海河流域河流生态需水计算.doc

第三章 海河流域河流生态需水计算3.1 海河流域河流生态径流变化规律分析3.1.1 水文情势与河流生态径流的耦合由于河道内流量的减少，导致泥沙淤积，引起河床形态变化，致使河道萎缩，河床抬高，河口退后，并使得沿河的生态和经济受到严重的负面影响。河流缺水使得沿河的洼地、湿地、植被等严重缺水，甚至生活用水都面临危机。河流基本的生态需水能够维持河流起码的生存功能，为维护和修复河流的生态功能提供一些依据。河流的天然情势是形成和维持水生和岸边生物赖以生存的河道内和泛洪平原栖息地条件的主要因素。河流情势的五个关键组成部分，即各水文要素的量值、频率、发生时间、历时和变化率，控制着河道内、外的物质和能量交换，也影响着水生生物群落间的相互作用，同时一些水文现象发生时间的规律性是许多水生生物和岸边生物生存的必要条件。例如，洪水出现时间和历时的变化，消除了在自然状态下，洪水对鱼类的产卵和迁徙的提示作用，或者大大减少了鱼类进入繁殖区的机率。某些岸边植物具有对较持久洪水的耐受性，以及某些水生无脊椎动物和鱼类具有对较持久枯季流量的耐受性使得这些物种在适宜的生境中长期生存繁衍，避免了一些外来物种的侵袭。因此，自然状态下河流的季节性变化可以有效的抑制那些产卵和孵化必须依赖于流量变化的外来物种的入侵。河流流量的变化速率影响物种的持久性和共生性。对于那些容易暴发洪水的河流，由于流量在短时间内增加迅猛，使得那些缺乏适应能力的外来物种沿水流冲到下游地区。人类对自然水文过程的改变扰乱河流系统中水流运动与沉积物运动的动态平衡，从而改变了决定水生及岸边生物栖息地类型的地貌特征。目前针对河流生态的研究表明，鱼类及其他水生生物所需的栖息地特征是不可能仅通过维持河流最小流量得以实现的。具有一定变化范围的流量是冲刷和养护砾石河床、从泛洪平原向河道内输递营养物质、为岸边湿地提供通道等的重要动力。另外，仅仅将注意力集中在一种或几种物种的需水量特征方面，未能考虑到某些有益于整个生态系统的外在因素可能对某些物种的生存繁衍具有负面影响，而有益于某一物种生存繁衍的外在因素又可能制约着整个生态系统功能的发挥。对自然变化系统的长期研究表明，有些物种在丰水年表现出旺盛的生命力，也有些物种在枯水年更加活跃;同时，生态系统整体的生物多样性和生态系统功能的正常发挥正是得益于生物种群在数量上的交替性变化。因此，从整体上审视河流生态系统，着眼于恢复生态过程和生物丰富度的自然变化特征是河流生态系统管理与修复的重要环节。河流需要具备自然流量状态才能维持河流生态系统的完整性及生物的多样性，此自然流量状态需包括年际间及年内完全的自然变化，河流的自然流量变化包括下列五种重要的特性，即量、延时、频率、时间及变化率，此观念即称为变异范围法（Range of Variability Approach,RVA）。为量化为河川流量受水利设施影响的改变度，Richter等（1997）利用水文改变指标（Indicator of Hydrologic Altertion,IHA）的32个水文参数评估流量特性受水利工程影响之改变程度。RvA(Rnage、arribaliiytApProahc)法以保护河流生态系统生物多样性和发挥河流自然生态功能为目标，对河流进行管理，将河流水文条件的变化特征与河流生态系统完整性相结合，全面分析了与河流生态健康紧密相关的河流情势的统计特征，并最终设定初步的为保护河流生态的河流管理目标。将自然状况下的河流情势转化为河流的管理目标，是由于河流的径流特征在评价河流生态系统完整性随时间发生变化的过程中起到了有效而准确的指示器作用。主要表现在:)l河流生态系统中很多非生物因素是随着河流径流特征的变化而变化的，如溶解氧浓度、水温、不同尺寸固体悬浮物的分布、以及河床的稳定性等。2)在大尺度下，河道及泛洪平原的地貌形态是受河道流量的变化驱动的，尤其是较大流量的影响。3)相对于仅有较短时间系列的生态资料而言，具有较长时间系列的流量资料能够更好的反映人类对河流生态系统的影响。RVA法不同于其他水文学方法，它主要通过水文特征值的量值、频率、历时、发生时间以及变化率五个方面对河流径流特征进行分析。RVA法需将具有相当长度的时间序列划分为人类干扰前和人类干扰后两个阶段，分析水文变量的以上5个表现特征在人类干扰前后的变化特征。因此，具有较长时间序列的水文变量是RVA法的应用前提，这是为了更加准确的反映河流在人类干扰前后的水文变量的分布特性。