基于多种水文学法的泾河生态基流估算＊

于昊含，李超超△，包淑萍，顾靖超

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏水文水资源监测预警中心，宁夏 银川 750021；3.宁夏水利科学研究院，宁夏 银川750021)

随着经济的高速发展，水资源不合理开发利用使河流生态系统结构和功能遭到破坏[1]。大量本应该用于维持生态平衡与良性运转的水资源被用于工业制造、农业生产，自然水文平衡遭到破坏，出现了一系列诸如河道断流、湿地萎缩、水质恶化和生物多样性减少等生态问题[2]。因此重视生态基流问题，在保证农业、工业和生活用水的同时，科学计算生态基流，明确河流维持基本生态要求的需水量，是实现水资源可持续发展的必经之路。

目前生态基流的计算方法主要分为四种：水文学法、水力学法、栖息地法和整体法。其中，水文学法是根据水文指标对河流生态基流进行界定，常见的方法有：Tennant 法、流量历时曲线法、7Q10 法、近十年最枯月平均流量法和最小月平均径流法等。张洁[3]采用Tennant 法分别计算各站生态基流，认为Tennant法适用于常年流水性河流；孟慧颖[4]分析认为，流量历时曲线法适用于水文资料系列达到20 年以上的河流，而保证率法适合水量较小，开发利用程度较高同时拥有较长系列水文观测资料的河流；曹建中[5]利用多种方法对六盘山取水点进行生态基流计算，最后认为Tennant 法是最适合该取水点的计算方法。水力学法是借助水力学原理，寻求流量与河流中某些生物指示系数之间的关系，从而确定生态基流的方法[6]。主要的方法有湿周法和R2CROSS 法。湿周法适用于宽浅矩形渠道和湿润河网地区[7]；R2CROSS 法适用于浅滩栖息地类型的河流[8]。栖息地法的计算中包括了生物等因素的影响，并根据所需物种需要的物理条件确定生态基流，为建设适合水生生物的生存环境提供保障。代表方法包括IFIM/PHABSIM 法等[9]。整体法包括例如BBM 法、整体研究法和水文-生态响应关系法等等。其中，陈昂[10]等认为BBM 法是分析专家建议，构建流量状态的组成部分，利用这些部分确定生态基流；阮晓红[11]等揭示了整体研究法能够克服栖息地模拟法中只针对单一生物需求的缺点，强调计算的关键在于从生态系统的整体考虑。本文对比多种计算方法的适用范围以及优缺点，见表1，最终确定使用水文学法进行泾河流域生态基流的计算。

表1 河道生态基流多种方法比较

续表1

考虑整个生态系统的需水要求，本文参考已有的成果，选择多种水文学方法：Tennant 法、近十年最枯月平均径流法、逐月最小径流法、90%保证率法、Texas 法和NGPRP 法对泾河流域生态基流进行分析估算，结合泾河自身特点及生态要求，对比多种方法的适用性，选择合适的计算方法。对泾河生态

基流的计算，可为泾河流域实现生态治理提供理论依据，促进泾河流域生态环境向好发展。

1 研究区概况

泾河是西北黄土高原上的一条重要河流，位于东经106°14′～108°42′，北纬34°46′～37°19′之间，流域面积45421 km2，横跨宁夏、甘肃、陕西三省部分地区。其中，甘肃境内面积占流域面积的67%。泾河干流发源于宁夏泾源县老龙潭，河流由西北流向东南，在崆峒峡进入平凉市境内，在宁县政平与马莲河汇合后进入陕西省。流域多年降水量545.6mm，径流量9.93 亿m3。流域内主要支流有马莲河、柔远河、四郎河、蒲河、茹河、纳河、黑河、达溪河和石堡子河等。支流马莲河全长374 km，流域面积19080 km2，在甘肃境内16900 km2，多年径流量4.47 亿m3。泾河流域是陇东经济发达地区，工矿业集中，人口密集。2005 年，流域内年取水量4.10 亿m3，其中地表水3.09 亿m3，地下水1.01 亿m3；工业用水1.13 亿m3，农业用水1.98 亿m3，生活用水0.99 亿m3；年排污量达5800万t。泾河源水文站是六盘山东麓区域的代表站，位于泾源县泾河源镇。测站流域面积152km2，由西向东流，河道落差大，河道比降1.74%，山地植被良好，林草茂密，覆盖度平均可达70%～80%，阴坡大于阳坡。

2 数据来源与生态基流水文学计算方法

2.1 数据来源

本文所采用降水、径流数据包括1956-2019 年泾河源站逐月降水和逐月径流资料，来源于宁夏水文水资源勘测局，对原始资料进行分析计算得到各年年径流量、多年平均径流量等特征值。

