考虑水文变异的漾弓江干流生态流量计算

任黎 高家琛 杨灏宇 马平森

摘要：气候和人类活动改变了河道径流的一致性，因此考虑水文变异的河流生态流量计算对保护河流生态系统具有现实意义。以云南省漾弓江为例，采用4种时间序列检验法对三义断面和金河断面1959～2019年径流序列进行突变检验，利用平水年逐月最小生态径流法和逐月频率年内展布法计算不同时期的生态流量，并用改进的Tennant法进行评价。结果表明：变异年份确定为1997年和2011年，计算得到两断面在天然状态、次天然状态、现状和不考虑水文变异条件下最小和适宜的生态流量，次天然状态的生态流量更利好河流生态系统，现状河流生态系统遭到了一定的破坏，不考虑变异的生态径流过程与天然状态接近。生态流量的确定应更多考虑天然状态的生态径流过程并参考次天然状态。最后提出了2020～2030年漾弓江生态流量保障工作目标及建议。

关 键 词：生态水文学法; 水文变异点; 最小生态流量; 适宜生态流量; 改进Tennant法; 漾弓江

中图法分类号： TV211

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.013

0 引 言

气候变化的不确定性和高强度人类活动加快驱动了流域地表水文循环及演变过程，其水文效应之一就是径流序列的一致性被破坏[1-3]，即水文变异。水文变异势必对原本处于稳定状态的河流生态系统产生严重影响，采用近年或全系列径流资料作为生态流量计算的基础资料会影响结果的合理性[4]。因此，研究不同变异时期的河流生态流量有利于保障河流生态系统的良性发展。

得益于水文资料获取方便、通用性较强等特点，在众多生态流量研究方法中，水文学法得到广泛利用[5]。潘扎荣等提出年内展布计算法，并应用于淮河生态流量计算[6]。王东升等结合Tennant法和金沙江地区的经验计算生态基流，并评价了生态基流保障程度[7]。LI等提出了一种生态流量计算准则随流态变化的改进Tennant法，并在对不同流态河流的应用中得到验证，较原有方法具有更好的变异性和可移动性[8]。FU等提出了一种Tennant法主观参数的定量方法，并将其应用于新疆叶尔羌河流域[9]。徐伟等提出了一种利用长系列降水径流资料的改进7Q10法，在滦河最小生态流量的计算中取得了比传统方法更好的结果[10]。王鸿翔等提出一种年内展布法和IHA-RVA法组合的水文学方法，综合评价了湘江内断面的生态流量，与Tennant设定的分期相符[11]。上述研究均在探索生态流量计算方法的改进与应用，但未明确水文序列的一致性，针对这种情况，有学者展开水文变异条件下的生态需水研究。刘剑宇等综合诊断鄱阳湖水文变异情况，得出了计算生态流量的最优分布函数，通过对比前后生态需水满足率，证实水文变异对河道内生态需水产生一定的影响[12]。肖才荣等应用滑动秩和检验法分析东江水文变异及成因，以变异前各月流量序列的最适概率分布函数推求生态流量[13]。WANG等结合M-K检验和F检验方法分析了双江长系列径流变异点，采用水文学方法评价生态流量，并应用双质量曲线法识别出不同人类活动对径流变化的影响[14]。XING等引入基尼系数计算研究站点的径流分布均匀度，检测变异点并选择合理的子序列，利用3种水文方法的加权计算结果表示综合生态流量[15]。徐淑琴等以识别出的水文变异点划分人类干扰期，推求生态流量并得出水库生态系统退化主要受人类扰动影响的结论[16]。王强等利用DTVGM模型还原变异点后的径流序列，提出適用于水文变异条件下潦河生态流量计算方法[17]。

漾弓江为金沙江一级支流，是云南省重要的跨州市河流之一。漾弓江干流中上游人口集中，工农业生产用水需求量大，下游河道水能蕴藏量大，电站集中。水资源高强度开发使经济社会用水与河流生态流量保障产生矛盾。针对这一现状，依据《水利部关于做好河湖生态流量确定和保障工作的指导意见》（水资管[2020]67号）的断面选取原则，并结合流域生态保护与水量调度管理要求，云南省水利厅确定三义断面和金河断面为生态流量控制断面。基于此，本文以两个生态流量控制断面为研究对象，分析水文序列的变异性并划分变异时期，计算并评价不同时期的生态流量，以期为漾弓江流域生态需水标准的制定提供数据和决策参考。