3.1.2指数选取选用最能反映河流生态系统生物多样性和发挥河流自然生态功能为目标的水文变化指数(IHA, Indicators of Hydrologic Alteration)，通过RVA(Range Variability Approach)法分析人类干扰前后水文变量的分布特性，为河流生态管理提供依据。水文变化指数的选取, 分为流量大小幅度、时间、频率、持续期和变动率等具有生态意义的五大类(见下表)。表3-1 水文变化指数表IHA指标水文参数（32个）对生态系统的影响月平均水量变化各月平均流量水生生物气息可能性水滨植物供水可得性水资源的可获性野生生物饮水易获性影响水温与溶解氧年均极值变化年均1日、3日、7日、30日、90日最小/最大流量生物体竞争与忍耐的平衡创造植物散布的条件年最小7日流量/年均值流量河渠地形塑造与栖息地物理条件培养植物土壤含水紧张野生生物脱水水紧张持续期植物群落分布极端水文现象出现时间年最大流量出现日期对生物体压力的预测与规避年最小流量出现日期迁徙鱼产卵信号脉冲流量的频率与历时年出现高流量脉冲事件的次数对植物产生土壤湿度压迫的频率年出现低流量脉冲事件的次数对植物产生厌氧压迫的频率和历时年高流量脉冲事件历时洪泛平原作为生物栖息地的有效性年低流量脉冲事件历时营养及有机物在河道和洪泛平原间的交换流量变化的出现频率与变化率日流量平均增长率对植物产生的干旱压力日流量平均降低率营养物质在洪泛平原的截留流量过程转折点的数量此32 个 IHA 对河川水域生态环境的影响各不相同，例如极端流量如洪水对河相的变化及栖地的形成有极大的影响，河道与洪水平原间营养源的交换则有赖高低流量的变化频率及延时，水域生物的生命周期与年极端流量发生的日期有密切的关系等。3.1.3 RVA法评估水文指数改变度RVA 需先以详细的流量纪录来评估未受水利设施影响前之河川流量自然变化状态，Richter 等(1996)建议以日流量纪录为基础，以未受水利设施影响前之流量自然变化状态为基准，评估受水利设施影响后之流量纪录，以了解受影响的改变程度。而认定水文改变指标受影响的标准需以生态方面受影响的数据为依据，但若缺乏此方面的资料，Richter 等(1997)建议以各指标之平均值加减标准偏差、或各指标发生机率75%及25%之值(Richter 等，1998)作为各个指标之上下限，称为RVA 标的(RVA targets)。水利设施兴建后受影响流量纪录之IHA 若落在RVA 标的内的频率与水利设施兴建前的频率一样，则表示水利设施兴建及营运对河川的影响轻微，仍然保有自然的流量变化范围，但若受影响之流量纪录落于RVA 标的内的频率远大于或远小于水利设施兴建前的频率，则表示水利设施已经改变了原有河川的流量变化特性，此一改变将进一步对河川水域生态系统有严重的负面影响。RVA 的评估步骤可分为下列四个步骤：1. 以水利设施兴建前未受干扰的日流量纪录计算32 个IHA 的年变化情形；2. 依据步骤1.所得未受水利设施兴建或营运影响的结果订定各个IHA 的RVA 标的，本文将以各个IHA 发生机率75 %及25 %之值作为评估标的；3. 搜集或以仿真模式演算水利设施兴建后的日流量纪录之32 个IHA 的年变化情况；4. 以步骤2.所得之32 个IHA 的RVA 标的评估步骤3.所得水利设施兴建后的情况，即可了解水利设施的兴建与营运对河川水文特性之影响程度。为量化IHA 受水利设施影响之改变程度，Richter 等(1998)建议以水文改变度(degreeof hydrologic alteration)来评估，其定义如下： （3-1）其中Di为第i 个IHA 之水文改变度；N oi 为第i 个IHA 之观测年数，指水利设施兴建后IHA 仍落于RVA 标的内之年数；Ne为预期年数，指水利设施兴建后IHA 预期落于RVA标的内之年数，可以r NT 来评估，r 为水利设施兴建前之IHA 落于RVA 标的内之比例，若以各IHA 之75 %及25 %作为RVA 标的，则r = 50 %，而NT 为水利设施兴建后受影响流量纪录之总年数。Richter 等(1998)进一步建议若上式Di 值介于0-33 %间属于无或低度改变(little or noalteration)；33-67 %间属于中度改变(moderate alteration)；67-100 %则属于高度改变(highalteration)。由此量化的数值很容易判断表* 所列32 个IHA 受水利设施兴建与营运影响的程度。