[導讀] 摘要: 選取黃河下游地區花園口、高村、利津3 個代表站的實測月徑流量系列,利用逐月均頻率計算法和改進的Tennant 法2 種歷史流量計算方法分別計算了3 個代表站的生態徑流過程. 結果表明:雖然2 種計算方法原理不同,但是由逐月均頻率計算法得到的適宜生態徑流量大都在改進的Tenannt 法所得結果的最佳或極好范圍之內,只有個別月份與最佳范圍的數值有一定的差值,但也位于可接受的范圍內.
中圖分類號:TV121 文獻標識碼:A 文章編號:1000-1980 (2009) 02-0153-05
黃河地處北方,天然降水不如南方多. 20 世紀80 年代以來,黃河流域年降水量較50 年代偏少5 % ,90 年代以來,降水量偏少12 % ,相應徑流量降低7 %和22 %. 加之工農業用水的劇增,其生態環境的維護和發展較南方的河流相對困難. 而河床高于兩岸地面的黃河下游長達數百公里,面積約占黃河流域總面積的3 %. 本文針對黃河下游這一特點,采用逐月均頻率計算法和改進的Tennant 法計算了黃河下游地區的生態徑流量,為保證黃河流域整個生態系統的健康發展提供參考.
1 生態徑流量概念及計算方法
1. 1 生態徑流量概念
河流的水文過程具有周期性變化規律,其流量的大小是在一定范圍內隨機變化的,河流中的所有生物及種群結構已完全適應了河流的水文特征. 天然條件下,隨機變化的水文過程不會對河流的物種和種群結構產生根本性的影響,而影響的只是生物量及物種種群大小的變化. 在天然狀態下,任何一種徑流過程———豐水年、平水年和枯水年的徑流過程及其交替變化的水文特征都具有相應的生態響應和特定的生態作用,河流生態系統處于一種自我調節和自我控制的健康生命狀態中.
但是,對于河流來說,小概率或是極端的水文現象對于河流的生態系統都是不利的,因而狹義的生態徑流就是指保證河流天然狀態下生態系統穩定和健康的徑流量. 而廣義的生態徑流不只是滿足生態系統需水要求的徑流量,同時也應具有天然狀態下該徑流過程的泥沙、水質、營養等特征. 當這些特征在人類干擾下發生變化時,原有的河流生態系統結構也會隨之發生變化,對生態系統造成不利的影響. 為了保證河流生態系統的穩定,生態系統所需的徑流過程也應發生變化,因而生態徑流量不是一個固定不變的值,而應具有一定的變化范圍[1] .
根據河流天然徑流量的變化特征及其生態系統響應的特點,將滿足河流生態系統穩定和健康條件所允許的最小流量稱之為最小生態徑流量,相應地把適合生態系統穩定和保持物種多樣性的徑流過程稱為適宜生態徑流過程. 要保持河流生態系統的健康發展,就需要了解該河流的適宜生態徑流過程. 由于河流水文過程是隨機變化的,適宜生態徑流過程具有明顯的統計特征,同時具有一定的變化范圍.
1. 2 計算方法
河流生態徑流量的研究國外起步較早,近幾年來,隨著人們對河流環境的日益關注,國內學者也提出了許多算法[2-3 ] . 但總的歸納起來,這些方法大致可分為4 類: (a) 傳統流量計算方法———歷史流量法,包括Tennant 法(也稱Montana 法) 、7Q10 法等; (b) 基于水力學基礎的水力定額法,包括R2CROSS 法、濕周法等;(c) 基于生物學基礎的棲息地法,有IFIM法、RCHARC 法等; (d) 基于河流系統整體性理論的整體分析法,包括澳大利亞的整體分析法(Holistic Approach) 、南非的BBM(Building Block Methodology) 等.
上述4 類方法在數據要求、選擇流量所采用的方法、對河流水力學方面的影響以及生態方面的假設都有一定的區別[4 ] . 歷史流量法雖然沒有明確考慮食物、水質和水溫等因素,但認為在該流量條件下這些因素可以滿足現有生物的要求,只需要歷史流量資料就可以計算河道生態徑流量. 水力定額法只需要對河道的地形特征進行簡單的測量,不需要生物與生境關系的數據,因此具有很好的可操作性. 但是,因其未考慮河流的季節變化,通常不能用來確定季節性河流的流量. 棲息地法能夠將生物資料與河流流量研究相結合,但由于需要生態資料,一般情況下無法應用. 整體分析法更加強調河流生態系統的整體性,但對資料的要求也更高. 可見,每個方法側重點不同,各有長短.
