基 于 水 文 学 方 法 的 珠 江 流 域 生 态 流 量 研 究

生 态 环 境 学 报 2010, 19(8): 1828-1837Ecology and Environmental Scienceshttp://www.jeesci.comE-mail: editor@jeesci.com基 于 水 文 学 方 法 的 珠 江 流 域 生 态 流 量 研 究张 强1* , 崔 瑛1 , 陈 永 勤1. 中 山 大 学 水 资 源 与 环 境 系 , 广 东 广 州 510275;2. 香 港 中 文 大 学 地 理 与 资 源 管 理 学 系 , 香 港2摘 要 : 珠 江 流 域 水 资 源 丰 富 , 但 由 于 水 体 污 染 等 原 因 , 水 质 性 缺 水 问 题 较 为 突 出 , 区 域 水 环 境 、 水 生 态 以 及 水 安 全 等 成 为 急需 解 决 的 重 要 科 学 问 题 。 开 展 生 态 流 量 研 究 对 于 评 价 地 表 水 文 过 程 演 变 对 区 域 水 环 境 与 水 生 态 的 影 响 具 有 重 要 理 论 意 义 , 并为 区 域 水 资 源 优 化 配 置 和 可 持 续 开 发 利 用 提 供 科 学 依 据 。 基 于 此 , 运 用 各 种 “ 水 文 学 ” 方 法 ( 包 括 最 小 月 平 均 流 量 法 、 改 进 的7Q10 法 、NGPRP 法 、 逐 月 最 小 生 态 径 流 计 算 法 和 逐 月 频 率 计 算 法 ) 对 珠 江 流 域 11 个 主 要 水 文 控 制 站 点 的 实 测 月 径 流 量 做了 全 面 而 系 统 的 研 究 , 分 析 珠 江 流 域 生 态 径 流 过 程 , 并 通 过 与 Tennant 法 对 比 分 析 , 选 择 逐 月 最 小 生 态 径 流 计 算 法 和 逐 月 频率 计 算 法 分 别 计 算 了 各 水 文 控 制 站 的 最 小 生 态 径 流 量 和 适 宜 生 态 径 流 量 , 除 个 别 站 点 外 , 其 评 价 结 果 分 别 处 于 Tennant 法 “ 中 ”和 “ 最 佳 ” 的 等 级 。 对 于 逐 月 频 率 计 算 法 中 保 证 率 的 选 取 方 法 , 研 究 表 明 各 月 径 流 系 列 均 取 50% 最 适 合 珠 江 流 域 。 研 究 同 时 为仅 利 用 水 文 资 料 中 的 多 年 逐 月 径 流 数 据 来 确 定 生 态 需 水 提 供 了 一 种 新 的 研 究 思 路 。关 键 词 : 逐 月 最 小 生 态 径 流 计 算 法 ; 逐 月 频 率 计 算 法 ; 基 于 概 率 分 布 的 生 态 需 水 评 估 方 法 ; 概 率 分 布 函 数 ; 珠 江 流 域中 图 分 类 号 :X143 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1674-5906(2010)08-1828-10随 着 社 会 经 济 的 发 展 , 人 类 对 水 资 源 开 发 利 用的 强 度 不 断 增 大 , 对 生 态 系 统 的 干 扰 程 度 日 益 加剧 , 产 生 了 与 水 相 关 的 诸 多 生 态 问 题 。 因 此 , 近 年来 , 愈 来 愈 多 的 学 者 开 始 关 心 流 域 生 态 需 水 问 题 。对 生 态 需 水 的 研 究 涉 及 生 态 学 、 水 文 学 、 环 境 科 学等 诸 多 学 科 的 理 论 与 方 法 , 近 年 来 已 成 为 国 内 外 研究 的 热 点 。 目 前 , 国 内 外 已 开 展 许 多 工 作 , 其 中 主要 集 中 在 对 河 流 生 态 需 水 量 的 研 究 方 面 。 从 研 究 方法 上 来 讲 , 全 球 生 态 需 水 计 算 方 法 超 过 200 种 [1] 。总 体 而 言 , 河 流 生 态 需 水 量 的 计 算 方 法 可 概 括 为 以下 4 类 :(1) 基 于 历 史 流 量 基 础 的 水 文 学 方 法 , 包 括Tennant 法 ( 也 称 Montana 法 ) [2] 、7Q10 法 [3] 、Texas法 [4] 、NGPRP 法 [5] 、 基 本 流 量 法 [6] 、 最 小 月 平 均 流量 法 [7] 、 逐 月 最 小 生 态 径 流 计 算 法 [8] 、 逐 月 频 率 计算 法 [8] [9]、 新 逐 月 频 率 计 算 法 等 ;(2) 基 于 水 力 学 基 础 的 水 力 定 额 法 , 包 括 湿 周法 [10] 、R2CROSS 法 [10] [11]、CASIMIR 法 及 生 态 水 力[12]半 径 法 等 ;(3) 基 于 生 物 学 基 础 的 栖 息 地 法 , 有 IFIM法 [10] 、 物 理 栖 息 地 模 型 (PHABSIM) 模 拟 法 [10] 、有 效 宽 度 法 [13] 、 加 权 有 效 宽 度 法 [13] [14]、RCHARC 法[15]及 Basque 法 等 ;(4) 基 于 河 流 系 统 整 体 性 理 论 的 整 体 分 析 法 ,包 括 澳 大 利 亚 的 整 体 评 价 法 (HolisticApproach) [16] 、南 非 的 BBM(BuildingBlockMethodology) [10] 等 。不 同 的 计 算 方 法 各 有 其 适 用 条 件 、 适 用 范 围 和 优 缺点 [17] 。在 现 阶 段 , 由 于 我 国 缺 乏 生 态 资 料 , 栖 息 地 法无 法 使 用 , 整 体 分 析 法 也 难 于 在 我 国 应 用 ; 水 力 定额 法 需 要 现 场 数 据 , 需 要 较 长 的 时 间 和 较 大 的 人 力和 物 力 , 应 用 较 为 困 难 。 水 文 学 方 法 是 最 简 单 的 、需 要 数 据 最 少 的 方 法 , 它 仅 需 利 用 水 文 资 料 中 的 历史 流 量 数 据 来 确 定 生 态 需 水 。 我 国 大 部 分 地 区 具 有较 长 的 历 史 流 量 资 料 , 因 此 , 我 国 具 备 使 用 该 类 方法 的 条 件 。 基 于 此 , 本 文 总 结 了 水 文 学 方 法 中 的 几种 常 用 方 法 : 最 小 月 平 均 流 量 法 、 改 进 的 7Q10 法 、NGPRP 法 、 逐 月 最 小 生 态 径 流 计 算 法 以 及 逐 月 频率 计 算 法 。 当 前 流 域 生 态 需 水 的 研 究 多 见 于 干 旱 半旱 区 流 域 , 如 黄 河 [18] 、 塔 里 木 河 等 [19-20] , 而 在 珠 江流 域 类 似 工 作 尚 未 开 展 。 珠 江 流 域 是 我 国 南 方 大 河流 域 , 同 时 也 是 洪 、 涝 、 旱 、 咸 、 潮 、 风 等 多 种 自然 灾 害 频 发 的 流 域 。 随 着 珠 江 流 域 各 省 ( 自 治 区 )社 会 经 济 的 迅 速 发 展 , 人 民 物 质 生 活 水 平 的 日 益 提高 , 各 种 自 然 灾 害 , 特 别 是 洪 涝 、 干 旱 灾 情 , 所 影响 的 范 围 愈 来 愈 广 , 造 成 的 经 济 损 失 也 愈 来 愈 大 。维 持 河 流 生 态 系 统 的 稳 定 , 为 子 孙 后 代 留 下 一 条 健康 的 珠 江 , 促 进 流 域 经 济 社 会 和 生 态 环 境 的 可 持 续发 展 , 成 为 摆 在 流 域 机 构 面 前 的 一 项 紧 迫 的 工 作 任务 。 因 此 , 本 文 选 取 珠 江 流 域 11 个 主 要 水 文 站 断基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 (41071020); 中 山 大 学 理 工 科 青 年 教 师 重 点 培 育 计 划 项 目 (2009-37000-1132381); 中 山 大 学 “ 百 人 计 划 ”人 才 引 进 项 目 (37000-3171315); 广 东 省 自 然 科 学 基 金 项 目 (2009-37000-4203384)作 者 简 介 : 张 强 (1974 年 生 ), 男 , 教 授 , 博 士 , 博 士 生 导 师 , 主 要 从 事 流 域 气 象 水 文 学 研 究 、 旱 涝 灾 害 机 理 、 流 域 地 表 水 文 过 程 及 其 对 气 候变 化 的 响 应 机 制 与 机 理 以 及 流 域 生 态 需 水 等 领 域 的 研 究 工 作 。E-mail: zhangq68@mail.sysu.edu.cn收 稿 日 期 :2010-07-04