整体水文改变之评估：上述32 个IHA 可能会有不同的水文改变度，即有不同个数之IHA 分别属于高度、中度或低度改变，亦即不同的IHA 对水利设施的反应并不一致，因此整合32 个IHA 的水文改变情形以一整体水文改变状况来代表是一种简化且易于表示水利设施对水域环境影响的方式，Shiau 及Wu(2004b)曾建议以下列方式进行整体评估：1. 当32 个IHA 均为低度改变时则归类为整体低度改变(overall low alteration)；2. 当至少有1 个IHA 属于中度改变，但无任何IHA 属于高度改变时，则归类为整体中度改变(overall moderate alteration)；3. 当至少有1 个IHA 属于高度改变时，则归类为整体高度改变(overall high alteration)。以此方法作为整体评估水利设施对河川水域生态环境的影响，不仅计算甚为简单且立即可看出是否有IHA 属于中度或高度改变。但缺乏一代表整体改变的量化数值仍有以下的缺点，例如无法比较同属于整体低度、中度、或高度改变的二种不同情况的差异性，另亦无法使用优选模式以寻求最佳解，因此需要建立一整体量化的评估系统。整体水文改变度：Richter 等(1998)曾以32 个IHA 的水文改变度之平均值来评估河川水域环境的整体改变情形，以此方法作为整体评估方式会因取平均值而看不出是否有任何IHA 属于中、高度水文改变，即少数属于高度或中度改变之IHA 会因其它多数属于低度改变之IHA具有较低之水文改变度而得到较低的整体平均值。萧及吴(2004)与Shiau 及Wu(2005a)建议配合前述三种整体水文改变情形以权重平均的方式来量化评估整体的水文特性改变情况，称为整体水文改变度(overall degree of hydrologic alteration)，以Do 来表示，此法仍分为三种情况：1. 第一种情况为整体低度改变，即32 个IHA 都属于低度改变，亦即Di 值均小于33%，则整体水文改变度，取32 个IHA 的Di 值之平均值，如下式所示： （3-2）上式的Do值将会低于33%。2. 第二种情况为整体中度改变，即32 个IHA 中至少有一个IHA 属于中度改变，而没有任何IHA 属于高度改变，则采取下列的权重平均方式来计算： （3-3）其中Nm为属于中度改变的IHA 个数。依此式计算， Do的数值将会介于33%与67%之间。3. 第三种情况为整体高度改变，即32 个IHA 中至少有一个IHA 属于高度改变，则采取下列的权重平均方式来计算： （3-4）其中Nh 为属于高度改变的IHA 个数。此种情况Do值将高于67%。以此方法来评估河川流量自然变化的整体改变情况有以下的优点：(1)由整体水文改变度的数值大小即可知道是否有IHA 属于中度或高度改变；(2)整体水文改变度的数值依整底高度、中度及低度改变仍然分为三阶段，且其分界与Richter 等(1998)原本对水文改变度分界的建议值一致；(3)整合式量化的表示方式可使用于优选模式中以决定最佳策略。因此本文亦将利用此法来评估受水利设施影响之河川整体水域环境之改变程度。3.1.4海河流域水文指数改变度分析指数分析以滦河下游的滦县水文站和永定河支流桑干河上石匣里水文站为例进行分析。根据水文站上游水利工程和河流演变趋势，选定1980年作为天然河流和受到干扰后的河流特性的分界点。从图1干扰前后两个时期的月流量过程可以看出，滦县站涞水总体是减少的，由于水库等水利工程的调蓄作用受干扰后的流量过程趋于平滑，洪峰流量大幅度减小，由于受到干扰强烈，1980年后流量基本都落在RVA恢复目标之外。图3-11 受干扰前后滦县站月流量分布图图3-2 受干扰前后石匣里站月流量分布图通过分别计算两站两个时段的水文系列特征值，得出水文恢复目标范围，具体结果见下表。 表3-2 滦县站水文变化指数统计分析表水文变化指数设定流量变化范围中值低高干扰前离散系数干扰后离散系数4月54.06 67.53 57.65 0.35 44.70 0.99 5月32.85 45.33 39.00 0.49 86.80 0.22 6月38.28 56.55 46.55 0.75 81.73 0.25 7月110.90 222.60 144.00 1.24 68.70 1.67 8月253.10 467.00 316.00 1.22 106.90 2.05 9月120.00 189.20 156.00 0.86 48.40 2.02 10月78.03 124.00 91.50 0.72 24.90 1.84 