中國河流分區分類生態基流占比閾值確定

劉歡，胡鵬，王建華，張璞，楊澤凡，曾慶慧

（中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038）

生態基流是指維系和保護河流的基本生態功能不受破壞所必須保留在河道內的最小流量［1-2］。相關研究可追溯到20世紀40年代初的河道枯水流量（low flow）、河道基流（base flow）等［3］。英國在1963年《水資源法》中提出了“可接受最低流量（minimum acceptable flow）”，并將其確定為流量歷時曲線中95%頻率時的流量，此概念在歐洲較為流行［4-5］。美國在生態用水方面建立了最小流量制度，強制要求確保河道內必要的基礎流量，通常采用7Q10法得到［6］。西班牙《水法》要求水資源利用過程中必須考慮“最小河道內流量（minimum instream flow）”，粗略選擇多年平均流量的10%［7］。目前生態基流的概念有多種術語表達，但內涵基本一致［8］。通過保障生態基流，河流可維持一定的河寬、水深和流速，一方面保持河流基本形態和輸水廊道穩定，另一方面滿足水生生物短時間生存所必需的瞬時低流量需求。歸納來看，關于生態基流的計算方法已有數百種，一般分為水文學法、水力學法、棲息地法和整體法［9-11］。然而，采用不同方法得到的結果差異很大，難以有效支撐河流生態基流的確定和管理［12-13］。斷面生態基流占其多年平均天然徑流的百分比（簡稱“生態基流占比”）是反映生態基流適宜性的重要指標。Tennant［14］對美國中西部11條河流開展野外調查，建立了河寬、水深、流速等與流量的關系，提出河流生態基流占比在枯水期應達到10%，汛期達到20%或30%。這一生態基流占比閾值簡潔直觀，受到廣大學者和管理者青睞，常被用于檢驗或修正生態基流計算結果，并將其移植到缺（少）資料地區［15-16］。但是，我國幅員遼闊，河流徑流情勢差異性顯著，生態基流水平（以生態基流占比值的大小表征）有明顯差別。此時，采用統一的標準難以適應不同地區、不同類型河流斷面生態基流保障目標的科學制定。近年來，人們［17-18］開始關注河流生態流量的分區分類研究，但大多處于理論探討階段?？紤]同分區、同類型多條河流之間，水文生態特征存在的相似性和差異性特點，分析提出包含上限值、下限值和推薦值的分區分類生態基流占比閾值體系?；谖覈?39個斷面1956—2018年長系列天然與實測流量資料的分析，綜合考慮斷面徑流大小、年內變化是否劇烈、是否受控制性水利工程調控等多方面因素，確定10個水資源一級區，小、中、大不同集水面積河流斷面的生態基流占比閾值，為新時期我國河流生態基流保障目標的科學制定和調控保障提供參考。

1 研究方法與數據來源

1.1 基本思路

根據ELOHA框架等成果，通過對河流的合理分區分類，同分區同類型河流的生態基流水平大致相當，處于一個較小的區間范圍內［19-20］。為定量表征河流生態基流水平的區間分布特征，提出一套由上限值、下限值和推薦值構成的閾值體系，以替代傳統的單一標準。其中，上限值和下限值分別代表了同類型河流斷面生態基流保障目標的最高和最低控制標準。對于某一類型河流來說，其生態基流保障目標宜控制在相應上限值和下限值形成的區間內。參考代表性斷面生態基流占比數據序列的最小值和下四分位值確定下限值，參考最大值和上四分位值確定上限值。由此，可一定程度上降低由于代表性斷面生態基流占比數據分布不均或個別斷面數據異常（過高或過低）造成的結果偏差。同樣，推薦值參考代表性斷面生態基流占比數據序列的中位值和平均值綜合確定，反映了同分區同類型河流斷面生態基流水平的集中分布情況，結果可以作為缺資料河流斷面生態基流保障目標制定的依據。

此外，考慮到控制性水利工程對河流徑流“削峰補枯”的調節作用，生態基流占比閾值按是否有控制性水利工程進行調控分別設置。對于無控制性水利工程調控的斷面，主要以河流生態基流天然水平（即天然來水條件下的河流生態基流水平，下同）作為閾值確定依據；對于受上游控制性水利工程調控的斷面，綜合生態基流天然水平以及工程調控后的生態基流保障現狀作為閾值確定依據。

