基于逐月徑流頻率法的撓力河流域生態(tài)流量計(jì)算

董淑華，吳京晏，張玉國(guó)，邢貞相

(1.黑龍江省水文局，黑龍江 哈爾濱 1500001;2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

基于逐月徑流頻率法的撓力河流域生態(tài)流量計(jì)算

董淑華1，吳京晏2，張玉國(guó)1，邢貞相2

(1.黑龍江省水文局，黑龍江 哈爾濱 1500001;2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

本文以撓力河為例，基于菜嘴子、保安、寶清、紅旗嶺四個(gè)水文站1956—2012年的月徑流數(shù)據(jù)，運(yùn)用逐月頻率法、改進(jìn)Tennant法計(jì)算年內(nèi)適宜生態(tài)徑流及生態(tài)需水過(guò)程，得到其年內(nèi)適宜生態(tài)需水閾值，最終獲得四站完整的生態(tài)徑流及生態(tài)需水過(guò)程。研究結(jié)果表明，各站所在河道內(nèi)的生態(tài)需水量計(jì)算方案結(jié)果均較為理想，各月生態(tài)需水量平均保證率為60.2%，河道內(nèi)生態(tài)狀態(tài)很好。

撓力河流域；逐月徑流頻率法；Tennant法；生態(tài)需水量

河道內(nèi)生態(tài)需水量是流域生態(tài)環(huán)境需水的重要組成部分，是流域生態(tài)水權(quán)分配和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的依據(jù)，一般指維持水生生物和陸生生物生存的最低需水量，連通的湖泊、洪泛區(qū)范圍內(nèi)的陸地和濕地都在其研究范圍之內(nèi)[1]。保證水生生物的生存[2]，滿(mǎn)足部分排鹽、入滲補(bǔ)給及污染自?xún)舻确矫娴男杷渴呛恿魃鷳B(tài)環(huán)境需水量的主要用途，因此不能將其二次調(diào)控[3]。為使河流的基本生態(tài)環(huán)境功能不出現(xiàn)異常，常流河要保證其年內(nèi)各時(shí)段的徑流量滿(mǎn)足一定大小，使河流生態(tài)環(huán)境不會(huì)出現(xiàn)斷流等現(xiàn)象[4]。河道內(nèi)生態(tài)需水量主要由保證生態(tài)功能的河道主流生態(tài)需水量、河流流動(dòng)過(guò)程中消耗的滲漏需水量和水面蒸發(fā)需水量三部分組成。目前河流生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的主要方向是研究河流生態(tài)徑流量[5],河流生態(tài)徑流過(guò)程及其變化特征對(duì)保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)的健康及穩(wěn)定起到重要作用。本文主要研究河流生態(tài)徑流的計(jì)算[6]。

1 研究流域概況

1.1 研究流域

撓力河流域是烏蘇里江的一級(jí)支流，位于黑龍江省東部地區(qū)。東經(jīng)131°～134°，北緯46°～48°[7]。總面積為24 863 km2，撓力河起于完達(dá)山脈勃利縣境內(nèi)的七里嘎山，自西南向東北，長(zhǎng)條形。流域平均長(zhǎng)度、寬度約為270 km和90 km，比率為3∶1，支流分布成羽毛狀[8]。流域?qū)儆谥袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，半濕潤(rùn)地帶，夏季高溫多雨，冬季干冷而漫長(zhǎng)。根據(jù)本流域歷年氣象資料，7月份出現(xiàn)全年最高氣溫36.6 ℃，平均氣溫為21.9 ℃，1月份出現(xiàn)全年最低氣溫-37.2 ℃，月平均氣溫為-18.1°C。6—9月份的降水量占到全年的70%以上，平均為545 mm，其中雨量最為豐富的7、8月份占到全年降水量的44%以上； 5、6月份降水量較少，僅占全年降水量的23%，因此春季易發(fā)生干旱，秋季易出現(xiàn)洪澇災(zāi)害[9]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文選取位于撓力河流域干流上的4個(gè)主要水文站點(diǎn)(寶清站、保安站、紅旗嶺和菜嘴子)的月徑流量觀測(cè)數(shù)據(jù)。撓力河地區(qū)4個(gè)主要水文站點(diǎn)的月均徑流量數(shù)據(jù)摘自《黑龍江省水文年鑒》，由于各站統(tǒng)計(jì)年限不完全相同，寶清站、菜嘴子站的徑流序列長(zhǎng)度為1956—2010年水文數(shù)據(jù)，保安站序列長(zhǎng)為1958—2010年水文數(shù)據(jù)，紅旗嶺站序列長(zhǎng)度為1977—2010年水文數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 逐月頻率計(jì)算法

