基于改進年內(nèi)展布計算法的河道內(nèi) せ本生態(tài)需水量研究

趙然杭

摘要：為了拓寬年內(nèi)展布計算法的適用范圍，針對我國北方河道季節(jié)性明顯的特點，對該方法進行改進。在原方法的基礎(chǔ)上，將同期均值比修改為特枯年（P=90%）河道年徑流量與多年平均徑流量的比值，結(jié)合多年月均徑流量進行河道內(nèi)基本生態(tài)需水量計算。以彌河譚家坊水文斷面為例，計算河道內(nèi)基本生態(tài)需水量，并與Tennant法標準及我國常用的水文學(xué)方法以及改進前的年內(nèi)展布計算法作對比。結(jié)果表明，在一般用水期和魚類產(chǎn)卵育幼期，改進的年內(nèi)展布計算法結(jié)果都能夠滿足維持河道基本生態(tài)功能的要求，更為合理，證實該方法既繼承了原方法能夠體現(xiàn)河道年內(nèi)徑流總體過程和變化特征的特點，又能夠適用于季節(jié)性明顯的河道，適用于河道內(nèi)基本生態(tài)需水量的計算。

關(guān)鍵詞：年內(nèi)展布計算法；改進；基本生態(tài)需水量；河道內(nèi)；彌河

中圖分類號：TV213.9文獻標志碼：A文章編號：

16721683（2018）04011406

Study on instream basic ecological water demand based on the improved dynamic calculation method

ZHAO Ranhang1，PENG Tao1，WANG Haofang1，GAO Feng2，QI Zhen1

（

1.School of Civil Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China；2.Water Resources Research Institute of Shandong Province，Jinan 250013，China）

Abstract：Key words：

dynamic calculation method；improvement；basic ecological water demand；instream；Mi River

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，水資源開發(fā)過度，各部門用水分布不合理，生活和生產(chǎn)用水嚴重擠占了生態(tài)用水，造成了河道斷流、生態(tài)系統(tǒng)退化等問題[1]。為了修復(fù)和改善河道的生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)水資源的合理開發(fā)、配置，需科學(xué)合理地確定河道內(nèi)基本生態(tài)需水量[2]。

國外對河道內(nèi)基本生態(tài)需水量的計算方法進行了廣泛研究，當前較為常用的方法主要分為四類：水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地法以及綜合法[3]。水文學(xué)法是根據(jù)河道的徑流資料計算基本生態(tài)需水量，屬于統(tǒng)計學(xué)方法[46]，常用方法有Tennant法[7]、Texas法[8]、NGPRP法[9]等；水力學(xué)法根據(jù)河道斷面形狀、比降、水深等水力參數(shù)，確定基本生態(tài)需水量，代表方法有濕周法[10]、R2CROSS法[11]、CASMIR法[1213]等；棲息地法是在水力學(xué)法的基礎(chǔ)上，考慮水質(zhì)、水生物等因素，建立物理實驗?zāi)Ｐ陀嬎慊旧鷳B(tài)需水量，代表方法有IFIM/PHABSIM法[1415]、RCHARC法[16]、Basque法[17]等；綜合法綜合考慮了專家意見和生態(tài)整體功能，有南非的BBM法[18]和澳大利亞的HEA法[19]。我國在該領(lǐng)域的研究時間較晚，缺乏大量的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，水力學(xué)法、棲息地法和綜合法的應(yīng)用受到很大的限制[20]，因而，當前我國主要采用水文學(xué)法計算河道內(nèi)基本生態(tài)需水量，常用方法主要有Tennant法、最小月平均流量法[21]、枯年天然徑流估算法[22]、7Q10法[23]等。2013年，潘扎榮等[24]提出了計算河道內(nèi)基本生態(tài)需水量的年內(nèi)展布計算法。年內(nèi)展布計算法的特點是計算結(jié)果能夠體現(xiàn)河道年內(nèi)徑流總體過程和變化特征，彌補了傳統(tǒng)水文學(xué)法經(jīng)驗性和主觀性較強的缺點。但是，該方法只適用于有連續(xù)徑流過程的大中型河道，對于季節(jié)性明顯的河道，計算結(jié)果誤差較大。鑒于此，本文在年內(nèi)展布法的基礎(chǔ)上進行改進，使其能夠適用于季節(jié)性明顯的河道生態(tài)基本需水量計算。

1年內(nèi)展布法改進

1.1年內(nèi)展布法及其局限性

依據(jù)文獻[24]，年內(nèi)展布計算法是根據(jù)河道長序列的天然徑流資料，以年內(nèi)各月最小月均徑流量的年均值與多年年均徑流量的比值作為同期均值比，結(jié)合多年月均徑流過程進行河道基本生態(tài)需水量的計算。計算公式如下：

[AKQ-]=[SX（]1[]12[SX）]∑[DD（]12[]i=1[DD）][AKq-D]i[JY]（1）

[AKq-D]i=[SX（]1[]n[SX）]∑[DD（]n[]j=1[DD）]qij[JY]（2）

[AKQ-]min=[SX（]1[]12[SX）]∑[DD（]12[]i=1[DD）]qmin（i）；qmin（i）=min（qij），j=1，2，…，n[JY]（3）

η=[AKQ-]min/[AKQ-][JY]（4）

Qi=[AKq-D]i×η[JY]（5）

式中：[AKQ-]為多年平均徑流量（m3/s）；[AKq-D]i為第i個月的多年月均徑流量（m3/s）；n為統(tǒng)計年數(shù)；qij為第j年第i個月的徑流量（m3/s）；[AKQ-]min為最小年均徑流量（m3/s）；qmin（i）為第i個月的多年最小月徑流量（m3/s）；η為同期均值比；Qi為各月的河道基本生態(tài)需水量。

