基于EFCS法的长江上游环境流量评价

王鸿翔，张爱民，郭文献

(华北水利水电大学，河南 郑州 450011)

0 引 言

随着社会经济的发展，人类开始大规模的在河流上修建拦蓄工程，在防洪、发电、灌溉、供水和航运方面起到了重要的作用，在促进社会经济发展以及人类文明进步的同时，也影响了河流生态环境，尤其改变了河流自然水文过程，河流自然水文过程决定并影响着河流生态系统的物质循环、能量过程、物理栖息地状况和生物相互作用等，在不同时空尺度上改变栖息地条件，从而影响物种的分布和丰度，进而影响生物群落的组成和多样性[1,2]。然而近些年，随着长江上游的水电开发活动加快，特别是金沙江下游梯级水电站溪洛渡、向家坝的建成蓄水，以及乌东德、白鹤滩的开工建设，会改变保护区的自然水文情势，进而对长江上游珍稀特有鱼类产生影响。

为了减缓水利工程建设对河流生态系统影响，各国专家学者开展了大量相关研究，其中环境水流量研究是当前研究热点。环境水流评估主要方法概括为水文法、水力学法、生境模拟法以及整体分析法，其中最为常用的方法为水文法。目前国内环境水流研究存在的问题主要在于大多数只针对流量大小进行计算，结论也只偏向于月均流量等单一要素，缺乏考虑水生生物的具体需求。EFCS法从水生生物需求出发，通过计算环境水流参数，根据生物调查结果过识别水生生物关键期，再通过HEC-RPT设置环境水流参数并参考历年水生生物关键期的水文过程线，生成带有时间节点的，包含流量、频率、持续时间、变化率等多种水文要素特征的推荐环境水流过程，解决了目前研究只针对单一要素计算，缺乏与生物相结合的问题[3]。因此根据长江屏山水文站1956-2012年日均流量资料，通过Mann-Kendall法、累积距平法、滑动T检验法突变检验划分有效径流数据，通过EFCS法推荐适宜环境水流。

1 研究区域

长江上游珍稀、特有鱼类国家级自然保护区(以下简称“保护区”)内分布有白鲟、达氏鲟和胭脂鱼三种国家重点保护水生物种，和六十多种长江特有鱼类[3]。保护区范围包括长江干流金沙江向家坝轴线下1.8 km至重庆马桑溪长江干流江段及部分支流河段，范围在东经104°24′51.34″～106°24′19.19″，北纬28°38′6.96″～29°20′40.92″之间(图1)。跨越四川、贵州、云南、重庆四省市，保护区河流总长1 162.61 km，总面积331 784.213 hm2。保护区上游控制水文站为屏山水文站，下游控制水文站为寸滩水文站，河流主要包括赤水河干流和部分支流、岷江下游和越溪河支流，以及南广河、长宁河、沱江和永宁河河口区河段。保护区属于亚热带湿润保护区，月均温度维持在16～20 ℃，比同纬度下的长江上、中游流域高2～4 ℃。年降水量一般在1 200 mm以上，多年平均流量为10 767 m3/s，主要集中在7-9月份，占年均流量的52.47%。其中保护区按照功能分为：核心区，缓冲区和试验区，其中向家坝下游至南溪镇江段为保护区的核心区。

2 研究数据和方法

2.1 研究数据

屏山水文站位于溪洛渡水电站坝下游的向家坝库内，距向家坝坝址上游33 km处，其水文特征可视为干流江段进入保护区内的代表流量，能够较好的反映保护区上游的来水情况。因此本文选取屏山水文站1956-2012年日流量数据，鉴于2012年向家坝蓄水后屏山站被淹没，屏山站2012年流量资料用向家坝水文站资料代替，数据来源于长江流域水文年鉴，可靠性较高。

图1 长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区示意图Fig.1 National nature reserve for the rare and endemic fishes in the upper reaches of the Yangtze river

2.2 研究方法

(1)突变性检验方法。本研究主要采用Mann-Kendall检验法[4-6]、累积距平法[6,7]和滑动T检验法[8]，对屏山水文站进行趋势性和突变性检验，方法具体计算过程见参考文献[4-8]。

(2)环境水流组成判别方法。对于环境水流组成的判别，Richter等提出一套算法，将输入后的时间径流序列划分为两类水文日:高流量日和低流量日，在此基础上通过相关阈值的参数的设置划分环境水流事件，不同水流模式阈值参数划分方法具体见表1。

