曹涛涛，李燕磊，余 菁，王文鹏，邹 鉒，涂龙杰，唐 明，3

（1.江西省水文监测中心，江西 南昌 330038； 2.南昌工程学院 水利与生态工程学院，江西 南昌 330099；3.江西省水文水资源与水环境重点实验室，江西 南昌 330099）

0 引 言

受全球气候变化与区域社会经济快速发展的双重影响，河道断流、湖泊萎缩等问题时有发生。保障河湖生态流量（水位），直接关系到河湖生态平衡的维持，是保护河湖生物多样性的客观需要，也是贯彻落实“人与自然和谐共生”理念的具体体现［1，2］。21世纪以来，我国关于河湖生态流量的保障工作不断加强；特别是十八大以来，水利部以习近平生态文明思想为指导思想，积极践行“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路，坚持“人水和谐绿色发展、合理统筹三生用水”的工作原则，着力解决损害水生态的突出问题，河湖生态环境得到初步改善。

确定河湖生态流量是水资源开发利用、节约保护、配置调度管理的重要基础性工作［3］。近年来，为切实加强东江生态流量保障工作，维系和改善河流生态环境，珠江水利委员会依据有关政策法规，于2020年10月制定并下发了《东江生态流量实施方案》；就流域内的河道生态基流计算，推荐了8种水文学方法。

目前，生态基流尚没有统一的定义；不同学者根据研究对象的具体情况，提出了众多与河道生态基流研究相关的概念。20世纪40年代末期，美国率先在西部开始河流生态基流的估算；20世纪70年代，估算方法进入快速发展期；至今，已经形成一批相对成熟的计算方法［4］。根据Tharme统计，有近50个国家提出超过200种河流生态流量计算方法［5］，常用的生态流量计算方法有水文学法、水力学法、生境模拟法和整体分析法［6］。其中，具备“无需到现场进行测量，简单方便，对数据的要求比较低”等优势的水文学方法，得到较为广泛的使用［7］。阿金寰等以倭肯河中下游为例，探求Texas方法在东北地区河流的适用程度，认为Texas法的中基流和高基流方法都充分考虑了加强河流生态修复的功能，目标设置过高，在丰水年都很难完全满足［8］。葛金金等综合考虑了沙颍河水量需求、水文节律和满足率3个因素，认为在计算季节性河流生态流量时，Lyon法、Tess‐man法和月动流量法较Tennant法等有显著的优势［9］；陈荣等也推荐月流量变动法作为南汀河生态流量的计算方法［10］。解莹等通过6种水文学方法的比选，提出最适合阿什河生态流量计算的是Tennant法，并认为Tennant法计算简单，适用于北温带、常年性河流的生态需水，但该方法对河流年内水量的季节性变化考虑不全面［11］。周明通等研究了克里雅河生态基流，认为QP法、最枯月平均流量法和典型水文频率年法均不适用于该研究区［12］。

上述计算方法多为国外引进，不同的估算方法有其适用条件和范围［13］，还没有形成一套比较完整的被普遍认可的适合我国国情的河道内生态需水计算方法；应当根据当地的实际情况来选用合适的计算方法。

本文旨在通过东江小流域的生态基流的逐月计算与对照分析，在水利部珠江水利委员会推荐的8种生态基流计算的水文学方法当中，寻找一个最适合东江小流域的生态基流计算方法，以减轻南方丰水型地区其他类似小流域生态基流方案优选的工作量。

1 数据与方法

1.1 研究区域与数据来源

1.1.1 研究区域

东江，在龙川县合河坝以上称寻乌水，汇入贝岭水后始称东江，系珠江水系干流之一；自东北向西南流经江西、广东两省，于广州市黄埔区汇入狮子洋，集水面积35 340 km2，河长562 km，平均年径流量2.57×1010m3。

本文的研究范围为东江（江西段）的2个小流域（如图1所示），右侧寻乌水为东江水系主流，主要控制断面为水背站；断面位于东经115°40'39.6″、北纬24°47'57.2″，地处寻乌水河口上游31 km，集水面积987 km2；左侧定南水为贝岭水的上游水系，主要控制断面为东江水系一级支流九曲河上的胜前（二）站，断面位于东经115°11'50.6″、北纬24°52'01.2″，集水面积751 km2。

