乌江生态流量及其保障研究

摘" 要：

生态流量是维持江河湖泊生态系统健康发展的主要驱动力。为明晰乌江干流生态调度所需流量，选取乌江下游武隆站1956—2019年逐日流量监测数据，采用Mann-Kendall趋势检验法和累计距平法确定武隆站流量突变年份;结合生态水文指标变化范围法和改进年内展布法，分别计算汛期和非汛期的最小生态流量、适宜生态流量;此外，应用蒙大拿法（Tennant法）验证生态流量计算过程中所量化的同期均值比，在此基础上对突变后的生态流量进行保障研究。结果表明：①武隆站流量突变年份与彭水水电站投产使用时间一致，均为2009年;2009年后高流量历时的均值减少5 d，发生时间推迟4 d，低流量的持续时间增加7 d，发生时间提前21 d，且流量呈减少趋势。②汛期、非汛期的最小生态流量均值分别为1 211.77、465.20 m3/s，分别占多年平均流量的52%、60%;汛期、非汛期的适宜生态流量分别为2 194.67、684.05 m3/s，分别占多年平均流量的93%、89%;Tennant法验证同期均值比基本满足最佳要求。③生态流量保障度最低的月份为10月，最小生态流量、适宜生态流量的保障度分别为64%、53%，建议调整武隆站邻近水库的调度策略，以保证10月份水源充足。研究结果可为乌江干流生态环境保护和生态系统修复提供参考。

关键词：生态流量计算;生态流量保障;最小生态流量;适宜生态流量；乌江

中图分类号：TV123.9""" 文献标识码：A""""""" 文章编号：2096-6792（2024）05-0031-07

收稿日期：2022-02-14

基金项目：国家自然科学基金项目（51679090）;河南省高校科技创新人才支持计划项目（16HASTIT024）;河南省科技攻关项目（162102110015）;华北水利水电大学研究生教育创新计划基金项目（YK220-02）;贵州省水利厅2020年度水利科技项目（KT202008）。

第一作者：

郭文献（1979—），男，教授，博士，从事水文水资源及生态水利等方面的研究。E-mail：guowenxian@ncwu.edu.cn。

通信作者：王鸿翔（1981—），女，教授，博导，博士，从事水文水资源及生态水利方面的研究。E-mail：whxzju@163.com。

引用：郭文献，王高振，朱志鹏，等.乌江生态流量及其保障研究［J］.华北水利水电大学学报（自然科学版），2024，45（5）：31-37.

GUO Wenxian，WANG Gaozhen，ZHU Zhipeng，et al.Research on ecological flow and its guarantee in Wujiang River［J］.Journal of North China university of water resources and electric power （natural science edition），2024，45（5）：31-37.

DOI：10.19760/j.ncwu.zk.2024051

Research on Ecological Flow and Its Guarantee in Wujiang River

GUO Wenxian， WANG Gaozhen， ZHU Zhipeng， GU Hongmei， WANG Hongxiang

（School of Water Conservancy， North China University of Water Resources and Electric Power，

Zhengzhou 450046， China）

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Abstract：

Ecological flows are the main driving force to maintain the healthy development of river and lake ecosystem. In order to clarify the flow required for ecological operation of Wujiang main stream， daily flow monitoring data of Wulong Station in the lower Wujiang River from 1956 to 2019 were selected， and the year of flow mutation at Wulong Station was determined by Mann-Kendall method and cumulative distance level method. The minimum ecological flow and suitable ecological flow in flood season and non-flood season were calculated by using the RVA method and the improved annual distribution method. In addition， the Tennant method was applied to verify the quantified mean ratio of the same period in the process of ecological flow calculation， and based on this， the ecological flow after mutation was studied. The results are as follows. Firstly， the year of mutation in flow at Wulong Station is consistent with the operating time of Pengshui hydropower station， both in 2009. After 2009， the average duration of high flow decreased by 5 days， the occurrence time was delayed by 4 days， the duration of low flow increased by 7 days， the occurrence time was advanced by 21 days， and the flow showed a decreasing trend. Secondly， the average values of minimum ecological flow in flood and non-flood season were 1 211.77 m3/s and 465.20 m3/s， which accounted for 52% and 60% of the multi-year average flow， respectively. The suitable ecological flow in flood and non-flood season is 2 194.67 m3/s and 684.05 m3/s respectively， which is 93% and 89% of the multi-year average flow respectively. The Tennant method verifies that the mean ratio of the same period basically meets the optimal requirements. Thirdly， the month with the lowest ecological flow guarantee is October， and the guarantee degrees for the minimum ecological flow and suitable ecological flow are 64% and 53%， respectively. It is recommended to increase the scheduling strategy for the reservoirs adjacent to Wulong Station to ensure sufficient water supply in October. The results of the study can provide reference for ecological restoration and ecological environmental protection in the main stream of Wujiang River.

