张小艳，于建栋，张 芮，王亮国，李 洁

(1.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省水利厅，甘肃 兰州 730000)

2020年水利部发布了《关于做好河湖生态流量确定和保障工作的指导意见》，明确指出河流生态流量是维系江河湖泊生态系统的基本要素，是控制水资源开发强度的重要指标，也是优化水资源配置的重要基础。保障和管理河湖生态流量对加强水资源开发利用和推进河湖生态保护修复具有重要意义[1- 3]，事关生态文明建设和水利改革发展的全局，因此生态流量保障与管理工作备受各界关注[4- 6]。西北地区生态环境脆弱，水资源开发利用程度高，出现河道生态流量难以保障、下游河道断流、生物多样性受损等严重生态环境问题[7- 10]。甘肃白龙江流域是长江上游的重点水源涵养林区和重要生态屏障，生态功能和地位十分重要。生态流量是河湖健康维系的重要条件，保护好流域内的生态环境，对于提高长江上游水源涵养能力、减少水土流失、维护生态系统平衡、促进区域经济发展具有十分重要的战略意义[11- 12]。

河湖生态流量是指为了维系河流、湖泊等水生态系统的结构和功能，需要保留在河湖内符合水质要求的流量(水量、水位)及其过程[13]。常见的生态流量计算方法主要分为水文方法，水力学法、栖息地法、综合法等4大类[14]，其中水文学方法原理简单，在有实测或还原长系列水文资料的前提下可以快速得到结果，尤其在资料缺乏地区具有优势[15- 16]，其主要的计算方法有：Tennant法[17]、NGPRP法[18]、基本流量法[19]、最小月平均流量法[20]、年内展布法[21]和近十年最枯月平均流量法[22]等。在多种可供使用的计算方法之中，不同的方法计算结论不尽相同。河流生态流量不是一个固定不变的值，而是一个与河流特性、河段位置和时段范围相关的量，倪晋仁等[23]认为确定河流的生态流量时应考虑分河段、分时段、效率最大化等原则。

本文选取白龙江流域上游段麻牙寺水文站(1967—1999年)、舟曲水文站(1967—1999年)逐月流量数据，综合运用Tennant法、NGPRP法、基本流量法、最小月平均流量法、年内展布法和近十年最枯月平均流量法6种水文学方法，分别计算白龙江上游相关断面每个月份的生态流量。通过合理分析，提出适合白龙江上游地区的生态流量。以期为白龙江上游的水资源开发、保护与生态治理提供科学依据。

1 研究区概况

1.1 白龙江上游概况

白龙江属长江水系，嘉陵江的一级支流，全长576km，流域面积3.28万km2，河道全长平均比降4.83‰，水资源较为丰富，年平均流量389km3/s。按河道性状和流域特点，将其划分为上、中、下游3段，其中上游段从发源地至舟曲县城，河长228km，属高原峡谷段[24]。

白龙江流域径流由雨水和地下水补给，主要由雨水补给，全年5—10月份为洪水期；枯水期为12月—次年4月份，白龙江径流年内、年际丰枯特征均比较显著。丰水期5—10月占全年径流量的比例最大为75%，1—2月流量最小[25]。

麻牙寺、舟曲站水文站处于白龙江上游，是国家基本测站，资料精度较高。理论上，生态径流计算应使用还原后的天然径流资料，但由于缺少白龙江上游的用水资料，无法进行还原计算。2000年之前白龙江干流上游虽然受到了人类活动的影响，但处于自身能够逐渐恢复的范围之内，实测径流资料可作为天然径流进行生态流量计算。因此本文选择麻牙寺、舟曲站水文站(1967—1999年)33年的同期实测逐月流量数据，水文系列中丰水年、平水年、枯水年组交替出现，可以反映流域的变化规律。由于河流空间特征的差异性，以这2个水文站为分界点分2段分别计算白龙江上游段生态流量。

1.2 白龙江上游梯级水电站开发情况

白龙江上游河段水资源开发程度较大，以发电为主，水电开发与生态环境保护之间的矛盾突出。白龙江干流上游尼什峡至沙川坝河段上规划有13级梯级水电站，自上而下依次为：尼什峡、卡坝班九、尼傲加尕、尼傲峡、九龙峡、花园、水泊峡、代古寺、巴藏、立节、喜儿沟、凉风壳、锁儿头[26]。确定河流生态流量既是保护河流生态系统的根本举措，又是开展梯级水库生态调度的重要依据。