表1 不同水流模式阈值参数划分方法Tab.1 Division method of threshold parameter in different flow pattern

注：该表格内容来自文献[9]。

环境水流指标说明：特枯流量、高脉冲流量、小洪水和大洪水四种流量事件中的上升率(或下降率)指的是相应流量事件中第二日流量值相较于第一日流量值的上升(或下降)百分比，其计算公式如下：

(1)

式中：P为流量事件的上升率(或下降率)，%；Q1为第一日流量，m3/s；Qs为流量事件的第二日流量，m3/s；当P为正值时为上升率，当P为负值时为下降率。

通过对屏山水文站的日径流突变前后两个水文序列进行环境流指标统计分析，包括径流突变前后的中值、离散系数和偏差系数。中值反映计算时段流量的一般水平，对流量序列进行由小到大排序后，取第50百分位数值作为中值参数。离散系数反映与均值的偏离的程度计算计算公式如下：

CD=(H-L)/M

(2)

式中：H为突变前后水文序列的第75百分位数，m3/s；L为突变前后水文序列的第25百分位数，m3/s；M为突变前后水文序列的第50百分位数。

偏差系数是指突变前后各指标数值相对于蓄水前各指标数值的偏差。

2.3 EFCS法评估步骤

EFCS法的评估流程主要包括个步骤：①对研究区域水文数据进行突变分析；②对水文序列进行环境水流组成分析，评价突变前后环境水流变化情况；③对研究区域进行生态调查，获得目标种群的生态需水；④根据目标种群的生态需水及突变前环境水流组成，推荐适合环境流量；⑤进行合理性验证。

3 结果与讨论

3.1 屏山站年均流量趋势检验

为揭示长江上游年均流量的变化趋势，点绘出长江上游屏山水文站点1956-2012年的年均流量变化(图2)。由图2可以看出，屏山水文站年均流量呈现轻微上升趋势， 根据M-K趋势检验法分析，屏山站趋势检验统计量为0.86<1.96，表明屏山径流序列变化呈上升趋势，未通过95%的置信区间，因此上升趋势不显著。由此可见，屏山站年均流量趋势总体变化不显著，推测屏山站年均流量上升可能与向家坝建设蓄水有关。

图2 长江上游年均流量变化Fig.2 Annual mean flow in the upper reaches of Yangtze River

3.2 M-K突变检验结果

本文综合采用Mann-Kendall检验、累计距平法和滑动T检验法，对长江上游屏山水文站年均流量序列进行突变年份检验，检验结果见表2。

表2 长江上游年均流量突变检验Tab.2 Abrupt change of annual mean flow

根据表2中M-K检验法、累计距平法、滑动T检验法三种方法检验屏山水文站的径流时间的突变点出现在1968和1997年。考虑到1968年受人类活动干扰较小，年径流改变为气候变化引起，而长江上游最早的大型水电站-雅砻江二滩水电站于1998年蓄水发电，可认为金沙江干支流1997年以前的径流过程未受到人类开发活动的重大影响，基本处于自然河流状态，因此，以1997年为屏山站年均径流突变年份。

3.3 长江上游环境水流指标分析

本研究采用非参数法进行统计环境水流指标，统计分析屏山水文站的径流突变前后变化，统计结果如图3和图4所示。

图4 屏山站环境水流指标Fig.4 Environmental flow indicator of pingshan station.

据图3分析可知屏山水文站在1981年之后大洪水事件和特枯流量事件的发生次数显著减少，并且小洪水事件发生的频率出现明显的增加，2000年之后大洪水事件及特枯流量事件完全消失，小洪水出现时间间隔时间增长且量级逐渐减少，极端枯水流量和高脉冲流量事件历时均呈显著减少趋势。水流过程全部化为枯水流量和高脉冲流量组成模式，环境流的组成趋向单一化。其原因可能是由于屏山河段上游大规模兴建水电工程后，其群水库在汛期削减洪峰，非汛期下泄水流，增加河道流流量，群水库调度运行方式叠加累积导致环境水流组成模式单一化。据环境水流指标中值(见图4)所示，大洪水出现次数显著减少，小洪水出现时间延迟，极端枯水流量和高脉冲流量持续时间显著减少，受影响较大的环境流指标包括极端枯水流量频率和历时、高脉冲流量事件的历时上升率，大洪水次数，受影响较大的流量时间为极端枯水流量、高脉冲、大洪水事件。

