童 心，刘 冀，彭 涛，董 晓 华，刘 艳 丽
(1.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；
2.三峡库区生态环境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002；
3.水资源安全保障湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430072；
4.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098；
5.水利部应对气候变化研究中心，江苏 南京 210029)
生态流量是能够维持河流基本生态功能和河道基本形态的最小流量[1]，对维持河流健康具有重要意义。现阶段，生态流量计算时存在计算方法选取不当，忽略不同河流的特性及水生生物习性，未考虑枯水期、鱼类产卵期等特殊时期河道基本流量和径流过程要求等问题，生态流量保障存在不确定性[2-4]。因此，研究不同地区的适宜生态流量计算方法，并推求合理的生态流量值，是合理配置水资源、实现可持续发展、维持下游河流健康的基础。
目前，计算生态流量的方法主要有水文学法、水力学法、栖息地法、整体分析法等。水力学法主要应用现场实测水力学数据确定生态流量，受测量条件及实测数据限制通常应用范围较小，且不能明确地将栖息地的优劣程度与河道物理特征相关联[5]。栖息地法通过分析河道流量与栖息地指示因子之间的关系确定生态流量，但只能针对特定的物种，具有局限性[6]。水文学法主要依据流量等水文数据，计算简单便捷，应用范围广，但通常忽略了水生生物的生物特性[7]。针对这一问题，郭勇等[8]结合海河流域特点，利用不同频率天然径流系列对Tennant法进行改进，该方法有效避免了传统Tennant法易受极端流量事件影响的缺点。石永强等[9]采用多种方法对比分析的方式，在避免使用单一方法计算不合理的同时为无长序列逐日径流资料河流的生态基流计算提供了新的计算思路。黄彬彬等[10]采用多种水文学法分析计算了赣江下游的生态流量，最终选择在汛期和非汛期使用不同的计算方法确定生态流量，为不同时期生态流量计算提供新的选择。陈晓璐等[11]在计算海南省三大江生态需水量时提出在计算过程中需明确最小及适宜生态需水量，为生态需水计算过程厘清了重点。
雅砻江是中国水能资源最富集的河流之一，随着上游水利枢纽的逐渐完工投产，水电站的蓄水发电，河道内流量受水库调蓄发生变化，为保护下游珍稀鱼类栖息地的稳定性和完整性，保留河道内一定的生态流量成为亟待解决的重要问题。万东辉等[12-13]基于水文循环分析利用环境同位素技术确定了雅砻江河道内的生态流量。吴春华[14]将栖息地法与水文学法进行对比，确定了栖息地法在雅砻江流域的可行性。雅砻江中上游气候地形复杂多变，难以获取较完善的水力学和生态环境数据，采用水力学法和栖息地法计算生态流量存在一定困难，而水文学法实用性更强，操作更简单。本文采用雅江水文站1953～2014年间共计62 a实测径流资料，利用7种水文学方法计算雅江水文站河段的生态流量，从需水量、水文节律和生态流量满足度3方面分析各方法的适用性，为雅砻江流域水电站生态调度提供科学依据。
1.1 研究区概况
雅砻江是金沙江的最大支流，干流全长1 570 km，流域面积13.6万km2，河床比降2.08‰[15]。雅砻江流域处于川西高原气候区，流域内径流主要来源于降水，部分为融雪和地下水补给，多年平均径流量593亿m3。丰水期气候湿润，降雨集中，径流量约占全年径流量的77%[16]。本文以雅砻江中段雅江站河段为研究区，如图1所示。雅江水文站位于庆大河与雅砻江交汇口下游，控制流域面积约6.59万km2。雅江站上游于2014年10月6日开始修建两河口水电站，坝址位于雅砻江干流与庆大河支流交汇口下游约1.8 km处，雅江站下游附近有高原鱼类栖息地保护区[17]。
