永定河官厅下游段生态基流估算研究

李彬瑜，薛万来，姜新佩，史红伟

(1.河北工程大学，河北 邯郸 056107；2.北京市水科学技术研究院，北京 100048；3.中国水务投资有限公司，北京 100053)

0 引 言

河流生态基流是维护河湖等生态系统功能不丧失、需要保留的底限流量过程中的最小值[1]。合理的生态基流可以最大限度地平衡水生态系统与水资源利用之间的矛盾。因此，适合的生态基流计算方法则显得至关重要。目前，国内外有关生态基流的计算方法已近百种，大体可分为水文学法、水力学法、栖息地法、整体分析法四大类[2]。由于我国生态资料的缺乏致使栖息地法和整体分析法计算有一定困难[3]；水文学法和水力学法则比较常用[4-5]，水力学法对河道断面资料需求较高则操作性较差；而数据需求量少、成本较低的水文学法成为大多数学者的首选。张泽聪等[6]引入季节修正系数并利用中位数代替平均数改进Tennant法计算了大凌河生态基流量；葛金金等[7]选取Tennant法、Q90-Q50法、Lyon法、Tessman法、月流量变动法评估了沙颖河周口段的适宜生态基流，并综合水量需求、水文节律和满足率认为Lyon法最为合理；郭利丹等[8]对比分析了最小月平均流量法、逐月频率计算法、最小连续平均流量法、逐月最小生态径流计算法，认为计算河流生态基流的最优方法为逐月最小生态径流法。本文针对永定河这类北方季节性河流，以其官厅下游段为例采用Tennant法、90%保证率最枯月平均流量法、基流比例法，估算生态基流，旨在为永定河官厅下游段生态需水量调控，提供科学依据。

1 流域概况

永定河地跨山西、内蒙古、河北、北京、天津等，流域面积约4.7万km2，上游有桑干河、洋河两大支流，于河北省张家口怀来县朱官屯汇合后称永定河，在官厅水库纳妫水河，从官厅水库起穿越八达岭高原形成了官厅山峡，至三家店流入华北平原，三家店为永定河流域山区、平原分界，其中山区流域面积4.51万km2，占95.8%，平原流域面积1 953 km2，占4.2%。永定河流域属温带大陆性季风气候，为半湿润、半干旱型气候过渡区多年平均降水量在360～650 mm之间，不同地区降水量差异颇大，多雨区和少雨区相差将近1倍。

2 生态基流计算

依据官厅水文站1956年～2016年61a的实测月径流资料，分别用Tennant法、90%保证率最枯月平均流量法、基流比例法分析计算永定河官厅下游段的生态基流。

2.1 丰、平、枯水年划分

文献[9]将河流丰、平、枯概念划分为特丰水年、偏丰水年、平水年、偏枯水年、特枯水年，其中特丰水年、偏丰水年统称为丰水年；特枯水年、偏枯水年统称为枯水年。根据官厅站1956年～2016年61 a的年径流频率曲线，在一定保证率(P)的年径流量划分年型见表1。

表1 官厅站年径流丰、平、枯水年划分标准

2.2 Tennant法

Tennant法：认为年平均流量的百分比即生态基流[10]。该方法推荐的生态基流分为汛期与非汛期，并以占平均流量的比例作为划分标准，由官厅站1956年～2016年61 a水文资料，利用Tennant法计算生态基流(见表2)。汛期和非汛期分别取对应时段年均流量的30%(8.21 m3/s)和10%(1.41 m3/s)作为生态基流。

表2 Tennant方法计算标准与结果

2.3 90%保证率最枯月平均流量计算法

此方法根据官厅站1956年～2016年61 a的月流量资料，建立一系列月流量时段曲线，在90%保证率下的逐月最小生态需水量[11]计算结果如表3所示。最小生态基流范围1.54～3.24 m3/s，占多年平均流量20.73 m3/s的7.43%～15.63%。最小生态基流量、最大生态基流均分别出现在枯水期的2月份与丰水期7月份。

表3 官厅站下游90%保证率下最小生态需水量

2.4 基流比例法

2.4.1 计算方法

以丰水年作为计算起点[12]，按各年型平均流量之间的比值关系，确定基流比例。即

Ti+1=αTi

(1)

式中，Ti为监测断面第i年型的基流比例，%；i=1、2、3、4、5，分别代表特丰水年、偏丰水年、平水年、偏枯水年、特枯水年；α为比例系数；并且

α=1+(Qi/Qi+1-1)×μ

(2)

式中，Qi为监测断面第i种年型的平均流量，m3/s；μ取0.4[13]。

各时段基流比例与相应平均流量相乘即为生态基流量

Si，j=Qi，jTi

(3)

式中，Sij和Qij分别为断面第i时段、第j个月的的生态基流量及流量，m3/s。

2.4.2 各年型生态基流计算

按照前文丰、平、枯水年的划分标准，将61 a实测逐月平均流量数据划分年型。按Tennant法所论述的河道流量同河道生态健康状况关系，假定丰水年生态基流量占其平均径流的20%[14]。由前文所述方法计算各年型的生态基流及基流比例，结果见表4。

