基于流速法与环境流量的生态需水研究

闫少锋，熊 瑶，谢文俊

(1.湖北省水利水电规划勘测设计院，武汉 430064;2.长江勘测设计研究院，武汉 430010)

生态流量是维持河流生态系统健康可持续发展的基本要素，保障河流生态流量是落实五大发展理念、推进生态文明建设、保障区域水安全和生态安全的基本要求。刘昌明院士曾指出，21世纪的水文水资源问题正面临着巨大的挑战，主要包括如何满足社会与经济发展对水资源日益增长的需要，维持生态需水和控制因发展而带来的水污染，不断改善水生态环境[1]。十九大报告指出，我国社会主要矛盾已经转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾，人们对水资源、水生态环境的要求日益增长。

湖北省降雨充沛，水资源条件得天独厚，加之长江、汉江穿省而过，客水资源丰富。而近年来，随着气候的变化、人口快速增长、社会经济的高速发展，河流水体污染日益严重，水生态环境日趋恶化。同时，受历史发展的局限性的影响，长期以来，众多河流均存在生态需水一直被挤占的问题，甚至部分河流还出现断流等严重情况，严重制约了社会经济的可持续发展。本文在流速法的基础上，考虑环境流量因素，深入研究河流生态需水量的计算。以期为河流水生态环境保护提供重要依据，为流域生态系统可持续发展提供具体可行的措施和方法，为水资源管理提出科学合理的建议。

1 研究区域与数据资料

1.1 研究区域

本文选取湖北省汉北河作为研究对象。汉北河位于湖北省江汉平原内，河流东西走向，西起天门市区，流经天门市、汉川市，最终于新沟镇汇入汉江，河流全长约92.8 km，如图1所示。汉北河濒临汉江、天门河、府寰河，水土资源丰富，自然条件优越，农业生产十分发达。本流域范围内，多年平均降水量950～1 200 mm，汛期5-9月降水量占全年的70%左右，降水年际变化大，年内分配不均。

1.2 数据资料

数据资料主要包括水文站点径流数据、汉北河河道断面实测数据以及河内水生生物资料：①水文径流数据为天门水文站1956-2018年日径流数据以及基于MIKE11对整个河流各断面的模拟径流数据；②汉北河实测河道断面，断面间隔约为1 km；③水生生物生存的水力要求资料。

2 研究方法

2.1 改进流速法

流速法即以流速作为反映生物栖息地指标，来确定河道内生态需水量[2]。其原理是根据断面关键指示性物种确定生态流速，再依据断面(v-Q)关系得到断面生态流量[3]。

Q=vA

(1)

式中：Q为河流断面径流量，m3/s；v为河流流速，m/s；A为河流断面面积，m2。

据公式(1)可知，流速和流量为正相关关系，流量随着流速的增大而增大。所以从理论上来讲，适宜的流速就能保证流量处在较好范围。

本文在流速法的基础上，考虑环境流量指数，深入研究河流生态需水，如表1所示。河流生物体的生命与环境流量指数(Environmental Flow Components，EFC)的发生时间、频率、量、持续时间及它们之间的变化率紧密相关[4]。

表1 环境流量组分Tab.1 Environmental flow component

Richter[5]提出一套分类算法来界定表1中的特枯流量、枯水流量、高脉冲流量、小洪水、大洪水5类流量事件，其主要根据不同流量阈值进行划分，具体如表2所示[4,6-8]。

表2 5种流量事件界定方法Tab.2 Five ways to define traffic events

2.2 断面选取

如图1所示，对汉北河地形的开展勘测工作，共测量断面地形80余个。基于四大家鱼的生活习性，将其生长期分为四个时期：上溯洄游期、产卵繁殖期、幼鱼索饵期以及越冬期。针对鱼类不同生长期的需求，选择不同的断面[9]。

(1)上溯洄游期。选择若干断面形态差异较大的断面，进行一维水动力学模拟后，选择其中流量条件最难满足的断面作为标准。

(2)产卵繁殖期。四大家鱼喜好在河道弯曲处产卵，因此将断面选择范围确定在断面8至12之间、24至27之间、32至36之间、39至43之间、70至73之间，同时断面20以后的河道断面较宽，可形成河漫滩。四大家鱼幼鱼生长需要淹没浅滩，因此考虑选取处在断面20之后的断面，因此选择断面25、34、41、71作为四大家鱼产卵繁殖期的最佳栖息地，基于断面距离以及断面同质化的考虑，选择断面25、71作为四大家鱼繁殖期的最佳栖息地。同时，上文提及的四大家鱼在幼鱼繁殖期内最好产生一次平滩流或者漫滩流，因此以断面71为主。

