基于多方法的汾河干流中游生态流量计算

申 瑜

(山西省水文水资源勘测总站，山西 太原 030001)

在全球气候变化和区域社会经济迅猛发展的共同作用下[1]，人类对水资源的利用情况加剧，且多用于工农业生产和生活用水，导致了河道内天然流量的降低，情况严重时，可能会出现河道断流，河道基本生态环境遭到了严重破坏[2]。河流维持生态环境功能需要河道保持一定的水量，但又需开发利用水资源，河流生态环境保护与水资源利用之间存在矛盾。为平衡二者之间的关系，水利专家学者们提出了生态流量的概念。生态流量是维护河流基本形态和水生生物基本栖息地的河道内最小流量，生态流量的研究是实现河流生态环境健康、可持续发展的必要前提。

目前生态流量计算方法很多。在20世纪40年代末，美国率先在其西部地区开展了对河流生态流量的评估，到了70年代，估算方法进入了快速发展的阶段，出现了各种类型的生态流量计算方法[3]。1976年Tennant[4]提出将10%的多年平均流量作为河流水生物可以生存的底限流量；1980年美国鱼类及水资源保护部门[5]研究了一种适用于中小型栖息地的IFIM法，该方法可以评价水资源的开发管理对河道内鱼类及生态系统的影响，可较好解决河道内最小需水量；2007年，国际环境大会上ELOHA法(以整体法为基础)受到重点推荐，并作为发展较好的整体法得到全世界广泛使用。国内河流生态流量计算方法多为改进的水文学及水力学方法，随后学者们根据自身经验及实验研究提出了很多新的生境模拟法和整体分析法的相关计算方法。林梦珂等[6]基于渭河干流主要控制断面，提出了改进年内展布法，除去多年河道月径流资料的最大最小值，分年内汛期和年内非汛期计算两个时段的同期均值比，得出计算年限内的综合生态流量；徐伟等[7]在利用传统水文方法进行生态流量推算时受到人为因素的干扰，导致观测到的径流序列值偏小，提出了一种改进的7Q10法；阿金寰[8]运用生态流量计算方法Texas法对倭肯河中下游进行生态需水量的计算，以中游倭肯水文站多年月径流数据为例，通过Texas法对倭肯河流域生态流量进行成果分析及结果优选，以探求Texas法在东北地区河流的适用性。

当前生态流量计算方法多种多样且多为国外引进，每一种计算方法法的适用性、侧重点和需要的数据类型都不同，计算结果也有较大差异，没有任何一种计算方法可以匹配所有的河流，单一的生态流量计算法不能保证其精度与适应性的问题。因此在实际工作中应根据河流所处的区域位置，综合考虑生态保护的要求、河流生态系统结构和功能的特点等，采用多种生态流量计算方法，结合河流自身的生态环境确定最终生态流量取值。基于此，本文以汾河干流中游段为研究对象，分析了汾河中游河道水文特征和水力特征，选取了14种方法计算兰村、汾河二坝、义棠和赵城4个典型断面的逐月生态流量，并对各方法计算结果进行年内保障性分析，最终确定每个断面各月份生态流量推荐值及计算方法，为汾河流域的生态保护工作提供支撑。

1 研究流域概况

起源于山西省宁武县管涔山的汾河，是山西省最大的河流，自北向南流经27个县(市、区)，在万荣县荣河镇庙前村汇入黄河。省境中部偏西地区为汾河流域，其整体呈现出不规则带状，从南到北全长412.5km，河道从东到西宽188km，流域面积39471km2，干流长716km，占山西省国土总面积的25.3%。汾河干流按河流特征可分为上、中、下游3部分，其中本文主要对中游段太原兰村至洪洞赵城的河流水系及生态流量情况进行具体研究及计算。中游全长244km，流域面积20509km2，属平原性河流，较大支流有潇河、文峪河、昌源河等，是全河防洪的重点河段。汾河流域为大陆性季风气候，春夏秋冬四季分明，中游降雨年内分配极不均匀，多年平均降水量为495.7mm。其中约60%集中在汛期7、8、9月。气温差异明显，多年平均气温约为10.4℃，多年平均蒸发量约为1819.8mm。

2 研究数据与方法

2.1 数据来源

按照计算方法对数据的要求，本文收集了汾河中游兰村、汾河二坝、义棠、赵城4个重点断面的1974—2020年月实测径流数据、日径流数据及各断面实测大断面资料。数据均来源于山西省水文水资源勘测总站，、天然流量数据经实测流量还原得到。

