基于改進(jìn)7Q10法的灤河生態(tài)流量分析

徐　偉,董增川,羅曉麗,付曉花,談娟娟

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京　210098)

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基于改進(jìn)7Q10法的灤河生態(tài)流量分析

徐偉,董增川,羅曉麗,付曉花,談娟娟

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京210098)

針對(duì)傳統(tǒng)水文學(xué)方法計(jì)算生態(tài)流量時(shí)采用受人類活動(dòng)影響較大的實(shí)測(cè)徑流系列而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏小的問題,提出了基于長系列降水徑流資料分析的改進(jìn)7Q10法,并將其應(yīng)用于灤河上、中、下游代表水文站的最小生態(tài)流量的計(jì)算中。結(jié)果表明: 灤河河道徑流量在1979年后受人類活動(dòng)影響較為劇烈;與傳統(tǒng)方法相比,改進(jìn)7Q10法計(jì)算的最小生態(tài)流量結(jié)果更符合實(shí)際。

降水徑流系列;改進(jìn)7Q10法;最小生態(tài)流量;灤河

灤河位于我國北部,是華北地區(qū)僅次于海河的一條大河,它發(fā)源于河北省豐寧縣巴彥圖爾古山西北麓,入內(nèi)蒙,稱閃電河;在內(nèi)蒙古多倫附近,有上都河注入,稱大灤河;經(jīng)兩度曲折,轉(zhuǎn)回河北省,在郭家屯匯入小灤河后稱灤河。此后干流呈東南向,橫穿燕山和冀東平原,最后于樂亭縣兜網(wǎng)鋪入渤海[1],全長888 km。近年來,隨著人類活動(dòng)影響的日益加劇以及氣候變化,灤河徑流下降顯著[2],據(jù)統(tǒng)計(jì),1996—2000年灤河干流大黑汀至河口(巖山渠首以下)段共發(fā)生斷流5次,斷流長度為158 km,合計(jì)斷流天數(shù)達(dá)1 553 d。從非生物環(huán)境看,徑流的顯著減少乃至出現(xiàn)河道脫水現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)不能維持非生物環(huán)境的基本功能,比如提供水能,調(diào)節(jié)氣候,疏通河道,運(yùn)送營養(yǎng)物質(zhì)等。從生物對(duì)水分的需求角度看,根據(jù)物種的耐性定律,當(dāng)流量不足或過多,超過了河流某物種的耐性限度時(shí),會(huì)使該物種不能正常生存,甚至滅絕,進(jìn)而影響其他相關(guān)物種非正常的生態(tài)演替,導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)的惡化。因此,有必要對(duì)灤河流量尤其是最小生態(tài)流量進(jìn)行分析與研究。

1　改進(jìn)的7Q10法

根據(jù)河流生態(tài)系統(tǒng)的自然和社會(huì)服務(wù)功能,河流流量可以劃分為環(huán)境流量和水利流量兩部分[3-4],其中環(huán)境流量中為維持河流河床基本形態(tài)、防止河道斷流、保持水體自凈能力和避免河流水體生物群落遭到無法恢復(fù)的破壞而保留在河道中的最小流量稱為最小生態(tài)流量[5]。目前,計(jì)算最小生態(tài)流量的方法有很多。其中使用頻率最高的2種方法是Tennant法[6]和最小月平均流量法[5]。Tennant法是將天然情況下多年平均月徑流從小到大排序,前6個(gè)月為少水期,后6個(gè)月為多水期,根據(jù)2個(gè)時(shí)期多年平均流量的百分比和河道內(nèi)生態(tài)與環(huán)境狀況的對(duì)應(yīng)關(guān)系,直接計(jì)算維持河道一定功能的生態(tài)與環(huán)境需水量。因此,用Tennant法計(jì)算河流最小生態(tài)流量的關(guān)鍵在于選取合理的百分比。但由于不同河流水系其河道內(nèi)生態(tài)與環(huán)境功能不同,同一河流的不同河段也有差異,所以通常使用的10%～20%僅僅是參考值,直接挪用時(shí)要深入分析某一河流或河段的實(shí)際情況,實(shí)際操作時(shí)不易操作。最小月平均流量法是以河流最小月平均實(shí)測(cè)徑流量的多年平均值作為河流的基本生態(tài)需水量[6]。該方法雖簡單易行,但由于缺水地區(qū)的實(shí)測(cè)徑流量往往受人類活動(dòng)影響較大,而且隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水的增加,影響呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢(shì),從而導(dǎo)致計(jì)算得到的最小生態(tài)流量會(huì)偏小,不利于水生態(tài)環(huán)境的維持、修復(fù)與治理[7-8],因此最小月平均流量法不適用于人類活動(dòng)對(duì)水資源劇烈影響的地區(qū)。