(3)幼鱼索饵期。四大家鱼在幼鱼索饵期内最好发生大于1次的平滩流或漫滩流，以能够冲刷河漫滩，为幼鱼带来广阔的活动空间并且有丰富的营养物质来源，在计算中，以流量能够完全覆盖断面的河漫滩为准。

(4)越冬期。因为四大家鱼具有洄游习性，故越冬期断面选择产卵繁殖期断面后的断面。四大家鱼喜欢在河流深处越冬，因此尽量选择河道较深的断面。断面84的位置在整个范围内相对靠后，最低河底高程为15 m，满足大于10 m的要求。

3 结果分析

3.1 断面水文突变检验

本文采用滑动轶和检验方法对天门水文站1956-2018年的径流量进行突变检验，旨在检验两种或两种以上的观察变量的分布有无显著差异。

分别对天门水文站1956-2018年的年平均径流系列与5-7月(产卵繁殖期)平均径流量进行突变检验，结果显示：天门水文站多年年径流量系列未出现变异点，即没有发生突变现象；对天门水文站逐年5-7月径流量进行检验，结果显示：5、6月未出现变异点，仅2016年7月出现了变异情况。因此，1956-2015年、2017-2018年，天门水文站径流量无显著变异。

3.2 环境流量计算

基于天门水文站1956-2015年、2017-2018年日流量数据，对天门水文站的环境流量进行统计划分，并选取典型年，如表3、图2所示。分析结果显示：2005年为丰水年(P=25%)流量为42.5 m3/s，1984年为平水年(P=50%)流量为27.4 m3/s，1979为枯水年(P=75%)流量为22.2 m3/s。

表3 环境流量参数统计Tab.3 Environmental flow parameter statistics

对3个典型年环境流量组分进行划分，如图3、图4、图5所示。

图3 丰水年流量组分曲线Fig.3 Component curve of annual flow rate of wet year

图4 平水年流量组分曲线Fig.4 Component curve of annual flow rate of normal flow year

图5 枯水年流量组分曲线Fig.5 Component curve of annual flow rate of low flow year

统计不同典型年的特枯流量、低流量、高脉冲流量、小洪水、大洪水的天数与发生时间，统计结果如表4所示。

表4 不同典型年的环境流量统计Tab.4 Environmental flow statistics for different typical years

对丰、平、枯3个典型年的环境流量进行分析，结果显示：3个典型年中均包含极端低流量、低流量、高脉冲流量以及小洪水事件，且各典型年内的环境流量事件的发生时间、频率、历时等不相同。极低流量事件发生在部分月份，发生天数为35～36 d，发生天数基本相同；低流量事件贯穿典型年全年，发生天数为238～240 d，远大于极低流量天数，是环境流量组合中存在最为普遍的流量事件，为水生生物提供了基本流量要求。高脉冲流量事件发生月份跨度较大，发生天数为80～83 d，发生天数基本相同，且在鱼类产卵繁殖期前后均有高脉冲流量事件，为鱼类繁殖提供了较好的条件。

对比图3、图4、图5 3种典型年可发现：丰水年的高脉冲流量主要更加密集的出现在4-8月份期间，平水年稍显分散，枯水年的高脉冲流量最为分散，甚至于出现于生产繁殖期的后期，平水年、枯水年流量不适于四大家鱼的产卵需求；丰水年的小洪水事件发生在2月份，平水期、枯水期的小洪水事件均发生在汛期6、7月份。此外，图3、图4、图5比较可以看出，平水年、枯水年年径流量分配不均现象较为明显，其中枯水年尤为明显。因此，除丰水年外，如需满足四大家鱼的生存需求，保证河流水生态系统的健康，需要人为干预对上游流量进行调节，或者通过引水补充河流水量。

3.3 生态流量计算

基于天门水文站的水文数据以及河道断面测量数据，对关键断面的水位、径流量数据进行模拟，确定关键断面的水位、流量关系，分析四大家鱼不同生长期对生态流量的需求：

(1)上溯洄游期。由于多年来汉北河上游河段入流相对稳定，因此四大家鱼上溯洄游期的需求仅考虑流速要求即可。前文分析可知，在四大家鱼上溯洄游期，河流速度不宜高于1.1 m/s，因此设定上溯洄游期的最大流速为1.1 m/s。断面71是1.1 m/s流速对应的流量值最低的断面，为保证四大家鱼顺利洄游，选择此断面对应的流量作为上溯洄游期最高流量要求，根据其流量～流速关系曲线，四大家鱼上溯洄游期的流量需小于145.75 m3/s。根据汉北河上游水文站实测流量值以及MIKE11模拟流量数据，在上溯洄游期(3-4月)基本不会发生影响四大家鱼洄游的高流量事件。