Keywords：

ecological flow calculation; ecological flow protection; minimum ecological flow; suitable ecological flow; Wujiang River

生态流量是指为了维系河流、湖泊等水生态系统结构和功能，保留在河湖内符合水质要求的水量［1-2］。该概念的提出是为了协调水资源开发利用与河流生态保护之间的矛盾。生态流量的计算起源于国外，如ZACHARIAS I等［3］运用MIKESHE软件以及遥感和GIS等手段对TRICHONIS湖泊湿地的生态流量进行了估算;SEDIGHKIA M等［4］采用算法优化了生态流量的计算过程。随着环境保护理念的不断深化，以及国家对生态环境保护力度的加大，生态流量研究在国内逐渐兴起。吴淼等［5］提出了水库大坝工程生态流量评估分类管理方法，该方法适用于我国水电开发和生态环境保护协调发展的宏观决策;潘扎荣等［6］采用年内展布法计算了淮河干流的最小生态流量;崔保山等［7］采用曲线相关法、功能法、最低生态水位法计算了湖泊的最小生态流量;郭文献等［8］采用改进的河道湿周法计算了长江中下游各河段的最小生态流量;王瑞玲等［9］采用栖息地模拟法计算了黄河下游花园口最小生态流量;刘中培等［10］采用最小月平均流量法、近10年最枯月平均流量法、流量历时曲线法和蒙大拿法对淮河干流河南段的基本生态流量进行了计算。上述研究以计算最小生态流量为主，忽略了河道中水生生物在不同时段对流量的需求。乌江是长江上游右岸的最大支流，为贵州省和广西壮族自治区的农业、工业和城市生产生活的供水水源，同时也是许多经济鱼类的原种基地和生物多样性的代表流域。近些年来，随着工业化进程的加快，河流流量日益减少，难以维持生产、生活和生态系统的需求。鉴于此，基于乌江下游武隆水文站1956—2019年的逐日流量资料，提出了一种计算流域生态流量的水文学新方法，该方法将年内展布法［11］与变化范围法（Range of Variability Approach，RVA）［12］进行结合，分别计算了流域汛期和非汛期的最小生态流量和适宜生态流量，分析了水文变异后生态流量保障程度，以期为乌江流域生态环境保护和生态系统修复提供理论支撑。

1" 材料与方法

1.1" 研究区域及数据来源

乌江是贵州省第一大河，干流全长105 km，流域面积87 920 km2，多年平均流量5.34×1011 m3/s，流经黔、渝、鄂、滇四省，于重庆涪陵汇入长江［13］。本文选取的武隆站位于银盘、彭水水电站下游，位置如图1所示。乌江下游是渝东南生态保护发展区，兼顾生态保护与经济发展双重任务，是许多鱼类的生存基地。渔业资源调查相关资料表明，已从该区域采集到77种底栖性鱼类，其中鲤科鱼类45种，占种类数的58.44%，鳅科鱼类10种，占种类数的12.99%，鲿科鱼类11种，占种类数的14.29%，更有国家级重点保护鱼类胭脂鱼和重庆市重点保护野生动物岩原鲤［14］。近年来，流域中梯级水电站的建设，使得原有的连续流域单元变为不连续的环境单元，河道内生态流量空间分布不均，植被增长缓慢，水生生物生存环境面临着严峻的危机。本文选取武隆站1956—2019年的逐日流量数据进行乌江生态流量计算，资料来源于中国气象数据网（http：//data.cma.cn/）。

1.2" 突变分析及趋势检验

1.2.1" Mann-Kendall趋势检验法

Mann-Kendall趋势检验法通过对比时间序列的标准化变量Zc与某一置信水平α（取0.05）下临界变量的大小，来判断时间序列是否存在显著的变化趋势。当Zcgt;0时，表示时间序列呈上升趋势，Zclt;0时，表示时间序列呈下降趋势，当Zc超临界值时表明上升或下降趋势显著。此外，对时间序列的逆序列进行同样的统计量计算，使UB=-UF，若两条曲线在95%置信水平区间内出现交点，说明该交点对应的时间为序列开始发生突变的时间［15-16］。检验统计量Zc的表达式为：

Zc=S－1Var（S）， Sgt;0;0， S=0;S+1Var（S）， Slt;0;（1）

S=∑n－1I=1∑nJ=I+1sgn（xJ－xI）。 （2）

式中：Var（S）为时间序列的方差;xI、xJ分别为第I年和第J年的年均流量;n为时间序列的长度;S为年均流量差的累加值。在非参数趋势检验中，对于给定的显著性水平α（取0.05和0.01），若Zc≥Z1－α/2，则认为原假设不可接受，即在α的显著水平上，时间序列的上升或下降趋势显著。

