淮河干流河南段基本生态流量保证率研究

刘中培， 李鑫， 窦明， 魏怀斌， 陈莹

(1.华北水利水电大学 水利学院,河南 郑州 450046; 2.“煤炭开采水资源保护与利用”国家重点实验室,北京 100011;3.郑州大学 水利与环境学院,河南 郑州 450001; 4.水利部水资源管理中心,北京 100038)

基本生态流量的确定对流域水资源管理和调度具有重要意义,基本生态流量保证率也是河流是否健康的重要衡量指标之一[1]。生态流量的研究起始于20世纪40年代的美国,随着经济的繁荣发展与人类自身活动的日益频繁,生态流量的研究也随之取得了重大突破[2-4]。Tennant对美国的11条河流进行了详细的野外调查研究,于1976年提出了蒙大拿法,开创了用水文学法研究河流生态流量的历史先河[5]。之后,国内外学者又提出了类似的水文学法,包括近10年最枯月平均流量法、最小月平均流量法和流量历时曲线法等[6]。应用广泛的蒙大拿法是依据美国的气候条件划分汛期和非汛期的,与我国的划分方法相差较大,并且目前我国关于基本生态流量保证率的研究仍然相对较少[7]。因此,本文以淮河干流河南段为研究对象,基于1951—2015年共65 a详实的历史水文数据,采用最小月平均流量法、近10年最枯月平均流量法和蒙大拿法对淮河干流河南段的基本生态流量进行研究,评估现状条件下河流基本生态流量的满足程度,以期为河流生态调度提供科学支撑。

1 基本生态流量计算

1.1 控制断面选取

计算基本生态流量时,应根据生态环境保护的要求以及基础资料的条件选用典型的河流控制断面。主要考虑因素应当包括:水文、省界、重要城市、入海河流河口、重要水利工程及闸坝的控制断面和重要生态环境敏感的保护目标河段等[8]。基于上述原则,结合淮河干流河南段的具体情况,选取长台关、息县和淮滨3个水文站的控制断面为基本生态流量计算的主要控制断面,各控制断面的位置如图1所示。

图1 淮河干流河南段控制断面分布图

1.2 数据来源

淮河干流河南段各水文站处在同一气候类型区,并且2015年之前淮河干流河南段无大型闸、坝等水利枢纽工程,长台关站、息县站和淮滨站的径流具有较好的相关性和一致性。本文利用径流量相关分析和累积径流量相关分析得出:2011年之前,淮河干流河南段径流受人类活动影响很小,近似天然径流过程;2011年之后,淮河干流河南段径流受到人类活动影响的程度增大。因此,计算所采用的数据为长台关、息县和淮滨3个水文站控制断面1951—2010年的实测流量资料和2011—2015年还原后的流量资料。

1.3 最小月平均流量法

最小月平均流量法是把河流多年的最小月平均实测径流量的平均值作为河流的基本生态需水量[9]。计算公式如下:

(1)

式中:Wb为河流的年生态需水量,108m3;Qij为第i年第j月的月平均流量,m3/s;T为换算系数,T=31.536×106;n为统计年数。

为与其他结果进行比较,本文采用河流多年最小月流量的平均值计算河流的基本生态流量,即将河流多年的最小月平均实测径流量换算为流量。按照最小月平均流量法计算得到长台关站的基本生态流量为3.70 m3/s，占多年平均流量的10.87%；息县站的基本生态流量为16.70 m3/s，占多年平均流量的14.63%；淮滨站的基本生态流量为23.50 m3/s，占多年平均流量的13.89%。

1.4 近10年最枯月平均流量法

近10年最枯月平均流量法采用90%保证率下的最枯月连续平均流量作为河流的基本生态流量[10]。我国规定一般河流均采用最近10年的最枯月平均流量计算。因此,该方法被称为近10年最枯月平均流量法,其主要侧重于河流环境需水量的计算[11]。计算公式同式(1),其中n=10。

选取2006—2015年径流系列,按照近10年最枯月平均流量法的计算公式计算得到:长台关站的基本生态流量为3.50 m3/s,占多年平均流量的10.48%;息县站的基本生态流量为19.20 m3/s,占多年平均流量的16.84%;淮滨站的基本生态流量为30.00 m3/s,占多年平均流量的17.68%。

