青草塥河生態流量計算研究

徐 旭

（安徽省安慶水文水資源局,安徽 安慶 246003）

隨著可持續性發展的不斷推進,河流的生態健康研究已成為全球人類普遍關注的熱點。良好的生態環境是人類實現可持續發展的重要自然條件,河流是生態環境能夠正常運行重要保障之一[1]。河流本身并沒有生態流量,但是河流、湖泊中存在各種水生動物、植物的生育、成長、繁衍,需要河流提供水生環境；同時由于社會的不斷進步發展,人類對河流用水需求量日益增加,從而產生了生態流量這個新名詞。

河流生態流量一般是指河流應保持其生態功能所應該持有的流量,當流量值小于該臨界值,河流本身會發生演變,導致河流系統的生態退化[2]。20 世紀末,國內學者對河流生態需水展開研究,張澤聰采用Tennant 法計算出具有季節性變化的北方河流的生態流量[3]。李紅清在厄瓜多爾水資源管理中應用Tennant 和流量歷時曲線法計算出了212 個生態控制斷面的生態流量[4]。針對江淮地區河流特點,筆者提出適宜該區域的河流生態流量計算方法,以期為實現生態環境的可持續發展提供科學的技術支持。

1 研究方法

河流水生態系統按照其空間發生位置不同分為：在河道內與河道外系統,本次主要研究內容是計算河道內生態系統的需水量。河流河道內生態流量水文計算方法主要包括有：Tennant 法、美國7Q10 法、頻率計算法、得克薩斯州法[5]。

1.1 Tennant 法

Tennant 法起源于20 世紀70 年代,由美國學者田奈特提出[6],通過研究320 km 長度河段,60 個斷面,50 多種流量狀態,通過開展棲息地研究后建立河流流量與所處生態系統之間的關系,綜合考慮分析不同河流、多種流量級、不同橫斷面條件下的化學、物理、生物指標對漁業產生的相關影響,建立水生生物與河流流量之間的關系標準：（4 月～9 月時間段）極差等級為0～10%（多年平均流量百分比）,最小等級10%,一般等級10%,良好等級20%,很好等級30%,極好等級40%,最佳范圍等級60%～100%,最大等級200%；（10 月-翌年3 月）時間段極差為0～10%（多年平均流量百分比）,最小10%,一般30%,良好40%,很好50%,極好60%,最佳范圍60%～100%,最大200%。該方法最大的優勢在于需要數據相對較少,不需要進行大量的野外勘察工作,適宜在于缺乏生態資料的地區使用。這種方法的主要缺點在沒有徹底對研究河流區域的方方面面（包括物理、化學、生物）的實際情況進行充分的分析考慮,沒有詳細分析水生植物、動物的各項需求,生物不同種內、種間的相互影響關系。生態學者在采用其他水文分析法進行生態流量計算時常常采用Tennant 法對計算結果進行評估檢驗。

1.2 頻率法

首先收集研究河流歷史流量資料,以月為單位建立長系列月流量值,各月份采用不同保證率（豐、平、枯水年分別對應50%、75%、90%保證率）,不同保證率對應的流量值即為該河流生態流量值,該方法可以較好表征出河流的動態徑流過程[7]。

2 研究區河流及水文站概況

2.1 測站基本情況

沙河埠（二）水文站位于安徽省潛山縣源潭鎮雙峰居委會,地理坐標為東經116°41'46'',北緯30°51'48''。流域呈扇形,發源于岳西縣魏嶺,流經岳西縣、潛山縣10 個鄉鎮和1 個國營林場。流域內地勢呈西北高東南低走向,地形為山區和淺山區,山區約322 km2,占流域面積70%,淺山區約138 km2,占流域面積30%。最高峰為豬頭尖峰,高程1529 m ,最低處為測驗斷面附近,高程50 m。流域平均高程411 m,平均坡度18.5 dm/km2,河道長度52.8 km,河道平均坡度6.66‰,流域形狀系數0.664。流域地質屬花崗巖、片麻巖和石英巖。土壤大致為麻谷土、豬肝土、沙土、沙壤土等。其中沙土面積占流域面積的87%。植被覆蓋情況較好,森林覆蓋率67.5%。植被以松樹、栗樹、杉樹為主；還有一些灌木,以及人工種植的桑、油茶、竹等。

本流域為亞熱帶季風濕潤性氣侯區,造成暴雨的天氣系統主要是切變線、低渦及臺風。降水以鋒面雨為主。多年平均面降水量1411.2 mm,最大年面降水量2229.7 mm,最小年面降水量836.0 mm；本站多年平均降水量1366.0 mm,年降水量最大值2105.2 mm,最小值為766.8 mm；雨量主要集中在5 月～9 月份,占年降水量60%以上。

2.2 河流概況

本次研究對象為長江流域白兔湖水系青草塥河,為長江北岸支流水體。該河設有國家基本水文站-沙河埠（二）水文站,位于潛山市源潭鎮雙峰居委會,測站以上集水面積460 km2。冬季平均氣溫小于10℃,夏季為22℃,春、秋季為10℃～20℃。白兔湖入湖河流多,水質良好,適宜魚類產卵繁衍、覓食、棲息,回游魚類多。每年3 月～4 月桃花汛和6 月～8 月伏汛,都是捕撈旺季,主要經濟魚類,如青、草、鰱、鳙、鯽魚等。該區域的魚類,大多數在溫暖的春季產卵,主要產卵期為3 月～6 月,外界環境條件中河流流量、水溫、底質都和魚類的產卵要求能否滿足有關,持續高水流速促進魚類新陳代謝,對于魚類產卵成功率起到了促進作用。