首先需要建立天然月徑流量序列，將全年12個(gè)月的徑流量劃分為豐水序列、平水序列和枯水序列，依次采用50%保證率、75%保證率以及90%保證率[10]。該月河流最小生態(tài)流量即為保證率所對(duì)應(yīng)的流量[11]。再由每個(gè)月的生態(tài)流量組成全年的生態(tài)流量過(guò)程。在確定徑流頻率最大處之前，要先選擇合適的概率分布函數(shù)[12]，常用的概率分布有P-Ⅲ型分布、GEV分布。利用檢驗(yàn)概率平均值對(duì)比分析P-Ⅲ型分布和GEV分布對(duì)于月徑流的擬合效果，發(fā)現(xiàn)GEV分布更加符合月徑流的分布特點(diǎn)。因此，本文選擇GEV分布作為月徑流的分布函數(shù)。

GEV概率密度分布函數(shù)如式(1)，式(2)所示：

(1)

(2)

式中：ζ、σ、μ分別為GEV分布的形狀參數(shù)、尺度參數(shù)、位置參數(shù)，其中ζ<0、ζ=0、ζ>0分別對(duì)應(yīng)著Frechet分布、Gumbel分布和Weibull分布。

利用線性矩法對(duì)GEV概率分布函數(shù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，利用下列公式算線性矩l1、l2、l3及GEV參數(shù)值。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：n代表月徑流序列的長(zhǎng)度；xj代表第j年某月的徑流量，m3。

生態(tài)流量x即GEV分布中出現(xiàn)頻率最大的流量為：

(10)

2.2 Tennant評(píng)價(jià)方法

Tennant 法也可以稱(chēng)作蒙大拿法，在1976年由田納特(Tennant，D. L)提出來(lái)的[13]。田納特等人為確保Tennant 法的有效性，1964—1974年期間對(duì)美國(guó)內(nèi)布拉斯加等11條河流進(jìn)行了詳細(xì)的野外研究?，F(xiàn)在Tennant法在我國(guó)更普遍應(yīng)用于計(jì)算河流生態(tài)徑流量和對(duì)河流生態(tài)用水的評(píng)價(jià)等方面的研究[14-15]。表1是Tennant法對(duì)河道內(nèi)生態(tài)質(zhì)量和河道流量關(guān)系的描述。

表1 Tennant法對(duì)河道內(nèi)生態(tài)質(zhì)量和河道流量關(guān)系的描述

由表1可知，可以將河道流量大體分成三個(gè)等級(jí)，當(dāng)河道徑流量是多年平均流量的60%～100%時(shí)，河寬、水深等因素會(huì)提供給水生生物以?xún)?yōu)良的生長(zhǎng)環(huán)境，河道兩邊的灘地也將成為魚(yú)類(lèi)良好的生存條件，植物也會(huì)有充足的水量，可以滿(mǎn)足捕魚(yú)、劃船等各種需求；當(dāng)河道徑流量是多年平均流量的30%～60%時(shí)，河道兩邊的部分灘地會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)，魚(yú)類(lèi)，無(wú)脊椎動(dòng)物數(shù)量有所下降，但對(duì)于捕魚(yú)，劃船等旅游項(xiàng)目基本沒(méi)有影響，還算令人滿(mǎn)意；當(dāng)河道徑流量是多年平均流量的5%～10%時(shí)，對(duì)于大型河流而言基本可以滿(mǎn)足魚(yú)類(lèi)生存，是保持生物短時(shí)間生存的最低流量。

Tennant 法的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用簡(jiǎn)單、操作方便，依據(jù)多年流量數(shù)據(jù)就可以評(píng)價(jià)生態(tài)水量，容易與水生生態(tài)系統(tǒng)之間建立關(guān)系，且不需要進(jìn)行大量的野外工作。

3 撓力河流域生態(tài)流量計(jì)算

3.1 生態(tài)需水量的計(jì)算

本研究所選取的研究區(qū)域撓力河位于緯度較高的中國(guó)東北部，其中12月—次年3月屬于寒冬季節(jié)，溫度較低，多處河流處于冰凍期，所以本文選取4—11月的平均水量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本次采用逐月最小生態(tài)徑流計(jì)算法來(lái)計(jì)算最小生態(tài)徑流。根據(jù)本文之前的步驟,對(duì)撓力河流域?qū)毲?、保安、紅旗嶺和菜嘴子共四站的生態(tài)需水量的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

3.2 檢驗(yàn)與分析

通過(guò)Tennant法來(lái)檢驗(yàn)“逐月徑流頻率法”進(jìn)而得到撓力河流域各水文站生態(tài)需水量評(píng)價(jià)的結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 撓力河流域四站生態(tài)需水量 104 m3