1.5 流量历时曲线法

流量历时曲线法是采用历年来的流量资料绘制各月的流量历时曲线,然后把某一个累积频率对应的流量(Qp)作为生态流量[12]。Qp中的频率P可以选择90%或95%,也可以根据实际情况进行适当的修正。流量历时曲线法是水文学法中第二种广泛应用的方法,这种方法一般需要30 a以上的流量系列[13]。

由于历时曲线法可以计算不同时段的生态流量,在各月基本生态流量计算结果(P=95%)的基础上,将淮河干流河南段的基本生态流量按非汛期(10月至次年5月)和汛期(6—9月)进行汇总,结果见表1。

表1 流量历时曲线法的基本生态流量计算结果

1.6 蒙大拿法

蒙大拿法是根据观测资料设立的流量与水生栖息地环境情况之间的经验关系和历史流量资料来计算年内不同时间段的基本生态流量的,该方法简单便捷[14]。国外将水生生物的生育期分为一般用水期(10月至次年3月)和鱼类产卵育幼期(4—9月)两个时间段,同时这两个时间段也是年内水量较枯和较丰时段(非汛期、汛期);而我国非汛期和汛期的时间段划分方法与国外的不同。因此,在运用蒙大拿法确定淮河干流河南段的基本生态流量时,将该方法中的10月至次年3月和4—9月两个时间段更改为10月至次年5月和6—9月。这样改进后的蒙大拿法可以更加准确地计算出淮河干流河南段的基本生态流量。

淮河流域属于水资源短缺地区,受季风气候影响,径流年际、年内变差大,且主要集中在汛期(6—9月),非汛期的径流比重较小[7]。结合淮河干流河南段的径流特点,本次计算将非汛期(10月至次年5月)和汛期(6—9月)的流量占同时段多年平均流量的10%作为基本生态流量标准,淮河干流河南段基本生态流量的计算结果见表2。

表2 蒙大拿法的基本生态流量计算结果

1.7 基本生态流量确定

各方法计算的基本生态流量结果及占多年平均天然流量的百分比如图2所示。由图2可知，对于长台关、息县和淮滨站,蒙大拿法计算的基本生态流量值最小,占多年平均流量的10%。基于《河湖生态环境需水计算规范》(SL/Z 72—2014)中的规定：“对于大江大河,河流流量占多年平均流量的5%～10%,仍有一定河宽、水深和流速,可以满足鱼类洄游、生存和旅游、景观的一般要求,可以作为保持绝大多数水生生物短时间生存所必须的基本生态流量”，本次研究选用蒙大拿法的计算结果为基本生态流量,即淮河干流长台关站的基本生态流量为3.41 m3/s,息县站的基本生态流量为11.43 m3/s,淮滨站的基本生态流量为16.97 m3/s。

图2 不同方法计算得到的基本生态流量及占多年平均天然流量的百分比

2 河流基本生态流量保证率评估

2.1 保证率评估方法

淮河干流河南段基本生态流量综合保障程度[15]可用如下公式进行评估:

(2)

式中:R为基本生态流量保证率;D为评价时段的总天(月或年)数;d为评价时段D中满足基本生态流量的天(月或年)数。

2.2 基本生态流量保证率评估结果

2.2.1 月平均基本生态流量保证率评估结果

将长台关站1951—2015年共65 a的逐月流量数据组成月流量系列,分别与该站的基本生态流量3.41 m3/s进行比较,统计满足基本生态流量的月份。据统计,780个月份中,满足基本生态流量的月份为708个,占比为90.77%,即长台关站的基本生态流量保证率为90.77%。同理可得,息县站和淮滨站的基本生态流量保证率分别为96.03%和95.05%。长台关、息县、淮滨3个水文站的月平均基本生态流量保证率的计算结果见表3。