张 强 等 : 基 于 水 文 学 方 法 的 珠 江 流 域 生 态 流 量 研 究 1829面 实 测 多 年 逐 月 径 流 量 资 料 , 分 别 用 上 述 6 种 生 态流 量 计 算 方 法 计 算 其 最 小 和 适 宜 生 态 径 流 量 , 并 采用 Tennnat 法 对 上 述 方 法 的 计 算 结 果 进 行 检 验 与 对比 , 分 析 各 种 方 法 在 珠 江 流 域 生 态 径 流 量 计 算 方 面的 合 理 性 , 从 而 确 定 一 种 比 较 优 越 的 计 算 方 法 , 以期 为 运 用 月 径 流 数 据 来 确 定 生 态 需 水 的 研 究 提 供一 种 新 的 思 路 与 研 究 途 径 , 也 为 珠 江 流 域 水 资 源 的优 化 配 置 和 区 域 水 资 源 可 持 续 开 发 利 用 提 供 科 学依 据 。1 研 究 区 域 介 绍1.1 研 究 区 域珠 江 的 长 度 和 流 域 面 积 仅 次 于 长 江 、 黄 河 , 为我 国 第 三 大 河 , 同 时 也 是 世 界 25 条 重 要 河 流 之 一[21] 。 珠 江 流 域 片 (97°39 ′ E~117°18 ′ E;3°41 ′ N ~29°15 ′ N) 跨 越 云 南 、 贵 州 、 广 西 、 广 东 、 湖 南 、江 西 、 福 建 、 海 南 等 8 个 省 ( 自 治 区 ), 总 流 域 面积 为 45.369×10 4 km 2 。 由 于 该 流 域 位 于 我 国 南 方 低纬 度 地 区 , 受 东 南 季 风 和 西 南 季 风 的 影 响 , 总 体 属亚 热 带 季 风 气 候 , 降 雨 时 空 分 布 不 均 , 春 夏 多 雨 ,秋 冬 干 旱 , 枯 水 期 一 般 为 每 年 10 月 至 次 年 3 月 。珠 江 流 域 是 一 个 复 合 流 域 , 由 西 江 、 北 江 、 东 江 及珠 江 三 角 洲 诸 河 等 4 个 水 系 组 成 。 西 、 北 两 江 在 广东 省 三 水 市 思 贤 滘 、 东 江 在 广 东 省 东 莞 市 石 龙 镇 汇入 珠 江 三 角 洲 , 经 虎 门 、 蕉 门 、 洪 奇 门 、 横 门 、 磨刀 门 、 鸡 啼 门 、 虎 跳 门 及 崖 门 等 八 大 口 门 汇 入 南 海 。西 江 发 源 于 云 南 省 曲 靖 市 沾 益 县 境 内 的 马 雄山 , 全 长 2 214 km, 是 珠 江 的 主 干 流 , 为 珠 江 流 域最 大 水 系 。 西 江 由 南 盘 江 、 红 水 河 、 黔 江 、 浔 江 及西 江 等 河 段 组 成 , 主 要 支 流 有 北 盘 江 、 柳 江 、 郁 江 、桂 江 及 贺 江 等 。 思 贤 滘 以 上 河 长 2 075 km, 流 域 面积 353 120 km 2 , 占 珠 江 流 域 面 积 的 77.8%。 北 江 是流 域 内 第 二 大 水 系 , 发 源 于 江 西 省 信 丰 县 石 碣 大 茅山 。 思 贤 滘 以 上 河 长 468 km, 流 域 面 积 46 710 km 2 ,占 珠 江 流 域 面 积 的 10.3%。 主 要 支 流 有 武 水 、 连 江 、绥 江 等 。 东 江 发 源 于 江 西 省 寻 乌 县 桠 髻 , 石 龙 以 上河 长 520 km, 流 域 面 积 2.7×10 4 km 2 , 占 珠 江 流 域面 积 的 5.96%。 主 要 支 流 有 新 丰 江 、 西 枝 江 等 。 珠江 三 角 洲 面 积 26 820 km 2 , 河 网 密 布 , 水 道 纵 横 。入 注 珠 江 三 角 洲 的 主 要 河 流 有 流 溪 河 、 潭 江 、 深 圳河 等 10 多 条 。虽 然 珠 江 河 川 径 流 丰 沛 , 水 力 资 源 丰 富 。 但 如今 , 随 着 城 市 化 进 程 的 加 快 , 农 村 经 济 的 大 发 展 ,也 出 现 了 资 源 型 、 咸 潮 型 和 水 质 型 缺 水 的 危 害 [22] :2002 年 以 来 , 珠 江 流 域 持 续 干 旱 , 加 之 上 游 用 水 增加 , 江 河 水 位 显 著 偏 低 , 流 量 偏 少 ;2004 年 秋 末 以后 , 珠 江 流 域 旱 情 更 为 严 重 , 三 角 洲 咸 潮 提 早 出 现 ,受 灾 人 口 达 到 1500 多 万 ;2003 年 至 2004 年 冬 季 ,广 东 省 有 1600 万 人 水 质 性 缺 水 , 全 省 57 个 省 控 监测 江 段 中 , 跨 市 河 流 边 界 断 面 水 质 达 标 率 不 足 50%, 由 此 产 生 了 严 重 的 生 态 危 机 : 流 域 的 水 生 动 物栖 息 地 正 以 惊 人 的 速 度 消 失 , 几 乎 所 有 的 鱼 、 虾 、蟹 、 贝 产 卵 场 、 索 饵 场 、 越 冬 场 和 洄 游 通 道 被 不 同程 度 地 污 染 和 破 坏 , 其 中 近 80% 大 面 积 萎 缩 , 一 些甚 至 消 失 。 珠 江 三 角 洲 原 有 的 70 多 种 珊 瑚 、30 多种 名 贵 鱼 类 , 以 及 中 华 白 暨 豚 、 中 华 鲟 、 鼋 、 儒 艮 、鲎 等 国 家 一 级 保 护 的 水 生 野 生 动 物 已 经 从 普 通 变成 濒 危 , 有 些 品 种 已 多 年 绝 迹 , 并 且 可 能 消 失 [22] 。2004 年 , 珠 江 委 适 时 地 提 出 了 “ 当 好 河 流 代 言 人 ,维 护 河 流 健 康 , 建 设 绿 色 珠 江 ” 的 治 水 工 作 新 思 路 。掌 握 好 珠 江 流 域 的 生 态 需 水 量 , 成 为 我 们 为 珠 江 健康 生 命 把 脉 的 一 个 重 要 指 标 。1.2 数 据 说 明选 取 珠 江 流 域 11 个 主 要 水 文 控 制 站 点 的 实 测月 径 流 量 数 据 。 站 点 的 分 布 情 况 见 图 1。 需 要 说 明102°E30°N28°N26°N24°N22°N南#104°E0 45 90 180 270 360km盘江江 边 街104°E北 盘 江106°E这 洞#106°E红右108°E天 峨#江左水江龙柳108°E江河迁 江 #南 宁#邕江江110°E图 例# 水 文 站#柳 州郁的 是 :(1) 除 这 洞 站 的 流 量 数 据 是 1958—2000 年 以外 , 其 余 10 个 站 点 的 数 据 资 料 都 是 1956—2000 年 ;(2) 理 论 上 , 用 水 文 学 法 计 算 生 态 需 水 多 使 用还 原 后 的 天 然 径 流 资 料 , 但 由 于 缺 少 珠 江 流 域 的 用水 资 料 , 无 法 进 行 还 原 计 算 。 随 着 人 类 活 动 的 加 剧 ,世 界 上 几 乎 所 有 的 河 流 均 或 多 或 少 的 受 到 人 类 活动 的 影 响 , 而 恢 复 到 人 类 活 动 以 前 的 状 态 几 乎 是 不可 能 的 [9] 。 同 时 , 我 们 所 认 为 的 “ 天 然 条 件 ” 很 难 说是 真 正 的 天 然 条 件 , 只 能 认 为 是 人 类 活 动 影 响 较 小的 状 态 [23] 。 基 于 此 , 本 文 认 为 珠 江 现 在 的 水 文 情 势虽 然 已 受 人 类 活 动 影 响 , 但 仍 处 于 自 身 能 够 逐 渐 恢复 的 范 围 之 内 , 如 果 保 持 这 种 状 态 不 再 进 一 步 恶化 , 河 流 的 自 然 生 态 功 能 还 是 可 以 维 持 的 , 加 之 水生 生 物 已 经 适 应 了 目 前 河 流 生 态 环 境 , 因 而 直 接 采用 实 测 径 流 资 料 进 行 计 算 有 其 合 理 性 , 得 出 的 结 果可 视 为 当 前 下 垫 面 条 件 下 的 珠 江 流 域 生 态 需 水 量 。江珠 江 流 域河 流柳江#桂 林110°E漓江桂112°E江# #梧 州贺江西江定罗古 榄石 角#江112°E114°E珠 江 流 域江北中 国 地 图江博 罗 #114°E东116°E图 1 珠 江 流 域 及 本 文 所 研 究 的 水 文 站 点 的 地 理 位 置 示 意 图Fig. 1 Locations of the Pearl River Basin and the hydrological stations28°N26°N24°N22°N