图1 雅砻江流域Fig.1 Yalong River Basin
1.2 研究数据
本文选用雅江水文站1953～2014年间共计62 a实测径流资料，资料来源于长江流域水文年鉴。为分析径流年际变化规律，首先采用5 a滑动T检验法进行径流量变化趋势分析(见图2)，整体径流变化趋势平缓且呈下降趋势。采用累积距平法、滑动秩和检验法、Mann-Whitney秩和检验法对径流进行突变检验，结果如表1所列。
图2 多年平均径流趋势分析Fig.2 Multi-year average runoff trend analysis
表1 径流量突变分析结果
由表1可知，3种方法检验结果均表明1953～2014年间雅江站径流量存在不显著突变，源于雅江站上游人类活动较少，天然径流受人类活动影响较小，实测径流过程与天然径流相近，因此直接采用雅江站实测径流数据计算生态流量。
1.3 计算方法
1.3.1生态流量计算方法
(1) Tennant法。采用改进的Tennant法[18]作为生态流量计算的水量评价标准，该法突出河流季节性变化及研究区内目标种群的生物特性，计算方法如表2所列。本文选取中等、最佳和最大3个等级作为不同时段生态流量的限值标准。
(2) 最小月平均实测径流法。该法可考虑径流季节变化[19]，计算公式为
(1)
式中：Qm为第m月的河流生态流量，m3/s，m=1，2，…，12；
Qij为第i月第j天的平均流量，m3/s；
n为统计年数。
表2 Tennant法计算生态流量Tab.2 Ecological flow calculated by Tennant method
(3) Q90法。又称为改进的7Q10法[20]。该方法选取90%保证率下的最枯月平均流量作为生态流量，即通过年最小值选样，筛选出各年最枯月平均流量，进行频率分析，得出90%保证率下的设计值作为生态流量。
(4) Texas法。通过对各月的流量频率进行计算后，取50%保证率下的月流量的特定百分率作为河道生态流量[21]。该方法适用于流量受融雪影响的河流。特定百分率的设定以研究区典型植物和鱼类的水量需求为依据，本文特定百分率取30%。
(5) 逐月频率计算法[22]。首先根据历史流量资料将一年划分为丰、平、枯3个时期，然后根据实际需求对各个时期拟定不同的保证率，最后分别计算各个时期设定的不同保证率下的径流量，得到适宜生态流量过程。雅砻江流域11月至次年3月为枯水期，4～5月为平水期，6～10月为丰水期。其中，枯水期保证率90%、平水期保证率70%、丰水期保证率50%。
(6) NGPRP法[23]。将各年份划分为枯水年、平水年、丰水年，取平水年组各月90%保证率流量作为最小流量。本文采用距平百分率法进行丰、平、枯水年的划分，划分标准见表3。
(2)
式中：E为距平百分比，%；
Qi为第i年年平均流量，m3/s；
Qa为多年平均流量，m3/s。
表3 年型划分标准Tab.3 Classification standard of year type
(7) ABF法。取多年月平均流量的中值(或代表性月份的平均流量中值)作为河道内该月的生态流量，该方法考虑了生物需求和流量的季节变化。
1.3.2水文节律评价方法
本文采用相关分析法[24]分析水文节律变化，利用Pearson相关系数定量分析各计算方法下的生态流量序列与实测径流序列的相关关系。相关系数R取值范围是-1～1，其绝对值越接近1，相关性越高。
1.3.3生态流量满足度评价方法
生态流量满足度指的是一定时期内，河道内径流量大于生态流量阈值的时间序列长度与总序列时间长度的比值[25]。该方法以月平均流量进行生态流量保证程度分析，能够基本反映河流生态系统缺水的实际情况。本文将选择不同时间尺度的平均流量进行满足度计算，从不同角度分析生态流量满足度情况。
1.3.4生态流量计算方法适用性指数