考慮到我國流量資料的實際情況,本文采用歷史流量法中的逐月均頻率計算法和改進的Tennant 法2 種方法對黃河下游狹義的生態徑流量進行計算[5],以使計算結果相互參照,結論更加合理.
2 逐月均頻率計算法計算生態徑流量
2. 1 最小生態徑流量計算
逐月最小生態徑流量計算法[6]是以歷史上發生的該月資料系列中最小的月平均流量作為最小生態徑流量的計算方法,是在生物繁殖和生長規律的基礎上,保證水生生物以年為單位的生命周期中最低的生存條件,因此最小生態徑流量應該是天然狀態下水生生物所能容忍的枯水的極限.
2. 2 適宜生態徑流量計算
逐月均頻率計算法[7]是由歷史流量資料,根據每年中各個月的流量數據,取保證率為50 %所得的月徑流量為該系列的適宜生態徑流量的計算方法. 逐月均頻率計算法所得的生態徑流量較之最小生態徑流量而言,更適合河流生態系統需要的水文條件,更有利于河流生命的健康發展.
由于黃河水資源的大量開發利用,很難還原到天然狀態下,加之水生生物已經適應了目前河流的生態環境,因此本文以實測流量資料為研究依據,求得現有狀態下的適宜生態徑流量.
取黃河下游花園口、高村、利津水文站作為代表站. 表1 為花園口(1950～2000 年) 、高村(1950～1985年) 、利津水文站(1956～1991 年) 的實測月平均徑流量,以及逐月均頻率計算法計算的最小生態徑流量、適宜生態徑流量結果.
表1 代表站各月流量(徑流量) 過程
3 改進的Tennant 法計算生態徑流量
3. 1 Tennant 法簡介
Tennant 法也叫Montana 法,該方法假定河流流量是水系面積尺度、地形學、氣候、植被和土地利用等特征的綜合體現,年平均流量的各種比例與生態環境質量相關聯. Tennant 法建立在干旱、半干旱地區永久性河流基礎上,判別棲息地環境優劣的推薦基流標準在年平均流量的10 %～200 %范圍內設定,認為10 % ,30 % ,60 %的年平均流量是生態環境變化的轉折點,并能保護絕大多數河流的自然環境. Tennant 法的主要優點是使用簡單,操作方便,一旦建立了流量與水生生態系統之間的關系,需要的數據就相對減少,也不需要進行大量的野外工作,是生態需水量計算的常用方法之一[8-9] . 但Tennant 法有其自身的局限性,它是基于美國11 條河流得出的結論,不一定適合其他河流,像我國黃河這種季節性、多泥沙的河流,Tennant 法就沒有考慮水生生物對流量的要求在不同季節應有所不同,也沒有考慮多泥沙河流需要一定的水量來保證河流泥沙沖淤平衡的特性.
黃河屬于北方河流,處于干旱、半干旱、半濕潤氣候帶,因此其徑流量和降水相關性強. 雨季是河流的汛期,汛期集中的幾場洪水的水量占河流全年徑流量的60 %左右,因此,流量具有明顯的季節性變化的特征.與此同時,我國干旱半干旱地帶水土流失比較嚴重,使得北方河流具有含沙量高的特點,黃河下游尤為嚴重.多泥沙淤積已經嚴重威脅了黃河下游地區人民生命財產的安全,生態需水要考慮河流輸沙要求,才能維護其生命的健康發展. 為了使Tennant 法較為合理地計算黃河下游地區的生態徑流量,本文對Tennant 法進行了一定的改進[10 ] .
3. 2 Tennant 法的改進
3. 2. 1 季節性改進
由我國北方河流生態系統的基本特征可知,4～6 月是魚蝦孵化的高峰季節,水生生物豐富,7～11 月河流水量大,泥沙含量高,河流水量應以輸沙用水調度為主,12～3 月,河流水量相對較小,月水量占年水量的比例一般為3 %～7 % ,泥沙含量較低. 本文將河流生態需水量按季節劃分為4～6 月、7～11 月、12～3 月3 個時段,引入季節系數k ,使Tennant 法能夠反映河流徑流量季節性變化.