1 区域概况与数据来源

1.1 漾弓江概况

漾弓江位于云南省西北部，介于东经100°06′～100°22′和北纬26°31′～27°05′之间，河流长度122.1 km，总落差1 976 m，河道平均比降15.7‰。流域涉及丽江市和大理州境内区县，流域径流面积2 149.5 km2，丽江市和大理州各占51%和49%。漾弓江流域属低纬度高原山地季风气候，多年平均气温13.5 ℃，干季为12月至次年5月，湿季为6～11月。流域内涉及的外流域调水工程主要有已建的拉市海调蓄水工程和2030年前规划建设完成的金安桥水电站综合利用工程。拉市海调蓄水工程位于玉龙县拉市乡境内，其引水至漾弓江的隧洞工程自1996年开始运行，主要承担着漾弓江上中游农田灌溉、城镇、工业和环境供水任务，年引水量控制在1 500万m3之内。达到最终规模的金安桥水电站综合利用工程其多年平均供给城市用水4 348万m3，回归水将大量汇入漾弓江。

1.2 数据来源

漾弓江干流自上游至下游依次有木家桥站、三义站、鹤庆站和金河站等水文测站。本次主要讨论三义站断面和金河站断面，其多年径流实测资料来自丽江市和大理州水文局，云南省水勘院做径流还原工作后得到两断面1959～2019年日均天然径流量。流域示意图见图1。

2 研究方法

2.1 水文变异点识别

单一的水文变异点检测方法存在局限性，为增强可信度，本文选取在水文突变研究中应用较多的累积距平法、Mann-Kendall法、滑动T检验法和Yamamoto法4种方法[18]进行水文变异点综合识别。

2.2 平水年逐月最小生态径流法

逐月最小生态径流法以天然月径流的最小值作为该月的最小生态流量[19]，以此得到年逐月最小生态径流过程，该法易受极端枯水年的影响，不利于水生生物的保护。NGPRP法[20]，以水文年平水年组各月流量90%保证率的流量值作为最小生态流量，一定程度上弥补了逐月最小生态径流法的缺点，但年型划分和保证率选取均提高了对径流序列长度的要求。针对本文划分人类干扰期进一步缩短了单一时期序列长度的情况，提出平水年逐月最小生态径流法，取各时期平水年组各月流量最小值作为生态流量，更适用于水文变异下的最小生态流量研究。以距平法进行年型划分：

Pt=Qt-Q—/Q—（1）

式中：Pt为距平值（-0.1<Pt<0.1时，第t年划分为平水年）;Qt为第t年年均流量，m3/s;Q—为多年平均流量，m3/s。

2.3 逐月频率年内展布计算法

逐月频率年内展布计算法融合了年内展布法和逐月频率计算法，可体现同时期内河流总体过程，展现其变化特征[21]。计算原理参照文献[21]。

2.4 改进Tennant法

Tennant法[22]设定了8种多年平均流量比例将鱼类等动物保护、娱乐、相关环境资源与河流流量联系了起来，又根据水生生物对环境的需求，划分鱼类产卵育肥期和一般用水期，宏观上指导河流生态保护的基本需水量。传统Tennant法存在统一划定多年平均流量比例的问题，未结合流域特性分析流量季节性变化的缺点[23]。为使Tennant法评价标准更符合漾弓江特有的地理气候特性，引入季节修正系数并结合中位数理论改进Tennant法，选取典型年的流量过程以反映其径流季节变化过程。同时，考虑到流域内存在小裂腹鱼省级水产种质资源保护区，其重点保护对象小裂腹鱼和秀丽高原鳅的主要产卵繁殖期与枯期的3～5月重合，因此本文Tennant法以汛期（6～11月）和枯期（12月至次年5月）划分一般用水期和鱼类产卵育肥期，有利于保护珍稀鱼种。

