汉江中下游重要支流目标生态流量分期控制研究

徐长江 邴建平 邓鹏鑫

摘要：为有效推进河湖生态流量保障体系建设，采用Qp法、Tennant法、近10 a最枯月法、频率曲线法等方法计算分析确定了汉江中下游重要支流控制断面基本生态流量，采用适配法确定各断面生态流量分月泄放目标。研究表明：① 汉江中下游重要支流控制断面的基本生态流量为1.16～7.50 m³/s，占年均流量的5%～15%。除南河谷城断面受金盆沟电站发电引水导致满足度偏低外，其他断面满足度均高于90%，可作为生态流量管控依据。② 各断面生存流量分月控制目标为1.16～55.00 m³/s，年泄放量占年均径流量的20%，月均满足度可达80%以上。研究成果可为健全法规体系、强化工程生态调度、汉江流域水资源保护及监督管理提供参考依据。

关 键 词：目标生态流量；分期控制；可达性；满足度；汉江中下游

中图法分类号：TV213.4;X143

文献标志码：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.05.011

0 引 言

生态流量是维系河湖水生态系统结构和功能，需在河湖内保留符合水量要求的流量^［1-2］。随着社会经济的快速发展，部分地区水资源开发利用程度显著增加，导致河道外用水不断挤占生态环境水量，出现河湖萎缩、生物多样性受损、水生态功能下降等严峻问题^［3］。因此保障和管理河湖生态流量是维系河湖健康的重要举措，是加强水资源开发利用管控的基本要求，也是实施“长江大保护”和“高质量发展”的重要内容。

生态流量可分为基本生态流量和目标生态流量。基本生态流量指维持河湖给定生态环境保护目标所对应的生态环境功能不丧失，需保留在河道内的最小水量^［4］；目标生态流量指维持河湖给定生态环境保护目标所对应的生态环境功能正常发挥，需保留在河道内的水量，是河道外经济社会消耗河湖水量的控制值^［4-5］。无论基本生态流量还是目标生态流量，均需满足一定的保护目标，故生态流量确定需与河湖保护及管理目标相协调。

现行河湖生态流量管控多以基本生态流量为目标，要求重点河湖生态流量达标率不低于90%。而目标生态流量在学界虽得到较为广泛的研究，但受区域水文气候及水资源管控政策影响，仍较缺乏普适且行之有效的确定方法。若目标生态流量设定过高，实际管控中往往会出现达标率偏低，无法满足水资源管理要求。因此现阶段生态流量多以单值确定生态基流，常用方法有水文学法、水力学法、生态栖息地法、整体分析法等^［6］，其中水文学法因其所需资料较为单一，在国内外应用最为广泛，其代表性方法有Tennant法、近10 a最枯月法、Qp法、频率曲线法、7Q10法、RVA法等。如邓志民^［3］、邴建平^［6］等采用Tennant、Qp等方法，结合流域综合规划、水量分配方案、环评批复及取水许可等已有成果，确定了长江流域重要河流58个控制断面的基本生态流量；姚云泽等^［7］依托Tennant法、近10 a最枯月法、Qp法、频率曲线法等，比较计算了滦河典型断面生态基流；石永强等^［8］選取Tennant法、7Q10法、Qp法、最枯月平均流量等方法估算了襄阳市主要河流的生态基流；王鸿翔等^［9］还基于RVA阈值法和年内展布法等比选探讨了湘江湘潭站的基本生态流量阈值分布。虽然采用单一数值确定基本生态流量在水资源综合管理与考核实践中应用广泛，但仍难以适应径流年内年际丰枯变化差异较大河流，易出现平、枯水年生态流量达标率偏低，甚至部分丰水年因水量过渡集中于汛期，依然出现年度考核不达标情况。因此有必要根据来水的丰枯差异适度调配生态流量的年内分配，研究生态流量的分期动态控制目标以适应来水的丰枯节律变化。

