李紫妍, 劉登峰, 黃強(qiáng), 張颯
(1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院,陜西 西安 710048;2.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,陜西 西安 710048)
基于多種水文學(xué)方法的漢江子午河生態(tài)流量研究
李紫妍1,2, 劉登峰1,2, 黃強(qiáng)1,2, 張颯1,2
(1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院,陜西 西安 710048;2.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,陜西 西安 710048)
漢江支流的子午河是陜西省“引漢濟(jì)渭”工程的兩大水源之一,為了維持下游河道的生態(tài)環(huán)境健康,子午河上的三河口水庫(kù)下泄流量必須滿(mǎn)足生態(tài)環(huán)境用水和生態(tài)流量過(guò)程的要求。采用兩河口水文站的流量觀測(cè)資料,運(yùn)用變化范圍法(RVA)、Q90法、多年日流量資料排頻法,分析計(jì)算子午河年內(nèi)生態(tài)流量過(guò)程,研究該河道維持多種生態(tài)環(huán)境目標(biāo)所需要的生態(tài)需水量。研究結(jié)果表明:RVA法和Q90法計(jì)算得到的年生態(tài)需水量分別為46 344.3、11 574.0萬(wàn)m3;多年日流量資料排頻法獲得的保證率(60%、70%、80%、90%)對(duì)應(yīng)的年生態(tài)需水量分別為47 262.6、38 170.5、30 316.0、22 799.5萬(wàn)m3。多年日流量資料排頻法中,60%保證率對(duì)應(yīng)的年生態(tài)需水量最大,可以達(dá)到較高的生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo);Q90法獲得的年生態(tài)需水量最小,對(duì)應(yīng)最低的生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)。計(jì)算得到的生態(tài)流量過(guò)程線可為水庫(kù)調(diào)度和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)指導(dǎo)。
生態(tài)流量;生態(tài)需水量;變化范圍法(RVA);Q90法;多年日流量資料排頻法;生態(tài)流量過(guò)程線;漢江
生態(tài)流量研究是生態(tài)水文研究的重要組成部分。我國(guó)生態(tài)流量研究起步較晚,但發(fā)展較快。生態(tài)流量的計(jì)算方法有很多,比如:棲息地法、整體分析法、水力定額法、水文學(xué)法等。但現(xiàn)階段,由于國(guó)內(nèi)生態(tài)資料的缺乏,導(dǎo)致棲息地法和整體分析法難以在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用;水力定額法則需要大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、較長(zhǎng)的時(shí)間和較充足的人力與物力,應(yīng)用起來(lái)也較為困難。而水文學(xué)法是最簡(jiǎn)單、需要數(shù)據(jù)最少的方法,它僅需利用水文資料中的歷史流量數(shù)據(jù)即可確定生態(tài)需水量。國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)均具有較長(zhǎng)的歷史流量資料,因此我國(guó)具備使用該方法的條件[1]。
水文學(xué)法中應(yīng)用較廣泛的有Tennant法、7Q10法、RVA法等。徐志俠等[2]詳細(xì)探討了Tennant法的來(lái)源、參數(shù)涵義和特點(diǎn),并通過(guò)實(shí)例做了進(jìn)一步說(shuō)明。改進(jìn)后的Tennant法被應(yīng)用到黃河干流的生態(tài)需水量研究中,應(yīng)用結(jié)果表明,改進(jìn)后求得的流量能夠更好地體現(xiàn)出中國(guó)北方河流流量豐枯的季節(jié)性[3];韓宇平等[4]也運(yùn)用該方法計(jì)算了北運(yùn)河典型河段的基礎(chǔ)生態(tài)需水量。7Q10法主要被應(yīng)用于我國(guó)大型水利工程項(xiàng)目的環(huán)境影響評(píng)價(jià)中,《地方水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3839—83)修改規(guī)定:一般河流的設(shè)計(jì)水量采用近10年來(lái)最枯月平均流量或90%保證率對(duì)應(yīng)的最枯月平均流量[5]。史方方等[6]應(yīng)用RVA法評(píng)估了丹江口水庫(kù)對(duì)漢江中下游生態(tài)水文的影響;于茜等[7]采用RVA法對(duì)黃河上游蘭州站的生態(tài)水文特征變異情況進(jìn)行了分析,深入剖析了蘭州斷面生態(tài)水文特征的改變情況以及關(guān)鍵影響因素;張颯等[8]利用RVA法對(duì)漢江下游水文情勢(shì)變化規(guī)律進(jìn)行了分析。為滿(mǎn)足河流不同的實(shí)際需求目標(biāo),應(yīng)選用相應(yīng)的研究方法,以獲得可行的規(guī)劃方案。生態(tài)流量的調(diào)控是實(shí)現(xiàn)河流生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要手段[9]。