为综合分析各生态流量计算方法在研究区的适用性，本文提出方法适用性指数。该指数计算方法如下：首先根据各指标性质对数据进行归一化，然后选取需水量、水文节律和满足度3个评价指标，根据各指标偏好确定指标权重，进而采用模糊优选法[26]对各方法计算所得生态流量的适用性进行综合评判，计算模糊优属度，以此作为适用性指数，最后对各方法适用性指数排序，适用性越好排序越靠前。适用性指数取值范围为0～1，指数越趋近于1表明方法的适用性相对越优，排序越靠前。
2.1 需水量分析
本文根据流域特性将研究时段划分为鱼类产卵期、枯水期和一般用水期，根据1953～2014年雅江站实测径流资料，以改进后的Tennant法作为评价标准来确定最小生态流量过程和最佳流量状态过程。各方法计算的逐月生态流量在一般用水期需满足Tennant法最小和最大限值，在产卵期需在Tennant法最佳流量状态范围内，在枯水期需满足Tennant法最小限值。采用改进后的最小月平均实测径流法、Q90法、Texas法、逐月频率计算法、NGPRP法、ABF法计算河道内年均生态流量分别为449.6，129.8，227.4，619.4，468.6，649.1 m3/s，各方法的生态流量相应的径流量分别占多年平均径流量的67.13%，19.38%，33.96%，92.48%，69.96%，96.91%。计算结果如图3所示。
图3 不同计算方法生态流量过程线Fig.3 Ecological flow process lines by different calculation methods
对比各方法计算所得的生态流量可知：ABF法年均生态流量最大，生态径流量占多年平均径流量的96.91%，远大于最大生态流量范围，在水量分配中，生态用水量过大会增加其余用水的供给压力，不符合实际情况；
Q90法年均生态流量最小，生态径流量约占多年平均径流量的19.38%，低于最小生态流量范围。Texas法年均生态流量227.4 m3/s均处于Tennant法最佳流量状态范围内，生态径流量约占多年平均径流量的33.96%。
对比各方法计算所得的生态流量可知：在一般用水期所有方法计算所得生态流量均满足要求，其中ABF法计算的生态流量最大，为393.8 m3/s，Texas法最小，为136.1 m3/s；
汛期NGPRP法、最小月平均实测径流法计算所得生态流量超出Tennant法最佳流量状态范围但低于最大生态流量限值，分别为812.5，778.1 m3/s，而ABF法、逐月频率计算法计算所得的生态流量分别为1 163.9，1 167.6 m3/s，超出生态流量最大限值，Q90法计算所得生态流量129.8 m3/s低于最低生态流量限值；
枯水期所有方法均满足要求；
在产卵期，除Q90法计算的129.8 m3/s小于最小生态流量范围外，其余均满足最佳流量状态要求。
提取典型枯水年和平水年(见图4～5)流量，对比各方法计算所得的月生态流量可知：枯水年内ABF法和逐月频率计算法所得的生态流量均大于月平均实测流量，其中8，11月和12月，两种方法计算的生态流量均高于实测径流量，不符合实际情况。Texas法和Q90法计算所得的生态流量值在枯水年全年均低于最小实测径流量，全年生态流量均能满足需求。平水年内所有方法所得的生态流量均不大于实测流量均值，生态流量需求均能得到满足，其中ABF法和逐月频率计算法计算所得的生态流量值较高，Q90法计算的生态流量值最小。综上所述，在需水量方面最小月平均实测径流法、NGPRP法和Texas法均符合要求。
图4 枯水年实测径流对比Fig.4 Comparison with measured runoff in dry year
2.2 水文节律分析
生态流量除应满足各时段水量需求外，还应维持河道流量的季节性变化规律，即水文节律，从而尽可能维持自然栖息地的水文状态。本文采用相关分析法，从多年月平均、汛期、鱼类产卵期、枯水期等角度，定量分析各方法计算的生态流量过程与实际流量过程的吻合程度。
