基于生态水文法的城市河流生态基流综合评估

王鸿翔，张爱民，郭文献，郭 科

(华北水利水电大学，郑州 450045)

对于城市河流来说，人类社会经济的发展与河流生态系统健康的发展矛盾尤为突出, 目前河流断流、污染事件频繁发生，部分河流功能基本丧失[1]，因此对城市河流开展河道生态基流对保护水环境、维持河道生态系统正常运转研究意义重大。生态基流的出现主要是为了协调生态系统与经济社会需水之间的矛盾，使得河流生态系统与城市生态系统能够达到共生的一种状态流量。国内外研究主要集中在河流生态需水内涵及计算方法上，逐步形成水文学法、水力学法、栖息地及整体法等四大类方法，水力学法计算生态流量难以排除城市河道人为渠化因素，栖息地法及整体法对资料要求较高以及可实际操作性不佳，并且受全球气候变化与人类活动的共同影响，河流水文情势与河流生态系统都发生了较大的改变[2],以往的城市河流流量研究大多基于环境功能设定法，将河流生态流量分为各个部分分别计算，但很难应用于实践，进行水环境调水实验也只是粗略估算或主观确定稀释用水居多[1]。综合上述因素，本研究从生态水文情势角度出发，通过多种水文法计算河道最小生态需水，结合径流特征分析及多年降雨量的变化，对比分析各种水文法对城市河流的适用性，最后根据河流站点天然时期径流资料，利用适合城市河流的水文法计算河道生态基流，研究结果综合水量水质等方面考虑了河流生态系统最小生态需水量，对保护河流水质及鱼类产卵需求及水质水量联合调度决策具有重要意义，可为城市水资源的配置及生态补水提供参考依据。

1 研究区概况

郑州市河流分属淮河和黄河两大流域，即外河黄河和内河贾鲁河。涉及现有河流9条，其中枯河属于黄河流域，其余8条属于贾鲁河水系，贾鲁河发源于新密市，向东北流经郑州市，至市区北郊折向东流，经中牟，入开封，过尉氏县，后至周口市入沙颍河，最后流入淮河。流域面积2 750 km2，多年平均径流量2.99 亿m3[3]，包括贾鲁河干流以及其一级支流索须河(索河、须河)、东风渠、魏河、金水河、熊耳河、七里河(十八里河、十七里河)、潮河等支流，现均为城市排污河道，生态水系输水工程为新开挖河流，为南部四河进行输水，水库12座，湖泊3个，共同组成郑州市生态水系框架[4]。

2 数据与方法

2.1 数 据

郑州市河流多为小河流，缺少水文观测资料，仅贾鲁河干流中牟水文站有部分水文资料，水文资料为1965-2008年径流资料，1951-2011年郑州市降雨资料来源于中国气象科学数据共享网。

2.2 方 法

本研究收集郑州市市区控制水文站中牟站1965-2008年的长序列径流资料通过线性倾向法及M-K突变检验法对其径流特征变化进行分析及突变点检验，并通过水文方法计算生态基流。

2.2.1 趋势分析及突变检验方法

(1)线性倾向法。通过线性倾向法分析中牟水文站实测流量序列年均径流及汛期与非汛期的径流变化趋势，线性倾向法计算公式见式(1)。

(1)

式中：b为常数；a为回归系数。

(2)Mann-Kendall突变检验法：M-K (mann-kendall)突变检验是一种非参数统计检验方法，可以排除异常值的干扰，M-K法能够大致确定突变点的位置，Mann-Kendall突变检验法是在时间序列平稳的前提下，要求该序列独立，且随机变量概率服从同一分布，设定原假设时间序列无变化[5-7]。Mann-Kendall突变检验的统计量构造秩序列：

(2)

sk的数学期望和方差为：

(5)

式中统计量UF服从标准正态分布，表示年均径流顺序时间序列曲线，UF为正，表示系列具有上升趋势；UF为负，表示系列具有下降趋势；取α=0.05置信水平下显著性检验水平值，UF值大于α=0.05置信水平表示序列上升或下降趋势显著，以上方法应用于反序列，重复上述计算过程，并使UF计算值乘以“-1”，得到UB，UB为年均径流序列逆序时间序列曲线，如果UB和UF曲线出现交点，且交点在临界线之间，则交点对应的时刻为突变开始的时间。

2.2.2 水文学方法

计算河流生态需水有多种水文学方法，本研究选择5种常用的水文学法计算河流最小生态流量，方法分别为逐月最小径流法、逐月频率法、tennant法、90%最枯月平均流量法(Q90)、Texas法，其具体操作步骤如下：

逐月最小径流法计算的最小生态流量过程满足生物的繁殖和发育规律，是保证水生生物在生命史周期中的最低生存条件，该法考虑了河流径流丰枯变化的连续性以及不同时期河流生态系统对水文条件的需求，具体步骤为首先将流量资料分为1-12月份共12个月平均径流系列，取每个月径流系列的最小值作为该月的最小生态径流量。