图1 东江（江西段）流域水系图Fig.1 Dongjiang （ Jiangxi section ） basin hydrographic chart

1.1.2 数据来源

采用江西省水文局提供的相关断面流量监测数据与还原计算成果。寻乌水的水背水文站多年逐日实测流量系列为1980-2019年（期间，1993-2008中断监测）；定南水的胜前（二）水文站多年逐日实测流量系列为1976-2019年。

1.2 生态基流计算方法的优选

1.2.1 生态基流计算中常用的水文学方法

在水文学法中，Tennant法是应用频率最高的方法。该法是由美国专家Tennant和美国渔业野生动物协会于1976年共同开发的一种标准设定法，该方法考虑了临近栖息地、水力学和生物学因素，采用河流年平均流量的百分比作为河流最小推荐流量；需要结合当地河流管理目标，分析选定的百分比是否符合当地河流情况，并予以调整。

此外，代表性的水文学方法还有Q95（95%保证率下的最枯流量）、月流量变动法等。Q95法的应用也非常广泛，如英国、保加利亚、澳大利亚和中国台湾省常采用Q95法［14］。月流量变动法，是一种基于月均流量的生态基流算法，由AV Pasto与F Ludwig共同提出；在枯水期时，将月平均流量的60%分配给生态基流量［15］。

《东江生态流量实施方案》中推荐的8种用于生态基流计算的水文学方法为Tennant法、最枯月均流量法、Q95法、Smakhtin法、Lyon法、Tessman法（改进的蒙大拿法）、Texas法以及月流量变动法，具体计算方法如表1所示。基于断面长序列日均流量样本绘制理论概率曲线，得出与95%保证率相对应的日均流量。

表1 生态基流计算方法Tab.1 Calculation method of ecological basic flow

1.2.2 生态基流计算方法的优选步骤

基于水背、胜前（二）两个水文站的流量监测数据与还原计算成果，按照上述8种方法，分别计算出两个控制断面的逐月生态基流成果（以下简称“常规方案”）；基于不同方法在研究区域适应程度的经验判断（层次分析法），或其得出的基流成果自身蕴含的信息特征（客观权重法），赋予它们相应的权重，从而综合利用8种方法的计算成果得到控制断面的理想生态基流（年内逐月分配过程，以下简称“理想方案”）；通过“常规方案”与理想方案贴近度的比较，优选出1个最适合东江小流域的生态基流计算方法。

（1）生态基流的理想方案计算。基于上述8种方法分别得出相应的断面逐月生态基流成果，构建指标矩阵D=(dij)m×n（其中m代表生态基流计算方法，n代表月份）；再对8种生态基流计算方法赋予相应的权重，得到“方法权重”向量Wm，计算生态基流理想方案Tn，Tn中各元素tj为：

式中：wi为Wm的元素；dij为D的元素；i∈(1，m)；j∈(1，n)。

（2）方案贴近度的计算。生态基流理想方案是一个年内径流分配过程；计算“常规方案”与理想方案的贴近度，需要综合考虑12个月的差异。

首先，逐月计算8个“常规方案”与理想方案月均流量的相对距离，构建相对距离矩阵Y=(yij)n×m；再对12个月的相对距离赋予相应的权重，得到“距离权重”向量Vn，计算“常规方案”与理想方案的综合距离Em，Em中各元素ei为：

式中：vj为Vn的元素；yij为Y的元素。

其次，基于综合距离Em构造贴近度Pm，Pm中各元素pi为：

pi∈[0，1]，当pi最趋近1时，其对应的常规方案与理想方案的贴近度最佳，也就是优选出的东江小流域生态基流计算方法。

1.3 权重的计算方法

权重的计算，一般可分为主观赋权法和客观赋权法。其中，主观赋权法有层次分析法（AHP）、直接构权法和极值迭代法等；客观赋权法有熵权法、独立性权重法、CRITIC（Criteria Im‐portance Though Intercrieria Correlation）法、均方差法和极差法等［16］。选用目前在各个领域得到广泛应用的主、客观赋权法：层次分析法和CRITIC法，进行权重计算的比较分析。