KXit=QXQ—X（2）

式中：KXit为汛期流量模数，其中i为控制站序号，t为年份;QX为各控制站汛期流量值，m3/s;Q—X为各控制站汛期平均流量，m3/s。

KXt=ni=1KXitn（3）

式中：KXt为汛期河流的模数;非汛期河流的模数KFt求解步骤同上。

minCv=KFt-1+KXt-12（4）

式中：minCv为偏差变量的最小值，对应的年份t即为典型年。

bm=Q典mQ均m（5）

式中：bm为季节修正系数，m=1或2，表示汛期或非汛期。

中位数有不受极端值影响的特点[24]，故选取中位数代替平均数计算推荐基流的稳定性和代表性更强。改进后的Tennant法生态流量标准见表1。

3 结果与讨论

3.1 水文变异点综合识别

以金河断面滑动T检验为例（见图2），设置子区间为5，T统计量共有1997，2002年和2011年3处超过了0.05显著性水平临界值（偏移量越大代表变异程度越大），即变异程度1997年>2002年>2011年。把4种检验方法所检测出的水文变异点按变异程度以先后顺序列出（见表2）。可看出在众多检验结果中，两断面在1997年和2011年出现的频次和位次均明显占优，为突变最明显的两个变异点。漾弓江流域自1996年建成运行拉市海引水隧洞，工程影响下的径流序列势必发生改变，与检验结果相吻合，说明了检验结果可靠性。结合上述变异点检验结果，划分1959～1996年为天然期，1997～2010年为第一变异期，2011～2019年为第二变异期。下文生态流量的推求结果包括3个时期各自所对应的天然、次天然和现状生态流量。

3.2 生态流量计算

计算天然状态、次天然状态、现状和不考虑水文变异条件下最小和适宜生态流量，将4种状态条件下最小生态流量记为N-Min，S-N-Min，C-Min，Non-Min，4种状态条件下适宜生态流量记为N-Suit，S-N-Suit，C-Suit，Non-Suit，其生态流量过程线如图3所示。

整体来看，图3（a）～（d）所展现的生态流量过程线趋势一致性良好。两断面在4种状态下的最小和适宜生态流量基本遵循1～5月缓慢降低，5月以后急剧增加，8月达到峰值后降低的趋势，需水高峰期在7～9月，5月河道内径流量最小;两断面同月最小和适宜生态流量值基本遵循次天然状态>天然状态>现状，表现为天然状态和现状相对于次天然状态均出现一定程度的坦化;两断面不考虑变异的非汛期最小生态流量过程与现状接近，汛期与天然状态接近，不考虑变异的适宜生态流量过程与天然状态生态流量过程十分接近。

3.3 改進Tennant法

把木家桥、三义、鹤庆、金河4个站点作为4个控制站，确定典型年的方法是利用天然径流量得出各年的Cv值，Cv最小值对应的年份即为典型年，经计算该值为0.067，对应的典型年为1986年，流量模数时序图见图4。求出汛期和非汛期的季节修正系数分别为b1=1.07和b2=0.94。

根据中位数原理，求得61 a来三义断面和金河断面各自的逐月天然径流中位数，作为推荐基流的基础资料，并按照汛期和非汛期划分的时段求中位数的平均值作为推荐基流值。经计算，三义断面汛期推荐基流值为7.56 m3/s，非汛期推荐基流值2.05 m3/s;金河断面汛期推荐基流值为31.81 m3/s，非汛期推荐基流值7.72 m3/s。改进Tennant法的评价标准见表3。

3.4 生态流量评价

由表4可知，对比三义断面天然状态最小生态流量，非汛期（12月至次年5月）次天然状态、现状和不考虑变异的最小生态流量分别增加45.74%、减少20.16%和21.71%，汛期（6～11月）则分别增加29.36%、减少32.03%和13.14%。非汛期和汛期天然状态和次天然状态的最小生态流量均能达到最佳。对比三义断面天然状态适宜生态流量，非汛期（12月至次年5月）次天然状态、现状和不考虑变异的适宜生态流量分别增加38.86%、减少17.11%和6.58%，汛期（6～11月）则分别增加16.75%、减少31.08%和0.81%。非汛期4种状态的适宜生态流量均能达到最佳，汛期除现状外均能达到最佳。