7Q10法是一種基于水文學(xué)參數(shù),考慮水質(zhì)因素(河流的自凈能力)計(jì)算河道生態(tài)環(huán)境需水的方法。國外一般采用90%保證率最枯連續(xù)7 d的平均水量作為河流最小流量設(shè)計(jì)值。但由于該標(biāo)準(zhǔn)要求比較高,我國在GB 3839—1983《制定地方水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)原則和方法》[9]中規(guī)定,一般河流采用最近10 a最枯月平均流量或90%保證率最枯月平均流量作為最小生態(tài)流量設(shè)計(jì)值。不難發(fā)現(xiàn),不管是國外還是國內(nèi)方法,都與上述最小月平均流量法類似,其計(jì)算處理過程均是基于河道的實(shí)測(cè)徑流系列資料進(jìn)行的,而徑流的實(shí)測(cè)值,尤其是近20 a,受社會(huì)經(jīng)濟(jì)取用水、修水庫、塘堰等水利工程以及水土保持等人類活動(dòng)的影響改變較為劇烈,從而會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的最小生態(tài)流量偏小,不能滿足河流生態(tài)系統(tǒng)的最小需水要求。因此,雖然該方法在水文學(xué)的基礎(chǔ)上考慮了水質(zhì)因素,但該法同樣不適用于像海河流域這樣人類活動(dòng)對(duì)水資源劇烈影響的地區(qū)。

流量是影響河流生態(tài)系統(tǒng)健康的關(guān)鍵水文要素之一。天然的徑流系列從一定程度上可以保證河流生態(tài)流量計(jì)算的準(zhǔn)確性。因此,可以通過徑流資料的還原計(jì)算對(duì)7Q10法進(jìn)行改進(jìn),用還原后的徑流資料計(jì)算河流的最小生態(tài)流量。徑流的還原一般采用調(diào)查和分析相結(jié)合的方法,盡可能按照河系自上而下、按水文站控制斷面分段逐月、逐年還原。但受人類活動(dòng)調(diào)蓄和消耗的這部分流量及其年內(nèi)分配的實(shí)際數(shù)據(jù)難以獲取,因此通過還原徑流系列的途徑計(jì)算最小生態(tài)流量有一定困難,該方法不適用于社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水資料嚴(yán)重缺乏的地區(qū)。

為了避開徑流系列還原這一復(fù)雜問題,本文提出了改進(jìn)的7Q10法。其主要的計(jì)算思路如下:(a)通過長系列降水徑流雙累積曲線劃分徑流變化的天然時(shí)期(人類活動(dòng)影響微弱時(shí)期,近似于天然時(shí)期)和人類活動(dòng)干擾時(shí)期;(b)對(duì)流域的長系列降雨資料進(jìn)行P-Ⅲ曲線排頻,確定頻率P=90%來水情形的設(shè)計(jì)來水量;(c)在天然時(shí)期中尋找與設(shè)計(jì)來水量相同或相近的年份作為代表水文年;(d)將代表水文年的最枯連續(xù)7 d的平均水量或最枯月平均流量作為該河的最小生態(tài)流量。

2　灤河最小生態(tài)流量計(jì)算與分析

2.1天然時(shí)期與人類活動(dòng)干擾期劃分

圖1　灤河流域降水徑流雙累積曲線Fig. 1　Rainfall-runoff double-mass curve in Luanhe River Basin

人類活動(dòng)干預(yù)水循環(huán),目前主要影響的環(huán)節(jié)是地表徑流。水資源的開發(fā)利用,包括城鎮(zhèn)化、水土保持措施在內(nèi)的土地利用或土地覆蓋方式的變化等對(duì)徑流變化產(chǎn)生了巨大的影響。雙累積曲線法是目前用于水文氣象要素一致性或長期演變趨勢(shì)分析中最簡單、最直觀、最廣泛的方法[10-12]。通過流域面平均降水量與流域出口徑流量(入海河流可用入海水量作為流域出口徑流量)雙累積曲線的拐點(diǎn)可以分辨人類活動(dòng)作用對(duì)徑流干擾的時(shí)期。

選擇灤河流域及周邊的多倫、豐寧、圍場(chǎng)、密云、承德、遵化、青龍、秦皇島、唐山、樂亭10個(gè)雨量站1957—2011年的降雨系列資料,對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn),通過檢驗(yàn)后應(yīng)用泰森多邊形法計(jì)算灤河流域的逐年面平均降水量。通過海河流域水資源綜合規(guī)劃成果和河北省第二次水資源評(píng)價(jià)成果獲得灤河流域1957—2011年逐年入海水量。灤河流域1957—2011年降水徑流雙累積曲線如圖1所示。

