烏江流域生態流量計算及其時空演變規律研究

吳承君 王仲梅 來志強

摘要：

針對現有常用的生態流量計算水文學法缺少對年際間天然水文節律考量的問題，通過劃分年內來水期、年際間來水年型，基于最小月平均徑流法計算原理，提出基于年內固定來水期（FPE）和不同水平年變來水期（DPE）的兩種面向天然徑流時程分配的生態流量確定方法。基于提出的方法分析了生態流量的時空演變規律，并以烏江流域為對象開展實例研究。結果表明：FPE法和DPE法生態流量計算結果整體上達到了Tennant法中“好”的流量狀態；在時程上，豐水年生態流量計算結果呈增加趨勢，其余年型生態流量計算結果呈減小趨勢；在空間上，河道控制斷面生態流量與控制流域面積呈顯著正相關關系。所提方法為無資料或缺資料地區河段生態流量指標確定提供了參考。

關 鍵 詞：

生態流量； 水文學法； 水文節律； 時空演變； 烏江流域

中圖法分類號： TV212

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.013

0 引 言

近年來，為充分利用水能資源，在流域內干支流河道上均規劃建設了大量的梯級水庫和水電站［1］。大量水利工程的修建在發揮其興利作用的同時，也阻斷了河道的天然水力聯系，并由此引發了一系列的水生態和水環境問題［2］。早在20世紀40年代，美國率先提出最小生態流量的概念，以改善和維持河道水生態及水環境，形成了生態流量的雛形［3］。自20世紀50年代開始，針對生態流量的計算方法開始出現［4］。國內外已有生態流量計算方法超過了240種［5］。通過梳理已有生態流量計算方法計算原理，現有生態流量計算方法可歸納為水文學法、水力學法、棲息地模擬法、整體法、組合法等5種類型［6-9］。其中水力學法是基于河道形態得出的生態流量指標，計算結果單一，無法反映河道天然來水的水文節律［10-12］；而棲息地模擬法和整體法雖然對生態流量的模擬結果良好，但其模擬耗時長，計算程序較為繁瑣［13-14］；水文學法是基于長系列河道天然徑流序列，采用相應頻率的徑流過程作為生態流量，該方法計算簡便，是目前國內外最常用的生態流量計算方法［15-18］。

廣義上的水文節律既包括天然徑流年內分布的豐枯演變特性，同時也包括年際間天然來水的周期性。河道內水生生態系統在對年內來水時程分布提出要求的同時，其對年際間的用水需求同樣匹配水文節律的變化［19-21］。而常用的生態流量計算水文學法對水生生態系統在年際間的水文節律要求考慮欠缺，因此研究確定同時具備與年際和年內的水文節律相匹配的河流生態流量指標，是維持河流生態健全需要解決的一個科學問題。

基于此，本文針對常用的生態流量計算水文學法存在的不足，從滿足天然徑流年內和年際間水文節律角度出發，研究提出基于年內固定來水期和基于不同水平年變來水期兩種面向天然徑流時程分配的生態流量計算方法，使生態流量計算結果在滿足年內來水豐枯演變的同時，保證年際間的天然水文節律特性。在此基礎上，分別從時間尺度上和空間層級上，分析探討生態流量的時空演變規律，以期為無資料和缺資料地區生態流量的擬定提供參考依據。

1 常用的生態流量計算水文學法

Tennant法、最小月平均徑流法、Qp法等水文學法作為SL/Z 712-2014《河湖生態環境需水計算規范》（以下簡稱《規范》）中推薦的方法，是目前科學研究和生產實踐中常用的方法。