1.2 方法流程

1.2.1 河流的分區分類

目前，有學者［21-22］考慮生態功能、水資源稟賦、氣候特點等在空間上的差異及其對河流的影響，將河流劃分為不同類型。立足河流生態基流特點和保障需求，從水資源綜合管理的角度出發，考慮水系完整性和水文節律相似性，參照10個水資源一級區進行河流的分區?；诤恿鞣謪^，根據河流集水面積大小，以集水面積達到2 000 km2、10 000 km2作為分類節點，分別將河流劃分為小、中、大3種類型。集水面積數據直觀易獲取，是推求無資料地區河流多年平均天然徑流大小的重要參數，有利于水文資料缺乏地區的河流生態基流保障目標的制定。

1.2.2 代表性斷面選擇與生態基流目標核算

選擇我國331條河流439個有長系列水文資料的斷面作為代表性斷面，見表1。用于分析的數據包括斷面1956—2000年逐月天然和實測流量、2006—2018年逐日實測流量。其中，1956—2000年流量數據來自全國第二次水資源調查評價成果，2006—2018年流量數據來自歷年水文年鑒。

表1 439個代表性斷面的基本信息Tab.1 Basic information of 439 representative hydrological sections across the country

針對宏觀尺度的河流生態基流計算，水文學法在資料獲取和應用普適性上有明顯優勢。其中，Qp法（不同頻率最枯月平均值法）能充分反映徑流年際、年內豐枯變化特性及其對生態基流的影響。因此，選擇Qp法計算代表性斷面生態基流及其占比。根據新時期河湖生態流量管理要求，生態基流的保證率應不小于90%，原則按日均流量評價［23］。同時，《河湖生態環境需水計算規范》（SL／Z 712—2021）建議“95%或90%保證率年最枯月平均流量”作為生態基流［24］。綜上，生態基流采用90%保證率最枯日均流量?？紤]到逐日天然徑流數據很難獲取，采用95%保證率最枯月均流量近似代替。

1.2.3 無控制性水利工程調控斷面生態基流占比閾值確定

首先，將全年劃分為枯水期和非枯水期。然后，根據枯水期和非枯水期的徑流序列，分別計算斷面1956—2000年逐月天然徑流過程的Q95值（記作，將其作為無控制性水利工程調控斷面年內不同時期的生態基流。其中：松花江區和遼河區以11月—次年4月為枯水期；其余水資源一級區以12月—次年3月為枯水期。

分區分類統計代表性斷面天然來水條件下生態基流占比的特征值，進而確定斷面生態基流占比的上限值、推薦值和下限值。

式中：Vu、Vr、Vd分別代表斷面生態基流占比的上限值、推薦值和下限值；Fmax、F25、Fave、F50、F75、Fmin指同分區同類型代表性斷面生態基流占比最大值、上四分位值、中位值、平均值、下四分位值和最小值。

同時，考慮到集水面積越大，徑流越穩定，在確定閾值時遵循大型斷面不低于中型斷面、中型斷面不低于小型斷面的原則，對閾值結果進行微調。

1.2.4 控制性水利工程調控斷面生態基流占比閾值確定

梳理斷面上游控制性水利工程建設情況，對比在現狀與天然來水條件下代表性斷面生態基流占比，篩選有工程調控并對生態基流的提高發揮了正向作用的斷面。篩選標準如下：

其中

式中：PR和PN分別為斷面現狀和天然來水條件下的生態基流占比，%；為1980—2018年逐月實測徑流Q95值，m3／s；為2006—2018年逐日實測徑流Q90值，取兩者較大值代表斷面生態基流的現狀水平，m3／s；Q0為斷面1956—2000年系列多年平均天然徑流，m3／s。

在時段上，同樣將全年按照枯水期和非枯水期，采用斷面現狀來水條件下生態基流占比的特征值，計算相關閾值，方法同流程④。

閾值確定方法流程見圖1。

圖1 河流生態基流占比閾值的確定方法流程Fig.1 Schematic diagram of the method for determining the proportion thresholds of ecological base flow

2 結果與討論

2.1 代表性斷面天然生態基流占比

不同地區、不同集水面積的河流斷面之間，天然來水條件下的生態基流占比差異顯著，結果見表2和圖2。松花江區、遼河區、淮河區和東南諸河區河流生態基流占比較低，枯水期均值多低于5%，非枯水期均值也不超過10%。特別是淮河區，在非枯水期的生態基流占比仍不足5%。黃河區和西南諸河區河流生態基流占比較高，中型、大型斷面生態基流占比基本超過10%，其中黃河大型斷面在枯水期和非枯水期的生態基流占比均值分別為16%和31%，是淮河同類型斷面的6～8倍。海河區、長江區和珠江區生態基流天然水平相近，多分布在5%～15%。

圖2 代表性斷面天然生態基流占比箱形分布Fig.2 Box plot of the proportion of natural ecological base flow in representative sections with different scales in different watersheds of China