1.2.2" 累计距平法

累计距平法是评估长时间水文序列变化趋势的一种重要的方法。它通过计算某一数据序列与其长期平均值之间的差异累积值，来衡量数据的波动情况和偏离程度。通过累计距平值法可以观察数据在一段时间内相对于平均水平的持续偏离程度，从而帮助科研人员分析数据序列的变化趋势和特征。

1.3" 高、低流量分析

RVA中高流量指长系列日流量频率低于25%的流量，低流量指长系列日流量频率高于75%的流量。流域高、低流量的计算公式分别为：

Hf=P25%（fh），

（3）

Lf=P75%（fh）。

（4）

式中：Hf、Lf分别为高、低流量，m3/s;P25%（fh）、P75%（fh）分别为25%和75%保证率下的日流量，m3/s;fh为月均流量过程，h=1、2、…、12。

1.4" 生态流量计算

本文将改进的年内展布法与变化范围法相结合来计算生态流量。改进的年内展布法一般适用于年内各月生态流量变化特征与多年各月平均流量相接近时。该方法的计算步骤为：首先，运用突变前的天然流量资料计算汛期（4—9月）、非汛期（当年10月—次年3月）的多年平均流量;其次，利用汛期、非汛期的多年平均流量和多年各月90%保证率对应的平均流量，求出二者的比值，即同期均值比;最后，以各月的多年月均流量乘以同期均值比求出各月最小生态流量。具体表达式如下：

qij=1n∑nk=1qijk，

（5）

Q=1mo∑oi=1∑mj=1qij，

（6）

Q90%=1mo∑oi=1∑mj=1qij90%，

（7）

η=Q90%/Q，

（8）

Qz=qijη。

（9）

式中：qij为第i年第j月的月均流量;n为统计天数;qijk为第i年第j月第k日的日均流量;Q为多年年均流量;o为统计年数；m为统计月数;Q90%为多年90%保证率下的年均流量;qij90%为第i年第j月90%保证率下的月均流量;η为同期均值比;Qz为各月最小生态流量。

RVA的计算原理是河流适宜生态流量的变动范围应超过天然可变范围（即RVA阈值），这样才能维持河流生态系统的健康［17］。RVA阈值是适宜生态流量的上下限，即河流生态系统可承受的变化范围，通常以75%和25%频率线对应的流量为指标的上下限。在此基础上，结合汛期、非汛期多年平均流量进行年内展布，选取75%作为适宜生态流量的保证率。其中，qij、Q的计算公式同改进年内展布法的，其他变量的表达式如下：

Q75%=1mo∑oi=1∑mj=1qij75%，

（10）

Qx=qijη1。

（11）

式中：Q75%为第i年第j月75%保证率对应的多年平均流量;η1为同期均值比，即75%保证率对应的多年平均流量与多年平均流量的比值;Qx为各月适宜生态流量。

1.5" 生态流量保障计算

按照月份统计近64年来生态流量得到保障的月份数与总月份数的比值，即可得到该月份的多年生态流量保障度。在计算时段内，河道流量能够保障生态流量的天数为保障天数，其与总天数的比值越大，表明该时段的流量越能够保障河道生态流量的需求［18］。生态流量保障度的表达式如下：

sij=Dijl=∑nk=1sgn（Qijk－Qij）l×100%;

（12）

sgn（Qijk－Qij）=1，Qijk－Qijgt;0;0，Qijk－Qij≤0。

（13）

式中：sij为第i年第j月的生态流量保障度;Dij为第i年第j月生态流量的保障天数;l为第i年第j月的总天数;Qijk为第i年第j月第k日的实测日均流量;Qij为第i年第j月的月均生态流量。

2" 结果分析

2.1" 突变性检验

通过点绘的武隆站1956—2019年的年均流量过程线（图2（a））可知，除了特枯年（1966年、1981年）和特大洪水年（1964年、1977年）年均流量的波动范围较大外，武隆站年均流量过程线呈下降趋势。由累计距平法得到武隆站流量的突变年份为2000年、2009年（图2（b））。由Mann-Kendall趋势检验法计算出武隆站流量的突变年份为2005年、2009年（图2（c））。结合该河段上彭水高坝型水电站的建设情况，最终选取2009年为突变年份，即2009年开始乌江流域的流量序列开始发生突变。

与突变性检验结果

2.2" 高、低流量分析

为进一步明晰乌江水文情势突变的影响，借鉴生态流量计算中的RVA，基于1956—2019年武隆站逐日流量数据计算高、低流量的发生时间及历时［19］，构建4组典型指标分析流量序列的变化特征，结果如图3所示。

