汉江中下游最小生态需水及保证率研究

Study on the Minimum Ecological Water Demand and Guarantee Rate in the Middle and Lower Han River

摘要: 近年人为因素对河流径流量的影响越来越大，研究河流生态需水量显得尤为重要。为研究汉江中下游的生态需水，利用黄家港站、皇庄站和仙桃站三个水文站1974年至2022年的水文资料，采用Tennant法、流量历时曲线法和逐月最小生态径流法计算得到最小生态需水量，并根据丰水期40%、枯水期70%和平水期50%的保证率得到了适宜生态需水量。结果表明：皇庄站生态需水量最大，年最小生态需水量为198.65亿m³，年适宜生态需水量为364.04亿m³。同时，从上游到下游生态需水满足度降低，三个水文站丰水期最小生态需水量远大于枯水期。通过研究汉江中下游生态需水及保证率，可对后续生态保护及水资源配置提供一定参考。

Abstract: With the increasing influence of anthropogenic factors on river runoff in recent years, it is particularly important to study the ecological water demand of rivers. To study the ecological water demand in the middle and lower Han River, the hydrological data from 1974 to 2022 at Huangjiagang, Huangzhuang and Xiantao stations were collected. The Tennant method, flow duration curve method and the monthly mini-mum ecological runoff method were used to calculate the minimum ecological water demand, and the suitable ecological water demand was obtained according to the guarantee rate of 40% in the wet season, 70% in the dry season, and 50% in the normal season. The results show that from the ecological water demand of Huangzhuang station is the largest, the annual minimum ecological water demand is 19.865 billion m³, and the annual suitable ecological water demand is 36.404 billion m³. At the same time, the ecological water demand satisfaction decreases from upstream to downstream, and the minimum ecologi-cal water demand of the three hydrological stations in the wet season is much larger than that in the dry season. The study of ecological water demand and guarantee rate in the middle and lower Han River can provide some reference for the subsequent ecological protection and water resources allocation.

1. 引言

汉江流域在生态、经济、粮食等方面在湖北甚至全国都有着重要地位，对汉江生态需水量进行研究，对水资源利用和分配都具有重要意义。作为南水北调中线工程的水源地和汉江流域水资源开发利用的核心工程，丹江口水库扮演着至关重要的角色。根据工程规划，丹江口水库引调汉江流域约20%的年径流量，极大地影响了下泄流量 [1] 。维持河湖系统和谐及稳定所必须消耗的水量，即最小生态需水量，其减少直接影响到河湖生态系统的动态平衡和正常功能，进而对社会经济和生态环境的协调发展产生深远影响 [2] [3] 。

近年来，国内外研究人员采用多种方法研究河道的生态需水量。根据不同的研究角度，全球范围内有200余种方法可用于计算生态需水量 [4] 。主要有水文法、水力学法、栖息地模拟法和整体分析法，以及在上述方法基础上提出的水文生物分析法和生态水力半径法等。其中，水力学法不能体现季节性变化规律 [5] ；整体分析法需要广泛征求的专家意见和技术，对结果的人为影响较大。栖息地模拟法数据需求量大且操作复杂耗时，基于栖息地指标计算生态需水量，今后仍需进一步丰富指标与生态系统之间的机理研究 [6] ；生态水力半径法既集中了水文学和水力学法的优点，又考虑了水生物的生命周期，但该法需要利用低空遥感技术对河道断面进行测量，对技术要求较高，还需要得到典型河段关键物种数据，该数据的获取存在一定随机性和不确定性 [7] 。水文法是以水文指标为基础，来定义生态基流的一种方法，其操作简单易行、成本相对较低 [8] 。因此，本文采用水文法进行计算，所需数据采用水文站实测资料。

2. 研究区域概况

汉江流域(106˚12'~114˚35E, 30˚06'~34˚23'N)位于我国中部地区，是长江中游最大的支流，它的流域面积达159,000 km²，涵盖了鄂陕川渝甘五省共20个县 [9] 。作为湖北省甚至全国的主要粮食仓库，汉江中下游成为了汉江生态经济带的重要组成部分，而汉江不仅是该地区不可或缺的水源地，也是纳污最为严重的水体 [10] 。丹江口至钟祥为中游，河谷较宽，沙滩多，长约270 km；钟祥至汉口为下游，长约382 km，流经江汉平原，河道蜿蜒曲折逐步缩窄。汉江流域属亚热带季风区，气候温和湿润，雨量丰沛，同时由于季风气候的作用，降水量与径流年际与年内均存在较大差异。汉江中下游流域图见图1。