11月59.48 89.99 73.30 0.55 17.70 1.04 12月35.78 48.65 43.80 0.55 14.75 0.97 1月26.06 37.55 29.30 0.54 12.55 0.85 2月30.51 41.47 32.00 0.69 12.30 0.67 3月43.00 53.98 50.80 0.30 14.65 0.53 年最小1日平均流量14.74 20.46 19.00 0.46 4.80 1.11 年最小连续3日平均流量17.16 22.04 19.83 0.42 5.52 0.94 年最小连续7日平均流量18.18 23.72 21.19 0.41 7.04 0.78 年最小连续30日平均流量23.37 27.95 26.52 0.42 11.04 0.82 年最小连续90日平均流量29.77 37.94 33.49 0.47 12.26 0.83 年最大1日平均流量1552.00 3722.00 2500.00 1.40 450.40 2.90 年最大连续3日平均流量987.20 2630.00 2047.00 1.26 378.40 3.04 年最大连续7日平均流量693.10 1749.00 1334.00 1.12 312.70 3.03 年最大连续30日平均流量397.20 929.50 655.00 1.22 191.80 1.81 年最大连续90日平均流量245.00 501.20 360.70 1.03 133.90 1.34 年最小连续7日流量/年均值流量0.13 0.21 0.17 0.75 0.12 0.98 年最小流量出现日期39 153 36 0 334 0.47 年最大流量出现日期211 226 222 0 213 0.08 年流量减少脉冲次数4.56 7.00 5.00 0.80 6.00 0.63 年流量减少脉冲历时3.56 9.16 6.00 1.33 6.00 0.75 年流量增加脉冲次数3.00 5.00 4.00 0.75 4.50 1.11 年流量增加脉冲历时3.78 10.50 6.00 1.83 3.50 1.71 日流量平均增长率2.31 3.36 2.80 0.64 2.13 0.86 日流量平均降低率-4.00 -3.00 -3.35 -0.54 -1.80 (0.60)流量过程转折点数量82.00 117.00 92.00 0.48 86.00 0.12 表3-3滦县站水文变化指数改变度统计表中 RVA范围高 RVA范围低 RVA范围期望实际变化度期望实际变化度期望实际变化度4月7 5-0.30 6 1-0.85 6 141.17 5月7 0-1.00 6 202.10 6 0-1.00 6月7 2-0.72 6 181.79 6 0-1.00 7月7 3-0.58 6 4-0.38 6 131.02 8月7 2-0.72 6 3-0.54 6 151.33 9月7 3-0.58 6 2-0.69 6 151.33 10月8 1-0.88 5 2-0.61 6 171.64 11月7 0-1.00 6 2-0.69 6 181.79 12月7 2-0.72 6 0-1.00 6 181.79 1月7 4-0.44 6 0-1.00 6 161.48 2月7 1-0.86 6 0-1.00 6 191.95 3月7 0-1.00 6 0-1.00 6 202.10 表3-4石匣里站水文变化指数统计分析表水文变化指数设定流量变化范围中值低高干扰前离散系数干扰后离散系数4月19.00 5.10 0.99 0.81 0.73 0.19 5月13.40 3.20 0.90 1.92 0.76 1.12 6月8.37 2.71 1.25 1.61 0.68 0.29 7月16.50 4.93 1.29 1.50 0.70 0.16 8月24.70 5.76 1.37 1.13 0.77 0.18 9月18.05 4.85 0.92 0.67 0.73 0.27 10月16.30 5.00 1.06 0.78 0.69 0.26 11月10.30 4.95 1.15 0.75 0.52 0.35 12月9.74 2.70 0.82 0.88 0.72 0.07 1月10.30 2.30 0.65 0.77 0.78 0.19 2月11.40 3.70 0.60 0.59 0.68 0.03 3月31.10 6.90 1.13 0.42 0.78 