1.1 Tennant法

Tennant法以河道內多年平均流量為基準，針對年內不同的來水期，以多年平均流量的不同特定百分數描述河道內不同生態流量狀態［22-23］，見表1。

1.3 Qp法

Qp法是采用某一保證率下的天然徑流作為河道生態流量的方法，常見的Qp法包括Q95和Q90法。利用Qp法計算生態流量時主要包括以下兩種方式。

（1） 按年計算方式。

根據《規范》，利用Qp法計算生態流量時，以95%（或90%）保證率下的年最枯月平均流量作為生態流量。該方式下，計算的生態流量結果在全年內均為一個固定值。

（2） 按月計算方式。

Qp法的按月計算方式是通過對各月歷史徑流資料進行排頻計算，以95%（或90%）保證率下的各月平均徑流作為生態流量［24］。該方式計算結果在全年內各月生態流量均為不同值，表現為年內歷史來水較豐的月份生態流量大，年內歷史來水較枯的月份生態流量小。

上述常用生態流量計算水文學法，其計算結果通常未考慮（如Tenannt法中“最小”流量狀態、最小月平均徑流法、Qp法按年計算方式）或僅考慮了（如Tenannt法中除“最小”流量狀態外的其它流量狀態、Qp法按月計算方式）與河道年內天然水文節律的匹配性，缺少對年際間天然水文節律的考量。基于此，本文提出兩種面向天然徑流時程分配的生態流量計算方法，使生態流量計算結果在滿足年內來水豐枯演變的同時，保證年際間的天然水文節律特性。

2 面向天然徑流時程分配的生態流量計算方法

2.1 基于年內固定來水期的生態流量計算

基于年內固定來水期的生態流量計算（以下簡稱“FPE法”）是利用多年平均天然來水流量劃分年內不同來水期，同時通過劃分來水年型，確定不同年型、不同來水期下的生態流量。

（1） 年內來水期劃分。

本文采用距平百分率法將年內來水期劃分為豐水期、偏豐水期、平水期、偏枯水期和枯水期5個期型。年內來水期劃分公式見式（2），劃分等級見表2。

根據河道不同控制斷面處生態流量計算結果，分析河道生態流量空間演變規律。

4 實例研究

烏江是長江上游南岸最大的支流，流域年內和年際間來水分布差異大，年內降雨多發生在5～10月，多年平均徑流量504.8億m3。烏江梯級水庫的建成和投運，阻斷了烏江的天然水力聯系，使烏江水生態系統面臨嚴峻挑戰（圖2）。本文以烏江流域洪家渡、普定、引子渡、東風、索風營、烏江渡、大花水、格里橋、構皮灘、思林、沙沱11級混聯水庫群為研究對象，基于烏江流域1952～2015年各庫壩址處長系列天然逐月歷史月平均徑流資料，開展生態流量計算及其時空演變規律分析。

4.1 生態流量計算

采用FPE法、DPE法、Tennant法、最小月平均徑流法、Qp法計算的不同生態流量見圖3，年平均生態流量見表3（為減少篇幅，下面僅展示洪家渡水庫計算結果）。

由圖3可知，FPE法、DPE法、Tennant法（最小流量狀態除外）、Qp法（按月計算）生態流量計算結果均可反映年內水文情勢的變化，但Tennant法（最小流量狀態）、最小月平均徑流法、Qp法（按年計算）生態流量計算結果在年內不同來水期均是一固定不變值，對水文情勢的反映較差。同時，相比傳統生態流量計算方法，FPE法、DPE法生態流量計算結果體現了不同來水年型下生態流量的變化，可較好地反映年際間的水文情勢變化。

根據《貴州烏江梯級水電站水庫調度手冊》，洪家渡水庫壩址下游生態基流為14.4 m3/s，與Tennant法中“最小”的流量狀態計算結果基本一致，均小于其他生態流量計算方法計算結果，表明上述生態流量計算方法計算結果均能滿足洪家渡下游生態保障需求。同時，由表3可知，在不同生態流量計算方法的年內平均生態流量方面，FPE法、DPE法、Qp法（按月計算）均接近或略高于Tennant法中“好”的流量狀態，表明利用這3種方法計算的生態流量能較好地保護或維持水生態系統的安全。

由前述計算結果可知，FPE法、DPE法生態流量計算結果在量級層面均能接近或達到“好”的流量狀態，且其能反映出天然徑流在年際間的水文節律，同時考慮到DPE法較FPE法對不同水平年來水期的劃分更為精確，因此，本文通過采用DPE法生態流量計算結果，分析生態流量時空演變規律。