1.3.1 层次分析法

AHP是美国运筹学家萨蒂提出的一种层次权重决策分析方法，将研究对象作为一个系统，按照分解、比较判断、综合的思维方式进行决策，是系统分析的一个重要工具。另外，它不是把所有指标放在一起比较，而是两两相互比较，并且通过一致性检验，以提高准确度。具体步骤如下：

（1）构建判断矩阵A（方阵），可以表示为：

式中：aij代表因素i比因素j重要性比较结果，取值为1、3、5、7、9，分别对应同等重要、稍微重要、较强重要、强烈重要和极端重要，当重要性介于上述结果之间，则取值为2，4，6，8；aji=1/aij。t为指标个数。

（2）矩阵A的一致性检验。为确保构建的判断矩阵合理，进行一致性检验；若判断矩阵不能通过一致性检验，则需重新设计判断矩阵。

（3）权重的计算。对经过一致性检验的判断矩阵进行相应处理，即可得到指标对应的权重Wj。具体的处理方法包括特征值法、算术平均法和几何平均法。

1.3.2 CRITIC权重法

CRITIC权重法也是一种客观赋权法，同时考虑指标内部数据的波动性（对比强度）和指标之间的冲突性（相关性）。使用标准差表示“对比强度”，数据标准差越大，说明波动性越大，权重就越高；使用相关系数表示“冲突性”，指标之间的相关系数值越大，说明冲突性越小，权重也就越低。计算步骤如下：

（1）构建评价指标矩阵并作归一化处理（同熵权法）。

（2）计算评价指标内部数据的波动性：

（3）计算评价指标之间的冲突性：

式中：rkj表示第k个指标(k≠j)与第j个指标的相关系数。

（4）计算评价指标的信息承载量Cj：

（5）计算权重Wj：

2 结果与讨论

2.1 常规水文学方法的计算结果分析

根据水背和胜前（二）水文站的逐日实测平均流量计算不同时间尺度的还原流量，分别采用前述8种生态基流计算方法，得出2个断面的年度生态基流过程，如图2所示。

图2 生态基流成果Fig.2 Ecological base flow results

图2显示，8种水文学方法得出的生态基流成果差异很大，Texas法、Lyon法、Tessman法、月流量变动法得出丰、枯期流量差距明显；其他4种方法丰枯期则没有明显差异，其中，最枯月平均流量法与Q95法得出的年度生态流量过程没有变化（月均生态流量相同）。

从每月生态基流计算成果来看，不同方法在丰水期的成果差异更大，详情见图3。

2.2 不同权重计算方法的结果与比较分析

基于前述8种方法在研究区域的适应度判断，采用层次分析法对8种生态基流计算方法进行主观权重赋值。综合相关文献对各种方法适应性评价，以及8种生态基流计算方法得出的结果，构建判断矩阵A：

对矩阵A进行一致性检验。判断矩阵A的最大特征根λmax为8，对应的特征向量为（0.39，0.10，0.77，0.19，0.19，0.10，0.10，0.39），CI=0，CR=0，通过一致性检验。对特征向量进行归一处理，得出每种方法对应的权重值Wj，详情见表2。

继而，基于前述2个断面的年度生态基流成果自身蕴含的信息特征，采用CRITIC法［公式（5）～（8）］对8种生态基流计算方法进行客观权重赋值，得出8种计算方法对应的“方法权重”如表2所示。

可以看出，作为主观赋权的AHP法，人们首先可以基于不同生态基流计算方法的特点、以及它们在当地的适应性，通过两两比较来确定各种方法的重要性，从而构建判断矩阵；其次，可以通过一致性检验，提高人们判断方法重要性的准确度。

作为客观赋权的CRITIC法，可以综合考虑指标内数据集的信息丰度与指标间的数据相关性；计算结果完全依赖于指标自身信息，不受人的主观因素影响。但是，受数据本身结构的影响，可能导致部分对象无法赋权。比如表2中的X5、X6指标，年内各月生态流量都相等，计算过程中会出现分母为零的现象，无法得到权重；从而导致这2种方法不能参与到生态基流理想方案的计算当中。因此，为了综合利用8种水文学方法的计算成果，本文采用AHP法计算“方法权重”向量Wm。

