基于多种水文学法的襄阳市主要河流生态基流估算

石永强， 左其亭,2

(1. 郑州大学水利与环境学院，郑州 450001；2. 郑州大学水科学研究中心，郑州 450001)

改革开放以来，随着人口的增加、工业化和城市化进程的迅速推进，我国对水资源的需求不断增加，水资源开发力度不断增强。然而，由于认识上的局限性，在发展经济和开发利用水资源的过程中，往往会忽略生态系统的用水需求，大量本应用于维持生态系统良性运转的水资源被用于工农业生产及生活当中，自然水文循环过程受到严重干扰甚至破坏，生态系统因所需水资源无法得到满足而急剧退化或受损，出现了一系列诸如河道断流、湿地萎缩、水质恶化、生物多样性减少等生态环境问题，威胁着人类的生存和发展[1]。水作为河流的主要组成部分，在河流生态系统中起着重要的、无可替代的决定作用，水资源的多少和水质的好坏直接决定着河流生态系统的健康与否。因此，重视河流生态系统对水资源的需求，在生产、生活用水的同时，科学合理确定维护河流生态系统的良性循环所需水量，是实现水资源可持续利用和人水和谐的关键所在。

为避免河流生态系统退化，美国鱼类和野生动物保护协会于20世纪40年代首次提出了河道最小环境流量的概念[2,3]；1998年Gleick提出了基本生态需水的概念，即提供一定质量和数量的水给天然生境，以保护物种多样性和生态完整性[4]；刘静玲等将生态基流定义为维持或恢复河流生态系统基本结构与功能所需的最小流量[5]。可见国内对生态基流目前尚无统一的定义，基本上可以认为生态基流是维持河流基本形态和基本生态功能的河道内最小流量。近年来国内学者在生态基流确定方面进行了大量研究工作[6,7]，如罗小勇等采用Tennant法、最小月90%保证率法以及10 a最枯月平均流量法计算了汉江各控制断面的生态基流量，最后选取最小月90%保证率法的计算结果作为生态基流的值[8]；于松延等利用Tennant法、Texas法等多种水文学方法对渭河关中段生态基流进行计算，最后认为Tennant法最优[9]。目前已有研究多针对1条河流采用不同方法进行生态基流计算，然后选取某一种方法的计算结果作为该河道的生态基流。然而一条河流可能同时适用多种方法，且各种方法的计算结果之间并没有明显的优劣之分，这种情况下生态基流如何确定尚缺乏研究。本文拟采用多种水文学法方法对襄阳市几条代表河流进行生态基流计算，在对计算结果进行对比分析的基础上，结合每条河流的具体特点及生态系统的要求，确定出各条河流生态基流的推荐值。开展襄阳市主要河流的生态需水计算，可为襄阳市水资源的合理开发利用提供依据，促进襄阳市水生态系统健康和水生态文明建设。

1 研究区概况

襄阳市位于湖北省西北部，汉江中游平原腹地，地跨东经110°45′-113°43′，北纬31°14′-32°37′，位于“南水北调”中线水源地——丹江口水库的下游，处于承东启西、南北畅联的区域性交通枢纽地位，历史上素有“南船北马”、“七省通衢”之称。境内河流纵横，水系发育，有大小河流985条，流域面积在50 km2以上的有131条，100 km2以上的有66条，绝大部分属汉江流域，西南部属沮漳河流域。境内河流水面面积占全市面积的5.4%。该地区属北亚热带大陆性季风气候区，具有南北过渡型气候特征。四季分明，光热充足，雨热同季。多年平均降雨量919.6 mm，径流深309.5 mm，总体呈西南向东北递减，山区大于岗地。降雨年内分布不均，主要集中在4-10月，占全年的80%以上。襄阳境内主要河流有汉江、清河、唐白河、唐河、滚河、南河、北河、蛮河、沮河、漳河等，见图1。

根据自然地理特征、生态系统类型、生态服务功能重要性、生态环境敏感性、社会经济发展分区特点及生态环境问题，襄阳市生态功能区划分为鄂西山地森林生态区和鄂中北丘陵岗地农林生态区。鄂西山地森林生态区包括谷城、保康和南漳3县，该生态区主要生态功能为水源涵养、水土保持、水质保护及生物多样性维护。鄂中北丘陵岗地农林生态区包括襄州区、樊城区、襄城区、老河口市、宜城市和枣阳市，该生态区主要生态功能为生物多样性与景观保护及农业生产。

2 河流生态基流的水文学计算方法

目前，国内外关于河流生态流量的计算方法已有200多种，大致可分为水文学法、水力学法、栖息地模拟法和整体法4大类。在现阶段，由于生物资料并不充分，无法使用栖息地法模拟法，整体法和水力学法需要大量的时间以及人力物力，应用较为困难[]。水文学法以历史流量资料为基础，采取一定的规则，来确定生态流量的推荐值，其优点在于操作简单，因此常用于流域规划层面，作为战略性的评估方法，提供最初的评价，或者在不允许进行详细调研的情况下使用。常用的水文学方法包括以下几种：