陜西省水資源呈南多北少的格局,為了實(shí)現(xiàn)陜西省水資源空間的均勻配置、緩解關(guān)中地區(qū)的水資源短缺問(wèn)題,興建了跨流域調(diào)水的“引漢濟(jì)渭”工程[10]。三河口水利樞紐是“引漢濟(jì)渭”工程的水源之一,位于漢江支流的子午河上,而“引漢濟(jì)渭”工程運(yùn)行后勢(shì)必會(huì)引起子午河下游流量過(guò)程的改變。為了維持下游河道的生態(tài)環(huán)境健康,三河口水庫(kù)下泄流量的研究就顯得十分重要。
本文采用三河口水庫(kù)下游的兩河口水文站逐日流量資料,研究維持子午河多種生態(tài)環(huán)境目標(biāo)所需要的生態(tài)流量。筆者通過(guò)了解子午河的水文、氣象等自然情況和社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況,收集整理了子午河兩河口水文站的逐日流量資料,擬分析兩河口水文站流量資料的基本特征以及兩河口水文站以下河段的生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo),采用變化范圍法(Range of Variability Approach,RVA)、Q90法計(jì)算兩河口水文站的生態(tài)環(huán)境需水量和生態(tài)流量過(guò)程,運(yùn)用多年日流量資料排頻法確定子午河年內(nèi)各保證率對(duì)應(yīng)的生態(tài)流量過(guò)程線,并對(duì)這3種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理性分析與總結(jié)。
1.1 漢江子午河流域概況
漢江是長(zhǎng)江最長(zhǎng)的支流,經(jīng)過(guò)陜西、湖北兩省,最終于武漢市漢口龍王廟匯入長(zhǎng)江。子午河為漢江左岸支流,屬于漢江一級(jí)支流,發(fā)源于秦嶺南麓的寧陜縣鋼鐵鄉(xiāng),流經(jīng)寧陜縣、佛坪縣、石泉縣、洋縣,最終于西鄉(xiāng)縣子午鄉(xiāng)匯入漢江,全長(zhǎng)153.8 km,流域面積3 028 km2[11]。兩河口水文站位于子午河上游,控制流域面積2 816 km2,可觀測(cè)水位、流量、泥沙、降水量等水文要素,其地理位置如圖1所示。
圖1 兩河口水文站地理位置
據(jù)陜西省水利志可知,子午河的年均徑流量為12.26億m3,最大年徑流量為24.2億m3,最小年徑流量為5.41億m3,年內(nèi)分布不均勻性較為突出。流域內(nèi)為土石山區(qū),植被較好,森林覆蓋率達(dá)70%以上[12]。
1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源
本文所用數(shù)據(jù)采用兩河口水文站逐日流量序列較為完整的1963—1972年、1974—1976年、1981—1987年、2003年和2005—2013年共30 a的流量數(shù)據(jù)資料。
依據(jù)獲取的日流量資料計(jì)算出多年月平均流量和各月平均流量的最小值、最大值出現(xiàn)的年份,結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 兩河口水文站多年月平均流量特征值
由表1可知,子午河流域的汛期為7—9月,9月份的多年平均流量最大,為116.51 m3/s;2月份的多年平均流量最小,為5.65 m3/s;2003年1月出現(xiàn)了月平均流量最小值,為1.58 m3/s;1984年9月出現(xiàn)了月平均流量最大值,為296.89 m3/s。
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
兩河口水文站流量資料的時(shí)間序列長(zhǎng)度n為30 a,自由度為28,查相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)表可得r0.05=0.361,r0.01=0.463。計(jì)算兩河口水文站多年月平均流量與年份的線性相關(guān)系數(shù),得到r≈0.101<0.361。因此,該30 a的多年月平均流量序列未通過(guò)顯著性水平為0.05的假設(shè)檢驗(yàn),說(shuō)明該流量序列與時(shí)間的相關(guān)性不顯著,不具有顯著的趨勢(shì)性。說(shuō)明所選取的兩河口水文站30 a的逐月流量序列具有代表性、科學(xué)性和可操作性,可用于定量分析生態(tài)環(huán)境需水量和生態(tài)流量過(guò)程。
2.1 研究方法
