大夏河流域生态流量目标确定及保障措施分析

张 萌，黄维东，，张金霞，张昌顺，吴彦昭

(1.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070;2.甘肃省水文站，甘肃 兰州 730000)

党的十九届五中全会提出要深化实施可持续发展战略、全面提升资源利用效率，对资源的开发与利用要为全局计、为子孙谋，其中水资源的可持续发展是最关键的问题之一[1]。水资源短缺、生态用水挤占、生态流量保障不足是制约河流健康可持续的主要问题，一条健康的河流不仅维持生态系统的结构和功能完善，而且还具有一定的经济和社会价值[2]。大夏河流域是甘南高原的重要水源涵养区，是黄河上游的一级支流，对黄河流域生态保护与高质量发展起着举足轻重的作用。近年来受人类活动和气候变化的影响特别是区域用水的加剧、梯级水电站建设等，使挡水建筑物至发电厂房形成减水河段，河道断流现象时有发生，对河道内动植物栖息环境、用水户取水等产生一定影响。

生态流量的计算本质上就是求解其阈值问题。1976年，Tennant Donald Leroy[3]率先提出一种快速且简单的计算方法来确定河流最小保持量；1996年，Brian等[4]提出水文指标法并用来规划生态系统管理以及衡量保护目标；2004年，徐志侠等[5]提出计算河道水体最小生态需水的方法；2012年，Julian D等[6]总结了常用计算方法的重要优点和缺点；2018年，褚俊英等[7]构建了城市河湖生态流量计算与保障程度分析模型；2021年，Bower Luke M等[8]提供了一个基于统计流量——生态关系的灵活框架。有关生态流量的研究一直在不断深化，针对现阶段最适合于我国的计算方法是水文指标法，并常取生态流量满足率作为生态流量目标确定是否合理的评价指标[9]。

本文以大夏河流域作为研究区，依据长系列的水文资料，采用水文学法中的Qp法[10]、Tennant法[11]、7Q10法[12]、逐月最小生态径流计算法[13]和流量历时曲线法[14]共5种方法进行分析计算，结合流域径流特性分析和生态流量满足程度，确定出较合理的生态流量目标，并给出相应的生态流量保障措施，为流域的河流健康与水资源可持续利用提供科学依据。

1 流域概况

1.1 自然地理

大夏河流域位于东经102°02′—103°22′、北纬34°52′—35°48′之间，发源于青海省同仁县东南部达布热，西向东流经青海省黄南藏族自治州、甘肃省甘南藏族自治州夏河县、临夏回族自治州临夏县、临夏市、东乡县最后汇入刘家峡水库。大夏河全长约203km，流域面积7154km2，整体呈蘑菇形，大部分地区海拔1900～2300m，多年平均气温2.7℃，由北向南逐渐降低，多年平均年降水量465.0mm，多年平均水面蒸发量720.7mm，年均地表径流量10.25亿m3，年均输沙量243.53万t，年均含沙量3.44kg/m3，年侵蚀模数353.32t/km。

1.2 水资源及开发利用现状

根据第三次全国水资源调查评价成果，大夏河流域水资源量及用水量，如图1所示。流域水资源总量10.31亿m3，其中青海省1.49亿m3、甘肃省8.82亿m3；地表水资源量10.25亿m3，与地表不重复的地下水资源量0.06亿m3。2010—2016年流域平均年用水量1.8579亿m3，其中农业用水量1.4275亿m3，占总用水量的76.8%；工业用水量0.0849亿m3，占总用水量的4.6%；生活用水量0.3220亿m3，占总用水量的17.3%；生态环境用水量0.0235亿m3，占总用水量的1.3%。

图1 大夏河流域用水量

大夏河流域干流无蓄水工程，支流建有槐树关水库。水电开发起始于20世纪90年代末，2003年后开始大规模的建设，目前大夏河干流已建和在建水电站共26座，包括低坝引水式电站22座、渠道式电站2座和河床式电站2座。

1.3 生态现状

地表径流量减少。绘制大夏河夏河、双城和折桥1979—2016年径流量趋势变化图，如图2所示，夏河站、双城站、折桥站年径流量均呈下降趋势，每年平均减少0.0134亿、0.0008亿、0.0414亿m3。

图2 大夏河流域实测年径流量多年变化趋势图

生物多样性衰退。大夏河流域上、中游主要是黄河裸裂尻鱼、拟鲶高原鳅、厚唇裸重唇鱼等高原冷水鱼类的重要产卵场和栖息地。流域水生态保护对象以维持河流基本流量、基本生态廊道、基本自净能力、维持土著鱼类栖息条件为主。近几年，大夏河鱼类物种多样性明显下降，野生鱼的种类和数量也有所减少。