在方案贴近度计算时，“常规方案”与理想方案的12个月份生态流量距离中不存在单值问题，月内的信息量差异和月际之间的相关性均可以计算；因此，选择CRITIC法计算“距离权重”向量Vn。

2.3 生态基流计算方法的优选与分析

2.3.1 基于层次分析法的生态基流理想方案

分别根据2个断面的8种生态基流计算成果，以及采用层次分析法计算“方法权重”向量Wm，得出相应断面的年度“理想方案”生态基流过程（见表3）。

表3 基于层次分析法的理想方案计算结果Tab.3 Ideal scheme calculation results based on Analytic Hierarchy Process（AHP）

2.3.2 基于CRITIC的贴近度计算

在得出上述生态基流理想值Ij之后，分别计算8种生态基流计算成果与理想值之间的相对距离，得到相对距离矩阵Y；采用CRITIC法得出“距离权重”向量Vn（表4）；继而计算出8种生态基流计算方法与理想方案的贴近度Pi（表5）。

表4 东江小流域“距离权重”一览表Tab.4 Dongjiang small basin “distance weight” list

表5 东江小流域8种水文学方法结果与理想方案的贴近度Tab.5 Closeness between eight hydrological methods results and ideal scheme in Dongjiang small basin

两个断面的生态基流贴近度计算结果均显示，“月流量变动法”成果是最贴近理想值的方案，可以作为东江小流域的生态基流计算方法。

2.3.3 推荐方案的适应性分析

本文推荐的月流量变动法得出的结果，与理想方案的保障程度基本一致（见表6）。但是，月流量变动法计算过程简洁明了，不涉及频率计算与逐日流量还原，计算工作量较小。首先基于月均流量对所有月份进行丰、平、枯的判断；继而选择不同的生态基流比例，丰水期，将月平均流量的30%分配给生态基流量，平水期，分配45%，枯水期，则分配60%。

表6 东江小流域不同基流方案的保障程度 %Tab.6 Guarantee degree of different base flow schemes in Dongjiang small basin

寻乌水月平均流量总体水平较高，没有低于“枯水月”标准的月份，生态基流按照丰水与平水的标准设置；每个月的生态基流保障程度均较高，10月至次年3月的保障程度均达到98%以上。另外，由于定南水1、11、12共3个月份的平均流量低于“枯水月”标准，生态基流就取月平均流量的60%，比寻乌水的45%高，相应的保障程度也更低（详情见表6）。

本文推荐的方案是按照“生态用水优先”的原则来计算的，未考虑沿线生活、生产用水的影响；若考虑沿线生活用水需求，生态用水的保障程度还会进一步降低。因此，东江小流域，特别是定南水，需要加强蓄水工程的建设与管理水平，提升河道水量调节能力；同时，如何适度压减枯水年份的“生态、生产、生活”用水量，也是一项亟待解决的问题。

3 结 论

以东江小流域的寻乌水与定南水为研究对象，基于水背、胜前（二）两个监测断面的历史流量数据与还原计算成果，对水利部珠江委推荐的8种生态基流水文学计算方法进行了分析，得出如下结论。

（1）8种水文学方法得出的生态基流成果差异很大，Texas法、Lyon法、Tessman法、月流量变动法对丰、枯期流量要求差异明显；其他4种方法对丰枯期的流量需求没有明显差异，最枯月平均流量法与Q95法全年只得出一个生态流量。

（2）部分生态基流方案采用全年一个标准，信息单一；采用CRITIC等客观权重法，无法得出权重；因此，在计算生态基流理想方案时，宜采用基于层次分析法的主观赋权法计算“方法权重”向量，从而可以综合利用8种水文学方法的计算成果。

（3）在珠江委推荐的8种生态基流水文学计算方法当中，月流量变动法更适合东江小流域的生态基流计算；在其他具有“水文相似性”的南方丰水型地区，进行小流域河流生态基流计算时，建议采用月流量变动法，以减轻生态基流计算方案比选的工作量。