0.62 年最小1日平均流量2.44 0.50 1.14 2.19 0.80 0.92 年最小连续3日平均流量2.79 0.67 1.42 2.08 0.76 0.46 年最小连续7日平均流量3.24 0.83 1.61 2.02 0.74 0.26 年最小连续30日平均流量6.24 1.78 1.25 1.10 0.71 0.12 年最小连续90日平均流量9.26 2.76 0.86 0.63 0.70 0.27 年最大1日平均流量152.00 36.30 0.95 1.55 0.76 0.63 年最大连续3日平均流量126.40 29.33 0.60 1.13 0.77 0.88 年最大连续7日平均流量101.80 20.46 0.61 1.41 0.80 1.32 年最大连续30日平均流量58.17 12.47 0.66 1.78 0.79 1.70 年最大连续90日平均流量31.95 8.63 0.82 1.48 0.73 0.81 年最小连续7日流量/年均值流量0.16 0.18 0.93 0.85 0.10 0.09 年最小流量出现日期187 184 0 0 0 0.24 年最大流量出现日期215 190 0 0 0 0.67 年流量减少脉冲次数7.00 14.00 1.29 0.46 1.00 0.64 年流量减少脉冲历时4.50 7.00 0.61 1.82 0.56 1.98 年流量增加脉冲次数8.00 3.00 1.06 1.83 0.63 0.73 年流量增加脉冲历时4.00 2.00 1.00 0.50 0.50 0.50 日流量平均增长率1.10 0.42 1.05 0.73 0.62 0.31 日流量平均降低率-1.51 -0.50 -0.79 -0.59 0.67 0.25 流量过程转折点数量123.00 131.00 0.30 0.06 0.07 0.78 表3-5 滦县站水文变化指数改变度统计表中 RVA范围高 RVA范围低 RVA范围期望实际变化度期望实际变化度期望实际变化度4月8 0-1.00 7 1-0.85 7 201.98 5月8 6-0.21 7 1-0.85 7 141.08 6月8 5-0.34 7 1-0.85 7 151.23 7月8 3-0.60 7 1-0.85 7 171.53 8月8 3-0.60 7 0-1.00 7 181.68 9月8 0-1.00 7 1-0.85 6 202.40 10月8 0-1.00 7 0-1.00 7 212.13 11月8 2-0.74 7 0-1.00 7 191.83 12月8 0-1.00 7 0-1.00 7 212.13 1月8 0-1.00 7 0-1.00 7 212.13 2月8 0-1.00 7 0-1.00 7 212.13 3月8 0-1.00 7 0-1.00 7 212.13 从上面两个表可以看出两站的水文过程受影响明显，其中中、高流量范围的RVA改变度都是负值，说明受到干扰后径流被均化，而低流量范围的RVA改变度多为正值，说明径流在总水量减少后被均化，流量过程变的平滑。水利工程如大型水库的修建等人工干扰同时也显著的改变了河流年内极端水文特征变化的范围和趋势。年最小/最大1日平均流量、年最小/最大连续3、7、30、90日平均流量都变化明显，如下图的最小/最大1日平均流量，在水量明显减少的同时，年际间波动范围也明显减小，这是因为水利工程在汛期消减了洪峰流量以及在非汛期下泄部分流量以保证下游河道流量。由于年内极端水文现象的出现频率和发生历时往往是某些物种再生和发育的驱动因素，该因素的变化将影响水域生物群落的演替过程，并对河流生态系统产生长期的胁迫作用。图3-3 受干扰前后滦县站最小1日平均流量变化图图3-4受干扰前后石匣里站最小1日平均流量变化图图3-5 受干扰前后滦县站最大1日平均流量变化图图3-6 受干扰前后石匣里站最大1日平均流量变化图从图16-19可以发现，年出现流量增加脉冲的平均历时和流量出现变化次数都明显减小，脉冲流量对泛洪平原的周期性淹没是加强河流生态系统横向连续性的重要因素，在枯水流量增加脉冲的平均历时的缩短减弱了泛洪平原为岸边植物、浮游生物及鱼类产卵提供栖息地的重要生态功能。图3-7 受干扰前后滦县站高流量脉冲的历时变化图图3-8受干扰前后石匣里站高流量脉冲的历时变化图图3-9受干扰前后滦县站流量过程转折点的数量变化图图3-10受干扰前后石匣里站流量过程转折点的数量变化图（3） 环境流量指数环境流量是将流量过程曲线划分为一系列与生态紧密相关的流量模式，即枯水流量、极枯水流量、高流量脉冲、一般洪水和特大洪水。