基于基流保證率法的涇河流域生態基流計算

安宇廷　喬曉英　陳永鋼　王梓宇

［關鍵詞］ 生態基流；基流保證率法；水資源；水生態；涇河流域

［摘 要］ 為使我國北方生態基流得到更好的保障，提出了基流保證率法。從河川徑流的組成以及生態基流的來源入手，結合生態基流的含義和功能，對徑流資料進行年內展布，劃分豐水期、平水期、枯水期，以保證率的方式來確保不同水期生態基流的需求。以涇河干流及其支流馬蓮河為例，應用該方法計算了涇河流域不同斷面的生態基流，涇河干流上涇河源斷面為0.16～0.65 m3/s，楊家坪斷面為2.76～8.03 m3/s，景村斷面為7.47～18.23 m3/s，張家山斷面為9.03～21.76 m3/s；支流馬蓮河上洪德斷面為0.02～0.82 m3/s，慶陽斷面為0.95～2.76 m3/s，雨落坪斷面為1.99～6.07 m3/s。與幾種傳統水文學方法相比，該方法計算的生態基流既能保障生態系統的基本需求又不擠占其他用水量，并且各斷面生態基流的保障程度基本都能達到90%以上。

［中圖分類號］ X171.1；TV882.1［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1000－0941（2023）07－0031－06

水是生命之源，河道作為水流的載體是聯系人與自然的紐帶。實現人與自然和諧共處的首要前提就是要維護好河流生態的健康。一旦河道斷流，水生態遭到破壞，將再難恢復。因此，維持一定的流量來保障河道水生態環境的健康是十分必要的。《河湖生態環境需水計算規范》（SL/T 712—2021）將維持河流水生態系統功能不喪失的最小流量過程稱為生態基流（ecological base flow）[1]。

針對生態基流的研究已有80余a，計算方法多達百余種，可歸納為水文學法、水力學法、生境模擬法、整體分析法四大類[2]。水力學法是以水力學為理論支撐，根據河道物理特性來計算生態基流，未考慮季節變化和水生物需求，計算結果僅能保證河道不斷流；生境模擬法是根據徑流與目標生物棲息地關系計算生態需水量的，雖具有生態學意義，但生態需水量大于生態基流量，并且要考慮河段生物的種類、數量、習性、繁育等，因此對數據資料要求較高，計算過程更為復雜；整體分析法與生境模擬法較為類似，考慮得更加全面系統，因此對數據資料要求高，計算復雜，更適合生態需水量的計算；傳統的水文學法雖然以水文學為理論依據，以水文觀測資料為數據支撐，計算簡便，但是計算的生態基流過程缺乏內在聯系，而且不同的水文學方法計算結果差異較大，難以判斷成果的適用性，面對水資源匱乏、擠占生態流量的挑戰，不利于水資源的調度與管理[3-4]。

因此，本研究依據《河湖生態環境需水計算規范》（SL/T 712—2021）中對生態基流的定義，提出了一種新的計算生態基流的方法，即基流保證率法。本研究以涇河干流及其支流馬蓮河為例，對基流保證率法的原理、計算、應用加以說明，并與幾種傳統水文學法進行對比，以驗證該方法的合理性及適用性。

1 研究概況

1.1 研究區概況

涇河是黃河二級支流，發源于老龍潭，流經陜西、甘肅、寧夏三省（區），于陜西高陵入渭。干流長約455.1 km，流域面積約45 421 km2。馬蓮河為其最大支流，河流自北向南，全長374.8 km，總落差991 m，平均比降1.35‰，集水面積19 086 km2。