由表5可知，对比金河断面天然状态最小生态流量，非汛期（12月至次年5月）次天然状态、现状和不考虑变异的最小生态流量分别增加24.89%、减少1.97%和26.64%，汛期（6～11月）则分别增加18.60%、减少21.76%和12.30%。非汛期除不考虑变异外其余3种状态的最小生态流量均能达到最佳，汛期天然状态和次天然状态能达到最佳。对比金河断面天然状态适宜生态流量，非汛期（12月至次年5月）次天然状态、现状和不考虑变异的适宜生态流量分别增加25.73%、减少1.54%和1.72%，汛期（6～11月）则分别增加19.27%、减少22.21%和2.3%。非汛期和汛期4种状态的适宜生态流量均能达到最佳。

3.5 讨 论

3.5.1 水文变异原因

次天然状态下的生态流量值明显占优，分析其原因是自第一次变异期开始，自拉市海引水隧洞的外流域调水显著增加了漾弓江干流的径流量。现状最小和适宜生态流量过程值均低于次天然状态和天然状态，其原因包括气候因素和人为因素。自第二次变异期开始，受云南 2010年初至2014年持续性气象与水文干旱的影响，金沙江地区遭遇了60多年以来最严重的一次持续性极端干旱过程[25]，漾弓江流域的降水量显著减小。此外，第二变异期正值社会经济快速发展阶段，漾弓江干流上中游沿江农灌区的平均引水量达到7 330万m3，较前一时期增加了1 753万m3，农灌区引水量大幅增加，同时丽江市和大理州规划的丽江市金山高新技术产业经济区、丽江古城国际空港经济区和南口工业园区3个工业园区及大理州鹤庆县兴鹤山地工业园区均已设立完成，2020年工业需水量分别达到1 168万，419.8万，74.2万，173万m3，因此人类活动也是造成河道内径流量减少的原因之一。

3.5.2 生态流量计算及评价结果分析

（1） 天然状态下两断面最小和适宜生态流量均能达到最佳，说明天然状态下人类扰动较小，但这一时期的河流生态系统稳定性并不高，例如三义断面天然状态下汛期的最小生态流量很接近最佳流量范围的底限流量。

（2） 次天然状态下生态流量过程反映漾弓江最佳生态需水水平，代表人类扰动的正向影响。两断面最小生态流量和适宜生态流量同样达到最佳，相较于天然状态无论汛期或非汛期提升幅度均在15%以上，外流域调水使河流生态系统抗干扰能力得到提高，有利于水生生物的进一步生长繁殖。其中金河断面最小生态流量在汛期和非汛期的提升幅度与适宜生态流量相差不大，而三义断面最小生态流量在汛期和非汛期的提升幅度均明显高于适宜生态流量，说明调水更显著地提高了径流量低值，对水生生物的利好作用体现在遭受极端干旱影响的概率进一步降低。

（3） 现状下生态流量过程反映了漾弓江的缺水情况，代表人类活动和气候的负面影响。两断面中仅金河断面非汛期最小生态流量能达到最佳，汛期最小生态流量均劣于非汛期，三义断面现状的汛期最小生態流量评级仅为良好并接近一般，说明第二变异期内的气候和人类活动对汛期的影响更为强烈，而从相对于天然状态生态流量的降低率来看，这种影响在金河断面体现得更为明显。两断面适宜生态流量评价结果虽优于最小生态流量，但相较于天然状态适宜生态流量均有不同程度的下降，汛期下降同样更为明显，汛期正值各行业用水高峰期，此时河道生态系统面临的风险更高。

（4） 不考虑变异的生态流量过程反映漾弓江整体生态需水水平。两断面的最佳生态流量均能达到最佳，最小生态流量在非汛期和汛期的评价等级均为极好和好，从整体来看其生态流量过程较接近于天然状态的生态流量过程，尤其适宜生态流量过程相较于最小生态流量过程的相似度更高。