表2 代表性斷面天然生態基流占比的分區分類統計均值Tab.2 Average values of the proportion thresholds of natural ecological base flow in representative sections with different scales in different watersheds of China

斷面生態基流水平隨集水面積增加整體呈上升趨勢。全國小、中、大型斷面枯水期生態基流占比均值分別為4.4%、7.3%和9.7%，非枯水期均值分別為8.4%、11.1%和17.4%。在天然來水條件下，不同分區之間，集水面積差異對生態基流水平的影響程度有一定區別。對比小型和中型斷面的基流占比均值，兩者在海河區、淮河區、東南諸河區、珠江區差別不大，但在遼河區、長江區、西北諸河區變化顯著。

2.2 無控制性水利工程調控斷面的生態基流占比閾值

在沒有控制性水利工程調控時，全國小型、中型、大型河流斷面生態基流占比在枯水期時分區平均推薦值分別為4.4%、6.6%和9.2%，而在非枯水期分別為9.4%、11.6%和16.2%，見表3和表4。其中，松花江區小型、中型斷面枯水期推薦值為0，這表明該區集水面積在10 000 km2以下的河流在枯水期受冰封影響一般會出現天然斷流現象。對于這類河流，需要根據資料分析結合實地調研，確定河流天然斷流時段和斷流河段。此時，參考《河湖生態環境需水計算規范》（SL／T 712—2021），斷流河段以維系河流廊道功能為主要目標，在沒有水利工程調控或生態補水明確要求的情況下，不宜在斷流時段確定生態基流保障目標。但是，需要在非斷流時段確定適宜的生態基流保障目標。分析發現，松花江區小型、中型斷面在非枯水期內，生態基流占比推薦值可分別確定在5%和6%。遼河區、淮河區、東南諸河區的閾值也均較低，即使是大型斷面，枯水期內推薦值也只有3%～5%，而非枯水期內不超過10%。海河區、長江區、珠江區大型斷面枯水期推薦占比為10%～11%，與Tennant法接近，但中小型斷面枯水期推薦值僅3%～8%，進一步說明了根據不同集水面積制定生態基流占比閾值是十分必要的。黃河區、西南諸河區、西北諸河區閾值相對較高，大型斷面枯水期推薦值為16%，非枯水期達到18%～30%，說明該區域徑流豐枯變化相對穩定，生態基流天然水平較高。

表3 枯水期無控制性水利工程調控斷面生態基流占比閾值Tab.3 Values of the proportion thresholds of ecological base flow in uncontrolled engineering regulation sections in dry season%

表4 非枯水期無控制性水利工程調控斷面生態基流占比閾值Tab.4 Values of the proportion thresholds of ecological base flow in uncontrolled engineering regulation sections in flood season%

2.3 控制性水利工程調控斷面生態基流占比閾值

經式（2）篩選，我國有130個代表性斷面受到控制性水利工程調控，生態基流顯著提高，占總斷面數約30%。從圖3看，全國控制性水利工程調控斷面生態基流占比均值從8.1%的天然水平提高到現狀14.2%，增幅達75.3%。其中：松花江區、遼河區、海河區、淮河區和東南諸河區斷面天然生態基流占比均值在2%～6%，受控制性水利工程調控后現狀均值達到8%～12%；長江區和珠江區生態基流占比均值在工程調控前后的變化相似，從9%和10%分別提高到了14%和16%；西北諸河區和黃河區斷面生態基流在天然來水時本就處于較高水平，受工程調控后現狀值進一步提升，分別達到15%和26%。

圖3 全國及各分區控制性水利工程調控斷面枯水期天然生態基流均值與工程調控后現狀均值對比Fig.3 Comparison between the natural value and the current value after engineering regulation of the ecological base flow in representative sections in the dry season in China and its regions

受控制性水利工程調控作用，各分區河流生態基流占比在枯水期的平均推薦值達到12%，在非枯水期達到17.3%，見表5。松花江區、遼河區、淮河區、東南諸河區河流斷面在工程調控后，枯水期推薦值從無工程調控時的0～3%提升到7%～8%；海河區、長江區提升到10%、12%，與本流域大型斷面的生態基流天然水平相當；珠江區、西北諸河區、西南諸河區枯水期推薦值均為16%，黃河流域最高，達到20%。非枯水期情況類似，在工程調控后，生態基流占比閾值均有一定幅度的提升，其中：遼河區、淮河區、東南諸河區最低，只有10%；黃河區、西北諸河區最高，達到30%?？梢?，經水利工程的調蓄作用，斷面生態基流保障能力極大增強，相應閾值普遍高于無工程調控時，或至少達到大型斷面的生態基流天然水平。