涇河流域屬溫帶大陸性季風氣候區，是半濕潤帶向半干旱帶過渡帶，流域內90%以上區域為半濕潤帶。降水分布存在明顯空間差異性，呈現南多北少態勢，其中涇河源頭六盤山地區降水最豐沛，多年平均降水量655.05 mm；長武地區是流域的次降水中心，多年平均降水量604.33 mm；環縣地區降水量較少，多年平均降水量429.19 mm；支流馬蓮河源頭段多年平均降水量僅為364.00 mm。年均氣溫為1.47～13.24 ℃，空間分布呈現南熱北冷、東暖西寒的態勢；多數區域多年平均最高氣溫30 ℃，六盤山地區23 ℃，中下游區域33 ℃；多年平均最低氣溫分布有較為明顯的南北差異，分別以“靈臺—長武—正寧”“涇源—彭陽—慶城”為界，將涇河流域劃分為南、中、北3個區域，表現為南暖、中溫、北寒的特征，南部地區多年平均最低氣溫為-10 ℃，中部地區為-15 ℃，北部地區為-20 ℃。

1.2 數據來源

為了更好地探討基流保證率法對生態基流計算的適用性，共選取了涇河流域7個水文站，其中涇河源站、楊家坪站、景村站、張家山站位于涇河干流，洪德站、慶陽站、雨落坪站位于支流馬蓮河。此外，收集了各水文站1974—2019年月徑流資料，涇河源站1974年1月至1978年12月徑流資料為寧夏水文水資源勘測局通過徑流還原所得，資料可靠。各水文站情況見表1。

2 研究方法

2.1 基本思路

對于我國北方常流河而言，河川徑流由地表徑流和基流共同組成，其中基流即匯入河道的地下徑流，常年存在于河道，流量過程較為穩定[5]。生態基流是由河川徑流提供補給的，作為維持河流水生態系統功能不喪失的最小流量過程，需常年存在于河道，這與基流存在一定的共性，那么可以考慮優先由基流來保證對生態基流的供給。因此，可以通過基流來推求生態基流。

在我國北方常根據降雨規律將徑流分為汛期徑流和非汛期徑流，汛期為7—10月，其他月為非汛期。這樣的水期劃分與河道對生態基流的需求規律未能充分匹配，可進一步結合氣候條件、地理環境、水生態需求等細化為豐水期、平水期、枯水期。枯水期氣溫較低，部分河流會面臨冰封狀態，河道內生物多數停滯生長，所需生態基流相對最小，且人類對水資源利用程度相對最低，可以最大程度保障生態基流；平水期一般在春秋季，正是萬物生長與凋零的季節，該時段降水也相對較多，可兼顧水生態和人類活動的需求制定生態基流的保證率；豐水期通常在汛期內，降水充沛，正是生物生長發育高峰季，北方河流更兼具輸沙功能，生態基流理應最大，但此時農業灌溉、水力發電等人類活動對水資源需求較大，因此需要適當降低生態基流的保證率，但不會降低其水量[6-8]。

因此，在采用基流保證率法計算生態基流時，應先計算斷面基流及基流指數，判斷基流與河川徑流的水利聯系是否密切，是否為河川徑流的主要補給來源；再將河川徑流劃分為豐、平、枯水期，根據不同水期對生態基流的需求給予相應的設計保證率，即可計算出該斷面的生態基流。

2.2 計算方法

2.2.1 基流計算方法

基流通常難以直接觀測，一般采用基流分割方法將基流量從河川徑流中分割出來。基流分割方法眾多，本研究采用Chapman-Maxwell數字濾波法進行基流分割計算[9-10]。公式為

2.2.3 生態基流計算方法

在確保基流是河川徑流的主要補給來源的前提下，根據河川徑流資料劃分為豐水期、平水期、枯水期3個水期，并結合《河湖生態環境需水計算規范》（SL/T 712—2021）分別取50%、75%、90%設計保證率下的基流作為河道斷面生態基流保障閾值。在我國絕大部分流域徑流特性均符合皮爾遜Ⅲ型（P-Ⅲ）分布，本研究中涉及頻率分析均采用適線法進行P-Ⅲ擬合[14]。