由于黃河水文資料比較齊全,因此可以很容易從確定的多年平均徑流量系列中找出一個典型年的年徑流量過程. 假如典型年徑流量過程某一時段的流量為Qt ,天然狀況下的多年平均流量為Q0 ,則季節系數k 為
k = Qt/ Q0 (1)
把所求的季節系數應用到Tennant 法中,得到的生態徑流量就能適合黃河等季節性變化的河流. 根據研究河段各年流量與多年平均流量的比較,選取1953 年為典型年,由公式(1) 得到表2.
表2 代表站各個時期的季節系數
3. 2. 2 輸沙性改進
河流的輸沙量與河水的流量和流速相關. 一般而言,河流的開發程度較小時,多泥沙河流在非汛期淤積,在汛期沖刷,使年沖淤達到平衡. 但是河流開發程度一旦達到50 % ,泥沙就會在河床里淤積,這將改變河流形態和生態環境,造成流量的水深變小,河槽比降變小,隨之流速變小,引起泥沙淤積加重,造成惡性循環. 所以非汛期要保持一定流速使得沖淤平衡.
黃河下游是指桃花峪至入海口,流域面積2. 3 萬km2 ,占全流域的3 % ,河道長786 km ,落差93. 6m ,水流較平緩,其平均比降為0. 012 % ,泥沙淤積嚴重,為著名的黃河下游灘區,其淤積情況如圖1 所示.
圖1 黃河下游年泥沙淤積過程
黃河流域的水資源開發利用率為60. 9 % ,從圖1 可以看出,其下游淤積量整體上呈現逐年上升趨勢. 為此,在黃河下游河段引入徑流量比降i0
（2）
式中: i′———河流平均比降; i ———計算河段比降. 當i > i′時, i0 = 1.
由公式(2) 得到花園口、高村、利津3 個代表站的徑流比降分別為1. 33 ,1. 43 ,1. 67.
3. 3 改進的Tennant 法
通過在推薦基流百分比的基礎上加上季節系數和徑流比降, 得到新的推薦基流百分比來改進Tennant法,使其更適合我國北方多泥沙性和流量季節性變化的河流. 改進的Tennant 法[11-12 ]計算結果如表3 所示,表中Φi ( i = 1 , 2 , …) 稱之為生態徑流改正系數, 其中Φ1 = i01 k1 ,Φ2 = i02 k2 ,Φ3 = i03 k3 . 由此可得黃河下游3個代表站的生態徑流改正系數,見表4.
綜上,可以得到3 個代表站的生態徑流量的各級標準,如表5 所示.
表3 保護水生生態等有關環境資源的河流流量狀態
表4 黃河下游代表站各個時期的生態徑流改正系數
表5 代表站各個時段生態需水量各級標準
4 計算結果比較
以花園口站為例,由逐月均頻率計算得出1 ,6 ,7 ,8 ,9 ,10 ,12 月的數值都在改進的Tennant 法的“最佳范圍”之內,2 ,3 ,4 ,5 月雖然不在“最佳范圍”內,但是數值與“最佳范圍”相差很小,同時也均位于“極好”范圍內,只有11 月份與“最佳范圍”有一定的差值,但也在Tennant 法“好”的范圍內,也能夠保證河流的發展. 高村、利津2 站的數值比較也大多如此.
河流的生態徑流量是一動態過程,適宜生態徑流量就是對于生態系統的穩定和物種的生存和繁衍最為適合的徑流過程,它不是一個具體固定的值,而是有一個合適的變化范圍,只要在這個范圍之內,就能夠保證河流生命的健康發展.
5 結論
a. 在使用逐月均頻率計算法計算黃河下游適宜生態徑流量時,確定合理的保證率是關鍵,本文取保證率為50 % ,其優點在于提出了河流生態系統需求的最佳水文條件,相較最小生態徑流量而言,更有利于河流生命健康的發展.
b. 在利用Tennant 法計算時,引入了生態徑流改正系數(包括季節系數和徑流比降) 對Tennant 法進行改進,使其更加適合黃河下游季節變化大和多沙的特點. 這里,季節系數實際上是用典型年流量置換了多年平均流量,更能體現河流流量年內季節的豐枯規律.
c. 使用逐月均頻率計算法和改進的Tennant 法計算了黃河下游各代表站的生態徑流量,雖然計算角度不同,但是計算結果顯示,保證黃河健康發展的生態徑流量相差不大,為今后黃河生態系統的健康發展提供了合理的參考.
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作者簡介: 王霞(1981 —) ,女,山東萊蕪人,碩士研究生,主要從事水文水資源及生態水文研究.