逐月频率法是对不同时期拟定不同的保证率，一般月保证率取50%，优点是相较于最小生态径流确定的短期、极限的水文状态，提供了河流生态需水所需的最佳水文条件[8]，缺点是未考虑年际变化趋势，适用于计算大中型河流的适宜生态径流，基于城市河流基本都是小河流，月保证率取90%，具体步骤对年平均流量系列分别取频率75%以上、25%～75%、25%以下划分水平年为枯水年、平水年、丰水年，对枯水年组取90%保证率的月平均流量作为河流最小生态基流。

Tennant法由美国学者Tennant分析了美国11条河流的断面数据后发现河宽、流速和水深在流量小于年平均流量的10%的增加幅度较大，当流量大于年平均流量10%时，对应的水力参数的增长幅度下降。该方法涉及临近栖息地、水力学和生物学因素,其实质是将测站的年平均流量的百分比作为最小生态流量[9],具体操作步骤是依据各月平均流量序列求平均值得出多年月平均流量过程，取多年月平均流量的10%作为最小生态流量。

90%最枯月平均流量法(Q90)由美国7Q10法演变而来的，起初是美国用于保证排放的污水满足干旱季节的水质要求，应用于我国主要是防止河流水质污染，设定近10年最小月平均流量或90%保证率的最枯月平均流量替代年最枯连续 7 d 的平均水量作为河流最小流量即标准流量设计值[10]。步骤为采用90%保证率的最枯月平均流量并假设该法下年内各月生态流量均为保证率90%对应的生态流量，该法的缺点未考虑水量的季节变化、水生生物等因素。

Texas法采用某一保证率的月平均流量作为生态流量，该法考虑了不同的生物特性(如孵化器和产卵期)和区域水文特征条件下的月需水量[10]，参考吴喜军在渭河宝鸡段典型鱼类及植物的需水条件，取50%保证率下的月流量的20%作为河道生态基流[11]。

3 径流特征及水文法适用性分析

3.1 城市河流径流变化分析

3.1.1 径流趋势性分析

图1和图2为中牟水文站年际变化时间序列,据图1分析得河流年均径流的总体变化呈递减趋势，由M-K检验递减趋势不明显。据图2可看出汛期径流变化随时间序列呈递减趋势,非汛期内径流变化则随时间序列呈递增趋势。水文情势随年际之间的丰枯变化幅度的减小而逐渐减弱,年内流量的季节变化差异正在减小甚至消失。

图1 中牟水文站年均径流变化Fig.1 Annual runoff variation of Zhongmou hydrological station

图2 汛期和非汛期年均径流量变化Fig.2 Annual runoff variation in flood season and non-flood season

3.1.2 突变点的确定

采用M-K的突变检验法检测流量受人为因素影响随时间序列变化的突变年份，突变分析结果见图3。

图3 1965-2008年均径流突变分析图Fig.3 Analysis of runoff variation in 1965-2008

据图3分析可得UF曲线总体呈现递减趋势，UF曲线和UB曲线于1985、1990、1992年在95%的临界线±1.96之间有3个明显的交点。1985、1990、1992年可能是郑州市年均径流的突变点，并且在1990年之前的UF曲线值大于等于0,年均径流序列呈现递增趋势，且于1974-1981年之间UF曲线超过了95%的临界线1.96，通过0.05水平的显著性检验，年均径流时间序列上升变化显著；1990年之后的UF曲线值小于等于0，年均径流趋势呈现递减趋势，UF曲线下降范围为超过95%的临界线-1.96，没有通过0.05水平的显著性检验，即下降趋势不明显。因为可能的突变点年份较为接近，可认为发生了一次突变,可能的突变年份取最早出现突变的1985年。因此以1985年为分界点，将1965-1985年期间近似看作天然径流时期，1985至2008年看作是人类活动干扰时期。

3.2 水文法适用性分析

3.2.1 河道生态基流的计算结果

以贾鲁河干流为例，河流生态需水计算结果见表1，据表1绘制多种水文学方法计算最小生态流量过程线如图4所示。

表1 中牟水文站多种水文法估算最小生态流量 m3/s

图4 最小生态流量过程线Fig.4 Minimum ecological discharge hydrograph

3.2.2 生态流量过程线分析

(1)分析图4可知:逐月频率法的计算值高于逐月最小生态径流；texas的计算结果与tennant的计算结果趋势走向大体一致，且其计算结果总体上大于tennant计算值且小于逐月最小生态径流计算值；Q90法计算结果最小。从反映径流年内季节变化的角度出发，逐月频率法、逐月最小径流法均较好反应贾鲁河水文站汛期与非汛期间的生态基流年内显著的变化，texas法次之，tennant反应年内生态基流在汛期与非汛期间的变化强度最弱，90%最枯月平均流量法不能反映径流的年内丰枯变化特征。