1830 生 态 环 境 学 报 第 19 卷 第 8 期 (2010 年 8 月 )2 计 算 方 法 与 结 果 分 析河 流 生 态 需 水 量 是 指 满 足 维 持 河 流 系 统 特 定的 生 态 与 环 境 功 能 ( 如 输 沙 、 防 污 、 防 止 海 水 入 侵 、景 观 娱 乐 等 ) 而 消 耗 的 水 量 [24] 。 因 为 河 流 生 态 系 统的 生 物 组 成 、 结 构 和 功 能 依 赖 于 河 流 水 文 情 况 , 径流 情 势 是 反 映 水 文 情 况 的 重 要 特 征 。 因 此 , 采 用 “ 生态 径 流 ” 这 一 概 念 对 珠 江 流 域 的 生 态 需 水 进 行 定义 。 严 格 来 说 , 这 两 个 概 念 是 有 一 定 区 别 的 。 生 态需 水 概 念 中 突 出 为 满 足 河 流 生 态 系 统 中 生 物 群 落及 其 栖 息 地 环 境 对 水 量 的 需 求 , 生 态 径 流 则 更 突 出强 调 径 流 过 程 在 时 空 尺 度 上 具 备 的 变 化 特 征 所 具有 的 生 态 响 应 和 生 态 作 用 , 强 调 正 是 由 于 这 种 变 化使 得 河 流 生 态 系 统 处 在 一 种 自 我 调 节 和 自 我 控 制的 健 康 生 命 环 境 中 [25] 。 由 于 大 量 数 据 资 料 的 缺 乏 ,如 河 道 地 形 资 料 、 生 物 资 料 、 河 流 水 质 状 况 等 , 仅能 利 用 径 流 数 据 计 算 河 流 的 生 态 径 流 量 , 能 够 体 现河 流 生 态 系 统 对 水 量 的 动 态 需 求 , 将 其 作 为 河 流 生态 需 水 的 参 考 值 , 同 样 具 有 研 究 意 义 。目 前 , 对 生 态 径 流 有 广 义 和 狭 义 两 种 定 义 。 狭义 的 生 态 径 流 就 是 指 保 证 河 流 天 然 状 态 下 生 态 系 统稳 定 和 健 康 的 径 流 量 。 广 义 的 生 态 径 流 不 只 是 满 足生 态 系 统 需 水 要 求 的 径 流 量 , 同 时 也 应 具 有 天 然 状态 下 该 径 流 过 程 的 泥 沙 、 水 质 、 营 养 等 特 征 。 当 这些 特 征 在 人 类 干 扰 下 发 生 变 化 时 , 原 有 的 河 流 生 态系 统 结 构 也 会 随 之 发 生 变 化 , 对 生 态 系 统 造 成 不 利的 影 响 。 为 了 保 证 河 流 生 态 系 统 的 稳 定 , 生 态 系 统所 需 的 径 流 过 程 也 应 发 生 变 化 , 因 而 生 态 径 流 量 不是 一 个 固 定 不 变 的 值 , 而 应 具 有 一 定 的 变 化 范 围 [26] 。本 文 计 算 的 生 态 径 流 量 范 围 为 : 最 小 生 态 径 流—— 适 宜 生 态 径 流 。 将 满 足 河 流 生 态 系 统 稳 定 和 健康 条 件 所 允 许 的 最 小 流 量 称 之 为 最 小 生 态 径 流 量[9] 。 这 些 水 量 留 在 河 流 中 用 于 保 障 水 生 生 物 的 生 存条 件 , 同 时 保 持 必 须 的 水 质 和 河 流 的 地 形 要 素 , 以及 保 持 河 滩 地 的 生 态 环 境 。 因 而 , 最 小 生 态 径 流 必须 保 证 水 体 在 年 内 最 枯 时 期 的 水 量 和 水 质 状 况 。 相应 地 把 适 合 生 态 系 统 稳 定 和 保 持 物 种 多 样 性 的 径流 过 程 称 为 适 宜 生 态 径 流 过 程 [9] 。 相 较 于 最 小 生 态径 流 所 确 定 的 河 流 的 极 限 的 、 短 期 的 水 文 状 态 而言 , 适 宜 生 态 径 流 更 有 利 于 河 流 的 生 态 健 康 。2.1 最 小 生 态 径 流 计 算 方 法(1) 最 小 月 平 均 流 量 法 [7] : 该 方 法 以 河 流 最 小 月平 均 实 测 径 流 量 的 多 年 平 均 值 作 为 河 流 的 基 本 生态 环 境 需 水 量 。 该 法 的 计 算 公 式 为 :nW b = T−8∑ min( Q ) × 10 i jni式 中 :W b 为 河 流 基 本 生 态 需 水 量 (10 8 m 3 );Q ij 为第 i 年 第 j 个 月 的 月 平 均 流 量 (m 3·s -1 );T 为 换 算 系数 , 其 值 为 31.536×10 6 ;n 为 统 计 年 数 。(2) 7Q10 法 [3] :7Q10 法 采 用 90 % 保 证 率 最 枯连 续 7 d 的 平 均 水 量 作 为 河 流 最 小 流 量 设 计 值 。 该法 在 20 世 纪 70 年 代 传 入 我 国 , 主 要 用 于 计 算 污 染物 允 许 排 放 量 , 在 许 多 大 型 水 利 工 程 建 设 的 环 境 影响 评 价 中 得 到 应 用 。 我 国 在 (GB3839—83)《 制 订地 方 水 污 染 物 排 放 标 准 的 技 术 原 则 和 方 法 》 中 对 该方 法 进 行 了 修 改 , 规 定 : 一 般 河 流 采 用 近 10 a 最 枯月 平 均 流 量 或 90% 保 证 率 最 枯 月 平 均 流 量 。7Q10法 主 要 侧 重 于 河 流 环 境 需 水 量 的 计 算 。(3) NGPRP(Northern Great Plains ResourceProgram) 法 [5] : 是 将 水 文 年 按 枯 水 年 、 平 水 年 和 丰水 年 分 组 , 取 平 水 年 组 90 % 保 证 率 流 量 作 为 最 小 流量 。 其 优 点 是 考 虑 了 枯 水 年 、 平 水 年 和 丰 水 年 的 差别 , 综 合 了 气 候 状 况 以 及 可 接 受 频 率 因 素 , 缺 点 是缺 乏 生 物 学 依 据 。 本 文 中 , 通 过 求 得 不 同 保 证 率 下的 径 流 量 值 , 从 而 将 11 个 水 文 站 点 的 水 文 年 分 别划 分 为 偏 丰 年 (P=20%)、 平 水 年 (P=50%)、 偏 枯年 (P=75%) 和 枯 水 年 (P=95%), 由 于 篇 幅 所 限 ,不 再 列 出 。(4) 逐 月 最 小 生 态 径 流 计 算 法 [8] : 该 方 法 认 为最 小 生 态 径 流 过 程 同 河 道 水 流 年 内 变 化 特 征 一 样 ,是 连 续 变 化 的 , 应 该 逐 月 计 算 。 在 尽 可 能 长 的 天 然月 径 流 系 列 中 取 最 小 值 作 为 该 月 的 最 小 生 态 径 流量 , 各 个 月 径 流 系 列 的 最 小 值 组 成 年 最 小 生 态 径 流过 程 。 因 为 在 天 然 情 况 下 水 生 生 物 已 经 安 全 经 历 过这 样 的 最 小 径 流 过 程 , 并 且 生 态 系 统 没 有 遭 到 不 可恢 复 的 破 坏 , 所 以 水 生 生 物 及 其 种 群 结 构 在 这 个 流量 条 件 下 所 受 到 的 损 害 是 可 以 恢 复 的 。 本 文 用 实 测月 径 流 代 替 天 然 月 径 流 。运 用 上 述 4 种 方 法 计 算 的 珠 江 流 域 11 个 站 点的 最 小 生 态 径 流 结 果 见 表 1。2.2 计 算 结 果 对 比 分 析采 用 Tennant 法 对 上 述 4 种 计 算 方 法 的 合 理 性进 行 检 验 。Tennant 法 是 由 美 国 DonTennant 于 1976年 首 次 提 出 , 开 始 应 用 于 美 国 中 西 部 。 通 过 12 个栖 息 地 河 道 流 量 与 栖 息 地 质 量 关 系 的 研 究 , 经 多 次改 进 , 现 被 美 国 16 个 州 采 用 [27] 。Tennant 法 确 定 的河 道 内 最 小 生 态 流 量 是 以 测 站 的 年 平 均 天 然 流 量百 分 率 表 示 , 综 合 田 纳 特 等 人 和 另 一 些 学 者 在 美 国维 吉 尼 亚 地 区 的 河 流 中 得 出 的 结 论 , 认 为 : 一 般 河流 中 ,10% 的 年 平 均 流 量 是 退 化 或 贫 瘠 的 栖 息 地 条件 ;20% 的 年 平 均 流 量 提 供 了 保 护 水 生 生 物 栖 息 地的 适 当 标 准 ;30% 至 60% 的 年 平 均 流 量 , 河 宽 、 水深 及 流 速 一 般 是 令 人 满 意 的 ; 而 60%~100% 的 年 平均 流 量 , 河 宽 、 水 深 及 流 速 达 到 最 佳 范 围 ; 河 道 内流 量 占 年 平 均 流 量 的 200% 时 , 是 最 大 的 生 物 栖 息