3.5.3 决策参考

通过以上分析发现，漾弓江流域现状河道生态系统已遭到一定程度的破坏，实际的生态调查结果也发现漾弓江存在土著鱼类资源减少、水生生物多样性下降、部分河段水环境恶化等情况。因此，三义和金河断面的生态流量保障成果应更多地考虑天然状态的径流过程。随着未来漾弓江流域的进一步开发，人类活动影响的强度和范围还将继续扩大，伴随着可能极端气候的出现，河流生态流量评价的满意度会进一步降低，在水量条件允许的情况下建议把次天然状态的径流过程纳入参考范围之内。漾弓江流域位于云南滇中引水工程受水区范围内，至2030年滇中引水工程配套工程（二期）建成通水后，输水总干渠将与流域内各水源工程连通，届时流域内河流生态环境将随着水资源供需矛盾的缓解而得到大幅的改善。因此在2020～2030年间，漾弓江流域生态流量保障工作的目标在于避免并力争改善河流生态系统的进一步恶化。建议建立2020～2030年漾弓江流域生态流量调度方案，其中三义和金河两断面下泄流量的控制指标参考现状生态流量过程或适当提高，同时严格执行《云南省小水电站清理整改实施方案》（云水发[2019]56号）中明确的退出或整改措施，缓解生态流量调度压力。

4 结 论

（1） 本文通过滑动T检验等4种时间序列检验方法，检验了漾弓江干流三义和金河两个生态流量保障断面的水文序列。确定1997年和2011年为变异点，明确1997年变异原因为外流域调水，2011年变异原因为气候和人类干扰的共同作用，并以变异点划分天然期、第一变异期和第二变异期。

（2） 利用平水年逐月最小生态径流法和逐月频率年内展布计算法，分别计算得到三义断面和金河断面在天然状态、次天然状态、现状和不考虑水文变异条件下最小和适宜生态流量的年内径流过程线;引入季节修正系数并结合中位数理论改进了Tennant法，使其更适用于漾弓江生态流量评价。

（3） 改进Tennant法的评价结果表明天然状态河流生态系统处于稳定状态，次天然状态的生态流量更有利于河流生态系统，现状河流生态系统遭到了一定的破坏，不考虑变异的河流生态系统状况与天然状态接近。变异因素对现状汛期的影响更为强烈，这种影响在金河断面体现得更为明显。为保护漾弓江河流生态系统，两断面的生态流量保障成果应更多地考虑天然状态的径流过程并参考次天然状态的径流过程。

（4） 确定2020～2030年漾弓江流域生态流量保障工作的目标，针对漾弓江流域水量不足的现状，提出建立生态流量调度方案和落实小水电站清理整改的建议。

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（编辑：黄文晋）

Calculation of ecological flow in Yanggong River trunk stream considering hydrological variation

REN Li1，GAO Jiachen1，YANG Haoyu2，MA Pingsen2

（1.College of Hydrology and Water Resources，Hohai University，Nanjing 210098，China; 2.Yunnan lnstitute of Water & Hydropower Engineering Investigation，Design and Research，Kunming 650021，China）

Abstract：

Climate and human activities have changed the consistency of river runoff，so the calculation of river ecological flow considering hydrological variation is of practical significance for the protection of river ecosystem.Taking Yanggong River as an example，four time series inspection methods were used to test the abrupt change of runoff series of Sanyi section and Jinhe section from 1959 to 2019.The ecological flows in different periods were calculated by using the monthly minimum ecological runoff method and the monthly frequency annual distribution calculation method，and the improved Tennant method was used to evaluate the runoff.Results showed that the variation years were 1997 and 2011;the minimum and appropriate ecological flow of the two sections were calculated in a natural state，sub-natural state，the present state and the state of not considering hydrological variation.It was found that the ecological flow of the sub-natural state was more favorable to the river ecosystem.The ecosystem of the present state was of certain destruction.The process of ecological runoff without considering variation was close to the natural state.In order to determine the ecological flow scientifically，more consideration should be given to the ecological runoff process in the natural state and the sub-natural state.At last，the work objectives and suggestions for the ecological flow of Yanggong River in 2020～2030 should be put forward.

Key words：

ecohydrological method;hydrological variation points;minimum ecological flow;appropriate ecological flow;improved Tennant method;Yanggong River