汉江中下游流域是湖北省重要经济走廊带，也是汉江生态经济带的重要组成部分，由南河、蛮河、唐白河、汉北河等重要支流组成，其生态流量的泄放管控对促进汉江生态经济带高质量发展至关重要。为保护和改善汉江流域水环境，《湖北省汉江流域水环境保护条例》从严规定，要求保证控制断面生态流量不低于本河段多年平均径流流量的20%。按此管控要求，受限于来水的丰枯变化，特别是支流来水的时空分布差异，常导致生态流量达标率偏低，无法满足现行水资源管理考核要求。因此，为更好指导汉江流域水资源保护及合理开发，本文在综合学界已有研究的基础上，选取汉江中下游南河、蛮河、唐白河、汉北河等重要典型控制断面为研究对象，在基本生态流量计算的基础上，结合现行管理要求，研究生态流量目标分期控制方法，提出断面生态流量的月度管控阈值及监管建议，以期为有效推进河湖生态流量确定和保障体系建设提供技术支撑。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

汉江中下游流域地跨湖北省及河南省行政区，位于111°E～115°E，30°N～33°N之间，干流范围为丹江口大坝至武汉龙王庙，流经丹江口市、老河口市、襄阳市、钟祥市、荆门市、潜江市、仙桃市、汉川市、武汉市等^［10］，沿程主要有南河、蛮河、唐白河、汉北河等重要支流汇入，研究区见图1。

汉江中下游流域受亚热带季风影响，年平均气温为15～17 ℃，年降水量为700～1 300 mm^［10-12］。受降水影响，南河、蛮河、唐白河、汉北河等各支流径流年际波动剧烈，丰枯差异大，极值比可达4.41～14.00；径流年内分布不均，主要集中于5～10月，占年径流量的70%～80%，枯水期12月至次年2月径流量仅占年径流量7%左右^［12-13］。

1.2 研究资料

根据现有生态流量考核断面、水文站网及水利工程分布，选取汉江中下游南河谷城（开峰峪、谷城站）、蛮河胡家营（三道河站）、唐白河郭滩及新店铺（郭滩、新店铺站）、汉北河天门（天门站）等典型控制断面（水文站）为研究对象。收集到各断面附近水文站建站以来至2021年实测日均流量系列，数据摘录于已出版的汉江流域水文年鉴；收集各站天然月径流系列，数据来源于湖北省第三次水资源调查评价上报的月径流数据集，时间序列为1956～2016年。研究区水文站分布见图1。

1.3 研究方法

1.3.1 基本生态流量

采用Qp法、Tennant法、近10 a最枯月法、频率曲线法等^{［6，14-15］}4种水文学法中常用的代表方法，计算研究断面基本生态流量，再结合已批复成果及流域水文情势年内年际变化剧烈程度综合确定。其中Qp法和频率曲线法取频率90%对应的流量；Tennant法取多年平均流量的10%作为生态流量。

1.3.2 目标生态流量

按现行水利部关于长江流域重点河湖生态流量（水量）保障的管控要求，确定研究断面生态流量的目标保证率为90%。同时结合《湖北省汉江流域水环境保护条例》要求，以年度考核为基准期，保证目标生态流量泄放不低于本河段多年平均径流流量的20%。基于此，本文以断面年均流量的20%为生态流量泄放目标，研究提出一种适配管控目标的分期生态流量计算方法（简称适配法），具体如下：

（1）设断面天然月径流系列为Q_m，断面实测日均流量系列为Q_d。

（2）基于径流年内分配特征划分枯水期和丰水期。设枯水期时段为T₁，含m₁个月数，则枯水期各时段生态流量以基本生态流量控制，记为q_z。

（3）设汛期时段为T₂，含m₂个月数，则针对汛期各月径流系列，分别构建日及月尺度的综合历时曲线，由90%保证率（考核目标）推算各月生态流量，取其外包值记为q_c。

q_c=max［f（Q_d，90），f（Q_m，90）］（1）

式中：f（Q，90）表示综合历时曲线下的90%保证率对应的流量。

（4）以断面年均径流量的20%为目标控制阈，对汛期时段各月生态流量按比例进行修正，得到适配管控要求的生态流量分月控制目标。

式中：W为年均径流量；q_cx为汛期时段生态流量分期控制目标；i为枯水期月数，j为汛期月数。

1.3.3 满足程度分析

生态流量满足程度分析是为了评价生态流量保证率及目标的可达性，通常以满足度计。本文基于水文站实测日均流量资料，采用频次法评价^［3］，即计算出评价期日均流量大于生态流量目标值的天数占评价期总天数的百分比。