2 研究方法

2.1 Tennant法

Tennant法也被称为蒙大拿法，属长系列水文学范畴。以长系列径流资料的多年各月平均径流量为依据，将年内各月分为枯水期、丰水期，通过分析Tennant法评估标准内推荐的流量占多年天然流量百分数，计算河道所需的生态流量，Tennant法评估标准见表1。

表1 Tennant法评估标准

已知麻牙寺水文站、舟曲水文站多年各月平均流量，全年分为年内较枯时段和年内较丰时段，依据Tennant法评估标准，取年内较枯时段(11月—次年4月)径流量的10%作为河道正常健康的最小流量；年内较丰时段(5月—10月)取的年平均流量的30%作为生态流量。

2.2 NGPRP法

NGPRP法以长系列水文年中的平水年组为主要研究对象。将已知的长系列水文年段分为丰水组、平水组和枯水组；对平水组进行排频，取90%保证率的年内各月径流量作为河段的生态流量。

2.3 基本流量法(Basic Flow Method)

基本流量法考虑了河流的季节性和非季节性。选取多年径流资料中各年内的最小流量，组成一个系列；将此系列按顺序编号，计算相邻两编号之间的流量变化差值，最终取流量变化差值最大处的径流量作为河段的生态流量。

2.4 最小月平均流量法

最小月平均流量法是将长系列水文年份中各年内最小月平均实测流量的多年平均值作为河段的生态流量。最小月平均流量法计算公式为：

(1)

式中，Qb—坝后减水河段的生态需水量，108m3；Qij—第i年的第j月平均流量，m3/s；T—换算系数31.536×106；n—长系列水文资料的年份总数。

2.5 年内展布法

年内展布法也属长系列水文学法，以主要研究的河道历史长系列径流资料为依据，引入多年平均流量和最小年平均流量的同期均值比(η)，通过此值同需要计算的河道生态流量建立联系，进而确定河段生态流量的值，计算步骤如下：

(2)求得多年平均流量和最小年平均流量的同期均值比(η)。

(2)

(3)最后利用同期均值比，确定河段生态流量的值(Qi)。

(3)

2.6 近十年最枯月平均流量法

将长系列历史多年径流资料由远及近排列，取近十年每年内最枯月径流量，将十个月份径流量求取均值，作为河段的生态流量。

3 结果分析

3.1 生态流量计算结果

应用以上6种水文方法分别对麻亚寺水文站和舟曲水文站1967—1999年的逐月流量数据进行生态流量计算，所得结果如图2所示。

图1 各方法计算得生态流量值

从全年来看，2个水文站断面用6种水文学方法计算结果规律基本一致。Tennant法、近十年最枯月平均流量法、最小月平均流量法这3种方法计算出的生态流量较为相近，其中Tennant法计算结果最低；NGPRP法和基本流量法计算的结果相近，并且在枯、汛期计算结果差距很多，基本流量法计算结果相比其他方法偏高。按月份分析，11月—次年4月，这6个月份(即枯水期)由6种水文学方法计算出的生态流量差距较小；5—11月(即丰水期)由6种方法计算的生态流量差距较为明显。原因是不同的计算方法考虑的侧重点不同，有些方法偏向取多年径流平均值，如Tennant法；有些方法侧重平水年，如NGPRP法；有些水文学方法侧重枯水月份时段，如最小月评价流量法、近十年最枯月平均流量法；年内展布法既考虑多年平均又兼顾枯水月。

年内展布法最吻合麻亚寺、舟曲水文断面处月径流变化规律，这与贾子烨[27]对湑水河流域梯级水电站生态流量研究得出的结论一致。基本流量法、NGPRP法计算结果出现部分时段大于多年月平均流量，白龙江上游水电站开发程度高，此两种方法计算结果作为生态流量对于白龙江上游适用性较低。

3.2 生态流量分析

3.2.1生态流量满足程度分析

河湖生态流量满足状况采用月均满足程度进行评价。各月径流量数值大于各月生态流量值的的月份数与长系列径流年份总数的比值即为生态基流满足程度，计算结果如图2所示。

图2 生态基流满足程度

结合水利部水利水电规划设计总院《关于印发2019年重点河湖生态流量(水量)保障实施方案编制及实施有关技术要求的通知》要求，确定重要河湖生态流量(水位)目标的设计保证率为90%。

