水利水电工程最小下泄生态基流量计算方法研析

马乐军，张行南，陈凯麒，陈昂,5

(1.河海大学，江苏南京 210098；2.南京河海科技有限公司，江苏南京 210098；3.水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心，江苏南京 210098； 4.环境保护部环境工程评估中心，北京 100012；5.中国长江三峡集团水电环境研究院，北京 100012)

水利水电工程最小下泄生态基流量计算方法研析

马乐军1,2，张行南1,3，陈凯麒4，陈昂4,5

(1.河海大学，江苏南京 210098；2.南京河海科技有限公司，江苏南京 210098；3.水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心，江苏南京 210098； 4.环境保护部环境工程评估中心，北京 100012；5.中国长江三峡集团水电环境研究院，北京 100012)

水利水电工程对下游河道的生态环境影响较大，适宜的生态基流计算方法为快速估算工程下泄生态基流提供有效的途径。通过梳理河道生态基流的概念，提出了水利水电工程最小下泄生态基流的含义。运用生态基流空间插值方法，依据生态基流计算方法的适用性结果，确立了水利水电工程最小下泄生态基流的计算方案。通过对汉江流域进行实证分析，干流宜采用Tennant法、最小流量法，支流推荐采用Tennant法计算，由此计算出干支流控制断面的最小下泄生态基流量，基本处于多年平均流量的15%～20%。

水利水电工程；生态基流；空间插值法；水文学法；汉江

天然河流的水文情势是河流生态多样性的基础，而水利工程的建设改变了河流的天然水文情势，常造成工程下游河道减脱水现象，引起水环境质量恶化、生物多样性锐减等一系列河流生态环境问题[1-2]。为减轻水利水电工程对下游生态环境的影响，发挥径流过程对河流生态系统的作用，保持河流生态系统的多样性，必须在水利水电工程建设及运行期间，保持下泄一定的生态流量(过程)，避免下游河道生态系统遭受不可逆的破坏，该生态流量即为水利水电工程最小下泄生态基流(以下简称最小生态基流)。

如何估算最小生态基流，为生态基流的确定提供支持是本领域研究的重点之一。水文“经验法则”是较常用的方法，一般取多年平均径流量的百分比作为生态基流。在此基础上，我国针对水利水电工程，取多年平均径流量的10%作为最小基流[3]。这一计算方法在过去几十年对于实际工作起到了较好的指导作用。然而，在不同气候区、不同大小和类型的河流上，以及同一河流不同河段上，所确定的最小基流存在显著的不协调现象，甚至出现了明显的矛盾。因此，研究如何根据实际水文、气候条件，考虑河道生态需水的空间变异性，在不同流域、干支流不同断面等采用不同的计算方法，具有十分重要的理论意义和实际应用价值。

本文对河道内生态基流计算方法的特点和适用性进行了分析，以四种水文学方法为基础，结合沿河空间插值法，确定不同断面相应的计算方案。并以汉江流域为例，对最小下泄生态基流计算方法展开了实证研究，研究成果可为水利水电工程最小下泄生态基流量的确定提供参考依据。

1 河道生态基流计算方法

对河道生态基流的估算始于20世纪40年代，发展至今大致可分为水文学法、水力学法、栖息地法和整体分析法四大类型[4]。水文学法是利用简单的水文指标设定流量的传统的基流计算方法，Tennant 法、90%保证率法、7Q10法、基本流量法等是比较具有代表性的方法。水力学方法大多以曼宁公式为计算基础，一般通过建立流量与水力学要素之间的关系确定生态基流。栖息地法以保护物种栖息地环境要素、水力学条件和流量条件为基础，通过建立三者关系确定生态基流。整体法是国外研究热点和发展方向，不仅关注保证工程下泄生态基流，更为关注为实现多种河流生态系统服务功能应确定的环境流量及过程。南非的BBM(Building Block Methodology)法是考虑较为全面的一种整体法。