(2)产卵繁殖期。基于断面选取原则，图1所示断面71、25最适合四大家鱼产卵繁殖，因此绘制此断面的流量～水位曲线图、流量～流速曲线图，如图6、图7、图8、图9所示。四大家鱼产卵繁殖期的生态要求为连续7 d以上的高脉冲流量事件，能够淹没浅滩水深超过0.7 m。断面71的浅滩最低高程为22.9 m，因此水位需要达到23.6 m；断面25的浅滩最低高程为22.3 m，水位需要达到23 m。结合各断面流量—水位关系图，确定断面71、25要求的水深对应的流量分别为76.47、45.5 m3/s。除了需要达到浅滩水深要求外，还需要达到产卵流速刺激需求，即满足河流流速大于0.7 m/s，断面71、25的流速需求对应的流量为104.23与57.9 m3/s。综合以上分析，在四大家鱼产卵繁殖期，断面71、25的生态流量需求为104.23与57.9 m3/s，因此断面25更适合四大家鱼产卵繁殖，故以断面25的生态流量作为四大家鱼产卵繁殖期的代表生态流量，且历时大于7 d。

图6 断面25流量～水位关系曲线Fig.6 Flow - water level relationship curve of section 25

图7 断面25流量～流速关系曲线Fig.7 Flow - velocity relationship curve of Section 25

图8 断面71流量～水位关系曲线Fig.8 Flow - water level relationship curve of section 71

图9 断面71流量～流速关系曲线Fig.9 Flow - velocity relationship curve of Section 71

(3)幼鱼索饵期。基于前文对四大家鱼生活习性的介绍，四大家鱼在幼鱼索饵期内发生大于1次的平滩流或漫滩流即可。

计算断面71、25的浅滩平均高程，分别为23.8、23.5 m，断面71、25对应的流量分别为82.88与54.2 m3/s，综合考虑断面位置与鱼类生活习性，选取断面71为四大家鱼产卵繁殖与幼鱼生长的断面。

(4)越冬期。对几个典型断面进行分析，断面25、71、84均满足h>10 m的要求，均适合四大家鱼越冬。

对四大家鱼各生长繁殖关键期的生态需求对应的生态流量进行汇总统计，如表5所示。

3.4 基于流量组合结果、Tennant法的流量分析

Tennant法对生态流量的时期划分分为汛期(4-9月)与非汛期(10-3月)，汛期与非汛期的不同等级生态流量对应的固定百分比不同，汛期高于非汛期。本文基于汉北河的实际径流情况，确定本河流汛期为5-9月，非汛期为10-4月，基于Tennant法估算两种级别的生态流量组合：即最小生态流量与适宜生态流量。

最小生态流量采用Tennant法中的“差”或“最小”标准，即以多年平均流量的10%作为汛期、非汛期的最小生态流量值；适宜生态流量采用Tennant法中的“良好”标准，即以多年平均流量的20%作为非汛期的适宜生态流量值，采用多年平均流量的40%作为汛期的适宜生态流量。根据Tennant法计算的天门水文站逐月最小与适宜生态需水量如表6所示[1]。

表6 基于Tennant法的天门水文站多年平均流量以及最小与适宜生态需水量Tab.6 The annual average flow rate and minimum and suitable ecological water demand of Tianmen hydrology station based on Tennant method

表5生态流量组合结果显示：汉北河在丰水年、平水年的径流量基本能满足四大家鱼的各个时期的需求。因此，只要天门水文站来水量足够，各个典型断面的流量即可满足汉北河的水生态系统的正常运行。将生态流量组合的计算结果与Tennant法进行比较，生态流量组合计算的5-7月生态流量仅低于Tennant法计算结果中的7月份流量，而生态流量组合计算结果的要求为5-7月份发生1次连续7 d流量超过57.9 m3/s的高流量事件，Tennant法的要求是平均流量，要求更高。

表5 四大家鱼各时期生态流量组合Tab.5 The ecological flow pattern of the four major Chinese carps in different periods

基于生态流量组合计算结果，结合实际情况进行分析，四大家鱼上溯洄游期与越冬期的流量需求在历史流量情况中都能得到满足，上溯洄游期只推荐了生态流量的上限值，在实际操作中河道内仍然需要保持一定的流量以维持河流水生态系统的正常运行，因此，采用Tennant法推求的逐月最小与适宜生态流量值来补充生态流量组合计算结果的缺失部分，并且将计算的关键断面生态流量转换为拥有长系列流量序列的天门水文站对应生态流量。具体操作为：

(1)补充鱼类上溯洄游期的水生态系统基本生态流量。考虑整个河流水生态系统的需求，采用Tennant法3、4月的适宜生态流量作为上溯洄游期的基本生态流量，即TM断面3、4月内的日流量分别为3.36与5.8 m3/s。