张 强 等 : 基 于 水 文 学 方 法 的 珠 江 流 域 生 态 流 量 研 究 1831表 1 珠 江 流 域 11 个 水 文 站 点 最 小 生 态 径 流 结 果 对 比Tab 1 The results of minimum ecological runoff of 11 hydrological stations in Pearl River basin改 进 的 7Q10 法最 小 月 平 均 流 量 法NGPRP 法 逐 月 最 小 生 态 径 流 计 算 法近 10 a 最 枯 月 流 量 90% 枯 水 年 最 小 月 流 量水 文 站计 算 结 果 占 多 年 实 测 平 均 计 算 结 果 占 多 年 实 测 平 均 计 算 结 果 占 多 年 实 测 平 均 计 算 结 果 占 多 年 平 均 流 计 算 结 果 占 多 年 实 测 平 均 流/(m 3·s -1 ) 流 量 的 百 分 比 /% /(m 3·s -1 ) 流 量 的 百 分 比 /% /(m 3·s -1 ) 流 量 的 百 分 比 /% /(m 3·s -1 ) 量 的 百 分 比 /% /(m 3·s -1 ) 量 的 百 分 比 /%这 洞 站 71.69 18.4 52.51 13.5 36.10 9.3 401.73 103.1 127.29 32.7江 边 街 站 49.70 25.0 32.90 16.5 32.90 16.5 201.23 101.2 61.11 30.7天 峨 站 313.01 19.8 181.01 11.4 326.35 20.7 1588.25 100.6 538.72 34.1迁 江 站 430.89 20.2 352.01 16.5 299.61 14.0 2191.56 102.7 697.35 32.7柳 州 站 225.70 17.9 137.98 11.0 224.99 17.9 1247.84 99.2 344.05 27.3南 宁 站 228.49 19.1 122.98 10.3 251.01 21.0 1130.55 94.6 367.48 30.7桂 林 站 19.94 15.5 17.10 13.3 28.07 21.8 128.27 99.5 38.58 30.0梧 州 站 1458.84 22.5 996.86 15.4 1239.92 19.2 6514.14 100.6 2228.88 34.4古 榄 站 73.89 28.6 51.40 19.9 37.90 14.7 252.38 97.6 82.45 31.9石 角 站 293.46 22.0 194.71 14.6 194.00 14.6 1372.27 103.0 361.27 27.1博 罗 站 285.26 38.0 205.00 27.3 305.53 40.7 742.96 98.9 201.41 26.8地 标 准 , 超 过 其 值 反 而 不 利 于 生 态 系 统 的 发 展 。 根据 文 献 [28] 的 研 究 结 论 , 在 使 用 Tennant 法 之 前 , 一般 需 要 对 其 在 本 地 区 的 适 用 性 进 行 检 验 。 主 要 是 分析 径 流 的 统 计 特 征 , 如 年 代 变 化 和 趋 势 变 化 。 若 各年 代 的 平 均 流 量 与 多 年 平 均 流 量 相 差 不 大 且 无 明显 的 变 化 趋 势 , 则 认 为 其 受 人 类 活 动 的 干 扰 较 小 ,直 接 用 实 测 流 量 代 替 天 然 径 流 进 行 计 算 还 是 合 理的 。 因 此 , 本 文 计 算 了 11 个 站 点 径 流 的 年 代 变 化情 况 , 发 现 各 年 代 的 平 均 流 量 与 多 年 平 均 流 量 都 基本 相 当 , 同 时 运 用 Mann-Kendall 趋 势 检 验 方 法 得 到各 站 径 流 序 列 趋 势 项 均 不 显 著 ( 以 上 计 算 结 果 从略 )。 所 以 笔 者 认 为 , 虽 然 Tennant 法 是 以 测 站 的 年平 均 天 然 流 量 百 分 率 表 示 的 , 而 本 文 是 以 多 年 平 均实 测 流 量 比 例 表 示 , 仍 然 具 有 可 比 性 。从 表 1 中 可 以 看 出 , 最 小 月 平 均 流 量 法 计 算 的11 个 站 点 的 最 小 生 态 径 流 占 多 年 实 测 平 均 流 量 的变 化 范 围 为 :15.5%~38.0%; 用 改 进 的 7Q10 法 的近 10 a 最 枯 月 平 均 流 量 或 90% 保 证 率 最 枯 月 平 均 流量 计 算 的 最 小 生 态 径 流 占 多 年 实 测 平 均 流 量 的 变化 范 围 分 别 为 :10.3%~27.3% 和 9.3%~40.7%; 而NGPRP 法 和 逐 月 最 小 生 态 径 流 法 得 出 的 变 化 范 围分 别 为 :94.6%~103.1% 和 26.8%~34.4%。 再 根据 上 述 Tennant 法 的 评 价 标 准 , 可 知 :(1) 除 这 洞 站 用 改 进 的 7Q10 法 中 90% 保 证 率最 枯 月 平 均 流 量 算 出 的 值 小 于 年 实 测 平 均 流 量 的10% 外 , 其 余 各 站 均 能 保 持 绝 大 数 水 生 物 短 时 间 生存 所 必 需 的 瞬 时 最 低 流 量 , 即 水 生 栖 息 地 不 致 于退 化 。(2) 最 小 月 平 均 流 量 法 和 逐 月 最 小 生 态 径 流 法计 算 的 结 果 能 使 栖 息 地 质 量 维 持 在 令 人 满 意 的 标准 ( 大 多 为 20%~30%); 改 进 的 7Q10 法 计 算 的 结果 表 明 栖 息 地 处 于 “ 适 当 ” 的 等 级 ( 大 多 为 10%~20%);NGPRP 法 计 算 的 结 果 偏 大 , 几 乎 接 近 100%,栖 息 地 质 量 达 到 最 佳 。(3) 总 体 而 言 , 最 小 月 平 均 流 量 法 和 改 进 的7Q10 法 计 算 结 果 小 于 NGPRP 法 和 逐 月 最 小 生 态 径流 计 算 法 计 算 的 结 果 。(4) 若 考 虑 还 原 因 素 , 本 文 计 算 的 河 流 最 小 生 态径 流 量 处 于 Tennant 法 的 等 级 范 围 可 能 比 以 上 结 果要 高 。产 生 上 述 计 算 结 果 相 异 的 原 因 , 大 致 有 :7Q10法 主 要 是 为 了 防 止 河 流 水 质 污 染 而 设 定 的 , 没 有 考虑 水 生 生 物 、 水 量 的 季 节 变 化 。 其 计 算 值 明 显 小 于其 他 几 种 方 法 。 最 小 月 平 均 流 量 法 计 算 的 是 河 流 基本 生 态 环 境 需 水 量 , 主 要 用 以 维 持 水 生 生 物 的 正 常生 长 以 及 满 足 部 分 排 盐 、 入 渗 补 给 、 污 染 自 净 等 方面 的 要 求 。 实 际 上 它 也 是 对 7Q10 法 的 一 种 改 进 ,虽 然 克 服 了 7Q10 法 要 求 较 高 的 缺 点 , 但 它 仍 是 以水 质 对 指 示 物 的 影 响 为 主 要 依 据 的 , 侧 重 于 分 析 水生 生 物 所 需 要 的 水 质 。 