2 结果分析与讨论

2.1 基本生态流量及其满足度

基于Qp法、Tennant法、近10 a最枯月法、频率曲线法等计算方法，采用1956～2016年天然月流量系列，计算南河、蛮河、唐白河、汉北河等各典型代表断面基本生态流量，并与已批复的河湖生态流量保障目标相协调确定，见表1。各代表断面基本生态流量为1.16～7.50 m³/s，占多年平均径流量的5%～15%。

为更好地反映流域社会经济发展、水工程调蓄及河道外取用水现状的影响，选取近21 a（2001～2021年）实测日均流量分析断面生态流量的日均满足度。除谷城日均满足度偏低外，其他断面日均满足度均高于90%，可作为生态流量管控依据。谷城断面日均满足度仅为54.8%，而采用上游开峰峪站同期实测日均流量分析的满足度为87%。若采用开峰峪站1960～2021年日均流量系列分析的满足度可达94.5%。开峰峪至谷城河段的水工程运行对生态流量泄放影响较大，导致谷城站生态流量日均满足度严重偏低。

2.2 生态流量分期控制目标及其可达性

2.2.1 目标生态流量管控原则

根据现行水资源管理及河湖生态流量保障要求，拟定目标生态流量管控的两大基本原则：① 年均目标生态流量不低于本河段多年平均径流流量的20%；② 各月目标生态流量不低于已批复的基本生态流量，断面基本生态流量保证率不低于90%考核目标。

2.2.2 生态流量分期控制目标

根据各断面1956～2016年天然月径流及2001～2021年实测日均流量系列，采用适配法计算各断面生态流量分期控制目标，见表2。

由表2可知，谷城断面生态流量分期控制目标为7.5～34.70 m³/s，新店铺断面为4.9～55.0 m³/s，郭滩断面为4.5～38.4 m³/s，胡家营断面为1.16～8.50 m³/s，天门断面为3.67～12.20 m³/s。各断面月均生态流量目标为2.54～15.40 m³/s，均占其年均径流量的20%，且月最小目标生态流量为基本生态流量，符合生态流量管控要求。

2.2.3 目標生态流量可达性评价

（1）综合可达性分析。采用2001～2021年长系列实测日均流量进行可达性评价，见表3。除谷城外，各断面不同时段（日、月、年）的目标生态流量保证率均在80%以上，其中月、年尺度保证率近90%以上，总体表现为年均保证率＞月均保证率＞日均保证率。

（2）历年可达性分析。计算各断面2001～2021年逐年目标生态流量的日均及月均满足度，见图2～3。日均尺度上，仅汉北河-天门断面日均满足度较高，多年平均可达93.9%，且近21 a满足度大于80%的年数占比为95.2%。其他断面年均满足度均不高于90%。近21 a满足度大于80%的年数占比均低于80%，且多数平、枯水年（如2011年、2013～2014年）满足度仅在70%～80%之间，可达性较差。

月均尺度上，除以谷城站实测流量评价的月均满足度较低外，其他断面月均满足度普遍大于80%。若按80%月均满足度进行评价，断面目标生态流量的可达性均较好。

（3）分月可达性评价。按月时段划分，计算各断面2001～2021年长系列目标生态流量的日均及月均满足率，见图4。由图4可见，除谷城外，其他断面分月的日均及月均满足度普遍大于70%，其中月均满足度可达80%以上。

若按80%月均保证率划定管控目标，则各断面最多仅有2个月的满足度低于80%，年满足度均高于80%，可满足管控要求；若按80%日均保证率制定管控目标，仅汉北河-天门断面可满足要求，其他断面分月可达性均较低，无法满足管控目标要求。

2.3 分析与讨论

（1）经20余年实测资料评估，除南河谷城断面外，其他各断面基本生态流量日均满足度均高于90%，符合当前生态流量保障与管理要求。经调查，谷城断面满足度偏低主要受金盆沟电站引水发电后尾水外排影响，从而挤占下游生态用水，导致谷城断面生态流量难以满足要求。