表5 控制性水利工程調控斷面生態基流占比閾值Tab.5 Values of the proportion thresholds of ecological base flow in controlled engineering regulation sections %

2.4 閾值合理性與適用性分析

閾值基本反映出我國不同地區、不同類型河流斷面的水文情勢差異及其對生態基流的影響。不同區域河流水文情勢存在顯著差異，松花江區、遼河區河流冬季冰封時間長，造成枯水期流量極低?；春訁^下游以平原為主，缺乏有效的徑流調蓄空間和手段，徑流主要受降雨的短期控制，所以生態基流占比在枯水期、非枯水期均很低。正如顧洪［25］分析，淮北水系“汛期洪水資源得不到利用，枯季河流干涸無水量下泄，是其常態和顯著特征”，保障5%～10%的標準對其難度極大。與之相反，東南諸河區主要為山區，雖降水豐富，但其河流大多為獨流入海，源短流急，造成其生態基流保障水平低，同樣不宜制定過高的保障目標。相比之下，黃河區、西南諸河區、西北諸河區的河流源頭位于青藏高原、天山山脈等，源區面積大，且冰川和積雪融水有助于徑流穩定，因此生態基流占比閾值相對最高。以黃河為例，其源區面積占流域總面積的16.2%，而產水量更是達到流域總水量的35%［26］。

隨著集水面積的增大，流域對枯季徑流的調蓄和“坦化”作用加強，會逐步提高河流生態基流水平，這與文中不同規模斷面閾值的變化趨勢一致。隨著控制性水利工程的建設，下游斷面徑流過程更多受工程調控的影響，在做好生態調度的前提下，總體會大幅提升斷面生態基流的保障水平，起到與增加集水面積相同的作用。

受限于天然來水條件，我國部分河流生態基流保障目標很難達到Tennant法提出的10%或者20%標準：在無控制性水利工程調控時，應主要根據河流天然徑流確定生態基流保障目標；在有控制性水利工程調控時，應盡可能發揮工程的調蓄作用，制定不低于工程調控斷面分區分類下限值的生態基流保障目標。受人工取用水、下墊面條件變化等影響，河流當前來水情勢無法滿足生態基流保障目標時，需要根據當地生態保護需求，在強化經濟社會用水約束的同時，借助上游水利工程調蓄、跨流域調水等生態補水措施恢復河流生態基流。對于生態基流保障水平較高的斷面，即使調控能力和手段很強，考慮到水利工程防洪、發電、供水等綜合功能發揮以及生態敏感期脈沖流量、漫灘流量等目標的實現，也不宜制定過高的生態基流保障目標，以控制在本文提出的分區分類上限值以內為宜。對于缺乏長系列水文資料的斷面，只需根據斷面集水面積等確定其多年平均天然徑流，即可利用文中推薦值計算其生態基流初始目標，并結合其他方法或初始目標的保障成效評估再修訂完善。

3 結 論

提出了一種分區分類的河流生態基流占比閾值確定思路和方法，包括上限值、下限值和推薦值。在此過程中，考慮控制性水利工程影響，生態基流占比閾值按是否有控制性水利工程調控分別確定。由此，在全國選擇439個代表性斷面，利用長系列天然和實測徑流資料，提出了全國10個水資源一級區、不同集水面積、不同工程調控狀態的生態基流占比閾值成果。研究致力于明確不同地區、不同類型河流的生態基流占比應處合理范圍，從而指導我國生態基流保障目標的確定。對于無控制性水利工程調控的斷面，小型、中型、大型河流斷面生態基流占比在枯水期的平均推薦值分別為4.4%、6.6%和9.2%，而 在 非 枯 水 期 分 別 為9.4%、11.6%和16.2%。其中，松花江區、遼河區、淮河區和東南諸河區整體較低，枯水期推薦值在0～5%以內，非枯水期也不超過10%。對于有控制性水利工程調控的斷面，各一級區生態基流占比在枯水期的平均推薦值達到12%，而在非枯水期達到17.3%，相比沒有工程調控時有較大提升。相關成果可用于分區分類河流生態基流保障目標的制定，特別是水利工程最小下泄流量目標以及缺資料地區河流生態基流初始目標的制定。

受數據等方面的限制，本文在代表性斷面選取、徑流系列完整性等方面仍有較大不足，對具體結果可能會造成一定影響，下一步研究將持續開展數據的補充完善和閾值成果的核算分析。另外，其他學者若在某流域區域具有更加完整的數據資料，可以對相關成果進行復核和修訂。