2 资料及方法

2.1 数据来源

选取大夏河夏河、双城、折桥水文站点1979—2016年实测水文资料进行分析，所选站点均为国家基本水文站，资料观测和整编严格执行国家有关水文测验和整编规范，具有一定的代表性和可靠性，满足分析计算的需要。

2.2 生态流量计算方法

(1)Qp法：Qp法也称为不同频率最枯月平均值法，根据月流量或水位，利用每年的最枯月排频，选择不同频率下的最枯月平均流量、月平均水位或径流量作为生态环境需水量的最小值[10]。本文基于1979—2016年实测逐月平均流量数据，采用P-Ⅲ型曲线分析P=90%、P=95%的最枯月平均流量。

(2)Tennant法：Tennant法又称为蒙大拿法，根据实测数据建立流量与河流生态环境状况之间的经验关系，不同河道内生态环境状况对应不同流量百分比[11]。本文根据“中”级的河流生态环境状况，分别将流域丰水期(5—11月)流量占同时段多年平均流量的30%和枯水期(12月—次年4月)流量占同时段多年平均流量的10%作为流域生态流量值。

(3)7Q10法：该方法以90%保证率最枯连续7d的平均水量作为河流最小流量设计值，我国在《制订地方水污染物排放标准的技术原则与方法》中对该方法进行了修改，规定一般采用近10a最枯月平均流量或90%保证率最枯月平均流量为河流最小流量[12]。本文选取2007—2016年作为近10a来确定最枯月的平均流量。

(4)逐月最小生态径流计算法：该方法认为最小生态径流是连续变化的过程应逐月计算，在尽可能长的天然月径流系列中取最小值作为该月的生态径流量，各月径流最小值组成全年最小生态径流过程[13]。本文以实测流量替代天然月流量，将长系列数据中各月最小值作为该月的最小生态需水量，从而形成各站点全年的生态流量过程。

(5)流量历时曲线法：该方法是采用历年流量资料绘制各月的流量历时曲线，把某一个频率对应的流量作为生态流量，其频率可选取90%或95%，也可以根据具体情况进行调整，一般需要30a以上的流量系列[14]。本文选择频率为95%的流量来表示生态流量。

2.3 生态流量满足程度分析方法

生态流量满足度定义为一定时期内，河道径流量大于生态需水阈值的序列长度与总序列长度的比值。生态流量满足程度采用式(1)、(2)计算：

(1)

(2)

式中，Pm—第m月满足生态流量保证程度；Tm—第m月月均实测流量满足生态流量月份数；Pd—某年日均实测流量满足生态流量保证程度；Td—某年满足生态流量日数。

3 径流特性分析

3.1 径流年内分配

根据大夏河流域夏河站、双城站和折桥站1979—2016年的月径流量数据，绘制逐月平均径流量，由图3可知，3站径流量年内分配特点基本一致，并且径流主要集中在5—11月，此时3站5—11月平均径流量合计分别为1.81亿、5.54亿、6.70亿m3，约占年平均径流量的79.7%、79.8%、80.1%。3站年内径流量最大月均出现在9月，分别为0.35亿、1.03亿、1.38亿m3；最小月均出现在2月，分别为0.07亿、0.21亿、0.27亿m3。从季节尺度上看，3个站点多年平均径流量均为夏季(6—8月)最多，冬季(12月—次年2月)最少。大夏河流域径流年内分配不均匀，主要受降水、蒸发、下垫面条件等因素的影响。

图3 大夏河流域多年平均径流量年内分配图

3.2 径流年际变化

采用差积曲线法绘制了夏河、双城、折桥站1979—2016年径流量的差积曲线，如图4所示。曲线上升或下降表示该时段平均径流量较往年在增加或减少，是一种判断水文系列丰平枯变化的常用方法。可以看出大夏河流域年际变化幅度较大，上、中、下游年径流量差积曲线变化基本一致，丰、平、枯水年交替出现，少部分时段丰枯变化稍有差异，但差异不大。1979—1983年为平水年，1984—1990年为连续丰水年，1991—2002年为连续枯水年，2003—2016年为连续平水年。

图4 大夏河流域年径流量差积曲线

3.3 径流演变趋势

利用坎德尔秩次相关、斯波曼秩次相关、线性趋势相关这3种方法，对3站历年径流量进行趋势检验分析，综合判断趋势变化情况，结果见表1。全流域径流变化均呈显著减少趋势，其主要原因是流域降水量总体在减少，平均每年减少0.025mm，同时近几十年来人类活动加剧以及气温升高，导致流域下垫面条件发生变化，产汇流机制发生改变，部分水量被拦蓄消耗。