(2)结果的差异性分析：Q90法只考虑了满足河流水质污染的流量，没有考虑水生生物、水量的季节变化, 计算结果最小；tennant法取实测多年平均径流量的10%,只考虑了维持河流生态系统不退化所需水量，未考虑河流稀释自净、输沙需水的等环境功能需水量, 计算结果总体大于Q90法,属于次最小值；texas则考虑了典型鱼类及植物的需水条件，取50%保证率下的月平均流量的20%作为生态需水量，计算结果大于tennant法计算值；逐月频率法是基于水平年的划分取枯水年组的90%保证率作为最小生态流量，而逐月最小生态径流法也是基于天然径流资料，是以水生生物在天然状况下已经安全经历过的最小径流过程的假设前提下计算最小生态径流，这两种方法的计算结果差距相对较小。

图5 郑州市多年平均月降雨量图Fig.5 Annual average monthly rainfall in Zhengzhou City

据图5可知，降雨量最多为7月为149.7 mm，其次为8月份128.3 mm，因而最大流量也会出现在这一时段，结合图4分析，逐月频率法、逐月最小生态径流法只能反应7月份的流量变化，对比汛期内6月份和9月份的流量，8月份计算值偏小，texas、tennant最大值出现在8月份分别为4.6、2.6，具有一定的迟滞性，逐月频率法及逐月最小生态径流法均有能反映径流的季节变化特征，但计算结果略大且未考虑生物因素，texas与tennant法考虑了水生生物因素，但对于径流的特征变化具有迟滞性，Q90法只考虑了水质因素，计算结果较低，上述方法考虑方面单一，因此本研究从结合径流变化特征、水生生物因素、水质因素角度出发，取逐月频率法、最小生态径流法、texas、tennant及Q90法计算结果的平均值作为最小生态基流。多年平均流量的10%是保证栖息地不会退化的最低条件，一旦低于此值，河流生境会急剧下降，难以恢复，最好预留一定的空间[12]，因此综合分析认为多种方法计算结果的平均值对于城市河流具有较好的适用性。

4 计算结果与讨论

因郑州市河流只有贾鲁河干流中牟站有部分实测水文资料,控制流域面积为2 106 km2，多年平均径流量(1965-2008年)为42 989 万m3，多年平均流量为13.57 m3/s。为了推求郑州市其他河流的年均径流量，通过相关河流控制面积间接计算，郑州市水系河流径流量计算结果如表2所示。根据平均值可以计算出各流量状况下河流推荐值,如表3所示。

表2 郑州市河流年均径流量计算成果表Tab.2 Annual runoff calculation results of zhengzhou river

表3 郑州市水系河流最小生态需水量推荐值Tab.3 Recommended minimum ecological water requirement of urban river in Zhengzhou

为了分析本研究所采用方法计算的合理性，本研究结果与《郑州市生态水系规划》(简称规划报告)中河流生态需水计算结果进行综合对比，对比结果见表4。

本研究通过均值法得到的流量过程线值能够满足鱼类产卵育幼期及水质需求，并且从更好响应城市河流降雨及径流的水文特征，计算结果与《郑州市生态水系规划》的研究结果相比，有一定差别，但总体相差不大，枯水期内金水河计算结果比规划报告结果稍小，其他河流计算结果均大于规划报告结果，差值占规划报告结果的22.2%；丰水期内计算值均稍小于规划报告结果，差值占规划报告结果的20.3%，误差在可允许误差之内，因此可以认为本研究计算的河道生态基流基本合理。

表4 郑州市水系河流生态流量结果比较 m3/s

5 结 语

(1)研究显示贾鲁河干流年均径流量总体上呈递减趋势，递减趋势不显著，汛期径流变化呈现递减趋势，非汛期的径流变化呈现递增趋势，水文情势随年际之间的丰枯变化幅度的减小而逐渐减弱，年内流量的季节变化的差异正在减小甚至消失。

(2)综合径流变化特征、水生生物因素、水质因素等，取逐月频率法、最小生态径流法、texas、tennant及Q90法计算结果的平均值作为最小生态基流，能够很好反应河流径流变化趋势、水生生物需水及自净需水要求，均值相较于取多年平均流量的10%作为保证栖息地不会退化或极限水文最低的条件，预留了一定的幅度可变空间，能够较大程度避免和降低因河道流量低于极限值而导致河流生境长时间遭受难以恢复的破坏几率，适合用于计算城市河道最小生态基流。

(3)本研究中的生态基流是指是从水生生物需水及河流自净需水角度出发，是常年维持河道内的生态系统稳定的基本流量,不包含输沙需水、蒸发渗漏需水等的部分。

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