3 傳統水文學方法

3.1 Tennant法

Tennant法又稱為Montana法，是將多年平均流量的特定百分比作為生態基流[15]。Tennant法將多年平均流量的10%、30%分別作為保持河流生態系統健康與保障水生物棲息條件的最小流量，我國北方地區常取20%作為生態基流[16-18]。

3.2 Texas法

對月平均流量逐月排頻，以50%保證率下的特定百分數作為生態基流[19]。吳喜軍等[20]根據渭河寶雞段典型植物及魚類的水量要求，提出特定百分比取20%為宜。

3.3 NGPRP法

NGPRP法即Northern Great Plains Resource Program法，將水文年劃分為豐、平、枯3種年型，取平水年90%保證率流量作為生態基流[2]。該方法缺乏生物學依據[21]。

3.4 90%保證率法

根據長序列水文資料，對月徑流進行頻率分析，取保證率P=90%的流量作為生態基流。該方法適用于開發程度較高或水量較小的河段[22]。

4 試驗與分析

4.1 基流保證率法生態基流計算

4.1.1 基流計算

通過Chapman-Maxwell數字濾波法分別對各水文站河川徑流進行基流分割，得到各水文斷面的基流。此處以張家山斷面作為代表，其流量、基流變化情況見圖1。

本研究以1980年、1990年、2000年、2010年作為時間節點，分別計算了涇河干流及其支流馬蓮河各水文站斷面IBF值，計算結果見表3。

從表3可以看出，涇河源斷面IBF最大為0.64，最小為0.54，差值為0.10；楊家坪斷面IBF最大為0.60，最小為0.56，差值為0.04；景村斷面IBF最大為0.61，最小為0.57，差值為0.04；張家山斷面IBF最大為0.62，最小為0.58，差值為0.04；洪德斷面IBF最大為0.60，最小為0.48，差值為0.12；慶陽斷面IBF最大為0.60，最小為0.57，差值為0.03；雨落坪斷面IBF最大為0.61，最小為0.53，差值為0.08。根據各水文站IBF最大值與最小值差值可以看出，涇河流域基流占據河川總流量的比例變幅較小，說明涇河流域各斷面基流對河川徑流的補給較為穩定。各水文站斷面多年平均IBF均大于0.50，其中洪德站最小為0.53，張家山站最大為0.60，其他斷面基流指數均在0.58及以上，表明涇河流域基流占據河川徑流比例較大，地下水是河川徑流的主要補給來源。這表明涇河流域地表水與地下水之間存在長期且穩定的水利聯系，那么在考慮以基流作為生態基流的優先補給源的前提下，可以通過基流來量化生態基流。

4.1.2 水期劃分

根據本研究所述水期劃分方法，涇河流域不同斷面豐、平、枯水期的分布并不完全一致。涇河干流斷面豐水期主要集中于7—10月，平水期以6月、11月為主，枯水期集中于12月至次年5月；而支流馬蓮河的豐水期主要集中于7月、8月，平水期以6月、9月為主，枯水期主要集中于10月至次年5月。涇河流域水期劃分情況見表4。

由表4可知，涇河流域不同水文站豐水期相對穩定，平水期、枯水期差異較大。豐水期常現于汛期內，主要受降水的影響，涇河流域雖然范圍較廣，但流域內降水集中時期較為一致，因此豐水期的差異不大；而平水期、枯水期多為非汛期，該時段內降水量小且不集中，此時段制約水量的主要因素除降水外還有氣溫，尤其是在春、冬季，伴隨著冰雪融化、凍土消融，部分河段3月份水量較大。

一般情況下在豐水期與枯水期之間有平水期作為過渡，呈現一種“枯—平—豐—平—枯”的變化規律，但洪德站則較為特殊，僅呈現“枯—豐—平—枯”的變化規律，這不代表洪德站直接由枯變豐沒有平水期過渡，而是因其過渡時間較短，在本次計算采用的月尺度下無法顯現。