这5种流量模式包含了流量过程曲线中的所有流量过程，对于维持河流生态系统完整性是十分重要的。这不仅仅体现在枯水季节满足一定的水量，更重要的是一定规模的洪水，甚至极端枯水流量都发挥着重要的生态功能。环境流量能够更加直观的描绘出河流情势的变化，其日间变化、季节间变化以及年际间变化都会对水生动植物产生不同程度的影响。归纳以上5种流量模式的相关统计特征，提取为28个环境流量指数，见表。通过分析人类活动干扰前后这28个环境流量指数的变化情况，可以在一定程度上反映生态系统的受影响状况。表3-6 环境流量指数表环境流量指数分类水文参数生态响应月枯水流量月枯水流量的中值为水生生物提供充足的栖息地维持河流适宜的水温、溶解氧浓度和水化学特征维持泛洪平原的地下水位和土壤湿度为陆生动物提供饮用水为鱼类向食物区和产卵区提供通道极枯水流量年出现极枯水流量的次数使泛洪平原的某些物种得到补充年极枯水流量的平均历时(天)清除水生和岸边生物群落的外来入侵物种年极枯水流量的极小值极小枯水流量的出现时间高流量脉冲年出现高流量脉冲的次数塑造河道的物理特征，如浅滩和深塘年极高流量脉冲的平均历时(天)形成不同尺寸的河床沉积层颗粒，如沙石、砾石和卵石年高流量脉冲的极大值防止岸边植物的侵蚀，涌入河道极高流量脉冲的出现时间在经历了漫长的枯水期后，对恢复河流水质具有重要作用，冲刷掉污染物质维持河口地区适宜的盐度一般洪水年出现一般洪水的次数为鱼类的迁移和产卵提供必要的提示触发新一阶段的生命循环年一般洪水的平均历时(天)为鱼类在泛洪平原内产卵创造条件，并为幼鱼的成长提供场所年一般洪水的极大值为鱼类和水鸟提供食物极一般洪水的出现时间回灌泛洪平原的地下水位维持泛洪平原植物的多样性(不同物种具有不同的耐性)控制泛洪平原植物的分布与丰富度有助于泛洪平原营养物质的沉积特大洪水年出现特大洪水的次数维持水生和岸边物种的平衡年特大洪水的平均历时(天)塑造泛洪平原的物理栖息地年特大洪水的极大值为产卵区域沉积大量的砾石和卵石极特大洪水的出现时间将大量营养物质和碎木屑冲入河道清除水生和岸边生物群落的外来入侵物种促进了河道的横向运动，形成了新的栖息地控制泛洪平原植物的分布与丰富度有助于泛洪平原营养物质的沉积当流量值大于计算年限内日流量序列P75或，在高流量脉冲事件系列中，将重现期为2年的定义为一般洪水，将重现期为10年的定义为特大洪水。在全部流量过程中将高流量脉冲事件以外的过程定义为枯水流量过程。在枯水过程系列中，将PI。以下流量定义为极枯水流量过程。为了讨论人类干扰前后各环境流量的变化特征，本文认为定义洪水的重现期与定义极枯水流量的闭值应以河流在受到人类干扰前，处于近自然状态时期为计算时段。.图3-11和图3-12 反映了两站所在河流受干扰前后5种流量模式的变化状况。从图中可以看出，特大洪水和一般洪水事件在受到干扰后发生的次数明显减少。同时，极枯水流量过程也显著减少。建坝后，大多数量过程都被划为高流量脉冲事件这一流量模式，这反映了在建坝后的时间系中，流量的变化范围明显变窄，流量模式更加单一化。图3-11 滦县站干扰前后环境流量分析图3-12 石匣里站干扰前后环境流量分析 分析干扰前后28个环境流量指数的变化情况，见表15。从表中可以看出，由于缺水严重极小流量出现历时频率都有所增加，而特大洪水基本不再出现，大部分是高流量脉冲事件，但量值减少。表3-7 滦县站环境流量指数分析表环境流量指数中值离散系数偏差系数干扰前干扰后干扰前干扰后中值离散系数4月枯水流量中值58.00 47.35 0.33 0.34 0.18 0.03 5月枯水流量中值38.85 59.10 0.30 0.37 0.52 0.23 6月枯水流量中值38.00 78.40 0.58 0.30 1.06 0.48 7月枯水流量中值60.85 45.43 0.60 0.38 0.25 0.37 8月枯水流量中值94.80 44.68 0.30 0.84 0.53 1.85 9月枯水流量中值93.90 44.63 0.34 0.61 0.52 0.78 10月枯水流量中值82.80 46.40 0.35 0.73 0.44 1.10 11月枯水流量中值63.95 34.80 0.57 0.44 0.46 0.22 12月枯水流量中值43.20 27.70 0.40 0.38 0.36 0.06 1月枯水流量中值30.70 30.00 