黄河下游重要水文站生态环境流量区间研究

黄志鸿，董增川，张发鸿，刘金华，李启龙，郭伟建

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098)

0 引 言

黄河下游由于建成了大量的水工建筑物，河道已经高度人工化，碎片化。由于经济发展用水增加挤占河道内生态用水，导致生态环境恶化趋势显著[1]。黄河下游目前主要存在以下生态问题：①黄河下游河道基流满足度不高[2]；②黄河下游水沙关系不协调[3]；③河口自然湿地退化严重[4]；④鱼类生长繁殖条件差[5]。因此，因地制宜地研究黄河下游的生态环境需水量，具有重要的意义。

自20世纪70年代以来，大量学者对生态环境需水量进行了研究，从概念定义到结合水资源规划管理，从保障河流生态系统的最低需求到注重系统性、地域性，均有成果。

在定义上，王西琴等[6]对河道最小环境需水量的生态意义进行阐述与界定，并提出河道中必须常年保持最小水量的阈值；冯宝平等[7]将区域生态需水量的计算分为河道内和河道外两部分，并梳理了一些常用的计算方法。在计算方法上，于龙娟等[8]将逐月最小生态径流法用于生态流量估算，并以洛河和伊河为实例研究对象，分析了不同计算方法的优缺点。河道内生态环境需水量的计算方法中，水力学法和水文学法需要长序列和高精度的水文信息；栖息地法需要大量野外勘测收集数据，耗时长、难度大；整体分析法需要鱼类生态学、湖泊学、植物学等多学科的资料。生态环境需水计算方法虽然繁多，但往往片面采用且没有综合考虑黄河下游实际面临的问题。

因此，本文由黄河下游现状生态环境存在的问题出发，在生态环境需水计算中综合考虑鱼类生活、水沙冲淤、污染防治等方面的要求，使得计算的生态流量区间达到以下几点目标：①保持河道不断流并尽量满足水质要求；②维护下游水沙平衡；③满足鱼类产卵及生长。

1 研究区概况

黄河是我国重要的母亲河，有悠久的历时和广袤的水域，本文主要研究的区间是三门峡以下的黄河下游河段，包含的水文站有三门峡、花园口、高村、艾山、利津，研究区的流域图如图1所示。

图1 研究区流域

2 基本生态环境流量

河道内基本生态环境需水量有两个方面的含义。一是基本生态需水量，维系和保护河流的基本功能不受破坏，即保持河道不断流；二是基本环境需水量，满足水污染防治的基本需求。只有在满足了基本生态环境需水量的要求下，才能考虑其他的用水需求。

本文中保持河道不断流的基本生态需水量的计算方法采取历史流量法[9]。采用多年平均流量的1/10作为河道内基本生态环境需水量，结果如表1所示。

表1 黄河下游站点生态基流 m3/s

黄河下游含沙量大的特点使得下游的环境污染情况较为复杂，泥沙的存在对于水质的改变如何是一个复杂的研究，而且黄河下游的污染物排放也具有相当大的不确定性，使得常规的估算方法不能达到很好的精度，如以河道水质目标为约束的模型计算等[10]。所以本文基本环境需水量中满足水污染防治的需水量计算，可参考每10年最枯月平均流量法，黄河下游各重要站点各年代的最枯月平均流量如表2所示。

表2 黄河下游站点各年代最枯月平均流量 m3/s

由于黄河下游20世纪60年代以后三门峡水库投入运行对下游河段生态环境造成了严重影响。从表2也可看出，1960年～1969年的10年最枯月平均流量极低，20世纪70年代经过一定的调度平衡后最枯流量有所增加，50年代是最接近天然径流情势的时期，所以本文采用1950年～1969年计算数据作为污染防治生态需水量。

3 适宜生态环境流量

与最小生态环境需水量不同，适宜生态环境需水量主要针对河流水生态系统中的输沙水量、鱼类群落生态环境需水量，应当遵循整体性、稳定性和动态性的原则。

3.1 改进的Tennant法

在黄河下游河道水流游荡且含沙量大等因素影响下，研究区内生物多样性较低。本次工作也因缺乏生物观测资料，而考虑先用改进的Tennant法求得一个参考流量序列。其改进通过引入修正因子实现。

3.2 生态水文季节的改进

生态水文季节即在一个流域中，由于水情变化、生物习性不同而划分的时间段。本文将完整的生态时序分成汛前期、主汛期、汛后期。

每年的4月～6月为汛前期，也是黄河下游鱼类产卵育幼的高峰活跃期。该时间段最小生态环境需水量取多年平均径流量的15%，适宜生态环境需水量可取多年平均径流量的50%；每年的7月～10月为主汛期，黄河下游来水较丰，泥沙含量较高，最小生态环境需水量可取多年平均径流量的15%，适宜生态环境需水量应以输沙用水为主，可取多年平均径流量的60%；11月至次年3月为汛后期，河流来水相对较枯，泥沙含量相对较低，最小生态环境需水量可取多年平均径流量的10%，适宜生态环境需水量应以补给下游湿地和河岸为主，可取多年平均径流量的40%。