国内外虽然形成多种河道生态基流计算方法，但各种方法本身都存在一定的不足之处，各类方法主要的优缺点如表1所示。

表1 河道生态基流计算方法优缺点

2 水利水电工程最小下泄生态基流

水利水电工程的兴建，需要选择适宜的计算方法估算水利水电工程下泄生态基流量，这是当前研究的难点。通过对生态基流四大类方法的梳理，结合水利水电生态基流计算的特点，可知水文学方法以河道内控制断面历史流量为基础，计算简单，易于操作。为简单快速地计算最小基流，可采用水文学方法，如Tennant法、90%保证率法、月基本流量法及最小流量法，通过对历史流量的分析，可计算控制站点的最小生态基流。

上述方法构建了快速估算水利水电生态基流的计算方法体系，但存在两个问题。

第一，方法种类较多，当不同方法的计算结果差异较大时应采取的处理机制。不同的计算方法，计算的原理及机制不同，往往造成结果差异较大。根据《河湖生态需水评估导则(试行)》(SL/Z 479—2010)的要求，采用多计算方法的外包线作为最终的生态基流值。此种处理方法能够最大限度地保护河道内生态系统，但也存在着生态基流估算过大，造成河道内流量不能满足的情况。本文在分析不同方法合理性的基础上，选择最小的计算结果，确立最小下泄生态基流量的“红线”。

第二，当河道内控制断面资料缺乏，满足不了计算方法所需的最小序列长度的解决方法。生态基流的四大类计算方法均为计算某一固定的河道断面，即基于该断面的历史水文资料、大断面资料等数据进行计算。对于缺乏资料的断面，则无法使用上述方法进行生态基流的计算。为此，本文提出河道内任意一点的最小基流空间插值方法，该方法考虑到流域河网的自相似性特点，利用水文相似性原理，通过分析计算断面上/下游水文站生态基流量及汇水面积，如图1所示，运用空间插值的方法，估算断面的最小基流，从而实现生态基流的空间展延，为水利水电工程生态基流的决策分析提供技术支持。具体公式如下：

(1)

式中，Q为流量；F为汇水面积；x和a代表参证站及计算站；n为修正系数。只考虑面积的情况下修正系数n取值为1，其他情况需要先计算修正系数，本文汉江流域取0.8。

注：图a，以B流域出口断面为参证站，计算C流域的出口流断面流量；以A流域出口所在的干流断面为参证站，计算D流域出口所在的干流断面的流量。图b为河道内插值，以A流域出口所在的干流断面为参证站，计算D流域出口所在的干流断面的流量。图1 生态基流空间插值示意图Fig.1 Schematic diagram of spatial interpolation method for ecological base flow

综上所述，本文以水文学方法：Tennant法、90%保证率法、月基本流量法及最小流量法结合生态基流空间插值，构建了水利水电工程下泄生态基流计算方法体系，计算控制站点的最小基流。

3 汉江流域实证研究

3.1流域概况

汉江流域面积为15.9万km2，涉及鄂、陕、豫、川、渝、甘6省市的20个地(市)区、78个县(市)，流域多年平均年降水量约873 mm，下游地区可达1100 mm以上，中游地区为800～900 mm，丹江口以上为700～900 mm，水量较为充沛但空间分布不均匀。流域内2001—2014年建设的水电站达到7座，同时也有如南水北调中线源头工程、兴隆水利枢纽工程及引江济汉工程等为代表的引(调)水工程，水资源利用程度较高。

本文收集了汉江流域内78个水文站的基本信息及其1956—1986年共31年的径流数据，以及流域内7座水电站环境影响评价生态基流及相关计算用数据，用于生态基流的空间插值及对计算结果的对比分析和合理性检验。