由表3可知，寶清站、保安站、紅旗嶺和菜嘴子的生態(tài)需水量占多年平均徑流量的比例分別為20%～60%、45%～80%、50%～80%和30%～70%。寶清站7、8、9、10月份的生態(tài)需水保證率均在50%以下，其中10月份是 27.74%，通過(guò)查看1956—2012年的月徑流數(shù)據(jù)可知，1957、1959、1963年10月份徑流量明顯偏大，使該月多年平均徑流量增大，生態(tài)需水量比例降低；7、8、9月份由于我國(guó)東部的鋒面雨轉(zhuǎn)移到此地從而形成大量的降雨，使河道內(nèi)的流量劇增，所以計(jì)算方案結(jié)果較差。其他三個(gè)站的比值相對(duì)平穩(wěn)，只有11月份的較低，是由于冬季天氣寒冷干燥，不適宜動(dòng)植物的生長(zhǎng)，導(dǎo)致生態(tài)需水量下降，盡管冬季嚴(yán)寒大面積積雪，冰凍河面，但影響作用沒(méi)有前者大，因此比值較小；4、5、6月份由于上一年冬季降雪的融化，河道內(nèi)流量豐富，使河道內(nèi)的徑流量能夠滿(mǎn)足生態(tài)需水。所以結(jié)果較為理想，生態(tài)需水量平均保證率為60.2%，河道內(nèi)生態(tài)狀態(tài)維持很好。

4 結(jié)論與建議

本文選取撓力河流域的保安、寶清、菜嘴子、紅旗嶺四個(gè)水文站1956—2012年的月徑流數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，分別計(jì)算各月份河道內(nèi)生態(tài)流量，觀察各月份生態(tài)流量的變化規(guī)律并找到其中的影響因素。

(1)本文采用逐月徑流頻率法來(lái)計(jì)算最小生態(tài)流量，在計(jì)算過(guò)程中要確定保證率是計(jì)算的重要環(huán)節(jié)，能夠反映年內(nèi)河流豐枯的變化過(guò)程。通過(guò)計(jì)算生態(tài)需水量與多年平均徑流量之間的比值，可以判斷河內(nèi)的生態(tài)狀態(tài)。寶清的生態(tài)需水量保證率在20%～60%，差距較大，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的觀察發(fā)現(xiàn)數(shù)年的10月份徑流量明顯偏大，導(dǎo)致比值降低。保安、菜嘴子、紅旗嶺三站的生態(tài)需水量保證率均在60%以上，結(jié)果非常理想。

(2)對(duì)不同頻率下生態(tài)流量分別應(yīng)用Tennant 生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)做對(duì)比，將枯水期最小生態(tài)流量閾值提升。從整體觀察可以看出4—6月份的河道生態(tài)狀態(tài)非常好，這是由于冬季剛過(guò)，天氣漸漸轉(zhuǎn)暖，大量的冰雪融化，使河道內(nèi)徑流量增多，完全能夠滿(mǎn)足生態(tài)流量的需求；7—10月份天氣變熱，為水生生物提供了良好的生存環(huán)境，大量的動(dòng)植物進(jìn)行繁殖和生長(zhǎng)，導(dǎo)致生態(tài)需水的增加，所以河道生態(tài)流量基本能夠滿(mǎn)足生態(tài)流量的需求；而11月份天氣變冷，水面冰凍，生態(tài)需求減少，所以河道內(nèi)徑流量能夠提供良好的生態(tài)環(huán)境。

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Calculation of ecological flow based on monthly runoff frequencymethod in Naolihe Basin

DONG Shuhua1，WU Jingyan2，ZHANG Yuguo1，XING Zhenxiang2

(1.HeilongjiangHydrologyBureau,HeilongjiangHarbin150001,China;2.SchoolofWaterConservancyandCivilEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,HeilongjiangHarbin150030,China)

In this paper, Naolihe River was selected as an example. Based on the monthly runoff data of the 1956—2012 in four hydrological stations of Caizuizi, Baoan, Baoqing and Hongqiling, this paper uses the monthly frequency method and the improved Tennant method to calculate the annual suitable ecological runoff and ecological water demand process to get the threshold of the annual ecological water demand, and finally get complete ecological runoff and ecological water demand process of the four hydrological stations. The results show that the calculation scheme of ecological water demands in each river that hydrological station in is ideal, the average guarantee rate of the monthly ecological water demand is 60.2%, and the ecology in the river is pretty good.

Naolihe Basin; monthly runoff frequency analysis; Tennant method; ecological water demand

黑龍江省水利廳科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(201402；201318)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51109036；51179032)；黑龍省自然科學(xué)基金(E2015024)；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金(20112325120009)；水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201301096)；黑龍江省級(jí)領(lǐng)軍人才梯隊(duì)后備事頭人資助項(xiàng)目(500001)

董淑華(1960-)，女，黑龍江望奎人，教高，主要從事水文水資源分析與管理工作。E-mail:54570917@qq.com。

邢貞相(1976-)，男，山東膠南人，副教授，主要從事水資源分析與評(píng)價(jià)方面的研究。E-mail：xingzhenxiang01@163.com。

TV121

A

2096-0506(2017)04-0015-05