基于水文学法的漓江生态流量研究

林 诗 隽,张 红 艳,莫 建 英,代 俊 峰,4,吴 树 诚

(1.桂林理工大学 环境科学与工程学院,广西 桂林 541004; 2.桂林理工大学 广西岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心,广西 桂林 541004; 3.桂林水文中心,广西 桂林 541000; 4.桂林理工大学 广西环境污染控制理论与技术重点实验室,广西 桂林 541004 )

0 引 言

生态流量是指能够维持河流生态系统健康,从而保障河流生态功能正常发挥的河道内最小流量[1]。近年来,对于河流生态流量的研究已成为水利行业研究的热点问题。

漓江是山溪雨源性河流,也是桂林市的主要用水来源。漓江水资源总量丰富,但时空分布极不均匀。流域内土壤蓄水能力有限,且水资源调蓄能力弱,在枯水季节干旱严重,汛期洪灾频繁,面临多水和少水的双重生态问题[2]。桂林市旅游业和社会经济日益发展的同时,对漓江水资源开发利用的程度和要求也逐渐增大,漓江生态流量的确定显得日益紧迫。目前,关于漓江水资源计算和变化特点的研究较多,但对于生态流量的研究相对较少。漓江生态流量的确定对于游船航行、生态补水和水资源利用等具有十分重要的作用,针对漓江水文特点,采用合适的方法计算漓江生态流量具有重要的科学研究价值和实际应用价值。

1 资料与数据

1.1 研究区概况

漓江属珠江流域西江水系,为西江支流桂江上游河段的通称,发源于桂林市兴安县西北部的猫儿山,自北向南依次流经兴安县、灵川县、桂林市城区、阳朔县和平乐县,全长228 km,流域总面积12 159 km2。

漓江流域(见图1)位于北纬24°38′10″～25°53′59″、东经110°7′39″～110°42′57″,属于亚热带季风气候。从流域整个生态系统来看,漓江维持了流域基本生态系统的良性循环,保证流域居民的用水需求;同时,漓江作为桂林市经济活动、工农业用水的主要水源地,保证了区域的工农业生产和社会生产力发展。

图1 漓江流域水系及其水文站分布Fig.1 Distribution of Lijiang River system and hydrographic stations

1.2 数据基础

桂林水文站为国家重要水文站,是珠江流域西江水系的桂江上游漓江河段重要控制水文站[3]。本文利用桂林水文站1954～2017年的逐月平均流量数据,进行漓江河道生态流量计算和评价。实测径流资料来源于桂林市水文中心,数据经严格整编,具有较高的可靠性和代表性。表1和表2的检验结果显示,实测径流序列的变化趋势和突变性不显著,受河流水电开发为主的人类活动影响较小,径流观测序列较接近天然来流。

表1 Mann-Kendall法变化趋势检验Tab.1 Mann-Kendall method for trend test

表2 径流序列突变性检验Tab.2 Variability test of runoff series

漓江径流量的年内变化(见图2)和年际变化(见图3)明显,水量在汛期(3～8月)和非汛期(9月至次年2月)相差悬殊[4]。

图2 桂林水文站多年月均径流量年内分布Fig.2 Monthly average runoff of of Guilin hydrology station

图3 桂林水文站多年年均径流量年际变化Fig.3 Interannual variation of annual average runoff of Guilin Hydrology Station

2 研究方法

2.1 生态流量计算方法

目前,国内外计算生态流量的方法已经有200多种,可以大致分为水文学法、水力学法、生境模拟法和整体分析法四大类[5]。本文选用Q90法、年内展布法、Texas法、逐月频率法、NGPRP法和Tessman法6种常见的水文学方法,计算漓江干流的生态流量。

(1) Q90法[6-8]。即90%经验频率的最枯月平均流量法,用历年的最枯月流量数据进行排频,选择90%经验频率下的最枯月平均径流量值作为生态流量。

(2) 年内展布法[9]。取各月份多年平均流量,以各月最小月径流量之和与多年平均流量之和的比值,计算求得生态流量。具体公式如下:

(1)

(2)

k=Qmin/Q

(3)

Qi=kqi

(4)

式中:Q为多年各月均径流量的总和,m3/s;qi为第i个月的多年月均流量,m3/s;Qmin为多年各月的最小月均流量的总和,m3/s;qmin为最小月的多年月均流量,m3/s;Qi为第i个月对应的月生态流量推荐值,m3/s;k为同月份均值比。