由图3可知：实测流量水文节律变化呈现2～7月逐月增加，9～12月逐月减少的趋势，其中主峰出现在7月，次峰出现在9月。通过峰值分析可以看出，逐月频率计算法、NGPRP法、ABF法、最小月平均实测径流法、Texas法的最大生态流量值均出现在7月份，与实测流量峰值出现时间对应，流量过程无滞后现象。ABF法7月生态流量值略高于实测多年月流量均值，NGPRP法的次峰出现在8月，与实测流量峰值相比存在滞后现象。整体分析可知，Q90法计算的生态流量过程年内变化不明显，不能反映实测径流的水文节律，可能导致对水文节律要求较高或依赖性较强的水生动植物数量减少或消失，降低河流物种多样性，破坏生态环境。最小月实测平均径流法、逐月频率计算法、NGPRP法、ABF法和Texas法计算结果仅在个别月份与实测流量存在水文节律偏差，流量过程与实测流量过程较为接近。
实测流量和生态流量过程在汛期、鱼类产卵期和枯水期的水文节律变化情况见表4，采用Pearson相关系数R描述各方法的流量变化情况。相关系数越接近于1，表明与实际径流过程的拟合效果越好。其中年内整体Texas法计算的生态流量过程拟合效果最好，相关系数0.999；
汛期Texas法和逐月频率计算法计算结果的水文节律拟合效果最好，相关系数0.987，ABF法和NGPRP法次之；
产卵期Texas法和逐月频率计算法计算结果的水文节律拟合效果最好，相关系数1.000，ABF法次之；
枯水期ABF法和Texas法计算的流量过程的水文节律拟合效果最好，相关系数1.000，NGPRP法次之。综合年内各特殊时期分析可得，除Q90法外其余方法计算所得生态流量的水文节律拟合效果较好，符合各时期水文节律要求。
表4 不同时段实测流量和生态流量相关系数对比分析Tab.4 Correlation coefficients of measured flow and ecological flow in different periods
2.3 满足度分析
各敏感时段生态流量的满足程度是维持河流生态稳定的基础。将6种生态流量过程与实际流量过程进行比较，分别从多年平均满足度、汛期满足度、鱼类产卵期满足度、枯水期满足度、多年平均月满足度和枯水年月满足度6个方面分析各计算方法的生态流量满足情况。
由表5可知，Q90法和Texas法的多年平均生态流量满足度较高，均在95%以上；
最小月平均实测径流法和NGPRP法的多年平均生态流量满足度均在80%以上；
ABF法的多年平均生态流量满足度最低。在一般用水期，除ABF法的生态流量满足度较低外，其余方法满足度均符合要求。在鱼类产卵期，逐月频率计算法和ABF法的生态流量满足度较低，无法满足鱼类繁衍的流量要求；
Q90法和Texas法的生态流量满足度最高，达100%。在枯水期，ABF法计算的生态流量满足度较低，最小月平均实测径流法次之，其余方法计算的生态流量满足度均达85%以上。
表5 不同时段多年平均生态流量满足度对比分析Tab.5 Comparative analysis of annual average ecological flow satisfaction degree in different periods %
由图6逐月分析各方法的生态流量满足度情况，其中ABF法全年满足度均保持在50%左右，无法达到鱼类产卵期流量要求；
Q90法和Texas法全年各月的满足度均保持在95%左右，满足度较高；
逐月频率计算法6～10月满足度较低，与实际径流情况相反。最小月平均实测径流法在枯水期生态流量满足度呈逐渐下降趋势。生态流量取值需满足鱼类繁殖和河流生态健康要求，枯水期和产卵期的生态流量满足度需维持在良好以上，ABF法和逐月频率计算法的计算结果不能满足要求。综合上述分析可知，Texas法计算的生态流量在各时期的满足度最高。
图6 多种方法逐月满足度对比分析(单位：%)Fig.6 Comparative analysis of monthly satisfaction degree by various methods