表4 官厅下游段各年型生态基流

由表4可知，永定河流域官厅下游段特丰水年至特枯水年的生态基流量为10.9 ～2.05 m3/s，占多年平均流量20.73 m3/s的9.86%～52.44%，较为符合Tennant法所推荐的比例。由多年生态基流与实测多年径流作图比较(见图1)，可得官厅站实测年径流在2006年之前均能满足生态基流需求，但在2006年至2016年已经不能满足生态基流需求，反映出自2006年起永定河流域官厅下游段生态系统急剧退化。

图1 1956年～2016年生态基流分析

2.4.3 逐月生态基流分析

为能够更好地了解河道生态基流在年内的变化情况，依据式(3)统计计算了1956年～2016年61 a各典型年逐月生态基流量以及实测流量的多年平均值见表5。

从表5可以得出，丰水年生态基流在5.13～19.18 m3/s之间，占多年平均流量20.73 m3/s的24.75%～92.52%；偏丰水年生态基流在3.56～14.95 m3/s之间，占多年平均流量的17.17%～72.12%；平水年生态基流在3.41～10.20 m3/s之间，占多年平均流量的16.45%～49.20%；偏枯水年生态基流在3.35～5.78 m3/s之间，占多年平均流量的16.16%～27.88%；特枯水年生态基流在1.25～2.92 m3/s之间，占多年平均流量的6.03%～14.09%；其中，丰水年、偏丰水年、平水年、偏枯水年的月生态基流极大值均出现在6月份，这与多年平均下的极大值出现月份一致，特枯水年此极大值提前到了5月份。丰水年、偏丰水年、平水年生、枯水年的月生态基流极小值均出现在2月份，这与多年平均下的极小值出现月份也是一致的，偏枯水年此极小值则出现在了丰水期的7月份。

表5 官厅下游段各年型生态基流 m3/s

3 生态基流计算结果比较与现状年保障程度分析

3.1 结果比较

经上述3种方法计算的生态基流结果存有一定差异见表6。由表6可看出，采用90%保证率最枯月平均流量法的计算结果占多年平均流量的2.85%～11.48%，计算结果较低。基流比例法可以较好地涵盖Tennant法与90%保证率最枯月平均流量法的计算结果。由生态基流过程线(见图2)可看出，基流比例法、Tennant法均能较好地反映永定河官厅下游段生态基流年内丰水期与枯水期的变化，但基流比例法能更好地体现生态基流年际间变化。考虑到永定河官厅下游段目前生态基流缺失严重，河道下游已出现断流情况，而且生态基流是满足生态功能需求的最小值。因此，暂时采用基流比例法在偏枯水期和特枯水期的计算结果作为生态基流取值范围。即：2.05～3.93 m3/s，占多年平均径流量的比例为9.86%～18.91%(见表6)，既能最大限度地平衡水生态系统与水资源利用之间的矛盾，也符合Tennant法中一般用水期的推荐比例。

表6 官厅下游段各年型生态基流

图2 不同计算方法的生态基流过程线

3.2 现状年生态基流保障程度分析

近年来，永定河官厅下游段径流量急剧减少，考虑实际径流是否满足生态需水尤为重要；因此，利用2016年官厅站的逐日径流数据与生态基流量进行比较，对永定河官厅下游段的生态基流量进行评估，现状年永定河官厅下游段平均流量3.13 m3/s，年径流量0.97亿m3，属于特枯水年。从表7可得，90%保证率最枯月平均流量法全年保障天数最多，为211 d，保障率57.81%；基流比例法(特枯水年)全年保障天数179 d，保障率49.04%，Tennant法全年保障天数最少，为89 d，保障率24.38%。由3种计算方法可知，最高保障率未超过60%，可见永定河官厅下游段生态环境状况不容乐观。从年内月情况来看上述3种计算方法得出的生态基流量在现状年1月～4月份保障天数为0，12月份保障天数也只有1 d，对永定河这类北方季节性河流在年内枯水期要使得生态基流得到保障难度很大；对于丰水期而言，由于在特枯水年天然来水相对较少且人工调蓄等原因使得Tennant法计算得到的保证率相对较低，也说明Tennant法在计算永定河此类型的北方季节性河流且上游有较多调蓄作用的水利工程时已有明显的不足。但90%保证率最枯月平均流量法、基流比例法(特枯水年)在6月～9月份甚至10月、11月份计算得到的生态基流保障程度都超过90%甚至到100%。

表7 官厅下游段各年型生态基流

4 结 论

本文采用Tennant法、90%保证率最枯月平均流量法、基流比例法对永定河官厅下游段生态基流进行了计算。讨论分析可得出：基流比例法在该区域表现最好，而90%保证率最枯月平均流量法计算得出的结果偏小，Tennant法在计算永定河此类型的北方季节性河流且上游有较多调蓄作用的水利工程时已有明显的不足。对比分析后认为，永定河官厅下游段生态基流为2.05～3.93 m3/s；通过现状年生态基流保障程度分析可以得出，对于永定河此类型的北方季节性河流来说，上述3种方法还不能很好地平衡水生态系统与水资源利用之间的矛盾。特别是在枯水期，生态基流保障程度很难得到满足。