汉江中下游河流生态需水量研究

汉江中下游河流生态需水量研究张旭1，吕文丽21，河海大学水文水资源学院，南京（210098）2，武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉（430072）E-mail：ilovebaby3@摘要：本文结合汉江中下游这类南方河流面临的水资源紧缺与水环境恶化问题，分析了各种生态需水量计算方法的优缺点及其适用条件，建立了分别基于水文学与水力学的河流生态需水量计算模型。

经汉江中下游河道多个不同河段、不同典型年、年内不同丰枯季节的河流生态需水量计算研究，得出了该河流分段生态控制流量，为河流生态需水量计算理论的发展和南水北调中线工程实施后丹江口水库的合理调控以及汉江中下游地区水资源科学管理提供了依据。

关键词：河流生态需水，南水北调中线，汉江中下游中图分类号：TV1, X171, TV68半个多世纪以来，大规模的水利工程建设形成了比较完善的防洪减灾、发电、灌溉、供水等保障体系，产生了巨大的社会经济效益，但也面临一些新的问题，如：（1）大量水库建设及其不合理调控，导致下游河道流量减少，水生生物退化，泥沙淤积，河道萎缩与两岸景观破坏等；（2）大量堤防及闸站建设，隔断了许多河流干支流的天然联系，影响了河流自然形态等；（3）快速经济社会发展，一方面对现代水利工程建设与安全保障运行管理提出了更多、更高、更新的要求，另一方面又出现了一些不合理的“人水争地”现象，一些水库下游河道、蓄洪滞涝洼地（塘堰）等湿地生态消失。

如何统筹规划、合理设计、优化调控流域水利水电工程，维持河流基本生态需水，保持河流生态系统的稳定性与多样性，防止河流退化与咸水上朔，实现河道冲淤平衡与人水和谐，则是现代水利建设管理中急需解决的重要问题之一。

早在20世纪40年代，美国渔业和野生动物保护组织就开始关注河道内流量问题，并提出了“最小生态流量”（minimum ecological flow）的概念。

但直到80年代末，河道生态环境需水及其相关概念[1]才得到人们普遍认同，并开始从不同的角度对其进行系统研究。

归纳起来，主要有三种方法：一是根据水文历史资料进行河流流量分析，提出了一些基于水文学分析的方法，例如Tennant法等；二是根据河道断面参数判断河流所需流量，形成了基于水力学分析的方法，如科罗拉多州水利局（Colorado Water Conservation Board）专家提出的R2-Cross法。

三是将水力分析与生境评价相结合，提出了基于生境适宜性评价和模拟的方法，如IFIM/ PHABSIM法等。

国内对生态环境需水量研究起步于20世纪90年代，但现有的一些研究成果大多是引用国外现有方法，针对西北、华北、东北等具体应用背景问题展开的，至今仍缺乏系统的生态需水定量计算方法与标准。

我国南方地区降雨径流时空分布差异性很大，河道流量时涨时落，水生生物种群数量都较多，但河流水质污染现象日益严重，大量防洪、发电、灌溉等工程对水流连通性与渔类等水生生物繁殖生存环境影响频繁，城市化与农业的发展又常导致湖泊、河流等湿地面积消减。

如何针对这些问题，提出南方河流生态需水量计算理论与方法，已成为人们关注的重要问题之一。

本文旨在结合南水北调中线调水后汉江中下游水资源管理问题，通过多种河道生态需水量计算方法的对比分析研究，为流域水资源综合规划与生态调控提供科学依据。

1 河流生态需水量内涵与特征目前，国际上对河流生态需水还没有统一明确的概念。

Gleick(1998)[2]给出了基本生态需水的概念框架，即提供一定质量和一定数量的水给天然生境，以求最小化地改变天然生态系统的过程，并保护物种的多样性和生态整合性。

杨志峰等（2003）[3]认为生态需水是生态系统达到某种生态水平或者维持某种生态系统平衡所需要的水量，或是发挥期望的生态功能所需要的水量，水量配置是合理的，可持续的。

夏军等（ 2002）总结生态需水量是指在水资源短缺地区为了维系生态系统生物群落基本生存和一定生态环境质量（或生态建设要求）的最小水资源需求量，等等。

不管人们如何定义生态需水量，都至少应具有以下两个基本特征：（1）生态需水量是维系河流生态系统稳定和功能所必须的基本水量，这个水量应介于不使生态系统退化到消亡状态的最小需水量与保持生态系统优良状态的最大需水量之间。

（2）不同河流在不同经济社会发展阶段具有不同的生态系统结构与功能需求，相应的生态需水量应具有河流上下游之间、年内不同季节之间和年际不同丰枯年份之间的时空变异性。

由此可知，河流生态需水量是满足社会经济可持续发展对生态系统结构、功能及其稳定性要求所必须的维持一定质量、流速、水位等条件的基本流量，它随着社会经济的发展、生态系统的进化、气候与人类活动的影响、河流健康状态的变化而变化。

2 河流生态需水量计算方法目前，国外河流生态环境需水量计算方法很多，如水文学法，水力学法，生态学法和综合法等，但如何寻找适合我国南方河流生态系统特性的需水量计算方法，尚需结合具体问题具体分析。