總之，劃分水期的目的就是提升生態基流計算的精度。尤其是計算流域面積大、地形地貌復雜、跨氣候分區的大中型流域，要有針對性地計算各個斷面的生態基流，爭取做到既能保證生態基流又能不擠占其他水資源利用量。支流與干流還是存在差異的，在計算中不僅要考慮干支流共性特征，還應考慮其個性特征。

4.1.3 生態基流計算

根據IBF值已確定基流是涇河流域河川徑流的主要補給來源，結合各斷面水期劃分，豐、平、枯水期分別以50%、75%、90%設計保證率下的基流作為生態基流的保障閾值。如此，既能保證枯水期不斷流，又能兼顧平水期、豐水期水生動植物生存、繁育，同時不擠占其他用水量，可使流域水資源開發利用的生態、經濟效益最大化。涇河流域各水文站生態基流計算成果見表5。

由表5可知，涇河干流上涇河源斷面生態基流為0.16～0.65 m3/s，最小值出現于2月、3月，最大值出現在10月；楊家坪斷面生態基流為2.76～8.03 m3/s，最小值出現于5月，最大值出現在10月；景村斷面生態基流為7.47～18.23 m3/s，最小值出現于5月，最大值出現在9月；張家山斷面生態基流為9.03～21.76 m3/s，最小值出現于5月，最大值出現在10月。支流馬蓮河上洪德斷面生態基流為0.02～0.82 m3/s，最小值出現于1月、2月，最大值出現在8月；慶陽斷面生態基流為0.95～2.76 m3/s，最小值出現于2月，最大值出現在8月；雨落坪斷面生態基流為1.99～6.07 m3/s，最小值出現于1月、2月，最大值出現在9月。

結合劃分的水期，涇河流域生態基流最小值均出現于枯水期，最大值均出現在豐水期，這表明采用基流保證率法計算的生態基流是符合涇河流域水文年內分布特征的。

為了進一步探討由基流保證率法計算的生態基流是否能保證涇河流域各斷面對生態基流的需求，在此參照基流指數引入生態基流比例，即本時段某斷面的生態基流與多年平均流量的百分比。本研究計算了涇河流域各斷面的生態基流比例，見圖2。

由圖2可知，涇河干流上各斷面生態基流比例分別為：涇河源斷面16.56%～44.66%；楊家坪斷面19.88%～43.77%；景村斷面19.16%～55.73%；張家山斷面21.18%～58.78%。涇河支流馬蓮河上各斷面生態基流比例分別為：洪德斷面6.25%～49.15%；慶陽斷面11.52%～70.07%；雨落坪斷面13.32%～62.22%。

生態基流比例最小值分布月份、水期均較為集中，除涇河源、洪德斷面分別于5月（平水期）、2月（枯水期）出現外，其他斷面均出現在7月（豐水期）。而生態基流比例最大值的分布月份相對分散、水期相對集中，涇河源斷面出現在11月（平水期），洪德斷面出現在10月（枯水期），雨落坪斷面出現在12月（枯水期），其他斷面均出現在1月份（枯水期）。涇河干流上涇河源、楊家坪、景村、張家山斷面生態基流比例平均值分別為29.29%、31.17%、36.27%、37.96%；支流馬蓮河上洪德、慶陽、雨落坪斷面生態基流比例平均值分別為20.68%、39.17%、36.79%。結合表5和圖2來看，洪德斷面1—5月為枯水期，不僅生態基流小，而且生態基流比例也較小，這與其他斷面枯水期生態基流小但生態基流比例較大的規律不同。根據洪德斷面所處的地理位置、氣候條件以及河道特性來看，通常在1—3月為冰凍期，河流冰封以及凍土滯流致使該時段內基流對河川徑流的補給受阻。這也說明該時段內河道對生態基流的需求并不強烈，因此并不影響生態基流的計算成果適用性。我國對生態基流比例無明確標準，但是有些國家規定最低生態基流不得小于多年平均流量的5%，以此為參考，本研究采用基流保證率法計算的涇河流域生態基流是適用的。