Figure 1. Watershed map of the middle and lower reaches of Han River

图1. 汉江中下游流域图

南水北调中线工程从汉江丹江口水库引水，设计年调水量130亿m³，为了补给汉江兴隆以下河段因南水北调中线工程引水而减少的水量，并改善该河段的生态、灌溉、供水、航运等用水条件，作为配套工程的引江济汉工程同步实施。引江济汉工程从荆州区李埠镇长江龙洲垸河段引水到潜江市高石碑镇汉江兴隆段，地跨荆州、荆门两地级市所辖的荆州区和沙洋县，于2014年9月正式开始供水 [11] 。汉江中下游水文监测站点完善，其中黄家港水文站建于1953年8月，是丹江口水库出库控制站，也是汉江干流丹江口段的重要水情站及中央报讯站，控制集水面积为95,217 km²，主要服务于丹江口水库调度及汉江中下游防洪预报 [12] 。汉江中下游的皇庄水文站以及仙桃水文站等控制性观测站点分布以及站点特征见图1和表1。

Table 1. Information of main hydrological stations in the middle and lower reaches of Han River

表1. 汉江中下游主要水文站点信息

3. 计算方法

3.1. Tennant法

Tennant法采用确定的多年平均流量的百分数为计算基础，将流量分为8个等级，该法认为：10%的平均流量可维持大多数水生生物的基本生存，30%~60%的平均流量可满足水生环境适宜生境需求，60%~100%的平均流量可维持水生生物的良好生境条件 [13] 。其计算公式为：

$W={\displaystyle \underset{2}{\overset{12}{\sum }}{Q}_i\times Z_i}$ (1)

式中：W为河道生态需水量，m³；Q_i为一年内第i个月多年平均流量，m³/s；Z_i为对应第i个月的推荐流量百分比，即多年平均流量百分比，%。

该法将一年分为4~9月的多水期和10月至次年3月的少水期两个计算时段，并将河流流量推荐值分为8个等级，见表2。

Table 2. Standards of river flow conditions

表2. 河流流量状况标准表

3.2. 逐月最小生态径流法

月最小生态径流法需要尽可能长的实测流量系列，每个站点的流量数据从1月至12月分为12组，每组的最小值被选作该月的最小生态需水量，这样就形成了各站点全年的环境需水过程 [14] 。该方法因把河流生态需水看作一个动态过程而比较适合实际情况。

3.3. 流量历时曲线法

该方法建立在至少30年的实测流量数据基础上，根据收集到的水文站月流量过程进行频率分析，每个月给一个代表流量，即月最小生态需水量为90%保证率月流量 [15] 。该方法可反映出径流年际及年内的不均匀性。

3.4. 适宜生态径流计算

适宜生态径流是指满足和维持河流生态系统稳定及保持物种多样性最合适的流量 [16] 。汉江流域汛期径流丰富，枯水期径流平稳，分别按照丰水期40%、枯水期70%、平水期50%的保证率，对汉江中下游适宜生态径流进行计算。根据历年流量情况，取7~9月为丰水期，11月~次年3月为枯水期，4~6月和10月为平水期。

某一条河流在某个特定时期所测得的河道实际流量大于生态需水阈值的序列长度与总序列长度的比值，即为其生态需水保证率 [17] 。满足度为河流实测径流量大于河流最小生态需水量的序列长度的比值。

$P_{ij}=D_{ij}/D={\displaystyle \sum \mathrm{sgn}\left(Q_{ijk}-Q_j\right)/D}$ (2)

$\mathrm{sgn}\left(Q_{ijk}-Q_j\right)=\{\begin{array}{c}1Q_{ijk}\ge Q_j\\ 0Q_{ijk}<Q_j\end{array}$

式中： $P_{ij}$ 为第i年j月的河流生态需水保证率，%； $D_{ij}$ 为第i年j月生态需水满足天数；D为第i年j月的总天数； $Q_{ijk}$ 为第i年第j月第k日的实测流量； $Q_j$ 为第i年j月生态需水量。

4. 计算结果及分析

4.1. 生态需水的时空分布

利用Tennant法计算黄家港、皇庄、仙桃三个水文站的生态需水量，结果如表3所示。汉江丹江口下游段黄家港水文站附近适宜生态需水量为98.58亿m³~197.05亿m³，最小生态需水量为32.92亿m³；皇庄水文站附近适宜生态需水量为130.38亿m³~260.61亿m³，最小生态需水量为38.62亿m³；仙桃水文站附近适宜生态需水量为111.89亿m³~223.78亿m³，最小生态需水量为37.24亿m³。4~9月径流量远超10~次年3月，同时段从黄家港到皇庄，再到仙桃，径流量先增大后减小，但仙桃水文站实测径流量仍比黄家港水文站大。