由图7逐月分析各方法在枯水年的生态流量满足度情况，其中ABF法全年满足度低于60%，逐月频率计算法生态流量满足度在汛期达到最低0，最小月平均实测径流法的生态流量满足度在枯水期低于50%，NGPRP法的生态流量满足度从汛期60%开始逐渐降低，直至12月生态流量满足度低于20%，Q90法和Texas法在枯水年生态流量满足度全年保持在90%以上，满足度较高。综合6个不同条件下的生态流量满足度，其中Q90法和Texas法计算的生态流量满足度较高。
图7 多种方法枯水年逐月生态流量满足度Fig.7 Monthly ecological flow satisfaction degree in dry year by various method
2.4 生态流量计算方法适用性分析
本文以需水量、水文节律和满足度为评价指标，采用模糊优选法构建新的生态流量计算方法适用性指数，考虑不同河流条件，从不同侧重角度出发，定量分析各生态流量计算方法在多种情况下的适用程度，为生态流量计算方法的选取提供更直接、更科学的检验方法。针对不同河流的特征情况，3种指标各有侧重，本文将3种指标分为等权重、需水量权重最大、水文节律权重最大和满足度权重最大4种情况计算适用性指数。
各时段适用性指数结果排序见表6，其中指数越趋近于1，适用性越高，排序越靠前。由表中分析可知Texas法在不同权重条件下适用性指数均为最大，适用性最好，可用于雅砻江中段生态流量的计算。
表6 不同权重下各方法适用性指数排序Tab.6 The applicability index ranking of each method under different weights
2.5 讨 论
生态流量对维持河流健康、鱼类栖息地稳定具有重要意义。本文利用1953～2014年实测径流数据对比分析了适用于雅砻江中段的生态流量计算方法。结果表明Texas法作为该河段生态流量计算法最优，可为上游生态调度计算提供参考。除生态流量外，生态流速也对鱼类正常繁殖起着重要作用，然而本文选取水文学法计算生态流量，计算过程中并未考虑流速影响。另外本文在利用需水量、水文节律和满足度3个指标构建生态流量计算方法适用性指数时，权重系数的选取较为主观，本文只为尽可能的体现不同的权重占比情况，没有准确的数据来分析三者之间的权重关系是否符合该流域鱼类生存需求的实际情况。陈昂等[27]指出现阶段生态流量计算方法正在从简单的水力学和水文学方法逐渐向生态水力学方法和生境模拟法转变。王琲等[28]指出栖息地法可结合河道和生物种群信息，生态流量计算结果比其他方法更准确。柴朝晖等[29]指出生态流量计算中存在指标选取单一，对不同条件下的生态需求考虑不全面等问题。因此，在后续的研究中，可尝试在获取研究区水文、水力学及鱼类栖息地数据后，利用更为精确的栖息地法计算生态流量，同时考虑流量和流速以及其他因素对研究区鱼类的影响，从不同鱼类特性要求出发制定更完善、准确的生态流量计算方法适用性评价体系。
本文基于雅江站1953～2014年实测径流数据，以Tennant法计算的生态流量作为评价水量标准，对比分析了6种计算生态流量的水文学方法的优劣和适用性，并计算出雅砻江中段年均生态流量值和月均生态流量值，得出如下结论：
(1) ABF法和逐月频率计算法计算的生态流量几乎与实测多年平均月流量相等，且在鱼类产卵期满足度较低，计算结果不符合实际需求；
(2) Q90法计算的生态流量过程年内变化不明显，不能反映水文节律的天然变化过程，不适用于雅砻江中段生态流量计算；
(3) 改进后的最小月平均实测径流法、NGPRP法在鱼类产卵期方法适用性指数较小，对雅砻江中段不适用；
(4) 综合需水量、水文节律和生态流量满足度3方面分析，Texas法为雅砻江中段最优生态流量计算方法，方法适用性指数最高，建议在该河段使用Texas法计算生态流量。
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