基本流量法计算结果的满足程度在麻亚寺、舟曲断面均远小于90%，NGPRP法计算结果除舟曲断面1—3月外其余时间的满足程度也均远小于90%，这与上述生态流量分析结果一致。近十年最枯月平均流量法、最小月平均流量法计算结果在丰水期满足程度超过90%，但在枯水期满足程度不足90%。年内展布法计算结果的满足程度舟曲断面在枯水期和丰水期均超过90%，麻亚寺断面枯水期满足程度不足90%，但在丰水期满足程度超过90%。Tennant法计算结果在麻亚寺断面和舟曲断面的满足程度在枯水期和丰水期均超过90%。

3.2.2经济效益分析

白龙江上游河段水资源的高程度开发[26]，其主要任务为发电，部分水电站坝址所处地理位置相对特殊，水电站所属河段梯级开发，正常蓄水位与上一级电站尾水相接，且该水电站的任务为发电，故原河道的径流量、发电引用流量和坝后脱水河段所需的生态流量在一定程度上会影响水电站的经济效益。因此，可用生态流量占引用发电流量的百分比进行分析经济效益。

本文研究的河段(麻亚寺-舟曲)，可取尼傲加尕水电站(引用流量63.3m3/s)和立节水电站(引用流量159m3/s)为典型水电站，计算生态流量占引用发电流量的百分比进行分析经济效益。计算结果如图3。

图3 生态流量占引用发电流量的百分比

由图3分析可知，NGPRP法和基本流量法的计算结果占引用发电流量的百分比较高，对坝后减水河段内生物种群的生存具有良好的保护作用，对水电站的经济效益不太有利。

Tennant法、最小月平均流量法、年内展布法和近十年最枯月平均流量法的生态流量占引用发电流量的百分比较低。

4 讨论与结论

4.1 讨论

王煌[28]通过对山区小水电站减脱水河段生态需水量计算认为最小月生态径流法计算的生态流量最为合理且能够反应丰枯变化。徐刚等[29]采用最小月平均流量法、近十年最小月平均流量和Tennan法中计算结果的最大值作为拉洛坝址下游的初始生态基流。姚云泽等[30]认为在北方水资源量相对较少的区域可优先使用Tennant法、近十年最枯月平均流量法确定其生态流量。季小兵等[31]基于开都河大山口水文站1960—2018年的实测径流数据分析Tennant法的计算结果作为开都河生态流量最为适宜。宋增芳等[32]认为NGPRT法和改进年内展布法的计算结果进行耦合更适合黑河干流引水式水电站最小生态流量。不同的水文学方法研究生态流量的侧重点不一样，不同流域生态流量适用的水文方法也有差异。甚至同一河流汛期和非汛期生态流量也不同，导致生态流量研究存在较大差别，河流生态流量无法用统一的标准衡量。应根据不同地区的实际情况，采用多种不同的计算方法，确定适合本流域的生态流量[33- 34]。

由图3—4分析可知，NGPRP法和基本流量法的满足程度较低，且生态流量占引用发电流量的百分比较高。Tennant法、最小月平均流量法、年内展布法和近十年最枯月平均流量法的满足程度较高，且生态流量占引用发电流量的百分比较低。单一的水文方法计算生态流量具有局限性，对于水资源开发利用强度较大的河流来说，应该考虑分河段原则，分时段原则，效率最大化原则等多个原则，在考虑满足河流各项基本功能的同时，应注意水资源利用效率的最大化，减少水资源的浪费，且不同河段对应的河流生态流量也会有较大差别。按照丰增枯减的原则实行动态调整。坚持生态优先、绿色发展的新理念，正确处理河湖开发利用与保护的关系，优先保障生态流量。

4.2 结论

(1)白龙江上游麻牙寺水文站断面11月至次年4月生态流量可以按照年内展布法的计算结果取10.6～16.5m3/s；5—10月的生态流量按照最小月平均流量法计算结果取16.5m3/s。

(2)舟曲水文站断面11月至次年4月生态流量可以按照年内展布法的计算结果取7.66～11.75m3/s；5—10月的生态流量按照最小月平均流量法计算结果取27.47m3/s。