3.2计算结果

采用上述计算方法体系，分别计算了78个水文站的生态基流。经统计月基本流量法计算的生态基流大于多年平均流量10%的断面数量为65个，占比83%，无论干流还是支流，基本大于多年月平均流量的10%。而干支流差异较大，干流12个水文站中有8个大于10%，占比67%，支流只有21个大于多年月平均流量的10%，约占比32%。而保证率法与月基本流量法结果大致相同。可见不同计算结果在干支流上差异较大，因此干支流不同断面应采用不同的方法来计算生态流量，把计算结果作为最小基流。

汉江流域干流控制断面4种计算方法计算出的生态基流结果如表2和表3所示，可以看出该结果呈现出一定的规律性。

(1)上游至下游结果基本处于增加的趋势。干流上游喜河水电站及以上流域多年平均径流量较小，部分断面出现断流情况，历史最小流量法的计算结果小于多年平均流量的10%。除武侯站因多年平均流量较小，造成河道出现断流情况外，各站结果均大于历史最小流量。总体上，汉江干流控制断面结果呈现出向下游逐渐增大的趋势，以月基本流量为例，上游加权平均为15%，中游加权平均为38%，下游加权平均为43%，其结果与径流流量基本趋势一致。

(2)不同计算方法在河段上下游结果不尽相同。上游干流河道，历史最小流量法及保证率法计算结果常常小于多年平均流量的10%；对于中下游，干流生态基流Tennant法计算结果均小于历史最小流量法及保证率法；月基本流量法与保证率法计算结果基本一致，在上游结果处于10%～20%，但是中游及下游均超过多年平均流量的30%，结果偏大。

(3)相较于干流河道，支流各断面流量较小，历史最小流量法计算结果基本小于多年平均流量的10%；月平均流量法与保证率法结果基本相似，不同支流计算结果差异较大；历史最小流量法计算结果受河流断流等影响，结果常小于Tennant法结果；保证率法及月基本流量法计算结果均在多年平均流量的20%左右。

表2 汉江干流生态基流计算结果

表3 汉江支流控制断面生态基流计算结果

3.3最小下泄生态基流量

以不同的方法评定生态基流值对河道内生态需水管理影响重大。对于汉江流域，生态基流多种计算方法结果差异较大，因此首先需针对汉江流域水利水电工程下泄生态基流制订相应的计算方案。

3.3.1生态基流计算方案

(1)估算所需条件。依据水利水电工程最小下泄生态基流的含义，考虑到生态基流结果是满足水生系统的最低要求，估算最小下泄生态基流应满足以下条件：充分保障下游河道内不断流并保持一定的流量；生态基流结果不小于历史最小径流量；估算的结果最大程度得到保障，即天然径流能够基本满足生态基流的需求。

(2)干流控制断面方案。通过上述生态基流的计算原则，喜河水电站及以上断面不适用于历史最小流量法，月基本流量法及保证率法对天然来水的要求较高，因此宜选择Tennant法作为水利水电最小下泄生态基流量计算方法。喜河水电站以下由于径流量较大，Tennant法计算结果常小于历史最小流量法结果，月基本流量法及保证率法计算结果较大，造成生态基流在很大程度上不能满足，因此汉江流域喜河水电站以下干流中下游地区水利水电最小下泄生态基流量计算方法宜采用历史最小流量法。

(3)支流控制断面方案。汉江支流流域经常出现断流的情况，历史最小流量法不适宜使用；月基本流量法及保证率法计算结果通常较大，故支流控制断面推荐使用Tennant法。

3.3.2生态基流结果

依据以上分析，对于汉江流域不同区域采用适宜的方法，喜河水电站及以上干流与支流采用Tennant法，电站以下干流采用历史最小流量法，计算水利水电最小下泄生态基流量，结果如表4所示。

表4 汉江流域水利水电最小下泄生态基流量

计算结果表明，流域干流上游平均结果占多年平均流量的11%，干流中游占多年平均流量的15%，干流下游结果占多年平均流量的18%；流域支流流量较小，生态基流结果占多年平均流量的10%。