另外，由于多年平均径流量的平均化处理可能会坦化实际的来水径流。为了更好地体现河流流量年内径流的丰枯动态变化，我们可以引入季节系数s来实现典型年流量置换多年平均径流[11]，也可实现在Tennant法应用中反映河流生态水文季节的变化。季节系数计算如下

s=Qt/Qa

(1)

式中，s为季节系数；Qt为典型年t时段的径流量；Qa为天然状况下的多年平均流量。

由于黄河下游主要站点水文资料比较齐全，黄河下游河流健康状况下多年平均流量值可选择1952年～1959年的水文系列资料。如前文所述，该时期黄河上人工干预的大型水库尚未建成运用，其水资源开发利用程度低，水生态环境属于自然状态下的健康水平。

从1952年～1959年中，需要选取一个典型年，典型年选取步骤参考文献[11]，选取黄河下游典型年为1953年，重要水文站实测流量见表3。

表3 黄河下游站点多年平均及典型年流量值 m3/s

由式(3)计算出黄河下游各站季节系数，详见表4。

表4 黄河下游站点季节系数

3.3 非汛期输沙的改进

对于泥沙淤积严重的河流，其输沙量主要与河道中的流量和流速相关。黄强等[11]提出，在非汛期，当流量稳定在一定区间时，输沙量多少就只与流速大小相关。若是河流较为接近天然状态，没有过度的人工开发，在非汛期由于流量较小而淤积下来的泥沙可以在流量较大的汛期得到有效的冲刷。这是天然河流自身的天然平衡。在这样的状态中，短时间的河流淤积非但不会破坏河流生态环境的健康，甚至由于泥沙的存在，滋养微生物等可以帮助水体自净，优化河流水质。而如今的黄河，由于许多水工建筑的建设，其天然状态破坏率早已大于50%，无法达到天然的平衡状态。黄河下游严重的泥沙淤积问题，严重改变了下游的河道形态，抬高了河床，降低了水深，河槽比降也被填平，流速也随之减少，一系列的连锁反应更是会加重下游的河床淤积问题。如此恶性循环，总会对生态环境造成更大的破坏。因此，调度中需要研究在非汛期维持一定的流速和水量汛前冲沙，使得主槽冲淤平衡。

当河流在山区时，由于比降较大，流量小也可以达到冲淤条件，不至于破坏生态环境的健康；而在开阔平原的河段，河道平坦，比降很小，此时流量小时就很容易抬高河床，形成“地上悬河”。据此，我们可以在Tennant法的计算中考虑河流形态的变化，进而综合考虑输沙的生态流量。在多年平均天然流量百分比基础上引入比降系数ie，来表征河道的比降。即

(2)

表5 黄河下游各河段比降 %

由各河段比降求出黄河下游平均比降为0.021%，将以上数据代入式(2)，得到黄河下游河段各站的环境比降(见表5)。

基于以上所述的两方面改进，改进后的Tennant法通过在原方法的多年平均天然流量百分比r0基础上乘上引进的季节系数s和比降系数ie，使其可以更好的适应黄河下游的生态环境。具体如下

r=r0·s·ie

(3)

式中，r为本文改进后的推荐流量百分比；r0为原方法定义的平均天然流量百分比。得出黄河下游各站点基本生态环境需水和适宜生态环境需水参考序列(见表6)。

表6 黄河下游站点生态环境需水参考序列 m3/s

3.4 汛期输沙水量

在Tennant法中考虑的输沙改进主要针对的是非汛期的改进。据黄河流域水资源综合规划报告，黄河流域产沙时间较为集中，年内分配不均，黄河年径流量中60%的流量和85%的输沙量均集中在汛期。所以，需要特别考虑汛期的输沙水量。

汛期输沙水量的影响因素主要有汛期下游来沙量和汛期下游河道冲淤量[12]。参考《黄河流域水资源综合规划报告》(2012～2020)及黄河水利科学研究院[12]关于黄河下游汛期输沙水量的相关研究，各因子间具有良好的相关关系，汛期花园口站和利津站输沙水量与下游来沙量、水量的关系为

W=22Ws-42.3Ys+86.8

(4)

(5)

式中，W为汛期花园口站输沙水量，亿m3；Ys为汛期下游河道冲淤量，亿t；Ws为汛期下游来沙量，亿t；Wsl为汛期利津站来沙量，亿t；Wl为汛期利津站输沙水量，亿m3。

河道允许淤积量与来沙量之间存在一定的关系，申冠卿等[12]给出了下游来沙量与下游河道允许预计量的数据，如表7所示。

表7 下游来沙量与允许预计量 亿t

对以上数据做相关性分析，并拟合关系函数，如式(6)所示，其确定系数R2为0.981 6。具体为

Y=0.426 8x-1.412 4

(6)