(1)Tennant法。该方法由Tennant等人在对美国11条河流进行详细野外调研的基础上提出，构建了水深、流速、河宽等栖息地参数和流量之间的关系，设定河流多年平均流量的百分比作为生态流量估算的标准，不同月份采用的百分比不同(见表1)。其中，多年平均流量的10%可以作为支撑多数水生生物短期生存栖息地的最小瞬时流量[1]。

表1 Tennant法中栖息地质量和流量的关系Tab.1 The relationship between the quality ofhabitat quality and flow in Tennannt method

(2)7Q10法。7Q10法将90%保证率下，连续最枯7 d实测径流量的平均值作为河道生态基流的设计值。该方法在20世纪70年代传入我国，主要应用于有纳污需求的河流中，如果在没有排污目标的河流中应用，该方法所取得的值一般要大于河流实际的生态环境需水量。

(3)最枯月平均流量法。最枯月平均流量法比较简洁，直接取最枯月平均实测流量的多年平均值作为河流的生态基流量。该方法常需要长系列水文资料，在人类影响比较剧烈的流域，结果可靠性偏低。该方法采用的公式为：

(1)

式中：Qb为河道生态基流，m3/s；Qij为第i年第j月实测平均流量，m3/s；n为统计年数。

(4)保证率法。一般采用90%保证率下最枯月平均流量作为生态基流。保证率法比较适合水量较小，同时开发利用程度较高的河流，要求有较长序列(一般不低于20 a)的水文观测资料。

使用多种水文学方法对生态基流进行计算，可避免因使用单一方法而造成计算结果不合理。然而，不同水文学法的计算结果可能会有所差异，且不同河流适用的计算方法可能不同，给生态基流的最终确定造成困难。本文选取Tennant法、7Q10法、90%保证率法和最枯月平均流量法等4种水文学方法对生态基流进行计算，在对计算结果对比分析的基础上，结合每条河流的径流特征，判断计算结果的合理性。然后结合河流的生态需水要求，最终确定襄阳市各条河流的生态基流的推荐值。

3 基于多种水文学法的襄阳市主要河流生态基流估算

3.1 代表河流控制断面的选取

考虑到根据各流域气候和水文特点，每条河流可选择1个或多个断面，作为生态基流的控制断面。控制断面选取依据下述原则：①主要河流的重要控制断面；②重要大中型水利枢纽的控制断面；③重要水生生物栖息地及湿地等敏感水域控制断面。为便于监控，所选择的控制断面应尽可能与水文测站相一致。

依据上述性原则，结合资料收集情况，本文选取滚河张集水文站、蛮河挽鱼沟水文站、漳河打鼓台水文站、南河台口(二)水文站监测断面作为作为代表河流控制断面。

3.2 代表河流控制断面径流量演变趋势分析

在对生态基流进行计算之前，需对径流数据进行分析，以了解径流的演变趋势，判断其适用的计算方法。常用的趋势分析方法有线性倾向估计、二次平滑、及肯德尔秩次相关法等，本文采用线性倾向估计法确定河流径流量的变化趋势，各断面的年径流的变化情况见图2。

滚河张集水文站1953年设立，1965年撤销，共有13 a实测径流资料。通过图2可以看出，滚河年径流量变化较为剧烈，最大值出现在1954年，为11.8 亿m3，1957年的年径流量为最小值，为0.741 亿m3，极值比达到了11.9。由于数据系列较短，没有规律性的变化趋势。蛮河挽鱼沟断面的年径流量序列均为1985-2014年，共有30 a实测径流资料，年径流量的最大值为4.40 亿m3，最小值为1.09 亿m3，极值比为4.05，多年平均年径流量约2.5 亿m3。序列值在均值上下波动，振幅较小，呈现出略微下降的趋势。漳河打鼓台断面的年径流量序列均为1985-2014年，共有30 a实测径流资料，年径流量的最大值为6.20 亿m3，最小值为1.45 亿m3，极值比为4.28，多年平均年径流量约3.2 亿m3，漳河打鼓台断面的年径流量变化趋势与蛮河挽渔沟断面具有较高的一致性。南河台口(二)断面年径流量序列均为1970-2005年，共有36 a实测径流资料，年径流量的最大值为14.80 亿m3，最小值为4.45 亿m3，极值比为3.33，多年平均年径流量约9.1 亿m3，序列值在均值上下波动，振幅较小，呈现出明显的下降趋势。

