极端干旱条件下河道生态基流研究

周 洋，周 强，李 玫

(1.成都大学建筑与土木工程学院，成都 610106；2.成都大学信息科学与工程学院，成都 610106)

0 引 言

极端气候事件是对人类社会危害最为严重的自然灾害之一。近些年来，全球气候变暖问题越来越突出，而且降水的年际变化也比较反常，从而导致极端天气事件经常发生。随着人类活动的干扰和社会经济的不断发展，我国的水土流失和水质恶化等问题也将越来越不可忽视。同时，我国水资源短缺的问题也越来越凸显，其主要受气候变暖影响所致，引起不同地区水资源量时间和空间分布的异常变化。受气候变暖的影响，水生态环境问题有进一步恶化的趋势，大面积的自然灾害发生的频率和强度也有进一步增加的趋势。因此，在极端干旱条件下，在充分利用水资源时，还要预留一定的生态需水。生态需水量研究的一个重要方面是河道的生态基流研究，因此保证极端干旱条件下的生态基流量，对维持所有物种的生存、保护、修复河流生态系统的完整性和生物多样性具有重大的意义。促进生态环境的可持续发展，为子孙后代营造一片蓝天。

国外学者首先对美国西部地区建立了河流流量与生物的关系后，提出基于水文学的Montana[1]估算方法。奠定了河流生态需水的理论基础。LEOPOLD L B[2]首先根据鱼类产卵及繁殖需要的适宜流速，通过流量-断面平均流速关系曲线确定断面的适宜生态流量。我国有关生态需水方面的研究从20 世纪90 年代开始，参照国外的一些方法，形成了一套较为成熟的生态需水理论体系和计算方法。王西琴[3,4]以黄河最大的支流渭河为例，计算了渭河关中段4个断面的河道最小环境需水量。采用月保证率法对黄河下游基本环境需水进行了计算。倪晋仁[5]根据黄河1950年以来的径流资料，从黄河河流系统的主要功能出发，给出了保证不同功能区的最小生态环境需水量，并且提出了河流生态用水量及其阈值确定的各项准则。王雁林[6]探讨了生态环境需水量的内涵，并且提出了生态环境需水量的“内部优先级”和“外部优先级”思想,分析了陕西省渭河流域生态环境需水量的界定范围。赵欣胜[7]基于生态水文学方法计算了黄河流域典型湿地生态环境需水量。李嘉[8]首次提出了计算河道最小生态基流量的生态水力学法, 通过水生生物的适宜水力条件确定某河段最小生态需水量。陈敏建[9]从河流生态系统的本质出发, 提出了以满足主要鱼类生存环境来计算适宜生态流量。刘晓燕[10]等分析了河道内鱼类和鸟类生境以及近海水生生物繁衍生境的生态需水, 提出了对黄河入海水量及其流量过程的具体要求。

从目前已掌握的文献来看，对生态基流的计算还缺乏对这种极端气候事件下的计算和分析，与此同时全年都保证不变的生态基流会对河道生态环境造成影响，参考健康河流的状态，生态基流还要有一定的维持时间，如若满足不了，那么对河流生态环境的破坏将是不可逆的。即便采取任何生态修复手段，都无法恢复。本文以渭河宝鸡段为例，采用水文学的Tennant法和最小日平均流量法以及水力学的湿周法分别对极端干旱年份(百年一遇)下渭河宝鸡段的生态基流量进行计算。对于季节性河流，这种极端干旱变化条件对生态基流的影响具有重要的意义，也为极端干旱年份的水资源的合理调配提供理论依据。开展本次研究，不仅有重要的科学价值，而且在水污染防治和生态环境保护等方面具有重要的现实意义。

1 健康河流生态效应分析

通过对渭河上游林家村断面大旱的1929年的逐日平均流量分析，从图1中可以看出，河流流量的大小交错、交替出现。无论大流量还是小流量甚至断流都只维系一定的时间段。而整个流量过程恰恰形成了河流的稳定生态功能，包括小的细流乃至干涸断流。小流量甚至干涸则对应着生态位较高的物种可以存活下来，淘汰那些适应能力差的生物物种。小流量沉积下的营养物质还可以为其他动植物物种所利用。

1929年是有名的特大干旱年，在第224～239 d，最低流量为3.4 m3/s，此流量维持了10 d。在极端干旱年低流量维持的时间比较短暂。那么我们认为在这样干旱条件下河流是健康的，是可以参照，河流生态环境未受到破坏。

图1 渭河林家村断面1929年逐日平均流量Fig.1 Flow duration curve day by day in Weihe river of Linjiacun Section int he year of 1929

2 渭河宝鸡段生态基流计算

目前计算生态基流的方法有水文学方法[11]、生境法[12]、整体分析方法和水力学方法[13,14]。本文采用水文学和水力学的湿周发分别进行计算。

2.1 最小日平均流量

最小日平均流量法就是以河流最小月平均实测径流量的多年平均值作为河流的基本生态环境需水量，计算公式为:

(1)

式中：W为河流基本生态需水量；Qij为第i年第j月的平均流量，m3/s；T为换算系数，其值为3 153.6 万s；n为统计年数。最小日平均流量多年平均值法见公式(2)。

(2)

式中：Qm为第m月的河流生态基流量，m3/s；Qij为第m月第i年第j天的平均流量，m3/s。

2.2 Tennant法[1]

Tennant法将多年平均径流的百分比作为基础流量，此方法认为多年平均径流量的10%是维持河流生态系统健康的最小基础流量。将此结果作为渭河宝鸡段的生态基流量的参照。

2.3 湿周法

水力学中的湿周法一般仅适用于宽浅河道和抛物线形河道。其中渭河宝鸡段林家村站的断面形状恰为抛物线形。湿周法计算的步骤是先绘制出河道断面，然后根据断面资料绘制水位与湿周的关系曲线，并运用水文学中的水位流量关系曲线，最后综合分析确定出湿周流量关系曲线。在湿周流量关系曲线中找出变化曲折的拐点，将此拐点的流量值作为维持河道内生态需水的临界流量值，本研究分析的基础资料主要来源于1995 年实测水位流量历史资料和实测大断面资料, 在此基础上计算渭河宝鸡段最小生态流量。湿周-流量关系式为公式(3)。

(3)

式中：Q为河道流量，m3/s;A为过水面积，m2;P为湿周，m;S为水力坡度；n为粗糙系数。

按照湿周计算方法，林家村断面的湿周流量关系曲线如图2。

图2 林家村断面湿周-流量关系曲线Fig.2 Chart of relationship between wetted perimeter and flow in Linjiacun section

2.4 三种方法计算结果

以渭河宝鸡段林家村断面为例，采用水文学方法的最小日平均流量法、Tennant和水力学的湿周法分别进行计算。通过水利年鉴和资料收集，发现1994-1997年陕西遭遇了历史上罕见的特大干旱，关中大部分县区全年仅降水300～400 mm, 比常年偏少40%～50%,1995年大旱类似于历史上有名的1929年大旱。按照1994-1997年各水文站实测年径流，按照同倍比缩小的原则，估计百年一遇的特大干旱年与1994-1997年的径流比值，作为百年一遇的设计径流值。计算结果如表1。

表1 不同方法的渭河宝鸡段生态基流Tab.1 Ecological basic flow in Weihe river of Baoji Section is calculated by two different method

3 生态基流结果分析

按照表1中的生态基流计算结果，本研究最后以Tennant 法计算的结果进行对比验证，Tennant 法确定的最小生态流量是取多年平均径流量的10%, 确定的数值可以作为一个参考值，认为这个流量可以提供给河流一个最基本的水生生态环境，可以维持水生物种的最基本生存。最小日平均流量法的取值偏小，最后经过分析，最小生态流量采用湿周法计算的数值是比较合理的,最后确定渭河林家村断面的生态基流量应为2.51 m3/s。占极端干旱年流量的11.6%。

这三种结果要求的是全年都保证这个最小的流量，由1929年干旱年的健康河流的逐日平均流量分析我们可以知道，干旱年最小流量维持的时间大约在10 d左右。全年都保证不变的生态基流会对生态环境造成影响。在河道中，如果由于人类的影响而使流量过低，或者干旱持续时间过长，大量的个体将会死亡，进而危害到某些物种的当地数量。破坏水生动植物的栖息地。所以，无论生态基流采用那种计算方法给出，极端干旱年份的小流量维持的时间是有限制的，不能维持过长。否则造成生态环境的破坏。另外极端干旱条件下，水资源的数量也是有限的，不必一直保持不变的生态基流量。

由以上分析，对极端干旱条件下的生态基流的考察要考虑自然因素，遵循自然的规律。本文最后参照健康河流的实际过程，确定渭河宝鸡段枯水期的生态基流量维持的时间，最后生态基流量取2.51 m3/s,维持的时间为10 d。只有满足这两个条件，才能真正意义上保持极端干旱年份的河流的生态健康。

4 结 语

本文运用湿周法、最小日平均流量和Tennant法对极端干旱条件下渭河宝鸡段的生态基流进行计算，参考渭河宝鸡林家村断面特大干旱年1929年的逐日流量分析，最终得到渭河宝鸡林家村断面的流量和维持的时间。对于季节性河流，计算极端干旱变化条件下的生态基流量具有重要的意义，可维持极端干旱条件下的河流生态健康，保证水资源的可持续发展和利用。也可为极端干旱年份的水资源的合理调配提供理论依据。在以后的研究中，要保证这样的低水流量和持续的时间，在实际中如何控制也是个需要探讨的问题。

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