RVA法的計(jì)算目的是認(rèn)識(shí)水文變化在維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)中的重要作用。Zolezzi等[13]提出了RVA閾值,以描述流量過(guò)程線的可變范圍,這為河流生態(tài)流量的估算提供了參考。RVA法至少需要20 a的流量數(shù)據(jù)資料,其分析是建立在IHA指標(biāo)參數(shù)的基礎(chǔ)上,評(píng)估受人類(lèi)活動(dòng)影響的河流水文變化狀態(tài),從而認(rèn)識(shí)水文變化在維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)中的重要作用[14]。Richter等[15]創(chuàng)立了一種評(píng)估河流生態(tài)水文變化的指標(biāo)體系,依據(jù)河流的日水文資料計(jì)算了32個(gè)具有生態(tài)意義的關(guān)鍵水文參數(shù)值。本次研究選取月平均流量這一IHA指標(biāo),并結(jié)合Q90法和多年日流量資料排頻法進(jìn)行補(bǔ)充分析。
Q90法就是改進(jìn)后的美國(guó)7Q10法,該法于20世紀(jì)70年代傳入我國(guó),它是防治河流水質(zhì)污染的計(jì)算方法和標(biāo)準(zhǔn)。本次研究采用90%保證率對(duì)應(yīng)的最枯月平均流量作為生態(tài)流量和生態(tài)需水量的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),并假設(shè)該方法下的年內(nèi)各月生態(tài)流量均為保證率90%對(duì)應(yīng)的生態(tài)流量。
多年日流量資料排頻法,即假設(shè)每月的所有日流量都可能在當(dāng)月發(fā)生,對(duì)每月的所有日流量資料進(jìn)行頻率分析,計(jì)算不同頻率的流量的方法。此方法可用來(lái)對(duì)比不同頻率的流量過(guò)程,以滿(mǎn)足不同的生態(tài)保護(hù)用水需求。
社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水需求較大時(shí),河道下泄流量可采用較低保證率的生態(tài)環(huán)境流量,把生態(tài)環(huán)境維持在基本的生態(tài)保護(hù)水平。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、水生態(tài)文明建設(shè)的不斷推進(jìn)和實(shí)施,人們對(duì)生態(tài)環(huán)境功能的需求會(huì)不斷增長(zhǎng),可以根據(jù)需求把河道下泄流量設(shè)定為較高保證率的生態(tài)環(huán)境流量,保證率水平同時(shí)可以根據(jù)需求不斷調(diào)整,以維持社會(huì)不同的生態(tài)環(huán)境功能的需求。此時(shí),生態(tài)流量不再是一組恒定不變的數(shù)值,而是與生態(tài)環(huán)境功能相關(guān)聯(lián)的一系列可變動(dòng)的數(shù)值。
2.2 生態(tài)流量與生態(tài)需水量的計(jì)算
2.2.1 生態(tài)流量及年內(nèi)生態(tài)流量過(guò)程的計(jì)算
根據(jù)舒暢等的研究,月平均流量的變動(dòng)范圍應(yīng)不超過(guò)天然可變范圍(RVA閾值差)[16]。本次RVA法采用發(fā)生機(jī)率為35%及65%對(duì)應(yīng)的IHA指標(biāo)值作為各個(gè)指標(biāo)參數(shù)的上、下限(RVA閾值),生態(tài)流量的計(jì)算公式可表示為:
(6)
Q90法計(jì)算的生態(tài)流量為3.67 m3/s,RVA法計(jì)算的各月生態(tài)流量和多年日流量資料排頻法計(jì)算的90%、80%、70%和60%保證率對(duì)應(yīng)的各月生態(tài)流量見(jiàn)表2。由表2可知,除Q90法計(jì)算的生態(tài)流量未反映出年內(nèi)變化趨勢(shì)以外,其他兩種方法計(jì)算的生態(tài)流量均表現(xiàn)出季節(jié)性的變化趨勢(shì)。計(jì)算獲得的生態(tài)流量中,7月較6月有較大增長(zhǎng),11月較10月有較大回落。
表2 3種方法下的生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果 m3/s
2.2.2 生態(tài)需水量的計(jì)算
年生態(tài)需水量為各月生態(tài)需水量的累加值(本次1年按365 d計(jì)),計(jì)算公式見(jiàn)式(7)—(8),結(jié)果見(jiàn)表3。
Wi=Si×天數(shù)×24×3 600,
(7)
(8)
式中:Wi為第i個(gè)月的生態(tài)需水量,m3;i為月份,i=1,2,…,12;Si為第i個(gè)月的生態(tài)流量,m3/s;W為年生態(tài)需水量,m3。
表3 3種方法下的生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果 萬(wàn)m3