2.2 生态基流水文学计算方法

现阶段，由于缺乏大量的生物资料，适用栖息地法计算生态基流有较大困难[42]，而整体法和水力学法包含了更具体的河流信息却耗费大量人力物力。水文学法是根据水文指标对生态基流进行界定，具有操作简便、成本较低的特点[43]，是目前生态流量计算方法开发最多的一类方法。本文将采用以下水文学方法，对泾河生态基流进行估算。

2.2.1 Tennant 法

Tennant 法是1964-1974 年在美国3 个洲的11条河流进行了周密的野外分析研究[44]，在196 英里长的58 个断面上调查了38 个流量下的生物信息、化学信息和物理信息对冷水和暖水渔业的影响，在1976 年由Tennant 提出来的，属于非现场测定类型的标准设定法[45]。Tennant 法中，用事先确定的多年平均流量的百分数为基准，将保护河流生态环境的河流流量推荐值分为最大允许极限值、最佳状态值、极好状态值、很好状态值、良好状态值、一般或较差状态值、差或最小状态值和极差状态值等，1 个高限标准、1 个最佳范围标准和6 个低限标准，又根据水生生物在不同的季节对环境的要求不同这一特点，分为4～9 月份鱼类产卵育肥期和10～3 月份（下一年）为一般用水期。

本文以多年平均径流量的百分数来描述生态基流，并依据北方河流的诸多特点，选取10%进行计算。

2.2.2 近十年最枯月平均径流法

以河流年最枯月流量的多年平均值作为河流的基本环境需水量，该方法采用近10 年实测流量作为计算依据[46]。计算公式为:

式中:Wb——河流生态基流，m3/s；

Qmin——第i 年实测最枯月平均流量，m3/s；

n——统计年数。

2.2.3 逐月最小径流法

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。据此，将1956-2019年的长序列径流资料分为1～12 月份共计12 组，选取每组序列的最小值作为该月的生态流量，从而得到全年的生态流量过程[47-49]。

2.2.4 90%保证率法

该方法把最小月平均流量按从大到小的顺序排序，并获得频率P，并把P 与对应的最小月平均流量拟合频率曲线，并确定90%保证率所对应的流量作为生态基流。

2.2.5 Texas 法

在考虑了季节变化因素的基础上，将最小流量的取值定义在50%保证率下月流量取值。参考吴喜军[48]等人对我国北方河流生态基流的研究，选取20%作为本文的特定百分率。

2.2.6 NGPRP 法

该方法充分考虑丰水年、平水年和枯水年天然水文情势差别，将水文系列根据不同水平年差别分为枯水年组、平水年组和丰水年组。不仅重视干旱年、标准年和湿润年的差别，还将气候条件以及接受范围内的频率因素考虑在内，但唯一的缺点就是生物学基础不强。取平水年组各月流量90%保证率流量值作为最小生态流量。本文采用距平百分率法[49]进行丰、平、枯年的划分，计算公式为：

式中：E——断面的距平百分比，%；

Qi——断面第i 年平均径流量，m3/s；

Qa——断面多年平均径流量，m3/s。

距平百分率的划分标准见表2。

表2 丰、平、枯年划分标准

3 径流特征及生态基流计算结果分析

3.1 径流特征分析

图1 是泾河源站多年平均月径流量图，得到径流量最大的月份是7 月为845 万m3，其次为8 月为732 万m3，9 月为713 万m3，这三个月多年平均径流量的和占总数50.2%，可以得到泾河年内变化剧烈，丰枯明显的结论。图2 表示泾河流域径流量变化，总体变化呈现出下降的趋势。1956-1962 年呈上升的趋势，1963-1970 年呈减少趋势，1971-1975 年随时间序列呈上升趋势，1976-2009 年随时间序列呈波动性下降的趋势，2010-2019 年之间2014 年为最大值，2017 年为最小值。Mann-Kendall 趋势检验法结果显示，Z=-1.36，Z 为正值表示增加趋势，负值表示减少趋势。说明年径流呈减小的趋势，且绝对值小于显著水平（α=0.05）时的水平值1.96，说明年径流的减少趋势不显著。

图1 泾河源站多年平均月径流量

图2 五年滑动平均径流量曲线

利用M-K 检验法和滑动t 检验法对泾河流域1956-2019 年径流时间序列进行突变分析。在M-K突变点检验中，取UF 和UB 曲线交点为突变点，由图3 可知两条曲线在95%的临界线±1.96 之间有三个交点，分别为1992 年、2011 年和2013 年。滑动t 统计量曲线如图4 所示，依据数据资料长度取滑动步长为5 年，以α=0.01 为判别突变的显著水平，自1956 年以来t 的统计量有6 次超过0.01 显著水平，分别为1972 年、1993 年、1999 年、2001 年、2011 年和2019 年。综合分析，1956-2019 年泾河流域径流突变点发生在2011 年，径流变化通过了显著性检验。