(3) Texas法[10-12]。考虑了河流季节变化因素,通过取某特定百分率下对应50%保证率的月平均流量值作为生态流量。在本文中,取40%的特定百分率。

(4) Tessman法[13]。当多年月均流量值低于多年年均流量值的40%时,将多年月平均流量值作为生态流量;当多年月均流量值处于多年年均流量值的40%～100%时,将多年年均流量值的40%作为生态流量;当多年月均流量值高于多年年均流量值时,将多年月均流量值的40%作为生态流量。

(5) 逐月频率法[14]。结合漓江流域水文特征[7],设置10月至次年1月的枯水期取90%保障率下的月平均流量值作为生态流量,2～3月及8～9月的平水期取70%保障率下的月平均流量值作为生态流量,4～7月的丰水期取50%保障率下的月平均流量值作为生态流量。

(6) NGPRP法[15]。将系列年份划分为枯水年、平水年、丰水年,并取平水年组90%保障率对应的月平均流量值作为生态流量。本文选用GB/T 22482-2008《水文情报预报规范》中距平百分率作为丰、平、枯水典型年份的划分标准(见表3)。距平百分率公式为

表3 典型年划分标准Tab.3 Division standard of typical year

E=(Qi-Qa)/Qa×100%

(5)

式中:Qi为第i年年平均流量,m3/s;Qa为多年平均流量,m3/s;E为距平百分比,%。

2.2 需水程度评价法

Tennant法是以多年条件下的年平均流量百分比作为基准,在以往的研究中常被作为其他计算方法的一种需水量检验评价[16-18]。

Tennant对11条河流进行详细的实地研究,发现河流流量达到多年平均流量的10%能够维持大多数水生生物短期生存栖息的需要;河流流量达到多年平均流量的30%就可以为大多数水生生物提供良好的生存栖息条件[19]。因此,本文将表4中的“一般”等级作为生态流量的最低需水限度。即建议8月至次年3月的一般用水期不低于多年平均流量的10%;漓江流域4～7月正值降雨量和径流量较大的丰水期,为考虑鱼类产卵和育幼,则不应低于多年平均流量的30%。

表4 Tennant法的生态流量等级划分评价标准Tab.4 Evaluation criteria for ecological flow classification by Tennant method

2.3 水文节律评价法

河流生态系统与水文节律变化有着明显的生态-水文响应关系,独特的水文节律特征形成特定水系的水生动植物种群分布以及塑造了河流栖息地特征[20-22]。河流生态流量除了应满足基本需水量以外,还应尽可能使得生态环境栖息地维持年内丰枯变化的自然水情规律[23-25]。因此,水文节律常作为确定适宜生态流量的重要参考依据[26]。

本文采用SPSS-26软件,将不同方法计算出的逐月结果与多年平均的逐月径流量进行相关性分析。相关性系数越高,则说明计算的生态流量值能够更好地反映河流流量年内丰枯的水文节律上的变化。

2.4 满足程度评价法

生态流量的满足程度是维持河流生态系统的重要衡量指标,也是为河流生态调度提供的重要科学支撑。本文以月平均流量进行生态流量的满足程度保障率计算,以反映河流生态系统缺水的实际情况。

生态流量的满足程度保障率指一定时段内河道内流量能够满足生态需水的系列长度与总系列长度的比值[27-29]。比值越大表明生态流量满足程度越高,该时段内河流生态系统更健康。

3 结果分析

3.1 漓江生态流量需水程度分析

上述6种水文学方法计算的漓江生态流量具体结果见表5。

表5 各方法生态流量计算结果Tab.5 Results of ecological flow calculated by different methods m3/s

由图4可得:年内展布法和Q90法在鱼类产卵期无法满足大多数水生生物栖息适宜条件的多年平均流量的30%,并且Q90法在全年范围不满足全年需水量低限,因此认为以上两种方法并不适用。在鱼类产卵期和全年范围内,逐月频率法所需水量最大;而在一般用水期,Tessman法所需水量最大;而过多的生态用水量可能导致该时段内其他产业的用水不足、加重“三生用水”的矛盾。整体来看,除Q90法和年内展布法以外,Texas法在符合最小的基本需水程度的前提下,分别在各时期对水量需求最小。