本文以汉江中下游河流为例，提出一种水文－水力学耦合生态需水量计算方法。

2.1水文学方法水文学方法又称标准设定法或快速评价法，一般是根据简单的水文指标对水量、持续时间、淹没频率等系统进行描述。

代表方法有Tennant法、最小月径流法、7Q10法、Texas 法等。

为了便于对比分析，本文采用上述四种方法分别进行了生态需水量计算。

2.1.1 Tennant法Tennant法[4]也称Montana法，它假定河流流量是水系面积尺度、地形学、气候、植被和土地利用等特征的综合体现，年平均流量的各种比例与生态环境质量相关联。

因此，可根据历史流量记录，将多年平均流量的10％作为最小的河流生态需水量。

考虑到南方河流通常流量较大和水生生物物种与数量都较多，本文提出用河道多年平均流量的10％、20％、30％作为标准，分别计算河流生态需水量；通过三种标准计算结果对比分析后，从中选择某一标准作为河流生态需水控制流量。

2.1.2 最小月径流法该法一般以河流最小月平均实测径流量的多年平均值作为河流基本生态环境需水量，以维持水生生物的正常生长，并满足河流排盐、排沙、入渗补给与污染物自净能力等方面的需求。

一般采用河流每年中最小月平均实测径流量的多年平均值作为河流生态需水量，其计算公式为：8min()10nb ij iT W Q n −=×∑式中：b W 为河流生态需水量（8310m ）；ij Q 表示第i 年第j 个月的月均流量（3/m s ）；T 为换算系数，其值为631.53610s ×；n 为统计年数。

2.1.3 7Q10法该法[5]基于水文学参数，考虑水质因素，采用90%保证率最枯连续7天的平均水量设计值。

由于该标准要求较高，为此，中国相关技术中规定,一般河流采用近10年最枯月平均流量或90%保证率最枯月平均流量[6]。

2.1.4 Texas 法该法是在Tennant 法基础上进一步考虑了季节变化因素，根据各月流量频率曲线进行计算，将50％保证率下的月流量（中值流量）的特定百分率作为每个月的最小基本流量。

对于资料系列，本文用变异系数间接确定特定百分率。

变异系数由下式求出：Cv xσ=其中x 为平均值，σ为标准均方差。

对于变异系数较大的（大于等于0.3）的月份，自然抗变异能力较强，取中值流量的30％为最小生态需水量，对于变异系数较小的月份，自然抗变异能力较弱，取中值流量的90％为最小生态需水量。

2.2 水力学方法水力学方法是根据河道水力参数（如河宽、水深、断面面积、流速和湿周等）确定河流所需流量，代表方法有湿周法，R2CROSS 法等。

本文以湿周法研究生态需水量。

湿周法[7]假设保护好临界区域水生物栖息地的湿周，也是对非临界区域水生物栖息地提供足够的保护。

因此，可通过在临界水生物栖息地区域现场搜集河道的几何尺寸和流量数据，并以临界栖息地类型作为河流其余部分的栖息地指标，计算河流生态需水量。

具体计算方法是通过建立河道断面湿周和流量的关系曲线，依据该曲线确定突变点的位置，由此估算河流最小生态需水量推荐值。

该法适用于宽浅型河流。

3 汉江中下游河道生态需水量计算成果与分析汉江是长江最大的支流，发源于秦岭南麓，干流流经陕西，湖北两省，在武汉汇入长江，全长1570km,流域面积15.9万km 2,汉江干流丹江口以上为上游，丹江口至武汉汉口为中下游。

汉江中下游人口密集，经济发达。

丹江口水库建成后，洪峰流量大大削弱，中下游流量过程变得较为均匀平缓，变差减少，枯季流量增大，中长期延长。

由于水库清水下泄，引起河床冲刷，坝下游附近河段河床降低幅度大。

使同水位下的水位也相应降低。

特别是随着汉江中下游社会经济的发展和人口的大量增加，排入汉江的污染物增多，汉江水质恶化，使得浮游植物群落的多样性降低，河道中原有的生态平衡被破坏。

因此在借鉴国内外河流生态需水量研究的基础上，对汉江中下游河流生态需水量[8]进行分析，为水资源的规划管理提供了 依据。

图3.1 汉江中下游水文站示意图3.1 实例计算由于资料有限，本文仅以汉江中下游皇庄，仙桃，沙洋站三站的实测大断面资料、月平均水位、月最高水位、月最低水位等水文资料，来计算各站的河道内生态需水量。

下面以皇庄站95％频率水文年为例，来说明水力半径法估算河道内生态需水量的过程。

图3.2 皇庄站实测断面图根据前文所述的计算步骤，利用实测大断面资料、水位资料，即可求出不同水位条件下的河道过水断面的水力半径。

河道的糙率n,水力坡度J 一般为常数，如表3－1所示。

根据公式21321Q R AJ n=求出95％频率水文年下不同月份下的生态需水量，进而换算得年生态需水量，则可得皇庄站的生态需水量为3506/Q m s =生态。

表3.1 各水文站河道的水力参数水文站 糙率水力坡度皇庄 仙桃 0.0240.0310/1000008/100000沙洋 0.0259/100000利用上面计算的河道内生态需水量的耦合法，计算各站的生态需水量，结果如表3－2，3－3所示:表3.2 汉江中下游生态需水量（P=50%）(单位：m3/s)水文站 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 皇庄711 655698 923 111111501501145813801224 952 755沙洋746 679 732 971 1341 1407 2199 2241 1769 1537 1193 868仙桃460 452489 598 848958152314701292954 784 616表3.3 汉江中下游生态需水量（P=95%）(单位：m3/s)水文站 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 皇庄341 267291 377 480629952875693473 357 344沙洋315 250360 504 61858010651013710429 411 394仙桃248 180200 256 347489841722551361 285 265图3.3汉江中下游生态需水量时空分布图(P=50%)图3.4 汉江中下游生态需水量时空分布图（P=95%）根据汉江径流和生态系统特性，以每年的11～12月和次年的1～3月为枯水期，4～10月为丰水期。