(tài)流量方案》等中的生態(tài)基流成果。見(jiàn)表3。水量分配方案和《湖南省主要河流控制斷面生態(tài)流量方案》中，大多斷面的生態(tài)基流采用多年平均流量的10%，由于計(jì)算所選取資料時(shí)間序列不一致，導(dǎo)致斷面生態(tài)基流值存在細(xì)微差異。此外，《湖南省主要河流控制斷面生態(tài)流量方案》中澧水干流下游石門(mén)站生態(tài)基流為70.00m3/s，明顯大于多年平均流量10%，在皂市和江埡等大型水利工程修建前枯水期各月保證程度均較低。

表3 澧水流域主要河流控制斷面生態(tài)流量成果 單位：m3/s

3.3 其余斷面生態(tài)基流的插值計(jì)算

3.3.1 面積比擬法

非水文站點(diǎn)控制斷面生態(tài)流量的計(jì)算可基于參證水文站點(diǎn)，采用面積比擬法進(jìn)行計(jì)算。但運(yùn)用面積比擬法具有一定限制條件，控制斷面與參證水文站點(diǎn)的面積比例一般不宜低于80%。對(duì)于流域內(nèi)面積比例過(guò)低的控制斷面，可采用經(jīng)驗(yàn)公式法推算生態(tài)流量，同時(shí)結(jié)合上下游斷面生態(tài)流量控制指標(biāo)合理確定生態(tài)基流值。

3.3.2 經(jīng)驗(yàn)公式法

流域典型水文站點(diǎn)集水面積與多年平均流量、Qp法計(jì)算的生態(tài)基流量的經(jīng)驗(yàn)公式為y=0.029x+8.913、y=0.002x+0.367，根據(jù)斷面集水面積推算其余非水文斷面的多年平均流量值和Qp法生態(tài)基流成果值，見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 集水面積與多年平均流量線(xiàn)性關(guān)系

圖3 集水面積與Qp法生態(tài)流量值線(xiàn)性關(guān)系

4 結(jié) 語(yǔ)

山溪性河流河道內(nèi)徑流豐枯變化相對(duì)劇烈，Tennant法(比例取10%)計(jì)算成果在枯水期月份的滿(mǎn)足程度偏低，生態(tài)基流指標(biāo)宜采用Qp(p取90%)計(jì)算。Qp法和Tennant法計(jì)算的生態(tài)基流指標(biāo)值與流域集水面積間有較好的線(xiàn)性擬合關(guān)系，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式可用于流域其他斷面生態(tài)基流的計(jì)算。

控制性水利工程是保證流域枯水期生態(tài)基流的保障主體，流域中小型水利工程調(diào)節(jié)能力有限，但對(duì)枯水期河道徑流仍具有顯著影響，應(yīng)切實(shí)加強(qiáng)流域水量統(tǒng)一調(diào)度，將保障生態(tài)流量下泄納入各級(jí)水利工程的日常運(yùn)行調(diào)度規(guī)程，作為水資源配置的硬約束。