由图3可知：高流量多发生在4—6月，低流量多发生在10—12月;突变前高、低流量历时均值分别为129、114 d，突变后高、低流量历时均值分别为124、121 d;相比之下，高流量平

均持续时间减少5 d，发生时间平均推迟4 d，低流量平均持续时间增加7 d，发生时间平均提前21 d，且流量呈逐年减少趋势。分析其原因为：汛期是生物需水旺季，水生植物在高流量的刺激下可以快速生长;而非汛期低流量可保护物种的生存环境。

2.3" 多年各月生态流量计算分析

最小生态流量是防止河流生态系统进一步衰退的流量，即保护河流基线的流量及保护水生生物的最低流量。在该流量要求下大部分河流能够保持基本的生态活动，满足生态系统的基本运转需求，但是如果长时间处于该流量将会影响生物生长，最终导致生物消亡。适宜生态流量在最小生态流量的基础上强调了生态系统的完整性，比最小生态流量的要求更高，是满足多数水生生物生存稳定的流量。因此，依据武隆站流量突变前1956—2009年天然日均流量资料，运用改进年内展布法计算最小生态流量，采用RVA计算适宜生态流量，结果见表1。

由表1可知：①汛期最小生态流量的波动范围为651.14～1 778.24 m3/s，均值为1 211.77 m3/s，同期均值比为52%;非汛期最小生态流量的波动范围为277.26～893.21 m3/s，均值为465.20 m3/s，同期均值比为60%。②汛期适宜生态流量的波动范围为1 179.30～3 220.62 m3/s，均值为2 194.67 m3/s，同期均值比为93%;非汛期适宜生态流量的波动范围为407.69～1 313.42 m3/s，均值为684.05 m3/s，同期均值比为89%。武隆站月均流量的变化过程如图4所示，由图4可知，年内最小流量出现在1月，最高流量出现在6月。

为了分析汛期与非汛期生态流量划定结果的合理性，采用年内展布法和RVA计算同期均值比，并将其与Tennant法的结果进行比较。在Tennant法评价结果中，以预先确定的多年平均流量百分数为基础，将河流流量推荐值分为最大允许极限值（非汛期、汛期均为200%）、极佳范围（非汛期100%、汛期200%）、最佳范围（非汛期60%、汛期100%）、极好状态（非汛期40%、汛期60%）、很好状态（非汛期30%、汛期50%）、良好状态（非汛期20%、汛期40%）、一般状态（非汛期10%、汛期30%）、差值状态（非汛期、汛期均为10%），评价结果见表2。由表2可知，适宜生态流量和最小生态流量基本均处于极好或最佳范围，且Tennant法的结果也验证了改进的年内展布法和RVA在生态流量计算中的有效性。

2.4" 生态流量保障分析

按照前述方法计算生态流量保障度，结果如图5所示。由图5可知，月时间尺度下，最小生态流量和适宜生态流量最小保障度对应的时间均为10月份，分别为64%、53%。原因为，乌江梯级水电站一般于9—10月开始蓄水，蓄丰补枯会减少下泄流量。为使河流流量满足适宜生态流量和最小生态流量的需求，建议10月份加大武隆站临近两座高坝水电站（彭水、银盘水电站）的联合优化调度力度。

3" 结语

本文通过对乌江水文情势变化特征的分析，发现其变化会使高低流量发生变动，为了满足河流生态系统对流量的需求，提出了最小生态流量和适宜生态流量计算方法，并评估了生态流量保障度。研究采用Mann-Kendall趋势检验法及累计距平法分析武隆站1956—2019年流量变化趋势及变异时间;采用年内展布法和RVA求得武隆站汛期和非汛期的最小生态流量、适宜生态流量，并对突变后的生态流量进行保障分析，所得结论如下：

1）乌江流量呈逐年递减的变化趋势，突变年份为2009年，选取1956—2009年的日流量作为接近天然情况下的流量。通过比较发现，水文情势变化后高流量的发生时间较突变前推迟4 d，历时减少5 d，低流量的发生事件提前21 d，历时增加7 d。

2）汛期、非汛期的最小生态流量分别占多年平均流量的52%、60%，汛期、非汛期的适宜生态流量分别占多年平均流量的93%、89%。Tennant法的计算结果也验证了本文所提出的改进年内展布法与RVA法计算生态流量的合理性。

3）10月份的生态流量保障度最低，其中最小生态流量保障度为64%，适宜生态流量保障度为53%。针对乌江生态流量在10月份保障度下降的问题，建议通过对银盘、彭水2座高坝水电站的联合优化调度来增加此时段生态流量的补给量，以维持河流生态系统的稳定。

参" 考" 文" 献

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（编辑：马伟希）