生态需水和径流量趋势类似，皇庄生态需水最大，黄家港生态需水最小，用流量历时曲线法计算出的最小生态需水量以及按丰、枯、平水期确定保证率的适宜生态径流见表4。从上游到下游满足度减小，适宜生态需水的保证率逐渐升高，该结果量化证明了南水北调中线引水工程的实施导致了汉江中下游环境用水需求的保证率和满足度下降，而引江济汉工程则能够显著提升汉江中下游环境用水需求的满足程度，从而带来明显的生态效益 [18] 。

Table 3. Ecological water requirement calculated by Tennant method

表3. Tennant法计算的生态需水量

Table 4. The ecological water demand guarantee rate of each hydrological station

表4. 各水文站生态需水量保证率

4.2. 调水前后生态需水对比分析

2014年南水北调中线开始运行，故把1974年~2022年三个水文站的实测数据分为1974年~2014年和2015年~2022年两个时段，对调水前后的最小生态需水进行对比分析。因调水后时间序列较短，不能满足流量历时曲线法的时间序列长度要求，综合考虑，选择Tennant法和逐月最小生态径流法的中间值作为最小生态需水量。

根据表4和图2的结果显示，从黄家港站到仙桃站，调水前后的年最小生态需水都是先升高再降低，皇庄站的年最小生态需水量最大，调水前月最小生态需水量最大值为11.54亿m³，调水后月最小生态需水量最大值为13.52亿m³；黄家港站的年最小生态需水量最小，调水前月最小生态需水量最大值为8.48亿m³，调水后月最小生态需水量最大值为8.95亿m³。

Figure 2. The minimum ecological water demand filling map of each hydrological station before and after water diversion

图2. 各水文站调水前后最小生态需水填充图

三个水文站1974~2014时段内的最小生态需水量均小于2015~2022时段，可看出南水北调中线引水工程对汉江中下游径流量存在一定影响。黄家港站和皇庄站调水前后最小生态需水量的最大值集中在7月和8月，仙桃站调水后最小生态需水量的最大值出现在了6月。黄家港站及皇庄站除9月外，其余月份调水后最小生态需水量均大于调水前，仙桃站7~9月调水前最小生态需水量大于调水后。三个水文站丰水期最小生态需水量均远大于枯水期。

4.3. 河流生态系统健康评价

表5为各水文站最小生态径流评价结果，计算结果不仅能够满足河流的最小生态需水要求，还能够体现河流的年内径流变化。根据Tennant法评价结果，在调水前，多水期的最小生态需水基本为“最小”，少水期的最小生态需水可达到“好”甚至“很好”。调水后，多水期评价结果基本为“最小”或“一般”，少水期为“好”或“很好”。调水后的评价结果好于调水前，可能是因为受到引江济汉工程的影响，调水后的几年水量情况较好，且时间序列过短，导致结果偏大，评价结果偏好。

三个水文站调水前的最小生态需水评价结果基本为多水期“最小”及少水期“好”；调水后多水期的评价结果出现“一般”，仙桃站出现了“好”，少水期评价结果均为“好”或“很好”。总体上看，仙桃站评价结果最好。

Table 5. The minimum ecological runoff evaluation results of each hydrological station

表5. 各水文站最小生态径流评价结果

5. 结论

通过上述采用Tennant法、逐月最小生态径流法和流量历时曲线法对皇家港、皇庄、仙桃三个水文站的生态需水计算分析，皇庄站径流量最大，生态需水量最大。从黄家港站到仙桃站，调水前后的年最小生态需水量先升高再降低，皇庄站的年最小生态需水量最大，黄家港站的年最小生态需水量最小。从上游到下游生态需水保证率逐渐升高，受到了南水北调引水工程和引江济汉工程的影响，调水后丰水期最小生态需水量大于枯水期。

因调水到现在时间序列较短，调水后的计算结果与长系列数值结果会存在一定差异。Tennant法以各月流量的同期均值对河流生态流量做评价，仍难以克服个别极端流量对整体结果的影响。逐月最小生态径流法计算结果相较于Tennant法偏大。

近些年人为因素对河流生态的影响越来远大，对生态需水进行计算分析可进一步掌握河流生态情况。希望通过上述对汉江中下游生态需水及保证率的研究，可对后续生态保护及调水提供一定参考。

基金项目

国家自然科学基金(51509273)；中南民族大学中央高校基本科研业务费专项资金资助(CZY20032)。