2.2 生态流量计算方法

生态流量是基于算法导向的，计算方法大致可以划分为水文学法、水力学法、栖息地法和整体法4种[9]，其中水文学方法具有计算简单快速、计算资料容易获取、无需现场测量等优点，但没有考虑流量、水质和水生生物等因素，未涉及水生态响应机理，计算结果不够精确；水力学方法的评价方式一般为水力参数，适用于稳定的河道，数据需求为水力数据，也相对易得。然而，该类方法的生态流量为一个定值，无法反映生态流量的年内、年际变化，也无法反映水生物需水量的年内变化；生境模拟法在计算生态流量时充分考虑了生物生长环境和栖息地环境，计算结果更实用，但其所需的生物数据较缺乏，相关性分析较复杂，计算结果的准确性较低；整体分析法是考虑因素最多最全面的一类计算方法，其优势是能够兼顾各种生物、环境等对生态流量的需求，体现出了河道生态系统的整体特性，但不足之处在于需要大量的数据和多学科专家们的意见，很难实施[10]。

不同类型的河流生态流量计算方法有其相应的应用领域，对应的基础资料也不同。其中生境模拟法和整体分析法所需资料较难获取，且计算时还需专业人员进行实地勘测、实验考察[11]，因条件的限制，这两类方法更加适用于小流域，不适用于受人类影响较大，水污染较严重，同时对于流域内水生物的生活阶段的研究还没有充分数据的河流。而水文学法和水力学法这两大类方法由于资料易获得、计算简单，所以被广泛地应用于生态流量的计算中。分析汾河中游在河道的水文、水力和水生态特征，①水文特征：汾河属于中国北方大型常流河，河道径流量随着季节改变而改变，夏季流量大，冬季流量小，有结冰期，含沙量大；②水力特征：该河段纵坡较缓，平均纵坡约1.7‰，由于汇入支流多，径流量大，坡度缓，汛期排泄不畅；③水生态特征：研究河段为汾河中游，水生生物以鲤鱼、鲶鱼为代表。基于此，选用13种水文学法：蒙大拿法、改进蒙大拿法、NGPRP法、Texas法、7Q10法、频率曲线法、年内展布法、逐月频率计算法、Q90法、最小月平均实测径流法、Lyon法、Tessman法和月流量变动法(VMF)；1种水力学法湿周法，共14种方法计算汾河干流中游逐月生态流量。

2.2.1水文学方法

水文学法出现最早并且应用最广泛，也称作历时流量法。该方法适合任何地区，只需要历史流量数据资料就可推求得到生态流量，评价方式一般为水文指标法。目前常用的水文学方法有蒙大拿法[12]、Texas法[8]、NGPRP法[13]、7Q10法[14]、RVA法[15]等，本文选用的水文学计算方法的适用性特征见表1。

表1 水文学计算方法的适用性特征

2.2.2水力学方法

水力学法是以水力、水文资料为基础，依据河道水文参数与水力参数之间的相互关系，以曼宁公式为基础公式，建立湿周与流速、流量之间的相关关系，并绘出相应的相关关系图，从而得到生态流量[16]。本文选用的水力学计算方法的适用性特征见表2。

表2 水力学计算方法的适用性特征

3 结果分析与讨论

3.1 不同方法计算结果对比

为保证计算结果的准确性和实用性，更好地利用在水资源规划管理中，采用多种方法确定兰村、汾河二坝、义棠、赵城4个断面的生态流量。本文将生态流量的计算做到月尺度上。以兰村为例，利用以上14种方法计算得到的生态流量结果见表3。同时绘制14种方法的生态流量计算结果曲线图，如图1—4所示。

图1 兰村断面生态流量曲线图

图2 汾河二坝生态流量曲线图

图3 义棠断面生态流量曲线图

图4 赵城断面生态流量曲线图

表3 兰村断面生态流量计算结果统计表 单位：m3/s

将多种方法计算的4个断面逐月生态流量过程绘制成上图进行对比，结果表明：整体而言，4个断面各种计算方法结果具有一定的相似性，其中逐月频率计算法的生态流量计算结果最大，Tessman法次之；兰村断面频率曲线法计算结果最小，汾河二坝、义棠、赵城断面频率曲线法计算结果最小。逐月频率法计算的4个断面的生态流量在汛期大于其他方法。从年内丰枯季节变化来看，蒙大拿法、改进蒙大拿法、NGPRP法、Texas法、频率曲线法、年内展布法、逐月频率计算法、Lyon法、Tessman法、月流量变动法(VMF)都能较好地体现年内丰枯季节变化过程；7Q10法、Q90法、最小月平均实测径流法、湿周法计算出的生态流量均为固定值，不能体现年内的季节变化。