式中，Y为下游河道允许淤积量，亿t；x为下游汛期来沙量，亿t。

黄河下游引沙主要集中在汛期，其平均含沙量为33.9kg/m3。经计算，黄河下游汛期日均引沙量为59.04万t。据以上计算，可得花园口站和利津站汛期输沙流量分别为2 032.52、1 830.51 m3/s。

3.5 鱼类生态需水量

一年内的河道径流有丰有枯，按照流量的大小我们可以将其划分出低流量、中等流量与高流量。其中，高流量中又可分为流量脉冲、中小洪水及漫滩洪水，而中等流量对生态环境的影响较小，可忽略。

对河流生态环境系统有不同意义的以上各流量组分可通过长系列连续的流量数据按以下步骤确定。

(1)对所有的流量进行排频计算。

(2)计算流量的时段变化率

Ki=[(Qi+1-Qi)/Qi]×100%

(7)

式中，Ki为第i时段的流量变化率；Qi表示第i时段的流量。

(3)设定如下规则初步划分出高流量QH和低流量QL。其中，Q75、Q25分别为P=75%、P=25%时对应的流量：①如果Qi≤Q75，则Qi属于低流量QL；否则，Qi属于高流量QH。历史低流量区间为0～549 m3/s，低流量代表平均值为374.62 m3/s。而高流量由于洪水的持续时间性，由步骤2～3确定。②如果Qi>Q75同时Qi-10%时，说明Qi与Qi-1相差较小，又为连续流量系列，可将Qi列为高流量，同时若Ki>0，说明后一时段Qi+1大于已经列为高流量的Qi，Qi+1也列为高流量；若后一时段Qi+1是高流量时，当Ki<10%时，说明Qi与Qi+1相差较小，又为连续流量系列，可将Qi列为高流量，同时若Ki<0，说明前一时段Qi-1大于已经列为高流量的Qi，Qi-1也列为高流量。③将所有高流量QH罗列出，重新进行一次高流量排频计算(见图2)。

图2 高流量系列排频

QH10、QH25分别为所有QH中P=10%、25%时对应的流量值，QH10=4 377.5 m3/s，QH25=3 147 m3/s。再按以下规则划分高流量QH中的高流量脉冲、中小洪水、漫滩洪水：若Qi≤QH25，则Qi为高流量脉冲；如果Qi≥QH10，则Qi为漫滩洪水；如果Qi>QH25同时，Qi

由以上步骤可得不同的流量组分区间，其对鱼类有不同的生态意义，详见表8。

表8 不同流量组分对鱼类的生态意义

由于汛前期4月～6月是鱼类的生长育幼期，也是黄河下游调水调沙的生态调度时期，该时段末要将水位降低至死水位。所以本文采用高流量脉冲的低值作为适宜生态需水量，既有利于鱼类的生存和洄游，也有利于汛前冲沙。然而，为满足鱼类繁殖的刺激性要求，还需要短暂几天的更高流量脉冲刺激。

蒋晓辉等[5]利用流量恢复法模拟自然流量的过程研究黄河下游鱼类的生活习性。蒋晓辉提出，黄河下游11月～3月应保持低流量270 m3/s，为鱼类过冬提供栖息环境；4月～6月鱼类繁殖生长期首先应保证低流量，为鱼类洄游提供通道，也为幼鱼生长提供栖息地，同时在4月初需要生成维持6天左右流量为2 600 m3/s的高流量脉冲刺激鱼类产卵。该结果与以上计算流量组分区间吻合，由于水力学数据较难获取，无法模拟自然流态，本研究引用该计算结果。

3.6 生态环境流量区间

天然状态下，径流的类型和时空变化规律趋于自然稳定。稳定的自然径流是最优的生态径流量，所以我们有必要使调度后的径流尽可能接近自然径流。而生态需水量本身是一个阈值范围[13]；因此生态环境流量也应该有上下限范围，调度后的下泄流量应尽可能地落在这个区间内。综合上文关于生态环境需水的研究，将基本生态环境流量整合作为生态环境阈值下限，将适宜生态环境流量整合作为生态环境阈值上限，详见表9。

表9 黄河下游重要水文站生态环境流量区间 m3/s

4 结 论

本研究从黄河下游现状生态环境存在的问题出发，在鱼类生态需水计算中，由长系列的历史流量数据计算出黄河下游各流量组分的阈值区间；在输沙生态需水量计算中，分别计算了下游控制站花园口站和河口控制站利津站在汛期的输沙水量，考虑了汛期河道的输沙需求。本研究提出了生态环境整体性、稳定性、动态性等特点，从多角度考虑，将基本生态环境流量整合作为生态环境阈值下限，将适宜生态环境流量整合作为生态环境阈值上限，为水库群的优化调度研究提供数据支撑。