图2 襄阳市代表河流控制断面年径流量变化Fig.2 The annual runoff change of representative river control sections in Xiangyang city

3.3 代表河流生态基流计算结果及分析

生态基流及河流生态系统的演进过程与水生生物的生活史阶段有关。河流水生生物的生长与水、热同期，在汛期及非汛期对水量的要求不同，因此生态基流有汛期和非汛期之分。襄阳市河流以雨水补给为主，由于降水年内分配不均，年径流的季节性变化也很大。地表水年径流量主要集中在汛期(4-9月)，其量约占全年的67%～83%。枯季(10-1月)只占年径流的17%～33%。由于汛期生态基流多能得到满足，通常对各条河流进行生态基流计算时指的是非汛期生态基流。

本文选取Tennant法(多年平均流量的10%)、7Q10法、90%保证率最枯月平均流量法和最枯月平均流量法计算各条代表河流控制断面的非汛期(10-3月)生态基流；对于汛期(4-9月)，取多年平均流量的30%作为生态基流的值。几条代表河流典型断面非汛期生态基流计算结果如表2。

表2 代表河流控制断面非汛期生态基流计算结果 m3/s

通过表2可以看出，使用不同方法计算出的同一个断面的生态基流的值存在差别。对于滚河张家集断面，Tennant法计算出的生态基流值为1.61 m3/s，而其他3种方法计算结果为0.27～0.81 m3/s，占多年平均流量的1.7%～5.0%。分析原因可能是因为该断面实测径流系列较短，且滚河上修建了较多的水利工程，径流受人类影响较大，变幅比较剧烈，不适宜使用后3种方法。考虑到该流域处在鄂中北丘陵岗地农林生态区，农业活动强度大，对河道水需求较大，为尽可能保证流域内农业用水，最终选取生态基流的最低标准，即多年平均流量的10%作为滚河张集断面的非汛期生态基流值，为1.61 m3/s。

蛮河、漳河、南河处在鄂西山地森林生态区，该生态区主要生态功能为水源涵养、水土保持、水质保护及生物多样性维护，对河流生态需水的要求较高。对于蛮河挽鱼沟断面，Tennant法计算出的生态基流值为0.79 m3/s，而其他3种方法计算结果比较接近，为1.02～1.16 m3/s，占多年平均流量的13%～15%。对于漳河打鼓台断面，Tennant法计算出的生态基流值为1.01 m3/s，其他3种方法计算结果比较接近，为1.67～1.99 m3/s，占多年平均流量的17%～20%。考虑到蛮河、漳河对生态需水的要求较高，最终选取7Q10法、90%保证率法和最枯月平均流量法3者计算结果的平均值作为蛮河挽鱼沟断面和漳河打鼓台断面的非汛期生态基流的推荐值，分别为1.10和1.82 m3/s，占多年平均流量的13.9%和18.0%。

对于南河台口(二)断面，Tennant法计算出的生态基流值为2.84 m3/s，其他3种方法计算结果为5.86～7.92 m3/s，远大于多年平均流量的10%，占多年平均流量的20%～28%。通过分析可知，该断面各年份最枯月平均流量值分布比较接近，相差不大，这可能是造成Tennant法的计算结果小于其他3种方法的原因。在该断面所有年份中，最枯月平均流量的最小值为3.38 m3/s，已大于Tennant法计算结果2.84 m3/s，因此在确定生态基流时不再考虑Tennant法的计算结果。又鉴于7Q10法和最枯月平均流量法的计算结果偏大，考虑到居民生活和工农业生产用水需求，最后选取90%保证率最枯月平均流量法的计算结果5.86 m3/s作为南河台口(二)的非汛期的生态基流。计算结果见表3。

3.4 其他主要河流生态基流估算

襄阳市其他几条主要河流缺乏逐日径流序列，只有多年平均流量资料，无法直接对其生态基流进行计算。考虑其与上述4条代表河流相似性，结合其生态需水要求，分别对每条河流的多年平均流量进行适当的倍比，进而得出襄阳市其他主要河流的非汛期生态基流推荐值。具体如下：①唐河、唐白河、清河与滚河同处在鄂中北丘陵岗地农林生态区，农业活动强度大，对河道水需求较大，最终选取多年平均流量的10%作为非汛期生态基流值。②北河靠近南河，两者的所处的自然地理环境相似，且都处在鄂西山地森林生态区，对河流生态需水的要求较高因，因此取多年平均流量的20.3%作为北河的非汛期生态基流值。③沮河与漳河同为沮漳河支流，二者所处的自然地理环境相似，因此选取多年平均流量的13.9%作为沮河非汛期生态基流值。④对于汉江，考虑两岸支流的非汛期生态基流所占多年平均流量的比例，取最大占比和最小占比的平均值15%作为汉江非汛期生态基流的比例。