由表3可知,應(yīng)用3種方法計(jì)算的生態(tài)需水量中,多年日流量資料排頻法計(jì)算的60%保證率對(duì)應(yīng)的年生態(tài)需水量最大,為47 262.6萬(wàn)m3,對(duì)應(yīng)較高的生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo);RVA法計(jì)算的年生態(tài)需水量次之,為46 344.3萬(wàn)m3;Q90法計(jì)算的最小,為11 574.0萬(wàn)m3,對(duì)應(yīng)較低的生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)。
2.3 結(jié)果對(duì)比
為了更直觀地對(duì)比RVA法、Q90法和多年日流量資料排頻法計(jì)算的各月生態(tài)流量,分別繪制了RVA法計(jì)算的多種上、下限頻率對(duì)應(yīng)的生態(tài)流量對(duì)比圖和上述3種方法計(jì)算的年內(nèi)生態(tài)流量對(duì)比圖,如圖2—3所示。
圖2 RVA法計(jì)算的多種上、下限頻率對(duì)應(yīng)的年內(nèi)生態(tài)流量
由圖2可知,RVA法計(jì)算的各個(gè)上、下限頻率對(duì)應(yīng)的生態(tài)流量小于多年月平均流量;上、下限頻率分別為30%和70%、32%和68%、25%和75%對(duì)應(yīng)的生態(tài)流量均出現(xiàn)了負(fù)值,因此只有35%和65%作為上、下限頻率的生態(tài)流量符合實(shí)際要求。
圖3 3種方法計(jì)算的年內(nèi)生態(tài)流量
由圖3可知,60%保證率對(duì)應(yīng)的年內(nèi)生態(tài)流量過(guò)程與RVA法計(jì)算的年內(nèi)生態(tài)流量過(guò)程最接近;而Q90法計(jì)算的年內(nèi)生態(tài)流量值最小,且為恒定值,不能真實(shí)地反映天然河流年內(nèi)流量的波動(dòng)性。
河流的健康與經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展密切相關(guān),開(kāi)展河流生態(tài)流量研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文從整體水文情勢(shì)的角度出發(fā),分析兩河口水文站的日流量資料及其分布特點(diǎn),采用RVA法、Q90法和多年日流量資料排頻法計(jì)算各月和年生態(tài)需水量以及年內(nèi)生態(tài)流量過(guò)程線,為維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康提供了數(shù)據(jù)支持。主要結(jié)論如下:
1)確定了基于RVA框架的生態(tài)流量指標(biāo),使用均值與RVA閾值差計(jì)算各月生態(tài)流量,計(jì)算得到年生態(tài)需水量為46 344.3萬(wàn)m3。
2)Q90法能獲取最低的生態(tài)流量,可為河流水質(zhì)安全提供一定的支持,年內(nèi)生態(tài)流量為恒定的3.67 m3/s,年生態(tài)需水量為11 574.0萬(wàn)m3。但該方法計(jì)算的年內(nèi)生態(tài)流量無(wú)法真實(shí)地反映天然河流年內(nèi)流量的波動(dòng)性,不利于日常河流生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。
3)多年日流量資料排頻法能確定各保證率對(duì)應(yīng)的年內(nèi)生態(tài)流量過(guò)程線,并獲取相應(yīng)的年生態(tài)流量,其計(jì)算的多個(gè)生態(tài)流量過(guò)程可用于河流不同生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。多年日流量資料排頻法中,60%保證率對(duì)應(yīng)的年生態(tài)需水量為47 262.6萬(wàn)m3,與RVA法的計(jì)算結(jié)果最相近,且大于70%、80%和90%保證率對(duì)應(yīng)的年生態(tài)需水量。因此采用60%保證率對(duì)應(yīng)的生態(tài)流量作為河道下泄流量,可以達(dá)到較高的生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)。
這些水文學(xué)方法計(jì)算得到的生態(tài)流量過(guò)程線可用于指導(dǎo)水庫(kù)的規(guī)劃和調(diào)度運(yùn)行,可為水生態(tài)文明建設(shè)中實(shí)現(xiàn)不同的生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)提供相應(yīng)的生態(tài)流量。同時(shí),對(duì)于漢江其他子流域的生態(tài)環(huán)境流量分析和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有借鑒意義。
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(責(zé)任編輯:張陵)