金盆沟水电站是一座以灌溉、水力发电为主的小型电站。电站通过长1 800 m的引水隧洞将上游南河电厂尾水引至北河厂房发電，发电总流量60 m³/s，多年平均引水量8.64亿m³。发电尾水外排至北河，从而导致南河下游谷城断面水量显著减少。据统计，2001～2021年谷城站多年平均日均流量为31.0 m³/s，较上游开峰峪站（56.2 m³/s）减少44.8%。若以开峰峪站1960～2021年日均流量评价，日均满足度为94.5%，基本可以满足管控要求。但2001～2021年日均满足度仅为87%，仍需加强开峰峪以上南河流域生态流量保障措施，保障河流生态流量泄放。

（2）为进一步满足断面目标生态流量泄放不低于本河段多年平均径流流量20%的管控要求，可在基本生态流量管控基础上，根据流域时段来水的丰枯差异，设定生态流量时段控制目标进行动态管控。本研究采用适配法确定各断面生态流量分月泄放目标为1.16～55.00 m³/s，年泄放量占年均径流的20%，且月均满足度可达80%以上。与此同时，适配法为统一协调历年生态流量目标泄放，增加了汛期时段生态流量的泄放裕度，导致部分断面主汛期6～8月的目标满足率有所降低，易出现可达性劣于枯水期现象。因此，为有效保障生态流量泄放目标，一方面需结合流域来水的年际年内差异进一步研究生态流量动态控制阈；另一方面还需强化生态流量监督管理，确定主要控制断面以上经济社会用水管控要求，并建立以水库、水电站、闸坝、取水口等水工程为主的流域生态调度方案，进一步保障目标生态流量泄放。

3 结 论

（1）采用多种水文学法计算汉江中下游重要支流（南河、唐白河、蛮河、汉北河）控制断面基本生态流量为1.16～7.50 m³/s，占年均流量的5%～15%。除谷城断面日均满足度偏低外，其他断面日均满足度均高于90%，可作为基本生态流量管控依据。

（2）提出一种适配管控目标的分期生态流量计算方法，计算得到各断面生态流量分月目标为1.16～55.0 m³/s，且月均满足度可达80%以上，既符合基本生态流量管控要求，又保证年度生态流量泄放不低于本河段多年平均径流量的20%。

（3）南河谷城断面满足度偏低主要受金盆沟电站引水发电后尾水外排影响，从而挤占下游生态用水，导致生态流量难以满足要求。建议统筹协调好流域上下游、干支流等水体生态环境需水与河道外用水关系，保障河流生态流量安全泄放。

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（编辑：黄文晋）

Phased control on target ecological flow for important tributaries in middle

and lower reaches of Hangjiang RiverXU Changjiang，BING Jianping，DENG Pengxin

（Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract：To effectively promote the construction of the ecological flow guarantee system for rivers and lakes，the basic ecological flow of important tributaries in the middle and lower reaches of the Hanjiang River has been determined by the methods of Qp，Tennant，driest month in recent 10 years and frequency curve，and the control target for monthly ecological flow of the section has been delineated.The results showed that：① the basic ecological flow of the control sections in the important tributaries in the middle and lower Hanjiang River was 1.16～7.5 m³/s，accounting for 5%～15% of the annual average flow.In addition to the low satisfaction of the Gucheng section of Nanhe River due to the diversion of Jinpengou Hydropower Station，the satisfaction of other sections was higher than 90%，which can be used as the basis for ecological flow control.② Using the adaptation method，the monthly target of ecological flow for each section was determined to be 1.16～55.0 m³/s，with an annual discharge volume accounting for 20% of the annual average runoff.And the monthly average satisfaction can reach more than 80%.The research can provide a reference for improving the legal system，strengthening the ecological operation of projects，and offering guidance for the supervision and management of water resources protection in the Hanjiang River Basin.

Key words：target ecological flow；phased control；accessibility；satisfaction degree；middle and lower reaches of Hanjiang River