青草塥河生态流量计算研究

徐 旭

（安徽省安庆水文水资源局,安徽 安庆 246003）

随着可持续性发展的不断推进,河流的生态健康研究已成为全球人类普遍关注的热点。良好的生态环境是人类实现可持续发展的重要自然条件,河流是生态环境能够正常运行重要保障之一[1]。河流本身并没有生态流量,但是河流、湖泊中存在各种水生动物、植物的生育、成长、繁衍,需要河流提供水生环境；同时由于社会的不断进步发展,人类对河流用水需求量日益增加,从而产生了生态流量这个新名词。

河流生态流量一般是指河流应保持其生态功能所应该持有的流量,当流量值小于该临界值,河流本身会发生演变,导致河流系统的生态退化[2]。20 世纪末,国内学者对河流生态需水展开研究,张泽聪采用Tennant 法计算出具有季节性变化的北方河流的生态流量[3]。李红清在厄瓜多尔水资源管理中应用Tennant 和流量历时曲线法计算出了212 个生态控制断面的生态流量[4]。针对江淮地区河流特点,笔者提出适宜该区域的河流生态流量计算方法,以期为实现生态环境的可持续发展提供科学的技术支持。

1 研究方法

河流水生态系统按照其空间发生位置不同分为：在河道内与河道外系统,本次主要研究内容是计算河道内生态系统的需水量。河流河道内生态流量水文计算方法主要包括有：Tennant 法、美国7Q10 法、频率计算法、得克萨斯州法[5]。

1.1 Tennant 法

Tennant 法起源于20 世纪70 年代,由美国学者田奈特提出[6],通过研究320 km 长度河段,60 个断面,50 多种流量状态,通过开展栖息地研究后建立河流流量与所处生态系统之间的关系,综合考虑分析不同河流、多种流量级、不同横断面条件下的化学、物理、生物指标对渔业产生的相关影响,建立水生生物与河流流量之间的关系标准：（4 月～9 月时间段）极差等级为0～10%（多年平均流量百分比）,最小等级10%,一般等级10%,良好等级20%,很好等级30%,极好等级40%,最佳范围等级60%～100%,最大等级200%；（10 月-翌年3 月）时间段极差为0～10%（多年平均流量百分比）,最小10%,一般30%,良好40%,很好50%,极好60%,最佳范围60%～100%,最大200%。该方法最大的优势在于需要数据相对较少,不需要进行大量的野外勘察工作,适宜在于缺乏生态资料的地区使用。这种方法的主要缺点在没有彻底对研究河流区域的方方面面（包括物理、化学、生物）的实际情况进行充分的分析考虑,没有详细分析水生植物、动物的各项需求,生物不同种内、种间的相互影响关系。生态学者在采用其他水文分析法进行生态流量计算时常常采用Tennant 法对计算结果进行评估检验。

1.2 频率法

首先收集研究河流历史流量资料,以月为单位建立长系列月流量值,各月份采用不同保证率（丰、平、枯水年分别对应50%、75%、90%保证率）,不同保证率对应的流量值即为该河流生态流量值,该方法可以较好表征出河流的动态径流过程[7]。

2 研究区河流及水文站概况

2.1 测站基本情况

沙河埠（二）水文站位于安徽省潜山县源潭镇双峰居委会,地理坐标为东经116°41'46'',北纬30°51'48''。流域呈扇形,发源于岳西县魏岭,流经岳西县、潜山县10 个乡镇和1 个国营林场。流域内地势呈西北高东南低走向,地形为山区和浅山区,山区约322 km2,占流域面积70%,浅山区约138 km2,占流域面积30%。最高峰为猪头尖峰,高程1529 m ,最低处为测验断面附近,高程50 m。流域平均高程411 m,平均坡度18.5 dm/km2,河道长度52.8 km,河道平均坡度6.66‰,流域形状系数0.664。流域地质属花岗岩、片麻岩和石英岩。土壤大致为麻谷土、猪肝土、沙土、沙壤土等。其中沙土面积占流域面积的87%。植被覆盖情况较好,森林覆盖率67.5%。植被以松树、栗树、杉树为主；还有一些灌木,以及人工种植的桑、油茶、竹等。

本流域为亚热带季风湿润性气侯区,造成暴雨的天气系统主要是切变线、低涡及台风。降水以锋面雨为主。多年平均面降水量1411.2 mm,最大年面降水量2229.7 mm,最小年面降水量836.0 mm；本站多年平均降水量1366.0 mm,年降水量最大值2105.2 mm,最小值为766.8 mm；雨量主要集中在5 月～9 月份,占年降水量60%以上。

2.2 河流概况

本次研究对象为长江流域白兔湖水系青草塥河,为长江北岸支流水体。该河设有国家基本水文站-沙河埠（二）水文站,位于潜山市源潭镇双峰居委会,测站以上集水面积460 km2。冬季平均气温小于10℃,夏季为22℃,春、秋季为10℃～20℃。白兔湖入湖河流多,水质良好,适宜鱼类产卵繁衍、觅食、栖息,回游鱼类多。每年3 月～4 月桃花汛和6 月～8 月伏汛,都是捕捞旺季,主要经济鱼类,如青、草、鲢、鳙、鲫鱼等。该区域的鱼类,大多数在温暖的春季产卵,主要产卵期为3 月～6 月,外界环境条件中河流流量、水温、底质都和鱼类的产卵要求能否满足有关,持续高水流速促进鱼类新陈代谢,对于鱼类产卵成功率起到了促进作用。