Study on the Ecological Flux of the Ziwu River in Hanjiang River Based on Several Hydrological Methods
LI Ziyan, LIU Dengfeng, HUANG Qiang, ZHANG Sa
(State Key Laboratory Base of Eco-hydraulic in Arid Area, School of Water Resources and HydropowerEngineering, Xi′an University of Technology, Xi′an 710048, China)
Ziwu River, one of the two huge water resources for Hanjiang-to-Weihe Diversion Project, is located in the tributary of the Hanjiang River. In order to maintain the ecological health of the downstream, the discharge of Sanhekou Reservoir must meet the requirements of the ecological environment and ecological water flow. Therefore, for the two hydrological stations of Sanhekou Reservoir, the method of Range of Variability Approach (RVA),Q90 method and daily mean method of flow discharge were used for research on required ecological flow of maintaining a variety of eco-environmental objectives. The annual ecological water requirement calculated by RVA method and Q90 method were respectively 463.44×106m3and 115.74×106m3. Annual daily flow discharge frequency method obtained the annual ecological water demand of 472.62×106m3,381.71×106m3,303.16×106m3,228.00×109m3with the respective guarantee of 60%, 70%, 80% and 90%.Comparing ecological water demands calculated by the three methods, the annual ecological water demand corresponded to 60% guarantee rate is the largest, and can achieve high ecological and environmental protection goals, while Q90 law requires a minimum amount of water, and corresponds to the lowest ecological environmental protection target.The calculated ecological flow process line can provide guidance for reservoir operation and ecological environment protection.
ecological flow; ecological water demand; range of variability approach(RVA);Q90 method; annual daily mean flow discharge frequency; ecological flow process line; Hanjiang River
2016-10-28
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51309188);水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(201501058);陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2016JQ5105)。
李紫妍(1994—),女,陜西銅川人,碩士研究生,從事水文水資源方面的研究。E-mail:liziyan94@163.com。
劉登峰(1984—),男,陜西鳳翔人,副教授,博士,從事生態(tài)水文、流域水文模擬、社會(huì)水文模擬方面的研究。E-mail: liudf@xaut.edu.cn。
10.3969/j.issn.1002-5634.2017.01.002
TV213
A
1002-5634(2017)01-0008-05