同 样 没 有 反 映 出 年 径 流 的 丰枯 变 化 特 征 [29] 。 而 NGPRP 法 则 克 服 了 这 一 缺 点 ,但 由 于 该 方 法 是 取 平 水 年 组 90% 保 证 率 流 量 作 为最 小 流 量 , 计 算 得 出 的 生 态 径 流 量 十 分 接 近 多 年 平均 径 流 量 , 可 见 该 方 法 的 结 果 偏 大 , 不 适 合 计 算 最小 生 态 径 流 。 考 虑 到 生 态 径 流 过 程 应 同 河 流 水 文 的年 内 变 化 一 样 具 有 丰 枯 变 化 特 征 , 综 合 对 比 各 种 方法 的 计 算 结 果 并 结 合 Tennant 法 的 检 验 评 价 标 准 ,可 以 认 为 , 在 这 几 种 方 法 中 , 使 用 逐 月 最 小 生 态 径流 计 算 法 计 算 河 流 的 最 小 生 态 径 流 最 为 合 理 , 而 且能 够 反 映 其 丰 枯 变 化 。 表 4 为 运 用 逐 月 最 小 生 态 径流 法 计 算 的 各 站 最 小 生 态 径 流 量 及 Tennant 法 评 价[30]结 果 。 这 里 需 要 说 明 的 是 , 根 据 郭 利 丹 等 人 的 总结 和 在 洛 河 流 域 的 实 例 验 证 , 认 为 应 以 多 年 条 件 下的 同 期 平 均 流 量 为 基 准 计 算 河 流 各 分 支 的 流 量 推荐 值 或 评 价 河 流 在 某 一 径 流 过 程 时 的 栖 息 地 生 态状 况 , 即 Tennant 法 的 同 期 均 值 比 相 对 传 统 的 年 均

1832 生 态 环 境 学 报 第 19 卷 第 8 期 (2010 年 8 月 )值 比 更 合 理 ; 计 算 或 评 价 的 分 期 应 该 根 据 具 体 河 流所 处 的 具 体 地 理 位 置 、 气 候 条 件 以 及 生 态 保 护 目 标等 适 时 划 分 , 而 不 必 拘 泥 于 其 原 来 确 定 的 分 期 。 所以 本 文 采 用 的 是 同 期 实 测 均 值 比 而 不 是 年 实 测 均值 比 作 为 评 价 标 准 , 并 将 评 价 期 分 为 汛 期 和 非 汛 期( 其 划 分 依 据 将 在 2.2.2 中 介 绍 )。由 表 2 并 参 照 Tennant 法 的 评 价 标 准 可 知 , 在汛 期 , 当 河 流 处 于 最 小 生 态 径 流 过 程 时 , 珠 江 流 域的 河 流 生 态 状 况 条 件 一 般 都 较 “ 差 ”; 在 非 汛 期 , 当河 流 处 于 最 小 生 态 径 流 过 程 时 , 珠 江 流 域 的 河 流 生态 状 况 为 “ 好 ” 到 “ 极 好 ”。 因 为 本 文 是 选 取 长 序 列 实测 月 径 流 数 据 中 最 小 的 值 作 为 该 月 的 最 小 生 态 径流 量 , 故 非 汛 期 的 最 小 生 态 径 流 占 多 年 同 期 实 测 均值 的 百 分 比 较 高 , 则 可 能 与 珠 江 流 域 这 45 a 来 非 汛期 径 流 量 的 变 化 波 动 不 大 , 即 最 小 值 和 平 均 值 之 间的 差 异 不 大 有 关 ; 而 汛 期 径 流 的 最 小 值 与 平 均 值 之间 差 距 较 大 , 使 计 算 得 出 的 最 小 生 态 径 流 占 多 年 同期 实 测 均 值 的 比 例 较 小 。 该 结 果 也 说 明 了 珠 江 流 域在 非 汛 期 时 径 流 量 比 较 稳 定 , 没 有 出 现 特 别 小 甚 至断 流 的 情 况 。 同 时 本 文 认 为 虽 然 10% 的 年 平 均 流 量是 保 证 栖 息 地 不 会 退 化 或 贫 瘠 最 低 的 条 件 , 但 是 并不 一 定 要 以 此 作 为 河 流 的 最 小 生 态 径 流 量 。 因 为 一旦 小 于 此 值 , 河 流 的 生 境 会 急 剧 下 降 , 难 以 恢 复 。所 以 最 好 是 预 留 一 定 的 空 间 , 即 尽 量 保 持 河 流 的 生态 径 流 量 在 10% 的 年 平 均 流 量 以 上 。 采 用 逐 月 最 小生 态 径 流 法 计 算 的 值 能 够 满 足 这 一 要 求 。2.3 适 宜 生 态 径 流 计 算 方 法 —— 逐 月 频 率 计 算 法逐 月 最 小 生 态 径 流 计 算 法 得 出 的 最 小 生 态 径流 值 虽 然 能 够 满 足 水 生 生 物 的 最 低 生 活 条 件 , 但 如果 长 期 处 于 这 种 生 存 条 件 下 , 还 是 不 利 于 水 生 生 态[31]系 统 的 健 康 发 展 。 徐 志 侠 等 人 在 研 究 中 也 认 为 ,最 小 生 态 需 水 涉 及 的 是 生 态 系 统 中 的 生 物 , 是 维 持关 键 物 种 存 在 所 需 的 最 小 水 量 。 为 维 持 绝 大 多 数 物种 存 在 , 必 须 满 足 关 键 物 种 生 存 所 需 的 最 基 本 环 境条 件 。 此 时 虽 然 关 键 物 种 没 有 消 亡 , 但 是 , 其 数 量减 少 , 生 理 活 动 受 到 限 制 , 对 水 量 需 求 大 的 生 理 活动 将 不 能 正 常 进 行 。 例 如 , 生 物 繁 殖 将 不 能 正 常 进行 。 如 果 长 时 间 保 持 这 种 水 量 , 同 样 会 导 致 关 键 物种 的 消 亡 。 因 此 , 最 小 生 态 需 水 是 短 时 间 保 持 的 水量 。 由 此 , 我 们 可 以 看 出 , 要 保 持 河 流 生 态 系 统 健康 和 生 物 物 种 、 种 群 结 构 的 稳 定 , 适 宜 生 态 径 流 量的 多 少 也 是 必 须 关 注 的 问 题 。 本 文 采 用 逐 月 频 率 计算 法 [26] , 即 对 尽 可 能 长 的 实 测 月 径 流 系 列 进 行 频 率计 算 , 根 据 不 同 时 期 径 流 系 列 的 统 计 特 征 、 生 态 系统 的 稳 定 和 物 种 的 生 存 繁 衍 对 水 文 条 件 的 需 求 等 ,把 不 同 保 证 率 条 件 下 的 月 径 流 过 程 作 为 适 宜 生 态径 流 过 程 。 这 里 存 在 两 个 问 题 :(1) 由 于 本 文 以 珠 江 流 域 为 例 , 要 计 算 保 证 率 ,则 首 先 要 确 定 一 种 最 符 合 珠 江 流 域 径 流 统 计 特 征的 概 率 分 布 函 数 , 才 能 描 述 出 不 同 保 证 率 下 的 径 流量 大 小 。(2) 不 同 保 证 率 的 选 取 问 题 , 即 选 择 多 大 的 保证 率 计 算 适 宜 生 态 径 流 最 为 合 理 。2.3.1 概 率 分 布 函 数 的 选 择要 描 述 径 流 的 统 计 特 征 , 通 常 我 们 采 用 的 都 是P-Ⅲ 分 布 。 但 这 种 概 率 分 布 函 数 是 否 是 描 述 珠 江 流域 径 流 变 化 特 征 的 最 佳 选 择 , 还 值 得 探 讨 。 基 于 此 ,[32]本 文 根 据 张 强 等 人 的 研 究 , 选 择 五 种 常 用 概 率 分布 函 数 来 进 行 频 率 分 析 , 它 们 是 :P-Ⅲ 分 布 (3 参 )、广 义 极 值 分 布 (3 参 )、 广 义 帕 累 托 分 布 (3 参 )、对 数 正 态 分 布 (3 参 ) 和 Wakeby 分 布 (5 参 )。 