表3 月平均基本生态流量保证率

综上所述,淮河干流河南段的月平均基本生态流量保证率为93.95%,其中,息县站的最高,其次为淮滨站的,长台关站的最低。

2.2.2 丰、平、枯水年的基本生态流量保证率评估结果

长台关站1951—2015年共65 a径流系列中,丰水年共17 a,将丰水年的逐月流量分别与该站的基本生态流量3.41 m3/s进行比较,统计满足基本生态流量的月份，据统计204个月份中,满足基本生态流量的月份为196个,占比为96.08%,即长台关站丰水年的基本生态流量保证率为96.08%；平水年共29 a,满足基本生态流量的月份为326个,占比为93.68%,即长台关站平水年的基本生态流量保证率为93.68%；枯水年共19 a,满足基本生态流量的月份为186个,占比为81.58%,即长台关站枯水年基本生态流量保证率为81.58%。同理可得：息县站丰、平、枯水年基本生态流量保证率分别为97.62%、97.53%、91.67%;淮滨站丰、平、枯水年的基本生态流量保证率分别为98.68%、95.98%、89.06%。长台关站、息县站、淮滨站丰、平、枯水年的基本生态流量保证率的计算结果见表4。

由表4可知:①丰、平、枯水年淮河干流河南段的基本生态流量的平均月保证率分别为97.46%、95.73%、87.53%;②淮河干流河南段丰水年的基本生态流量保证率最高,其次为平水年的,枯水年的最低;③丰水年的基本生态流量保证率淮滨站的最高，其次为息县站的，长台关站的最低;④平水年、枯水年的基本生态流量保证率均为息县站的最高,淮滨站的次之,长台关站的最低。

表4 丰、平、枯水年基本生态流量保证率

2.2.3 汛期、非汛期的基本生态流量保证率评估结果

长台关站1951—2015年共65 a径流系列中,将汛期、非汛期流量分别组成月流量系列,分别与基本生态流量3.41 m3/s进行比较,统计满足基本生态流量的月份。在汛期(6—9月)的260个月份中,满足基本生态流量的月份为241个,占比为92.69%,即基本生态流量保证率为92.69%;在非汛期(10月至次年5月)的520个月份中,满足基本生态流量的月份为467个,占比为89.81%,即基本生态流量保证率为89.81%。同理可得:息县站汛期的基本生态流量保证率为97.69%,非汛期的基本生态流量保证率为95.19%；淮滨站汛期的基本生态流量保证率为95.70%,非汛期的基本生态流量保证率为94.73%。长台关、息县、淮滨3个水文站汛期和非汛期的基本生态流量保证率的计算结果见表5。由表5可知:①淮河干流河南段汛期的平均基本生态流量保证率为95.36%,非汛期的基本生态流量保证率为93.24%;②汛期的基本生态流量保证率大于非汛期的基本生态流量保证率;③汛期和非汛期的基本生态流量保证率均为息县站的最高,其次为淮滨站的,长台关站的最低。

表5 汛期、非汛期基本生态流量保证率

3 结语

本文采用最小月平均流量法、近10年最枯月平均流量法、流量历时曲线法和蒙大拿法4种水文学方法对淮河干流河南段的基本生态流量进行计算,以月为单位评估了1951—2015年月平均、丰水年、平水年、枯水年、汛期、非汛期相应断面的基本生态流量保证率，得出以下结论:

1)淮河干流河南段从上游到下游基本生态流量依次增大。其中,长台关站的基本生态流量为3.41 m3/s,息县站的基本生态流量为11.43 m3/s,淮滨站的基本生态流量为16.97 m3/s。

2)淮河干流河南段丰水年的基本生态流量保证率最高,其次为平水年的,枯水年的最低,分别为97.46%、95.73%、87.53%;汛期的基本生态流量保证率大于非汛期的基本生态流量保证率,分别为95.36%和93.24%。

3)淮河干流河南段月平均、丰水年、平水年、枯水年、汛期、非汛期的基本生态流量保证率基本表现为息县站的最高,其次是淮滨站的,长台关站的最低。

4)基于淮河干流河南段不同河段、不同时段的基本生态流量及其保证率,需要加强各支流水库及其他水利枢纽的联合生态调度,以提高控制断面的生态需水保障程度。