图3 径流量M-K 突变点检验分析

图4 径流量滑动t 检验

3.2 生态基流计算

生态基流计算结果见表3，根据表3 绘制多种水文学方法计算生态基流过程线如图5 所示。

图5 不同方法生态基流过程线

表3 年平均生态基流计算结果对比 单位：m3/s

由数据计算绘制折线图得：

由图5 可以得到：

从结果的差异性分析，NGPRP 法克服了无法展现年内变化的问题，但由于该方法是取平水年组90%保证率流量作为生态基流，计算得到的结果十分接近多年平均径流量，这是该计算方法结果偏大的原因；Texas 法的计算值与Tennant 法的计算值基本走向趋势大体一致，其中Texas 法根据北方河流的变化特点，取50%保证率下的月平均流量的20%作为生态基流，而Tennant 法取多年平均径流量10%作为生态基流，只考虑了维持河流不退化的所需水量，并没有其他环境功能的水量，所以Texas 法整体大于Tennant 法；90%保证率法只考虑了达到河流水质污染的生态水量，没有考虑生物、年内变化等因素所以计算结果最小。

其次从反映径流年内变化的角度出发，近十年最枯月平均流量法和逐月最小径流法可以较好地反映出泾河的汛期和非汛期生态基流变化显著的特点，NGPRP 次之，Tennant 法和90%保证率法没有区分丰水年、平水年和枯水年之间的差异。结合图1和图5 分析，其中近十年最枯月平均径流法的峰值分别在6 月、8 月和10 月，对比6 月和10 月的径流量可知，7 月和9 月生态基流计算值偏小，不符合泾河实际径流要求；逐月最小径流法的最大值出现在6 月和8 月，无法满足多年平均径流量中7 月生态基流的要求，且有一定滞后性。

综上，本文从径流汛期和非汛期年内变化特征、水生生物影响和水质等角度出发，取Tennant法、近十年最枯月平均流量法、逐月最小径流法、90%保证率法、Texas 法和NGPRP 法的平均值作为泾河的生态基流。根据其平均值的计算结果，泾河生态基流量见表4。

表4 泾河生态基流计算结果 单位：m3/s

3.3 生态基流满足程度分析

根据上述方法生态基流的计算结果，通过与泾河实际径流的比较研究，用于检验流域的实际径流是否满足生态需水的要求，这是河流健康评价的基础[42]。由于生态基流是满足功能需求的最小流量，考虑“最不利”条件，分别采用年径流量频率曲线25%、50%和75%对应选取1989 年（丰水年）、1996年（平水年）和1995 年（枯水年）河道的实际径流量与生态基流计算值进行分析，判断泾河生态基流的满足程度。实际径流量与生态基流计算值对比情况如图6 所示。

图6 不同水平年实际泾流与生态基流对比图

由图6 可知，丰水年、平水年和枯水年满足程度逐级递减，其中，丰水年、平水年和枯水年均能满足生态基流的要求。但根据《宁夏水资源公报》统计，泾河河道取用水量呈现逐年增长的趋势，而年降水量变化趋势不显著，因此，未来泾河流域生态基流保障能力将减弱，应加强对泾河流域水资源合理调配的重视。

4 结论

本文采用M-K 法和滑动t 检验法针对泾河流域1956-2019 年径流进行趋势分析，运用Tennant法等六种水文学法对泾河流域生态基流进行估算，最后划分不同水平年分析所算生态基流的满足程度，结论如下：

（1）泾河源站多年平均径流量在7 月达到最大值，占全年18.5%，通过分析泾河流域径流趋势发现径流变化总体不明显，径流序列在2011 年出现最强的突变。

（2）综合考虑泾河径流变化特征、水生生物因素、水质因素等，采用Tennant 法、近十年最枯月平均径流法、逐月最小径流法、Texas 法和NGPRP 法计算结果的平均值作为泾河生态基流计算值，这一结果为泾河河流生态治理提供理论依据，对进一步进行该区域生态调控具有重要意义。

（3）通过进一步对不同水平年生态基流的满足程度进行分析，发现丰水年、平水年和枯水年都可以保证生态基流的要求，但满足程度逐渐减弱，说明还需要加强对泾河河流水资源的合理使用，保证生态环境用水，避免河流流量长时间低于极限值而导致难以恢复的破坏。