并使 用 Kolmogorov-Smirnov(K-S) 方 法 的 D 统 计 量进 行 拟 合 优 度 检 验 , 在 本 文 中 , 选 取 95% 作 为 接 受或 拒 绝 原 假 设 ( 样 本 来 自 的 总 体 与 指 定 的 理 论 分 布无 显 著 差 异 ) 的 置 信 水 平 ( 当 n = 45 时 ,D 统 计 量的 极 值 为 0.202 74; 当 n = 43 时 ,D 统 计 量 的 极 值表 2 逐 月 最 小 生 态 径 流 法 计 算 的 各 站 最 小 生 态 径 流 量 及 Tennant 法 评 价 结 果Tab 2 Minimum ecological runoff at each station by the monthly minimum ecological runoff calculation methodand the evaluaiton results by Tennant method汛 期非 汛 期水 文 站 最 小 生 态 流 量 /(m 3·s -1 )占 多 年 同 期 实 测 平 均流 量 的 百 分 比 /%Tennant 法评 价 结 果最 小 生 态 流 量 /(m 3·s -1 )占 多 年 同 期 实 测 平 均流 量 的 百 分 比 /%Tennant 法评 价 结 果这 洞 站 186.55 28.5 差 67.34 55.3 极 好江 边 街 站 73.05 24.5 差 48.83 49.9 极 好天 峨 站 697.84 29.1 中 376.66 49.8 极 好迁 江 站 992.85 28.1 差 398.03 54.6 极 好柳 州 站 537.47 26.2 差 148.76 32.4 非 常 好南 宁 站 554.08 27.9 差 178.89 44.9 极 好桂 林 站 63.29 30.3 中 13.67 28.2 好梧 州 站 2996.03 31.8 中 1140.26 49.5 极 好古 榄 站 123.69 32.0 中 40.76 31.6 非 常 好石 角 站 516.68 25.5 差 203.89 32.2 非 常 好博 罗 站 271.72 25.5 差 130.01 30.1 非 常 好

张 强 等 : 基 于 水 文 学 方 法 的 珠 江 流 域 生 态 流 量 研 究 1833表 3 基 于 5 种 概 率 分 布 函 数 描 述 各 站 点 径 流 量 的 K-S 法 的 D 统 计 量 检 验 值Tab 3 K–S D statistic computed from annual stream flow series of individual gauging stations for five candidate probability functions时 间 对 数 正 态 分 布 广 义 极 值 分 布 P-Ⅲ 分 布 Wakeby 分 布 广 义 帕 累 托 分 布桂 林 0.086 47 (0.065 76) 0.089 62 0.054 61 0.081 06柳 州 (0.082 35) 0.083 49 0.084 51 0.042 48 0.119 60古 榄 0.078 98 (0.066 32) 0.079 37 0.064 07 0.100 21石 角 0.138 77 0.123 41 0.139 42 (0.118 92) 0.100 82梧 州 0.077 59 0.076 21 (0.076 80) 0.078 03 0.095 15博 罗 0.106 12 (0.100 36) 0.105 45 0.054 67 0.122 57江 边 街 0.126 83 0.119 38 0.118 27 (0.097 31) 0.087 15天 峨 0.052 63 (0.058 05) 0.062 38 0.070 26 0.102 08南 宁 (0.069 08) 0.059 50 0.071 21 0.074 53 0.088 27迁 江 0.063 07 0.075 61 0.060 00 (0.060 50) 0.116 40这 洞 0.078 96 0.065 55 0.086 43 (0.068 78) 0.109 833 (27%) 7 (64%) 2 (18%) 8 (73%) 2 (18%)注 : 加 下 划 线 和 加 括 号 的 值 分 别 代 表 适 合 描 述 珠 江 流 域 11 个 主 要 水 文 站 实 测 年 径 流 特 征 的 最 优 和 次 优 概 率 分 布 函 数 。为 0.207 4)。K-S 检 验 值 最 小 的 概 率 分 布 函 数 即 为描 述 珠 江 流 域 径 流 统 计 特 征 最 优 分 布 函 数 。以 漓 江 桂 林 站 为 例 ,Wakeby 分 布 最 符 合 该 站的 径 流 量 ( 图 2)。 由 于 逐 月 频 率 计 算 法 需 要 计 算 每个 月 的 频 率 , 所 以 还 需 要 根 据 每 个 月 的 径 流 统 计 特图 2 桂 林 站 多 年 (1956—2000) 径 流 系 列 的 5 种 概 率 分 布 函 数Fig.2 Five candidate probability distribution functionsof annual instream flows series of Guilin station征 选 择 一 种 最 适 合 各 月 的 概 率 分 布 函 数 。 为 了 便 于比 较 , 仍 以 桂 林 站 为 例 , 用 上 述 5 种 概 率 分 布 函 数描 述 各 月 径 流 量 后 进 行 拟 合 优 度 检 验 , 得 到 的 K-S检 验 值 见 表 4。总 体 而 言 , 从 表 3 可 知 , 对 珠 江 流 域 11 个 被选 择 的 水 文 站 ,Wakeby 分 布 函 数 是 最 适 合 描 述 绝大 多 数 河 流 的 实 测 径 流 统 计 特 征 的 ( 无 论 是 年 径 流量 还 是 各 月 径 流 量 )。 所 以 , 本 文 最 终 选 用 Wakeby分 布 用 以 计 算 各 水 文 站 不 同 保 证 率 下 的 径 流 量 。 由于 篇 幅 所 限 , 其 他 水 文 站 用 5 种 概 率 分 布 函 数 描 述各 月 径 流 量 后 得 到 的 K-S 拟 合 优 度 检 验 值 在 这 里 就不 一 一 列 出 。 需 要 说 明 的 是 : 个 别 站 点 Wakeby 分布 的 拟 合 优 度 较 低 , 研 究 中 做 了 相 应 调 整 , 这 些 站点 有 : 柳 州 站 5 月 份 选 用 的 是 广 义 极 值 分 布 ; 古 榄站 4 月 份 选 用 的 是 P-Ⅲ 分 布 ; 石 角 站 6 月 份 选 用 的是 广 义 极 值 分 布 ; 江 边 街 站 5 月 份 选 用 的 是 广 义 帕累 托 分 布 ; 这 洞 站 2 月 份 选 用 的 是 广 义 极 值 分 布 。其 他 未 说 明 的 情 况 则 均 采 用 的 Wakeby 分 布 。表 4 基 于 5 种 概 率 分 布 函 数 描 述 桂 林 站 各 月 径 流 量 的 K-S 法 的 D 统 计 量 检 验 值Tab 4 K–S D statistic computed from monthly instream flow series of Guilin station for five candidate probability functions时 间 对 数 正 态 分 布 广 义 极 值 分 布 P-Ⅲ 分 布 Wakeby 分 布 广 义 帕 累 托 分 布1 月 0.05616 0.05308 0.07690 0.05958 0.072592 月 0.11307 0.11764 0.11697 0.07589 0.075893 月 0.06595 0.05598 0.06707 0.04749 0.087564 月 0.1207 0.09787 0.13626 0.09179 0.110475 月 0.07179 0.08933 0.06202 0.07529 0.075296 月 0.06682 0.05960 0.07426 0.05967 0.074587 月 0.08937 0.09725 0.07173 0.06825 0.068258 月 0.08978 0.08930 0.08401 0.06222 0.062539 月 0.10041 0.08226 0.12899 0.05175 0.1090710 月 0.05081 0.0535 0.07292 0.04311 0.0460811 月 0.08361 0.07548 0.09605 0.06526 0.1115912 月 0.08218 0.10769 0.08467 0.06729 0.067290 (0%) 2 (17%) 1 (8%) 9 (75%) 3 (25%)注 : 加 下 划 线 的 值 代 表 描 述 桂 林 站 各 月 径 流 特 征 的 最 优 概 率 分 布 函 数