4.2 與傳統水文學法對比

本研究不僅用基流保證率法計算了涇河流域各斷面的生態基流，同時也通過Tennant法、Texas法、NGPRP法、90%保證率法4種傳統水文學方法計算了涇河流域各斷面的生態基流。通過與多種傳統方法的對比，可以更加直觀地評判基流保證率法的計算成果。多種方法計算的生態基流結果對比情況見圖3。

由圖3可知，由基流保證率法計算的生態基流在其他方法計算值之間，且漲落規律與其他方法計算結果一致，這表明由基流保證率法計算的生態基流在數值與規律上都是合理的。

在傳統水文學方法中，Tennant法和Texas法的計算規律相似，但數值偏大，差別在于Tennant法用的是多年平均流量，而Texas法是考慮了季節變化因素，用的是50%保證率下的月平均流量。采用這兩種方法計算生態基流時多數人選用的特定百分比為20%，這樣算出的生態基流是否過剩或不足難以鑒定。基流保證率法則是根據生態基流需求制定保證率，更具合理性。從圖3來看，NGPRP法計算的生態基流最大，在其他方法合理的情況下，由NGPRP法計算的生態基流將擠占其他用水量，這不利于河道水資源的開發利用。整體上看，由90%保證率法計算的生態基流雖然確保了生態基流的保證率能達到90%，但是在豐水期計算所得生態基流偏大，而此時正是農業灌溉、水力發電、水資源調度以及防洪的關鍵時期，生態基流偏大則過分擠占其他用水，不利于上述水利活動的開展。基流保證率法計算的生態基流基本都在90%保證率計算值之下和Texas法計算值之上，這說明由基流保證率法計算的生態基流的保障程度可達90%以上。

綜合來看，在涇河流域無論是干流還是支流，也無論是河流源頭還是上、中、下游，由基流保證率法計算的生態基流都具有合理性和普適性，而且保障程度高達90%以上。相對于傳統方法，基流保證率法計算所得生態基流過程線無陡漲陡落，曲線更加平滑，更有利于對河床的保護以及對生態基流的調控。

5 結 論

1）本研究提出的基流保證率法，是根據河川徑流的組成以及生態基流的來源，結合生態基流的含義和功能，通過劃分年內水期以保證率的方式來確保各水期生態基流的需求的。這為河道生態基流的計算提供了新的思路及方法。

2）通過該方法在涇河干流及支流馬蓮河的應用，得到了涇河流域不同斷面的生態基流：涇河源斷面生態基流為0.16～0.65 m3/s，楊家坪斷面生態基流為2.76～8.03 m3/s，景村斷面生態基流為7.47～18.23 m3/s，張家山斷面生態基流為9.03～21.76 m3/s；支流馬蓮河上洪德斷面生態基流為0.02～0.82 m3/s，慶陽斷面生態基流為0.95～2.76 m3/s，雨落坪斷面生態基流為1.99～6.07 m3/s。各斷面生態基流的保障程度基本都能達到90%以上。

3）與Tennant法、Texas法、NGPRP法、90%保證率法相比，該方法有更科學的理論支撐，受資料約束小，計算程序簡便；該方法的計算成果既能保證生態系統的基本需求又不擠占其他用水，有利于水利部門對水資源的調度與管理。

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收稿日期： 2022-10-27

基金項目： 陜西省重點研發計劃項目（2021ZDLSF05-03）

第一作者： 安宇廷（1994—），男，河北張家口人，助理工程師，碩士，主要從事水文與水資源調查規劃及生態環境保護研究工作。

通信作者： 喬曉英（1969—），女，山西運城人，教授，博士生導師，博士，主要從事旱區地下水文過程與生態效應的教學與科研工作。

E-mail：530441598@qq.com

（責任編輯 楊傲秋）