图4 各方法计算生态流量结果占多年平均流量比值Fig.4 Proportion of ecological flow to annual average flow by different methods

3.2 漓江生态流量水文节律分析

漓江流域的生态流量在体现径流年内逐月丰枯季节性变化特征方面发挥着重大的意义,不合理的水资源配置可能导致漓江原本滩潭交替、缓急自如的流态不复存在,多年来形成的河道生态系统平衡也会因河流流态变化而遭受破坏,甚至出现失调现象。

结合图5和表6可得:Q90法各月生态流量数据一致,“全年一个值”的特征未能体现生态流量年内丰枯期的季节变化,因此认为该方法并不适用于漓江这样季节性变化明显的河流,这也是造成其计算结果与历史水文节律无相关性的原因所在。而除Q90法以外的其他5种计算方法均在P≤0.01水平上呈显著相关(双尾),且相关系数均在0.9以上,水文节律拟合均较好。其中,年内展布法在水文节律模拟方面效果最好,相关系数达1.000,最能体现漓江径流年内丰枯变化特征;逐月频率法是除年内展布法外水文节律模拟效果最佳的,相关系数为0.993;Texas法次之,相关性系数为0.991。

表6 各方法计算的生态流量与多年平均流量相关性Tab.6 Correlation analysis between results of ecological flow calculated by different methods and annual average flow

图5 各方法计算的生态流量结果对比Fig.5 Comparison of ecological flow calculated results by each method

3.3 漓江生态流量满足程度分析

各个敏感时段的生态流量满足程度也是维持其河流生态系统健康的重要基础。漓江流域为山溪雨源性流域,一般用水期为8月至次年3月,其中,在10月至次年1月的枯水期水量相较4～7月的鱼类产卵期差异较大,较低的满足程度可能造成大量水生物种消减甚至灭绝。因此,本文分别从枯水期、一般用水期、鱼类产卵期和全年时段不同时间尺度方面分别分析不同方法计算的生态流量的满足程度。

综合图6和表7可看出,除Q90法和年内展布法外,在鱼类产卵期、一般用水期、枯水期和全年时段的满足程度保障率均较高的有Texas法和NGPRP法,各时期满足程度保障率均在85%以上。NGPRP法在各时段的满足程度保障率均次于Texas法,可能是由于NGPRP法缺乏对枯水年份组的考虑。Tessman法在枯水期、一般用水期和全年时段的满足程度保障率最低,分别仅有35.94%、52.54%和66.02%;逐月频率法在鱼类产卵期的满足程度最低,保障率仅达51.95%。而Texas法在各时期的满足程度保障率均达90%以上,逐月保障率基本在90%以上,且在大多数月份的月保障率高于NGPRP法。

表7 各时段不同计算方法的满足程度Tab.7 Satisfaction degree of different calculation methods in different periods %

图6 各方法逐月满足程度保障率Fig.6 Guarantee rate of monthly satisfaction degree by each method

3.4 漓江生态流量计算方法优选

年内展布法和Q90法均在鱼类产卵期不足以满足水生生物栖息的最低基本需水量,并且Q90法在水文节律上毫无相关性;Tessman法在一般用水期对水量的需求最大,在全年、一般用水期和枯水期满足程度均较低;逐月频率法在全年范围和鱼类产卵期对水量的需求最大,在鱼类产卵期的满足程度较低;而Texas法在水文节律上仅次于逐月频率法,在不同用水期需水程度和满足程度方面的各时间尺度上整体体现较佳,在需水程度、水文节律和满足程度3个方面均有较好体现,且均较NGPRP法更有优势。因此来看,利用Texas法计算漓江的生态流量最为合理。

4 结 论

本文基于桂林水文站1954～2017年的长系列月均流量数据,分析了Q90法、年内展布法、Texas法、逐月频率法、NGPRP法以及Tessman法6种不同水文学方法计算的漓江生态流量。得到以下结论:

(1) 综合分析需水度、水文节律以及满足程度3个方面,取40%特定百分率的Texas法是最适合计算漓江生态流量的方法,在3方面均有较好的体现。

(2) 以Texas法计算漓江桂林水文站的逐月生态流量结果范围为11.4～124.0 m3/s。其中,鱼类产卵期为64.2～124.0 m3/s,一般用水期为11.4～38.9 m3/s。