1834 生 态 环 境 学 报 第 19 卷 第 8 期 (2010 年 8 月 )2.3.2 汛 期 、 非 汛 期 的 划 分由 于 Tennant 法 是 依 据 水 生 生 物 对 环 境 的 季 节性 要 求 不 同 , 分 为 4~9 月 份 鱼 类 产 卵 育 肥 期 和 10月 至 翌 年 3 月 份 一 般 用 水 期 , 分 别 给 出 推 荐 的 基 流标 准 的 。 所 以 , 本 文 在 检 验 各 计 算 方 法 的 合 理 性 时也 需 要 划 分 不 同 的 时 期 , 分 别 计 算 后 再 进 行 检 验 。这 里 根 据 珠 江 流 域 的 具 体 情 况 , 对 Tennant 法 的 分期 做 了 调 整 , 本 文 分 为 汛 期 和 非 汛 期 。 划 分 时 根 据各 站 点 径 流 的 平 均 年 内 分 配 , 当 月 平 均 水 量 占 全 年水 量 的 比 例

张 强 等 : 基 于 水 文 学 方 法 的 珠 江 流 域 生 态 流 量 研 究 1835表 5 逐 月 频 率 计 算 法 计 算 的 适 宜 生 态 径 流 量 及 Tennnat 法 评 价 结 果Tab 5 Optimal ecological runoff at each station by the monthly frequency calculation method and the evaluaiton results by Tennant method水 系西 江北 江东 江水 文 站梧 州 站石 角 站博 罗 站保 证 率 选占 多 年 同 期 实适 宜 生 态 流Tennant 法取 方 法量 /(m 3·s -1 测 平 均 流 量 的)评 价 结 果百 分 比 /%非 汛 期 汛 期 全 年占 多 年 同 期 实适 宜 生 态 流Tennant 法量 /(m 3·s -1 测 平 均 流 量 的)评 价 结 果百 分 比 /%占 多 年 实 测适 宜 生 态 流 量Tennant 法/(m 3·s -1 平 均 流 量 的)评 价 结 果百 分 比 /%1 1 657.86 71.90 最 佳 8 116.60 86.14 最 佳 5 440.32 84.0 最 佳2 2 068.91 89.73 最 佳 8 931.77 94.80 最 佳 6 088.88 94.0 最 佳3 1 306.39 56.66 极 好 9 422.06 100.00 最 佳 6 057.08 93.6 最 佳1 360.19 56.84 极 好 1 614.87 79.84 最 佳 990.23 74.3 最 佳2 517.61 81.68 最 佳 1 848.75 91.40 最 佳 1 186.42 89.1 最 佳3 341.47 53.89 极 好 2 022.81 100.00 最 佳 1 185.38 89.0 最 佳1 300.93 69.66 最 佳 869.51 81.50 最 佳 586.82 78.1 最 佳2 398.01 92.13 最 佳 961.34 90.11 最 佳 681.54 90.1 最 佳3 288.91 66.88 最 佳 106 6.84 100.00 最 佳 682.90 90.9 最 佳两 种 方 法 优 越 。11 个 水 文 站 用 该 保 证 率 选 取 方 法 计算 得 出 的 适 宜 生 态 径 流 量 无 论 是 全 年 , 还 是 在 汛 期与 非 汛 期 , 都 能 使 栖 息 地 质 量 保 持 在 一 个 最 佳 状态 。 虽 然 该 方 案 是 将 一 年 中 所 有 时 期 均 采 用 同 一 频率 , 相 当 于 增 大 枯 水 期 生 态 径 流 量 、 减 少 丰 水 期 生态 径 流 量 , 从 而 将 一 年 中 各 个 时 期 的 生 态 径 流 量“ 均 化 ”, 理 论 上 一 种 比 较 理 想 化 的 生 态 径 流 过 程[29] 。 但 是 通 过 珠 江 流 域 的 实 证 表 明 : 该 方 案 更 适 合计 算 珠 江 流 域 的 适 宜 生 态 径 流 量 , 其 计 算 值 能 够 满足 河 流 的 生 态 适 宜 状 况 , 从 而 能 够 保 持 河 流 自 身 的生 态 健 康 , 利 于 河 流 周 围 生 态 栖 息 地 保 护 , 而 不 会出 现 “ 一 般 ” 甚 至 “ 差 ” 的 状 态 。 最 后 , 对 比 同 期 均 值比 下 的 Tennant 法 的 评 价 结 果 , 在 汛 期 , 适 宜 生 态径 流 下 的 河 流 生 态 系 统 处 于 “ 最 佳 ” 范 围 内 , 而 在 最小 生 态 径 流 下 其 处 在 “ 差 ~ 中 ” 的 范 围 ; 在 非 汛 期 ,适 宜 生 态 径 流 下 的 河 流 生 态 系 统 处 在 “ 极 好 ~ 最 佳 ”范 围 内 , 且 大 多 数 为 最 佳 状 态 , 最 小 生 态 径 流 下 的河 流 生 态 系 统 处 在 “ 好 ~ 极 好 ” 的 范 围 , 且 大 多 数 为极 好 状 态 。 所 以 , 计 算 所 得 的 珠 江 流 域 适 宜 生 态 径流 量 在 汛 期 要 比 最 小 生 态 径 流 量 高 4~5 个 级 别 ,在 非 汛 期 高 1 个 级 别 。3 结 论本 文 计 算 出 的 珠 江 流 域 11 个 主 要 水 文 站 的 年最 小 生 态 径 流 量 和 年 适 宜 生 态 径 流 量 见 表 6。本 文 以 珠 江 流 域 11 个 主 要 水 文 站 点 作 为 研 究实 例 , 通 过 Tennant 方 法 的 检 验 , 可 以 看 出 :(1) 在 计 算 河 流 生 态 径 流 量 时 , 逐 月 最 小 生 态径 流 计 算 法 和 逐 月 频 率 计 算 法 都 是 较 为 合 理 的 。 前者 计 算 的 是 河 流 的 最 小 生 态 径 流 量 , 为 河 流 生 态 状况 不 至 退 化 或 贫 瘠 的 极 限 ; 后 者 计 算 的 是 河 流 的 适宜 生 态 径 流 量 , 符 合 河 流 生 态 系 统 需 求 的 最 佳 水 文条 件 , 相 较 最 小 生 态 径 流 量 而 言 , 更 有 利 于 河 流 生命 健 康 的 发 展 。 两 种 方 法 的 优 点 都 是 能 够 反 映 河 川径 流 的 丰 枯 变 化 特 征 。 一 般 来 说 , 在 人 类 开 发 利 用河 川 径 流 时 , 丰 水 年 份 的 用 水 程 度 不 得 使 河 流 生 态径 流 量 小 于 适 宜 生 态 径 流 量 , 枯 水 年 份 的 用 水 程 度不 得 使 河 流 生 态 径 流 量 低 于 最 小 生 态 径 流 量 [26] 。 所以 , 本 文 计 算 的 最 小 和 适 宜 生 态 径 流 量 ( 表 6), 为珠 江 流 域 水 资 源 在 不 同 时 期 的 优 化 配 置 和 合 理 利用 提 供 了 科 学 依 据 。(2) 笔 者 认 为 , 虽 然 理 论 上 计 算 的 最 小 生 态 径流 值 应 该 是 满 足 水 生 生 物 的 最 低 生 活 条 件 时 的 值 ,表 6 珠 江 流 域 11 个 主 要 水 文 站 的 年 最 小 生 态 径 流 量 和 年 适 宜 生 态 径 流 量Tab 6 The minimum and optimal ecological runoff in one year of 11 hydrological stations in Pearl River Basin 10 8 m 3水 系 河 流 名 称 水 文 站 多 年 平 均 年 径 流 量 年 最 小 生 态 径 流 量 年 适 宜 生 态 径 流 量西 江北 盘 江 这 洞 122.91 40.14 (32.7%) 114.29 (93.0%)南 盘 江 江 边 街 62.70 19.27 (30.7%) 56.71 (90.4%)红 水 河天 峨 498.13 169.89 (34.1%) 474.05 (95.2%)迁 江 673.07 219.92 (32.7%) 641.75 (95.3%)柳 江 柳 州 396.80 108.50 (27.3%) 343.47 (86.6%)郁 江 ( 邕 江 ) 南 宁 376.95 115.89 (30.7%) 342.01 (90.7%)漓 江 桂 林 40.64 12.17 (30.0%) 35.55 (87.5%)西 江 梧 州 2041.82 702.90 (34.4%) 1920.19 (94.0%)贺 江 古 榄 81.52 26.00 (31.9%) 72.12 (88.5%)东 江 石 角 420.01 113.93 (27.1%) 374.15 (89.1%)北 江 博 罗 236.99 63.52 (26.8%) 214.93 (90.1%)注 : 括 号 内 的 数 值 表 示 占 多 年 平 均 年 径 流 量 的 百 分 比