0.47 0.20 0.02 0.58 2月枯水流量中值32.58 27.20 0.62 0.39 0.17 0.37 3月枯水流量中值48.60 34.85 0.30 0.58 0.28 0.90 年极枯水流量极小值19.70 12.15 0.16 0.58 0.38 2.69 年极枯水流量历时571.00 1.36 0.40 0.36 年极枯水流量时间363060.35 0.35 0.52 0.00 年极枯水流量次数242.00 0.69 1.00 0.66 年出现高流量脉冲极大值117.5 115.5 0.39 0.33 0.02 0.15 年出现高流量脉冲历时661.00 0.71 0.00 0.29 年出现高流量脉冲时间183.32030.15 0.16 0.11 0.03 年出现高流量脉冲次数470.75 0.68 0.75 0.10 年出现一般洪水极大值422044390.34 0.34 0.05 0.01 年出现一般洪水历时89440.44 1.09 0.51 1.49 年出现一般洪水时间224218.50.05 0.03 0.03 0.35 年出现一般洪水次数0000年出现特大洪水极大值166000.78 年出现特大洪水历时1070.96 年出现特大洪水时间2040.03 年出现特大洪水次数0000表3-8 石匣里站环境流量指数分析表环境流量指数中值离散系数偏差系数干扰前干扰后干扰前干扰后中值离散系数4月枯水流量中值13.98 5.17 0.81 0.71 0.63 0.12 5月枯水流量中值10.70 4.40 0.85 1.04 0.59 0.22 6月枯水流量中值7.62 5.36 0.79 0.18 0.30 0.77 7月枯水流量中值10.10 5.50 0.50 0.13 0.46 0.75 8月枯水流量中值9.67 5.40 0.79 0.58 0.44 0.27 9月枯水流量中值12.60 4.85 0.73 0.42 0.62 0.42 10月枯水流量中值14.78 5.00 0.50 0.78 0.66 0.56 11月枯水流量中值10.05 5.15 1.02 0.68 0.49 0.33 12月枯水流量中值8.92 3.60 0.89 0.31 0.60 0.65 1月枯水流量中值10.50 3.73 0.62 1.26 0.65 1.02 2月枯水流量中值11.40 3.84 0.57 0.39 0.66 0.32 3月枯水流量中值11.90 7.10 0.57 0.32 0.40 0.43 年极枯水流量极小值2.03 1.97 0.36 0.32 0.03 0.11 年极枯水流量历时341.00 0.56 0.33 0.44 年极枯水流量时间182.5202.50.15 0.28 0.11 0.81 年极枯水流量次数1127.00 1.13 11.00 0.84 年出现高流量脉冲极大值28.5 20.8 0.52 0.29 0.27 0.44 年出现高流量脉冲历时421.00 1.00 0.50 0.00 年出现高流量脉冲时间219198.50.20 0.09 0.11 0.54 年出现高流量脉冲次数1060.80 1.00 0.40 0.25 年出现一般洪水极大值188183.50.42 0.05 0.02 0.88 年出现一般洪水历时36.5180.49 0.11 0.51 0.77 年出现一般洪水时间224.52050.05 0.08 0.11 0.76 年出现一般洪水次数0000年出现特大洪水极大值7080.21 年出现特大洪水历时71.50.38 年出现特大洪水时间218.50.03 年出现特大洪水次数0000综合表15、表16和图20-24，极枯流量和高流量脉冲都表现出变化范围缩小、变化幅度减弱的趋势，滦县站因位于滦河下游，随着经济发展取水量加大，特枯流量的出现频率越来越高，石匣里站相对水量较充足，特枯年份频率较低，变化范围比较集中。对于两站高流量脉冲，经过众多水库的调蓄已经改变的比较平滑很少出现大幅度变化，这也造成河流水文情势、径流形态多样性的进一步破坏。 图3-13 滦县站干扰前后极枯流量历时变化图图3-14 石匣里站干扰前后极枯流量历时变化图图3-15 滦县站干扰前后高流量脉冲天数变化图图3-16 石匣里干扰前后高流量脉冲天数变化图3.2 河流最小生态流量计算方法3.2.1 最小生态流量河流是由河槽和河槽中流动的水构成。