2.3 水文测验概况

采用河流河道内生态流量水文计算方法时,数据来源于河流断面水文监测数据,包括降雨量及实测流量。沙河埠（二）水文站是白兔湖水系青草塥河的控制站,位于青草河出山口。沙河埠（二）水文站主要测验断面有2 个,分别为基本水尺断面兼流速仪测流断面、流速仪测流断面（基下220 m）。测验河段顺直长度200 m,河宽150 m 左右。主槽靠河道左岸,河床为沙质变动河床,稳定性较差。在河右岸河底高程要明显地高于河左岸。中高水位时,基本水尺断面下游220 m 处的弯道开始起控制作用。2010 年以后,河道禁沙以来,测验河段因冲淤影响,河床下降趋缓。最大流量发生在1969 年7 月14 日,为6100 m3/s,最小流量发生在1967年8月30日,为11.6 m3/s。

3 河道内生态流量计算与分析

3.1 计算过程

多年月平均流量：某月平均流量=某月每天流量之和/天数,多年月平均流量=1960 年～2016 年长系列某月流量之和/57。

Tennant 法：某年平均流量=某年1 月～12 月每月平均流量之和/12,多年平均流量=1960 年～2016 年长系列每年平均流量之和/57。1 月、2 月、9 月、10 月、11 月、12 月采用计算得出的多年平均流量乘以0.1,3 月～8 月采用多年平均流量乘以0.3。

逐月频率法：建立某月1960 年～2016 年长系列数据,使用水文频率计算适线软件计算出该月50%、75%、90%保证率条件下的月流量,3 月～8 月采用50%保证率,2 月、9 月、10 月采用75%保证率,11 月、12 月、1 月采用90%保证率。

保证率：在进行水利计算时,将经验频率换算为保证率的概念。如对降雨而言,就是某一降水量获得保证的年份数占计算总年数的百分比。保证率为50%,说明长期的统计计算中,某一年降水量50%的年份得到保证,50%的年份不足。降水是生态用水的主要来源,一般把保证率为25%的降雨年份作为丰水年,50%保证率的降雨年份作为平水年,75%的年份为枯水年。

3.2 计算结果

本次计算青草塥河河道内生态流量,采用国家基本水文站—沙河埠（二）水文站1960 年～2016 年天然径流资料进行计算,重点考虑鱼类生物需水和区域主降水期,将一年周期分为两个时间段：丰水期（3 月～8 月）、枯水期（9 月～翌年2 月）,其中丰水期设定主要考虑受季风气候影响的河流汛期以及河流中鱼类的产卵育幼期。经过Tennant 法、逐月频率法计算青草塥河河道内生态流量见表1,同时采用Tennant 等级生态流量评价法对3 种方法的计算结果进行评价,见表2。

表1 青草塥河河道内生态流量计算成果表单位：m3/s

表2 青草塥河河道内生态流量（Tennant 等级）评价表

采用Tennant 法时,考虑3 月～8 月是鱼类产卵育幼期,河宽、水深、流量都将为鱼类提供优良的生长环境,同时又是春夏两季,可以为人类活动（捕鱼、划船等）提供便利,在此期间适宜保持多年平均流量的30%作为河道内生态流量阈值。9 月～翌年2 月降雨量减少,同时考虑人类生活和自然系统对河流的需求都较少,可采用多年平均流量的10%作为河道内生态流量阈值,该方法条件下河流长期处于生态流量阈值,河流生态系统处于生态亚健康状态,易造成河流生态环境的退化和不可逆的破坏。

频率法更加细化了河流的动态径流过程,根据逐月天然径流量的水文情势特性,在不同时期采取不同保证率。同时,将频率法计算的结果通过使用Tennant 法流量与生态系统关系评价标准发现：1 月为良好等级,2 月为很好等级,3 月～8 月为最佳等级,9 月～10 月为良好等级,11 月～12 月为一般等级。该方法较好地体现了具有明显季节性变化河流的特征,高水位、大流量又对水生生物产卵育幼起到了促进作用。同时,河流保持较高水位、大流量有助于水体中污染物迁徙,如果水位较低、流量较小,水体沉积物易于积累在河底从而污染河流,进而对下游产生高负荷。

4 结论

（1）Tennant 法、频率法等部分水文学分析法在大多数的情况下不需要进行现场测定数据,适用于成熟度不高的河段研究中。采用频率法计算逐月生态流量值适用于具有明显季节性变化的江淮地区河流,展现出河流的动态径流过程。

（2）青草塥河生态流量不应该是某一个阈值,而应该是根据自然-社会双重条件影响下的动态值,应参考逐月天然径流量的百分比：每年3 月～8 月河流河道内生态流量为逐月平均流量的60%～100%,9 月～翌年2 月为逐月平均流量的30%～40%。