至于汛期生态基流，即生物敏感期(4-9月)，统一取多年平均流量的30%作为推荐值。由此，最终得到汉江及其他主要河流典型断面生态基流及生态需水见表3。

3.5 代表河流生态基流保障分析

为分析襄阳市主要河流生态基流的保障情况，对几条代表河流各月份的平均流量系列进行统计分析，得到各90%保证率的各月份流量，并与生态基流进行对比分析，见图3。可知滚河张集断面的生态基流保障情况最差，各月份90%保证率的流量均低于生态基流值。滚河所在地区农业活动强度较大，修筑有大量拦河坝、水库等蓄水工程，用于农业灌溉，严重挤占了河道生态基流。蛮河挽鱼沟断面在1、2、4、5、6、9、12月生态基流无法保障，原因是蛮河流域工农业生产对水资源需求量大，再加上居民生活用水，造成河道内生态基流无法保障。漳河打鼓台在1、2月生态基流无法保障。南河台口(二)断面的生态基流保障情况最优，在90%保证率条件下，各个月份的生态基流都能得到保证。

针对河流生态基流被严重挤占的现象，必须采取一定的措施保证河道的生态流量，维护河流健康，提出以下保障措施。

表3 襄阳市主要河流控制断面生态基流计算结果Fig.3 The results of ecological base flow of main river control sections in Xiangyang city

图3 代表河流控制断面各月份90%保证率流量与生态基流对比Fig.3 The comparison between 90% assurance flow and ecological base flow of the representative river control sections

(1)推广节水技术，减少河道取用水量。对于以农业用水比重较大的地区，应大力推广推广渠道防渗、管道输水、喷灌、微灌等节水灌溉技术，适当调整调整作物种植结构，加大耐旱作物种植比例，推广作物节水抗旱技术。抓好工业节水，提高工业用水重复利用率，在高耗水行业，引入先进节水工艺。

(2)加强江河湖库水量调度管理，完善水量调度方案。统筹防洪、发电、灌溉等与生态环境保护的关系，采取闸坝联合调度、生态补水等措施，协调上下游生态环境需水量的关系，合理安排闸坝下泄水量和泄流时段，维持河流基本生态用水需求，重点保障枯水期生态基流。

4 结 语

本文首先对生态基流水文学计算方法进行总结和对比，结合资料获取情况，选取Tennant法、7Q10法、90%保证率法和最枯月平均流量法对襄阳市4条主要河流生态基流进行计算，在对计算结果进行对比和分析的基础上，结合河流生态需水要求，确定其生态基流的推荐值，既避免了因某种方法不适用而出现计算结果不合理的情况，又同时考虑了多种方法的计算结果。对于其他缺乏逐日径流序列资料的河流，考虑每条河流的实际特征，结合上述4条代表河流的计算结果，分别对每条河流的多年平均流量进行适当的倍比，进而得出襄阳市其他主要河流的生态基流推荐值。这样可以保证无长系列逐日径流资料河流生态基流计算结果尽量准确。最后，将90%保证率下的各月平均流量与计算出的生态流量过程比较，发现滚河、蛮河在枯水年份生态基流被挤占的现象比较严重，在今后的水资源配置工作中需加强生态用水的分配。

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[1] 王西琴. 河流生态需水理论、方法与应用[M]. 北京：中国水利水电出版社，2007.

[2] 穆文彬，于福亮，李传哲，等. 河流生态基流概念与评价方法的差异性及其影响[J]. 中国农村水利水电，2015，9(1)：90-94.

[3] 姜德娟，王会肖，李丽娟. 生态环境需水量分类及计算方法综述[J]. 地理科学进展，2003，22(4)：369-378.

[4] Peter H. Gleick. Water in crisis: paths to sustainable water use[J]. Ecological Applications，1998，8(3): 571-579.

[5] 刘静玲，杨志峰，肖 芳，等. 河流生态基流量整合计算模型[J]. 环境科学学报，2005，25(4)：436-441.

[6] 武 玮，徐宗学，左德鹏. 渭河关中段生态基流量估算研究[J]. 干旱区资源与环境，2011，25(10)：68-74.

[7] 吴喜军，李怀恩，董 颖，等. 基于基流比例法的渭河生态基流计算[J]. 农业工程学报，2011，27(10)：154-159.

[8] 罗小勇，邱 凉. 汉江流域控制断面生态基流量的确定[J]. 人民长江，2011，42(2)：108-111.

[9] 于松延，徐宗学，武 玮. 基于多种水文学方法估算渭河关中段生态基流[J]. 北京师范大学学报(自然科学版)，2013，49(2/3)：175-179.

[10] 张 强，崔 瑛，陈永勤. 基于水文学方法的珠江流域生态流量研究[J]. 生态环境学报，2010，19(8)：1 828-1 837.