4.2 生態流量時空演變規律

4.2.1 生態流量時程演變規律

根據《規范》，采用水文學法計算生態流量時，河道天然徑流資料不低于10 a，因此，本文在計算不同階段生態流量時，取t0=10，d=5，計算得不同階段生態流量如圖4所示，變化趨勢見表4（為減少篇幅，以下僅展示洪家渡、烏江渡、大花水和構皮灘4座典型水庫計算結果），其中“綜合”是根據不同年型的年內平均生態流量，結合不同年型的年數加權平均計算得出。

由圖4和表4可以看出：① 針對河道某一控制斷面，受不同水平年下不同來水期最小月平均徑流差異的影響，在徑流序列長度較小時，斷面年均生態流量并非完全遵循主觀認識上的由豐水年、偏豐水年、平水年、偏枯水年、枯水年依次遞減的規律。② 針對每座水庫，其豐水年年均生態流量在時程上均呈增加趨勢，而在其它年型中，除大花水水庫平水年年均生態流量在時程上呈增加趨勢外，均表現出年均生態流量在時程上減小的趨勢，表明流域年際間來水的豐枯差異增大；同時，由“綜合”曲線可以看出，上述各庫的年均生態流量均呈降低趨勢，表明近年來流域來水整體上較水庫運行前期有所減少。③ 徑流序列長度較小時，針對某一控制斷面，其生態流量計算結果變化較大，隨徑流序列長度的增加，生態流量計算結果趨于平穩。

4.2.2 生態流量空間演變規律

基于烏江流域1952～2015年各庫壩址處長系列天然逐月歷史月平均徑流資料，采用DPE法計算得烏江11級水庫生態流量過程，繪制控制斷面生態流量與控制流域面積關系，如圖5所示。其中各月的生態流量是根據不同水平年下相應月份的生態流量，結合不同水平年的年份，通過加權平均計算得到。

由圖5可知，針對流域內不同控制斷面，各月間的生態流量和年均生態流量均與其控制流域面積呈顯著的線性正相關關系。

5 結 論

本文針對常用的生態流量計算水文學法計算結果難以匹配天然徑流年際間水文節律的問題，分別提出了基于年內固定來水期和不同水平年變來水期的兩種面向天然徑流時程分配的生態流量確定方法，還研究了生態流量時空演變規律分析方法，并以烏江流域為對象開展了實例研究，得出結論如下：

（1） 基于年內固定來水期和不同水平年變來水期的兩種生態流量計算方法的計算結果整體上接近或達到Tennant法中“好”的流量狀態，且較傳統水文學法能更好地反映天然徑流年際間的水文節律。

（2） 運用水文學法計算生態流量時，采用的徑流序列長度越短，計算結果穩定性越差，徑流序列長度越長，結果穩定性越好。

（3） 流域內河道控制斷面的生態流量與斷面控制流域面積呈顯著的線性正相關關系。基于此，可通過線性插值法確定流域河道內各斷面生態流量指標，為無資料或缺資料河段或地區生態流量指標確定提供了參考依據。

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（編輯：黃文晉）

Abstract：

The existing commonly used hydrological methods for ecological flow calculation lacks consideration of the inter-annual natural hydrological rhythm.By dividing the incoming water period within a year and the incoming water year type between years，using the calculation principle of Minimum Monthly Average Runoff Method，two ecological flow calculation methods for natural runoff time-history allocation based on annual fixed inflow period（FPE）and different levels of years with variable inflow period（DPE）are proposed respectively in this paper.We also studied the temporal and spatial variation of ecological flow.The Wujiang River Basin is studied as a case.The results show that the ecological flow calculated by FPE and DPE are in a level that can be evaluated as good by Tennant method.In terms of time history，the ecological flow calculation results in wet years show increasing trends，while the other year types show decreasing trends.Spatially，there is a significant positive correlation between the ecological flow of the control section of the river and the area of the basin.

Key words：

ecological flow；hydrological method；hydrological rhythm；temporal and spatial variation；Wujiang River Basin