1836 生 态 环 境 学 报 第 19 卷 第 8 期 (2010 年 8 月 )但 如 果 长 期 处 于 这 种 生 存 条 件 下 , 还 是 不 利 于 水 生生 态 系 统 的 健 康 发 展 。 所 以 , 应 该 有 一 定 的 预 留 空间 , 本 文 选 取 逐 月 最 小 生 态 径 流 计 算 法 计 算 的 河 流最 小 生 态 径 流 占 到 多 年 平 均 流 量 的 26.8%~34.4%,用 Tennant 法 进 行 评 价 一 般 在 “ 中 ” 的 等 级 , 汛 期 时部 分 站 点 在 “ 差 ” 的 等 级 , 但 以 此 作 为 水 资 源 配 置 的依 据 时 一 般 不 会 使 河 流 及 其 周 围 生 态 栖 息 地 出 现“ 极 差 ” 以 致 退 化 的 状 态 。(3) 在 采 用 逐 月 频 率 计 算 法 计 算 河 流 适 宜 生 态径 流 量 时 , 如 何 选 取 保 证 率 是 关 键 。 本 文 的 研 究 表[9]明 , 李 捷 等 人 提 出 的 方 法 , 即 年 内 各 月 径 流 系 列的 保 证 率 均 取 50% 最 适 合 珠 江 流 域 。 当 然 , 对 于 不同 的 流 域 , 由 于 其 地 理 位 置 、 气 候 、 下 垫 面 以 及 人类 活 动 影 响 程 度 不 同 , 保 证 率 的 选 取 方 法 可 能 与 本文 的 结 论 不 一 致 。 总 之 , 要 具 体 问 题 具 体 分 析 。参 考 文 献 :[1] THAME R E. A global perspective on environmental flowassessment:emerging trends in the development and application ofenvironmental flow methodologies for rivers[J]. River Research andApplications, 2003, 19(4): 397-441.[2] ARMENTROUT G W, WILSON J F. Assessment of low flowsinstreams in northeastern Wyoming[J]. 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Department of Water Resources and Environment, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China;2. Department of Geography and Resource Management, The Chinese University of Hong Kong, Hong Kong, ChinaAbstract: The Pearl River basin is characterized by abundant water resources. However water shortage due to degraded waterquality is still serious. Altered hydrological cycle due to climate changes may cause alterations of hydrological processes and whichhas the potential to negatively influence the ecological environment of the Pearl River basin. Better understanding of ecologicalinflow streamflow is the first step into the scientific conservation of the water and ecological environment. Besides, the results of thestudy could be the scientific ground for the allocation and sustainable development and utilization of water resources in an effectiveway. In this paper, the measured monthly runoff data at 11 major hydrological stations are analyzed to evaluate ecological instreamflows of the Pearl River Basin and six hydrological methodologies (the minimum monthly average flow method, the improved 7Q10method, NGPRP method, the monthly minimum ecological runoff calculation method, the monthly frequency calculation method)are used to estimate ecological runoff. Then the rationality of the calculated results by these methods is analyzed by use of theTennant method. As a result, the monthly minimum ecological runoff calculation method and the monthly frequency calculationmethod are chosen to calculate minimum ecological runoff and optimal ecological runoff respectively. And the results almost matchthe medium or optimum ranges of those calculated with Tennant method apart from individual station. In the monthly frequencycalculation method, we need to determine an appropriate guaranteed rate; this study shows that taking 50% guaranteed rate for everymonth’s runoff in many years is the most suitable in the Pearl River Basin. Meanwhile, a new approach is introduced to calculateecological water requirement by only using monthly runoff data.Key words: minimum ecological runoff; optimal ecological runoff; probability-based; ecological water evaluation method; probabili-ty distributions; The Pearl River basin