4 结语

本文以汉江流域为研究区域，运用空间插值法结合Tennant法、基本流量法、最小流量法及保证率法等4种计算方法对流域内78个水文站点生态基流值及河道内水电站控制断面下泄生态基流进行计算。结果表明：

(1)运用生态基流空间插值法计算河道内任意一点的生态基流，结果较为理想，为水利水电工程建设前期快速估算生态基流提供了可行路径。

(2)通过对汉江流域的计算方法分析，构建了汉江流域生态基流的计算方案：干流上游适宜使用Tennant法；干流中下游适宜使用历史最小流量法；支流控制断面推荐采用Tennant法进行计算。

(3)汉江流域干流多处控制断面历史最小流量结果高于多年平均流量的10%；运用汉江生态基流得到计算方案，计算结果表明，干流上游、中游及下游生态基流结果占多年平均流量的百分比随着河流的走向处于增大的趋势，在多年平均流量的11%～20%，支流占多年平均的10%，高于“指南”中10%的政策，应酌情考虑提高汉江流域生态基流的标准。

目前，生态基流尚没有统一的概念、计算原则及方法；本文仅采用历史流量资料，对不同的计算方法进行简单的对比分析，提出了汉江流域生态基流的计算方法；该方案尚未考虑水生生物的影响因素，对于汉江的生态基流的分析尚需要进一步深入。

[1] Richter B D. How much water does a river need?[J]. Freshwater Biology, 1997, 37(2): 231- 249.

[2] Poff N L, Matthews J H. Environmental flows in the Anthropocene: past progress and future prospects[J]. Current Opinion in Environ-mental Sustainability, 2013, 5(6): 667- 675.

[3] 国家环境保护总局办公厅. 水电水利建设项目河道生态用水、低温水和过鱼设施环境影响评价技术指南(试行)[A]. 2006.

[4] 崔瑛, 张强, 陈晓宏, 等. 生态需水理论与方法研究进展[J]. 湖泊科学, 2010, 22(4): 465- 480.

StudyontheCalculationMethodofEcologicalBaseFlowforMinimumDischargeinWaterResourceProjects

MA Le-jun1,2, ZHANG Xing-nan1,3, CHEN Kai-qi4, CHEN Ang4,5

(1.Hohai University, Nanjing 210098, China; 2.Nanjing Hohai Technology Company, Nanjing 210098, China; 3.National Engineering Research Center of Water Resources Efficient Utilization and Engineering Safety, Nanjing 210098, China; 4.Appraisal Center for Environment and Engineering, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100012, China; 5.Institute of Hydropower and Environment Research, China Three Gorges Corporation, Beijing 100012, China)

Water conservancy and hydropower projects have great influence on the ecological environment of the downstream river, and appropriate ecological base flow calculation method provides an effective way to quickly estimate the ecological base flow of the project discharge. This paper analyzed the concept of river ecological base flow, and put forward the notion of ecological base flow in water resource projects. It established the calculation scheme of ecological base flow for minimum discharge based on the ecological base flow spatial interpolation method and its applicability results. Through the empirical analysis of the Hanjiang River Basin, the mainstream should adopt the Tennant method or Minimum Flow method, and the Tennant method is recommended for the tributaries. Therefore, this paper calculated the ecological base flow for minimum discharge in main stream and tributary control sections, and the result is basically 15%-20% of the average annual flow.

water conservancy and hydropower project; ecological base flow; spatial interpolation method; hydrological method; Hanjiang River Basin

2017-08-17

中国长江三峡集团公司资助项目(0799556)

马乐军(1985—)，男，安徽天长人，工程师，博士，主要从事生态基流研究，E-mail：malele000@163.com

张行南(1960—)，男，江苏张家港人，教授，博士生导师，博士，主要从事水文水资源研究，E-mail：zxn@hhu.edu.cn

10.14068/j.ceia.2017.06.001

X171.4

A

2095-6444(2017)06-0001-05