由圖1可以看出,降水徑流雙累積曲線在1979年前大致呈直線上升趨勢(shì),1979年后曲線明顯偏離了原來的趨勢(shì),說明灤河徑流從1979年開始受到強(qiáng)烈的人類活動(dòng)影響。此外曲線上還存在2個(gè)明顯的拐點(diǎn),即1994年與1998年。分析灤河水系主要水利工程的建設(shè)時(shí)間(表1)可以發(fā)現(xiàn),灤河最大的水庫工程潘家口水庫下閘蓄水時(shí)間為1979年,剛好與第1個(gè)拐點(diǎn)吻合。此外桃林口水庫的建成時(shí)間1998年剛好與第3個(gè)拐點(diǎn)吻合,可見大型水利工程的建成與運(yùn)行對(duì)灤河徑流的變化有很大影響。因此可以以1979年為分界點(diǎn),將1957—1979年近似看作天然時(shí)期,將1980—2011年看作人類活動(dòng)干擾時(shí)期。

表1　灤河主要水利工程情況Table 1　Major water conservancy projects in Luanhe River

2.2確定P=90%年型來水量

由于灤河徑流系列在1979年之后受人類活動(dòng)影響較大,因此對(duì)實(shí)測(cè)的徑流系列進(jìn)行頻率分析意義不大。降水受人類活動(dòng)影響較小,因此通過對(duì)灤河流域的長系列降水資料進(jìn)行P-Ⅲ分布適線法排頻分析確定灤河流域P=90%情形時(shí)的設(shè)計(jì)來水量。灤河流域P=90%情形時(shí)的設(shè)計(jì)降雨量為414 mm。

2.3確定P=90%年型代表年

表2　灤河最小生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果比較Table 2　Comparison of calculated minimum ecological flows in Luanhe River

注:文獻(xiàn)[13-15]分別采用Tennant法、濕周法、基于河道形態(tài)法計(jì)算最小生態(tài)流量。

在天然時(shí)期中尋找與設(shè)計(jì)來水量相同的或相近的年份作為代表水文年。按照此方法,選取1972年作為灤河P=90%代表水文年。根據(jù)相關(guān)史志文獻(xiàn)記載,1972年未發(fā)生較大的水生態(tài)事件,因此選擇1972年作為典型代表年是合理的。

2.4最小生態(tài)流量計(jì)算

分別選取位于灤河上、中、下游區(qū)域的大河口站、三道河子站和灤縣站3個(gè)水文測(cè)站進(jìn)行計(jì)算分析。將代表水文年1972年的各站的最枯連續(xù)7 d的平均流量作為該站的最小生態(tài)流量,計(jì)算結(jié)果見表2。同時(shí)將未改進(jìn)的傳統(tǒng)方法(我國標(biāo)準(zhǔn)中提出的最近10 a的最枯月平均流量)的計(jì)算結(jié)果、其他已有研究成果與本文計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。由表2可以發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)方法的計(jì)算結(jié)果明顯偏小。與傳統(tǒng)方法相比,改進(jìn)的7Q10法計(jì)算最小生態(tài)流量更符合河流的實(shí)際生態(tài)需水要求。

3　結(jié)　　語

對(duì)計(jì)算最小生態(tài)流量的傳統(tǒng)水文學(xué)方法進(jìn)行了分析,指出了各方法在應(yīng)用中的不足,并對(duì)傳統(tǒng)的7Q10法進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)方法為:先通過長系列降水徑流雙累積曲線劃分徑流變化的天然時(shí)期和人類活動(dòng)干擾期;對(duì)降雨系列進(jìn)行P-Ⅲ曲線排頻,并在天然時(shí)期中確定P=90%的代表水文年;最后將代表水文年的最枯連續(xù)7 d的平均水量或最枯月平均流量作為該河的最小生態(tài)流量。將改進(jìn)的7Q10法應(yīng)用于灤河流域,通過與其他研究成果比較,認(rèn)為改進(jìn)的7Q10法計(jì)算最小生態(tài)流量更符合河流的實(shí)際。該研究結(jié)果可為灤河河流生態(tài)演化機(jī)理分析、流域水資源科學(xué)合理配置提供參考。

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Analysis of ecological flow in Luanhe River based on improved 7Q10 method

XU Wei, DONG Zengchuan, LUO Xiaoli, FU Xiaohua, TAN Juanjuan

(CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

The ecological flow obtained from traditional hydrologic methods that adopt measured runoff series affected by human activities is lower than its actual value. In order to solve this problem, an improved 7Q10 method is proposed based on analysis of long series of rainfall and runoff data, and is used to calculate the minimum ecological flow at representative hydrological stations upstream, midstream, and downstream of the Luanhe River. The results indicate that runoff in the Luan River has been significantly affected by human activities since 1979, and the minimum ecological flow obtained from the improved 7Q10 method is more reasonable than that obtained from the traditional method.

rainfall and runoff series; improved 7Q10 method; minimum ecological flow; Luanhe River

10.3876/j.issn.1000-1980.2016.05.013

2015-12-09

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(2014B34714);國家社會(huì)科學(xué)基金重大項(xiàng)目(2012&ZD214);水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201101017)

徐偉(1991—),男,江蘇大豐人,博士研究生,主要從事水文水資源研究。E-mail:hhuxuwei@163.com

董增川,教授。E-mail:dongzengchuan@163.com

P333

A

1000-1980(2016)05-0454-04