表1 代表站径流量趋势分析表

4 生态流量确定

4.1 控制断面计算结果

利用上述5种生态流量计算方法，分析计算大夏河干流夏河、双城、折桥3处水文断面生态流量值，结果见表2—4，生态流量不同计算方法逐月过程如图5所示。

图5 不同计算方法生态流量过程

表2 夏河站生态流量不同方法计算结果

表3 双城站生态流量不同方法计算结果

表4 折桥站生态流量不同方法计算结果

比较不同生态流量计算方法的结果可得：

(1)不同方法计算结果差距较大。QP法生态流量计算结果总体偏小，尤其是95%保证率下的总体计算结果最小，占多年平均径流量的6%左右；流量历时曲线法生态流量计算结果最大，占多年平均径流量的14%左右。

(2)不同方法考虑的周期差别大。QP法、7Q10法全年仅有一个生态流量值，即全年不同时段的生态流量都相同；Tennant法考虑汛期与非汛期的变化，全年有2个计算值；以上3种方法都没有考虑径流自然变化过程。

(3)逐月最小生态径流计算法和流量历时曲线法每个月有相应的生态流量值，考虑了流域的流量变化过程，比较符合流域自然变化情势，能极大的协调生活、生产用水与生态需水的矛盾。但是由于流量历时曲线法计算结果偏大与大夏河流域位于西北缺水地区的现状不相符，不利于大夏河流域生态系统的长期稳定。

因此，从可持续发展的角度出发，逐月最小生态径流计算法的生态流量值是最适宜的。

4.2 生态流量满足程度分析

由2000—2016年逐月实测径流量进行分析，生态流量月满足程度如图6所示。夏河、双城、折桥控制断面Qp法、Tennant法、逐月最小生态径流计算法计算的生态流量满足程度较高，分别为98.3%、96.7%、99.8%；7Q10法、流量历时曲线法计算的生态流量满足程度较低，分别为80.7%、89.0%。

图6 生态流量月满足程度

由2010—2016年逐日实测径流量进行分析，生态流量月满足程度如图7所示。夏河、双城、折桥控制断面Tennant法、7Q10法、流量历时曲线法计算的生态流量日满足程度分别为94.0%～98.9%、78.0%～96.4%、89.4%～96.7%；Qp法的满足程度较高为99.7%～100%；逐月最小生态径流计算法的满足程度最优达到98.8%～100%。

图7 生态流量日满足程度

4.3 生态流量目标确定

综合对比不同计算方法的优缺点以及生态流量的月、日满足程度，可得出逐月最小生态径流计算法最适合于大夏河流域，分丰水期(5—11月)和枯水期(12月—次年4月)2个时段确定生态流量目标值，见表5，即夏河断面丰水期2.63m3/s、枯水期1.62m3/s；双城断面丰水期8.37m3/s、枯水期5.18m3/s；折桥断面丰水期8.69m3/s、枯水期4.49m3/s。

表5 大夏河主要控制断面生态流量保障目标 单位：m3/s

5 生态流量保障措施建议

为保障大夏河生态流量目标的实现，对生态流量的保障提出几点建议。

(1)加强领导，落实责任。有关单位要加强大夏河生态流量保障工作的组织领导，落实主要领导负责制；加强组织协调和调度管理，明确任务分工，确保大夏河生态流量达标，逐步建立健全大夏河生态流量保障长效机制。

(2)统一调度，严格取水。将大夏河生态流量保障纳入大夏河水量统一调度与管理中，严格按照确定的控制断面生态基流指标控制。同时加强取用水管控，取水量不得超过经批准的取水计划；若遇枯水期及出现特枯年份等情况，在保证居民生活用水的前提下，对河道外用水进行管控，最大程度地保证主要控制断面生态基流目标。

(3)加强监测检查，建立预警机制。结合主要控制断面的生态流量指标，建立预警机制，加强现场检查，密切跟踪断面的流量，接近或达到生态流量时，采取压减引水、增大下泄等方法提高断面流量，保障生态基流。

(4)建立考核制度，严格监督问责。建立大夏河生态流量保障考核制度体系，通过严格考核评估和监督，强化生态流量保障在最严格水资源管理制度和河长制工作中的地位，督促落实各级政府职责，确保大夏河生态流量得以充分保障。

6 结语

(1)受气候变化和人类活动影响，大夏河流域径流呈显著减少趋势，一系列梯级水电开发对河流水文过程影响十分显著。

(2)经过多种计算方法分析比较，逐月最小生态径流计算法计算的生态流量值更为合理，即夏河断面丰水期2.63m3/s、枯水期1.62m3/s；双城断面丰水期8.37m3/s、枯水期5.18m3/s；折桥断面丰水期8.69m3/s、枯水期4.49m3/s，可为大夏河流域水资源开发、利用提供参考。

(3)本文生态流量计算方法均属于水文学法，以后还需用水力学、生物模拟法等方法对大夏河生态流量做深入的研究与分析。