2.3 水文測驗概況

采用河流河道內生態流量水文計算方法時,數據來源于河流斷面水文監測數據,包括降雨量及實測流量。沙河埠（二）水文站是白兔湖水系青草塥河的控制站,位于青草河出山口。沙河埠（二）水文站主要測驗斷面有2 個,分別為基本水尺斷面兼流速儀測流斷面、流速儀測流斷面（基下220 m）。測驗河段順直長度200 m,河寬150 m 左右。主槽靠河道左岸,河床為沙質變動河床,穩定性較差。在河右岸河底高程要明顯地高于河左岸。中高水位時,基本水尺斷面下游220 m 處的彎道開始起控制作用。2010 年以后,河道禁沙以來,測驗河段因沖淤影響,河床下降趨緩。最大流量發生在1969 年7 月14 日,為6100 m3/s,最小流量發生在1967年8月30日,為11.6 m3/s。

3 河道內生態流量計算與分析

3.1 計算過程

多年月平均流量：某月平均流量=某月每天流量之和/天數,多年月平均流量=1960 年～2016 年長系列某月流量之和/57。

Tennant 法：某年平均流量=某年1 月～12 月每月平均流量之和/12,多年平均流量=1960 年～2016 年長系列每年平均流量之和/57。1 月、2 月、9 月、10 月、11 月、12 月采用計算得出的多年平均流量乘以0.1,3 月～8 月采用多年平均流量乘以0.3。

逐月頻率法：建立某月1960 年～2016 年長系列數據,使用水文頻率計算適線軟件計算出該月50%、75%、90%保證率條件下的月流量,3 月～8 月采用50%保證率,2 月、9 月、10 月采用75%保證率,11 月、12 月、1 月采用90%保證率。

保證率：在進行水利計算時,將經驗頻率換算為保證率的概念。如對降雨而言,就是某一降水量獲得保證的年份數占計算總年數的百分比。保證率為50%,說明長期的統計計算中,某一年降水量50%的年份得到保證,50%的年份不足。降水是生態用水的主要來源,一般把保證率為25%的降雨年份作為豐水年,50%保證率的降雨年份作為平水年,75%的年份為枯水年。

3.2 計算結果

本次計算青草塥河河道內生態流量,采用國家基本水文站—沙河埠（二）水文站1960 年～2016 年天然徑流資料進行計算,重點考慮魚類生物需水和區域主降水期,將一年周期分為兩個時間段：豐水期（3 月～8 月）、枯水期（9 月～翌年2 月）,其中豐水期設定主要考慮受季風氣候影響的河流汛期以及河流中魚類的產卵育幼期。經過Tennant 法、逐月頻率法計算青草塥河河道內生態流量見表1,同時采用Tennant 等級生態流量評價法對3 種方法的計算結果進行評價,見表2。

表1 青草塥河河道內生態流量計算成果表單位：m3/s

表2 青草塥河河道內生態流量（Tennant 等級）評價表

采用Tennant 法時,考慮3 月～8 月是魚類產卵育幼期,河寬、水深、流量都將為魚類提供優良的生長環境,同時又是春夏兩季,可以為人類活動（捕魚、劃船等）提供便利,在此期間適宜保持多年平均流量的30%作為河道內生態流量閾值。9 月～翌年2 月降雨量減少,同時考慮人類生活和自然系統對河流的需求都較少,可采用多年平均流量的10%作為河道內生態流量閾值,該方法條件下河流長期處于生態流量閾值,河流生態系統處于生態亞健康狀態,易造成河流生態環境的退化和不可逆的破壞。

頻率法更加細化了河流的動態徑流過程,根據逐月天然徑流量的水文情勢特性,在不同時期采取不同保證率。同時,將頻率法計算的結果通過使用Tennant 法流量與生態系統關系評價標準發現：1 月為良好等級,2 月為很好等級,3 月～8 月為最佳等級,9 月～10 月為良好等級,11 月～12 月為一般等級。該方法較好地體現了具有明顯季節性變化河流的特征,高水位、大流量又對水生生物產卵育幼起到了促進作用。同時,河流保持較高水位、大流量有助于水體中污染物遷徙,如果水位較低、流量較小,水體沉積物易于積累在河底從而污染河流,進而對下游產生高負荷。

4 結論

（1）Tennant 法、頻率法等部分水文學分析法在大多數的情況下不需要進行現場測定數據,適用于成熟度不高的河段研究中。采用頻率法計算逐月生態流量值適用于具有明顯季節性變化的江淮地區河流,展現出河流的動態徑流過程。

（2）青草塥河生態流量不應該是某一個閾值,而應該是根據自然-社會雙重條件影響下的動態值,應參考逐月天然徑流量的百分比：每年3 月～8 月河流河道內生態流量為逐月平均流量的60%～100%,9 月～翌年2 月為逐月平均流量的30%～40%。