3.4 长江上游生物调查结果

3.4.1 长江上游典型鱼类产卵规模变化

根据《长江三峡工程生态与环境监测公报》(1997-2015)统计分析，长江上游鱼类产卵场数量以及鱼类种群资源正在逐渐减少，长江上游特有鱼类在渔获物中所占的比例、相对优势度以及日均单船捕捞量均明显减少。其中长薄鳅是被中国濒危动物红皮书及中国物种红色目录列为易危物种，主要分布在金沙江、雅砻江、安宁河、岷江、大渡河、青衣江、沱江中下游、长江上游干流、赤水河、嘉陵江、涪江、渠江中下游及大宁河。据调查显示以宜宾-重庆段产量最大，2000年前每年产量约为10 t，2000年以后年产量仅为2～3 t[10，11]。圆口铜鱼隶属于重要的洄游型鱼类，产卵场分布在金沙江，由屏山以上直至云南朵美一带，资源量已经呈显著下降趋势[11，12]。根据《长江三峡工程生态与环境监测公报》中三峡库区天然捕捞量情况绘制铜鱼与圆口铜鱼渔获物数量图(图5)，可看出1998-2002年铜鱼与圆口铜鱼数量总体呈下降趋势，圆口铜鱼渔获物数量总体呈显著下降趋势，尤其是2005-2008年长江上游水电开发集中建设期间下降趋势显著。

表3 长江上游代表性鱼类生长、繁殖和产卵的生态需求Tab.3 The ecological demands of growth, reproduction and spawning of the represent fish in the upper reaches of the Yangtze river

注明:表中“-”表示缺乏相关数据。

3.4.2 长江上游鱼类生态需求分析

长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区(以下简称保护区)内共有197种(含亚种)鱼类，长江上游宜宾至重庆段分布有鱼类166种，而珍稀、特有鱼类共48种，隶属4目9科32属。其中白鲟、达氏鲟为国家I级保护动物，胭脂鱼为国家II级保护动物(危起伟等，2012)，长江上游鱼类生态需求调查分析见表3。

3.5 长江上游河道环境水流推荐结果

本研究基于环境水流的判别方法及算法原理采用非参数法进行统计环境水流统计分析屏山水文站的径流突变前后变化，将径流资料进行生态水文分期，划分为丰、平、枯水年径流资料，通过IHA-EFCS法统计计算环境水流参数，依据生物调查结果识别水生生物关键期，在通过HEC-RPT设置环境水流参数并参考历年代表鱼类关键期内的环境流量组成部分，并结合突变前后繁殖期内高低脉冲的变化情况，修正水文过程生成带有时间节点的，包含流量、频率、持续时间、变化率等多种水文要素特征的推荐环境水流过程。屏山站丰、平、枯水水平年的河道环境水流推荐指标计算结果如图6、图7和图8所示。

图6 丰水年的环境水流过程Fig.6 The process of environmental flow in wet year

图7 平水年的环境水流过程Fig.7 The process of environmental flow in average year

图8 枯水年的环境水流过程Fig.8 The process of environmental flow in dry year

4 结 论

(1)屏山水文站年均流量呈现轻微上升趋势，推测可能与向家坝建设蓄水有关，并且经突变检验后将1997年作为屏山站年均径流突变年份，1997年以前的径流资料作为基准水文形势的参考依据。

(2)屏山站1981年之后大洪水事件和特枯流量事件的发生次数显著减少，并且小洪水事件发生的频率出现明显的增加，2000年之后大洪水事件及特枯流量事件完全消失，小洪水出现时间间隔时间增长且量级逐渐减少，极端枯水流量和高脉冲流量事件历时均呈显著减少趋势。从环境水流指标中值变化就看来，大洪水出现次数显著减少，小洪水出现时间延迟，极端枯水流量和高脉冲流量持续时间显著减少，受影响较大的环境流指标包括极端枯水流量频率和历时、高脉冲流量事件的历时上升率，大洪水次数，受影响较大的流量时间为极端枯水流量、高脉冲、大洪水事件。

(3)考虑到突变之前的天然径流资料划分丰、平、枯水年后年限较少，且由于人类活动干扰不可能恢复之前的水流状态，无法反映真实的河流健康状况，因此利用1956-2012年径流资料划分丰、平、枯水年并计算基准的环境水流参数，利用突变节点1997年之前的生态目标关键期内的水文过程作为修正参考依据，对比突变后的高低脉冲流量变化状况，识别有效关键高低脉冲流量，选择最接近历史水文过程的定制环境水流过程线作为推荐环境水流过程。