足够流动的水是使河流具有生态与环境功能的基础，也是河流功利性功能的基础，同时也是满足人类精神文化生活需要的重要物质条件。因此，保证河流生态与环境功能的关键是有一定的流量，该流量将保证河流具有足够流动的水，同时使河流的基本环境功能不致丧失根据水量平衡原理,如果河段河道一定,并按照年平均状况计算,则任一河段( i ) 的河道水量平衡方程可表示为:Qt i = Qs Qg + QR + Qb + Qw - Qe - Qd W （3-5）式中: Qt i 为任一河段河道中的总水量; Qs 为上游进入i 河段河道中的来水; QR 为河段降水量; Qb 为i 河段支流汇入的水量; Qe 为i 河段河道的水面蒸发损失; Qd 为i 河段河道两岸引用水量; Qw 为河段废污水的排入量;W 为i 河段某一时段始末河道中储水量差值; Qg 为i 河段地下水进入该河段河道的水量。该河段中总的地下水来源Q(gt) i 应为承接河段外的地下水qiqi = qgi + q(bg) i,其中qgi为河道上游来的地下水, q(bg) i 为支流进入河道的地下水) 与河段本身进入河道的地下水Qgi之和,即:Q(gt) i =Qgi + qgi + q(bg) i (2) （3-6）称Q(gt) i为该河段的地下水来水,也就是该河段河道的基(础) 流量。由此看出,如果要保证河道基本环境功能不受破坏,就必须同时满足下列三个条件: Q(gt) i 0 ,使河流不致于断流; 河道基流量( Q(gt) i ) 大于某一给定值,使河槽中具有足够流动的水; 河道中常年流动的总水量(假设为Qn ) ,必须满足该河段的基本环境功能。若令Qvi = Q(gt) iQmi （3-7）则把Qvi称为i 河段的河道环境需水量,式中Qmi表示i 河段除河道基流外,为满足i 河段一定的河道环境功能要求所必须具有的水量。其有三种情况: 河道基流基本能够满足设定的环境功能要求,此时Qmi = 0 , ,在实际中表示环境需水量就等于河道基流量; 河道基流不能够满足设定的环境功能要求,此时Qmi0 ,在实际中表示环境需水量大于河道基流量; 河道基流不但能够满足设定的环境功能要求,且有盈余,此时Qmi0 ,在实际中表示环境需水量小于河道基流量,有一部分基流量可以作为经济用水。通过上述分析,本文认为,河道最小环境需水量是指为维系和保护河流的最基本环境功能不受破坏,所必须在河道中常年流动着的最小水量的阈值,其理论上主要由河流的基流量组成. 河道最小环境需水量所要满足的环境功能主要包括: (1) 保持水体一定的稀释能力. (2) 保持水体一定的自净能力. 需要指出的是,对于河流基本的污染净化功能的维持,要求全年各个时段都要有相应的水量保证。3.2.2基于河床演变理论的最小生态需水计算通过对流域地貌临界中的河型转化指标分析可知，河宽或湿周、水深或水位、流速或比降、河床粒径组成和结构等总是在中观和微观尺度上影响或者控制着河流的各种状态，包括河流的存在、河流类型、河床演变等。同时考虑（1）湿周和流量的上述耦合关系；（2）量纲的和谐性；（3）湿周法试验中流量与湿周的变化趋势；（4）断面水文资料获取和研究程度的实际情况；（5）各种参数在一定范围的相对性。选取河流水力形态指标，包括宽深率比主要临界指标以及参考指标水深和流速，作为河流发生劣变的判别阈值，对应的流量作为最小生态流量。（1）断面宽深比用以表示横断面形态特征；（2）水深：参考指标；流速：参考指标，用以表示河流的纵向连续性。L.B.Leopold认为河床的形态主要取决于流量137,即有下述的河宽、水深、流速与流量的关系: （3-8）其中,、为河流特性系数，、为河流特性指数，且满足以下条件： （3-9）为了尽量消除各种指数和系数分布不均匀性产生的影响，采用无量纲化的百分比指标来描述：、，为平均水面宽，为多年平均流量。由上述形态学的表达方程组和约束条件可知，各水力参数与流量之间在性质上属于凹函数，,即二阶导数。从统计学上分析，当上述关系发生突变时，突变点是变化率发生明显转变的地方，称其为临界点。在各种关系图中与此临界点相应的水力参数和流量成为河湖生存处于劣变的临界状态。临界点对应以最小的水流条件维持河流自身的形态，临界点以下的损失会导致大规模水面宽损失。河流水力几何形态特征方程的水力相似性和函数特性，为河道断面形态分析和断面最小生态流量的计算提供了依据。分析知，最小生态流量的具有多层意义：（1）几何意义：最小生态流量是河流水面宽与流量关系发生转折变化的特征值，即是由增加快到慢发生变化标志的临界阈值；（2）经济意义：河