(2)补充鱼类产卵繁殖期与幼鱼索饵期的水生态系统一般情况下生态流量。基于生态组合流量的计算结果，提出在鱼类产卵繁殖(5-7月)内在断面25需要至少发生1次的连续7 d大于57.9 m3/s的高流量事件，在幼鱼索饵期(8-10月)内需要至少发生1次流量大于82.88 m3/s的平滩流或漫滩流，但是对高流量事件的时段没有具体要求。采用Tennant法对产卵繁殖与幼鱼索饵期内其他时间进行生态流量补充，由于该时期内已经考虑了水生生物的适宜需求，故采用Tennant法5-10月的最小生态流量作为该时期内一般情况的生态流量。

(3)补充鱼类越冬期的水生态系统基本生态流量需求。由于历史流量系列中流量的最小值亦能满足四大家鱼越冬期的水位要求，因此生态组合流量计算结果未给出越冬期的生态流量下限要求，因此采用Tennant法11-2月的适宜生态流量作为越冬期的基本生态流量。

综上，分析天门水文站多年日平均径流量，如图10所示。天门水文站径流数据可满足3、4月份的日流量需分别大于3.36与5.8 m3/s的要求；7月份平均径流量大于57.9 m3/s，对发生1次的连续7 d大于57.9 m3/s的高流量事件进行统计，结果显示有25年满足，满足率仅为40%；8月份多年平均日流量数据均小于82.88 m3/s，有24年出现大于82.88 m3/s的日径流数据，约38%的年份满足至少发生1次流量大于82.88 m3/s的平滩流或漫滩流。因此，汉北河流量距离满足产卵繁殖期与鱼类索饵期的水量要求还有一定的差距。因此，需要在7、8月份对汉北河补充一定的水量，以满足鱼类需求。

图10 天门水文站多年日平均径流量Fig.10 Average daily runoff of Tianmen hydrology station

为确保河流径流量满足特殊生态流量需求，以满足7月份满足发生1次连续7 d大于57.9 m3/s的高流量事件、8月份发生一次大于82.88 m3/s的日径流数据为标准，7、8月份的生态流量计算结果分别为34.8、20 m3/s，即对7、8月份分别补充流量5.48、1.6 m3/s。结合Tennant法的计算结果，对二者进行结合，得出汉北河生态流量组合推荐，如表7所示。

表7 适于四大家鱼各时期的天门水文站生态流量组合推荐Tab.7 The recommended ecological flow of four major chinese carps in different periods at Tianmen hydrology station

综上，以Tennant法适宜生态流量与特殊生态流量组合确定作为适宜生态需水量，以Tennant法最小生态流量作为生态流量组合的最小生态量，汉北河生态流量组合的最小、适宜生态需水量如表7所示。

4 结 语

本文以青草鲢鳙四大家鱼为保护对象，以湖北省汉北河为研究对象，在流速法的基础上，考虑环境流量指数，深入研究河流生态需水，主要研究结果如下。

(1)对天门水文站长时间序列径流量数据进行突变检验以及开展环境流量计算，结果显示汉北河径流主要涉及极低流量、低流量、高脉冲流量以及小洪水流量，且丰水年的流量事件可以很好的满足四大家鱼的生存需求，而在平水年、枯水年则相对分散，不利于四大家鱼的生存，需要补充水量。

(2)基于四大家鱼在不同生长期：上溯洄游期、产卵繁殖期、幼鱼索饵期以及越冬期的不同水力需求进行生态需水量计算，结果显示：四大家鱼在上溯洄游期、越冬期的水力需求在丰水年、平水年以及枯水年均可满足，而产卵繁殖期、幼鱼索饵期的水力需求在丰水年、平水年可满足，枯水年不能满足，需要补充水量。

(3)在基于改进流速法计算汉北河生态需水计算结果的基础上，联合Tennant法计算结果，对二者进行综合考虑，确定汉北河的逐月最小、适宜生态需水量，年平均生态需水流量为11.1 m3/s，约占总径流量的34.6%，结果较为合理，本计算方法值得推广。

现阶段，水文学法是使用最为普遍，且较适合我国河道生态需水的计算方法。本文对满足鱼类生存和繁衍的天门河河道内生态需水量进行了计算，相较于水文学法，本法考虑了区域内典型动物群的生存状态对水量的需求，是既能反映季节特征、又能兼顾生态系统适应性的比较好的方式，且分析计算比较简单，较易推广应用。本文的研究，旨在对生态需水计算方法做一些理论和方法方面的探索工作，提供一种新的可能性，同时，本方法也具有一定的局限性(对河流中水生生物的生态需求界定相对粗糙)，还需要在今后的研究中进一步丰富和完善。

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