从图1—4计算的生态流量计算结果可以看出，4个断面在12、1、2月的生态流量都很小，但是在3月的时候，却出现了明显的增长，这是由于汾河流域在12、1、2月时处于冰冻期，径流本来就很少，但是在3月的时候，由于河水的融化，径流变得更大了且由于3月春季灌溉需水增大，导致3月流量的急剧增长。

3.2 生态流量年内保障性分析

本文用生态流量年内保障率作为生态流量年内保障性分析的依据。生态流量年内保障率是指各月份生态流量得到保障的年数占总年数的比值。通过计算得出1974—2020年兰村、汾河二坝、义棠及赵城断面生态流量年内保障率，并绘制成折线图，如图5—8所示。

图5 兰村断面生态流量年内保障率折线图

图6 汾河二坝生态流量年内保障率折线图

由图5—6可以看出，兰村和汾河二坝断面在各个月份的生态流量保障率总体趋势是一致的，Q90法测定的生态流量保障率是最高的，90%的保障率是其次的，这两个断面在1、2、12月的保障率都很低，3、11月的保障率是最高的，其余月份的保障率都是波动变化，这是因为1、2、12月的气温都比较低，而3、11月的保障率是最高的，这是因为1、2、12月河道结冰，河水的流量很少，所以不能保证河流的径流量满足生态系统的需要，同时因为要满足春灌要求，河水的径流量在3月增加。11月是因为秋季灌溉的需要，导致了该段的实测径流增大，因此兰村和汾河二坝的3、11月，该段的生态流量保障率较高；采用不同方法计算的兰村和汾河两个断面在非汛期的生态流量保障率相差不大，以Q90法计算的生态流量保障率在非汛期为最大，以逐月频率法计算的生态流量保障率最低。

由图7—8可以看出，义棠和赵城两个断面用不同方法计算出的生态流量保障率在各个月的变化趋势上是相似的，其中在义棠区域用Q90法计算出的生态流量保障率是最大的，其次是典型水文频度年法，最后是Tessman法计算出的生态流量保障率是最小的。总体上表现为在汛期得到较高的保障，在非汛期得到较低的保障。采用多种方法计算得到的赵城断面3月的保障率低于其他月份，是因为中游灌区春季灌溉取水过多，占据了一部分流量，从而造成了河流流量减少；在汛期，除了频率曲线法和NGPRP法之外，其余方法获得结果都很低，特别是在汛期的6—7月，这可能是由于水库在汛期大量蓄水，反而造成河道内水量的减少，不能满足河道维持生态环境功能的最少流量。

图7 义棠断面生态流量年内保障率折线图

图8 赵城断面生态流量年内保障率折线图

3.3 各月份生态流量过程推荐

根据汾河流域的具体条件，将其分为汛期(7—9月)和非汛期(1—6月和10—12月)两个阶段，并将非汛期分为结冰期(1、2、12月)和一般用水期(10—11月和3—6月)。4个断面各月计算的最终生态流量推荐值见表4。

表4 汾河干流中游断面各月份生态流量过程推荐值 单位：m3/s

根据汾河天然径流的特点，对4个断面用不同方法计算出的生态流量进行了保障分析，由于1、2、12月的河水流量都是很小的，所以只要考虑到能够保持河流生态系统稳定所需的最低水量就可以了，所以，建议生态流量的计算结果按照蒙大拿法的计算结果；在一般用水期，生态流量能为水生生物的存活创造有利的环境，建议使用最小月均实测径流的方法，但是在3月，4个断面上，由于河水融化及兰村和赵城断面受到了春秋两季灌溉用水的影响较大，为了保持基本的生态系统稳定性，我们选取了顾及生物栖息地的湿周法的计算结果来作为生态流量值；在汛期，为了更好地反映出流域年径流量对流域生态环境的影响，建议使用年内展布法进行生态流量计算。

4 结论

(1)14种方法得出的生态流量成果差异很大，Q90法计算的生态流量结果最小，逐月频率法计算的生态流量在汛期大于其他方法。改进蒙大拿法、NGPRP法等都能较好地体现年内丰枯季节变化过程。

(2)通过年内保障性计算分析，并结合汾河实际情况得出3月是汾河中游需要重点监护的时段。

(3)将生态流量过程划分为汛期与非汛期，非汛期又包括结冰期及一般用水期。结冰期(1、2、12月)的生态流量推荐采用蒙大拿法的计算结果；一般用水期(10—11月和4—6月)生态流量推荐采用最小月平均实测径流法的计算结果，3月作为汾河中游的重点监测时期，选择湿周法的计算结果作为生态流量值；汛期(7—9月)生态流量推荐采用年内展布法的计算结果。