多年最小月徑流量qmin（i），在理論上會隨著河道徑流量資料時間序列的增加而降低，導(dǎo)致同期均值比減小，計算結(jié)果不穩(wěn)定。對于季節(jié)性明顯的河道，受極端水文事件的影響，部分月份徑流量會很小，甚至為0，導(dǎo)致計算結(jié)果偏小，誤差較大。

1.2改進的年內(nèi)展布法

1.2.1改進思路

河道內(nèi)基本生態(tài)需水量是指維系河道基本生態(tài)功能的水資源量[25]，能夠維持河道生態(tài)系統(tǒng)不會惡化，確保河道基本生態(tài)功能不嚴重退化。河道內(nèi)基本生態(tài)需水量的目標是在一般用水期，為水生生物提供最小的生存空間，在水生生物產(chǎn)卵育幼等關(guān)鍵時期滿足其最低需求[7]。由于氣候、水生物、下墊面以及人類活動的影響，導(dǎo)致河道內(nèi)基本生態(tài)需水量年內(nèi)分布不同，因此需根據(jù)年內(nèi)河道不同月份的用水需求，確定河道內(nèi)基本生態(tài)月需水量。

年內(nèi)展布計算法計算結(jié)果受河道多年月均徑流量和同期均值比共同影響。其中，河道多年月均徑流量能夠有效削弱極端水文事件影響，較好地反映河道徑流的年內(nèi)變化過程。因此，為了科學(xué)合理地確定季節(jié)性明顯的河道基本生態(tài)需水量，需確定一個更加合理、穩(wěn)定的同期均值比。

相對于年內(nèi)展布計算法同期均值比中的多年最小月徑流量，特定頻率下的年徑流量大小更為穩(wěn)定。河道徑流量變化具有周期性特征，河道中水生生物已完全適應(yīng)了河道徑流量的變化過程。根據(jù)文獻[9]，在非極端氣候（90%保證率以下）情況下，河道徑流量能夠維系河道基本生態(tài)功能，滿足水生生物對徑流量的基本需求。因此，可將90%保證率下（即特枯年）的河道年徑流量作為河道基本生態(tài)年需水量；把河道多年月均徑流量進行標準化，作為比例系數(shù)，將河道基本生態(tài)年需水量進行年內(nèi)分配，作為河道基本生態(tài)月需水量。

基于以上思路，提出改進的計算方法。

1.2.2改進方法[HJ1.96mm]

（1）多年月均徑流量的確定。

根據(jù)河道內(nèi)長序列徑流資料，確定多年月均徑流量[AKq-D]i，即

[AKq-D]i=[SX（]1[]n[SX）]∑[DD（]n[]j=1[DD）]qij[JY]（1）

（2）90%保證率年徑流量的確定。

根據(jù)河道內(nèi)長序列年徑流資料，采用PⅢ型曲線進行配線，計算90%保證率下的河道年徑流量q90%。

（3）確定同期均值比。

90%保證率下的年徑流量q90%與多年平均徑流量的比值作為同期均值比，計算公式如下

η=q90%/∑[DD（]12[]i=1[DD）][AKq-D]i[JY]（2）

（4）結(jié)合多年月均徑流量，計算河道內(nèi)基本生態(tài)需水量qi，即

qi=[AKq-D]i×η[JY]（3）

式中：[AKq-D]i為第i月的多年月均徑流量（m3/s）；n為統(tǒng)計年數(shù)；qij為第j年第i月的徑流量（m3/s）；η為均值比例系數(shù)；q90%為90%保證率下的年徑流量（m3/s）；qi為各月的河道基本生態(tài)需水量（m3/s）。

1.3方法特點

改進的年內(nèi)展布計算法將河道內(nèi)90%保證率下的年徑流量與多年平均徑流量的比值作為比例系數(shù)，結(jié)合多年月均徑流量，計算河道內(nèi)基本生態(tài)需水量，繼承了年內(nèi)展布計算法能夠反映河道內(nèi)的全年徑流過程和變化特征的優(yōu)點。在下墊面不變的情況下，90%保證率的年徑流量不隨水文資料序列的增加而發(fā)生較大變化，計算結(jié)果較為穩(wěn)定，彌補了年內(nèi)展布計算法計算結(jié)果不穩(wěn)定、對于季節(jié)性明顯的河道誤差較大的不足。

2實例應(yīng)用

彌河發(fā)源于臨朐，過青州、經(jīng)壽光入渤海，干流全長177 km，總流域面積3 863 km2。在青州市境內(nèi)，彌河在譚坊鎮(zhèn)入壽光處有一處水文站——譚家坊站，具有從1976-2010年的長序列水文資料，見圖1。本文以彌河譚家坊水文斷面為例，采用改進的年內(nèi)展布計算法計算該斷面處河道內(nèi)基本生態(tài)需水量。

2.2討論與分析

2.2.1與Tennant法標準對比

Tennant法是將河道多年平均年徑流量的百分比流量作為河道生態(tài)需水量[7]。在實際應(yīng)用過程中，需結(jié)合河道所在地氣候特征、水生生物組成等，對Tennant法在本地區(qū)的適用性進行檢驗。本文根據(jù)彌河河道內(nèi)主要魚類（鯽魚、鯉魚、白條魚等）的產(chǎn)卵育幼期，對Tennant法的標準進行修正，魚類產(chǎn)卵育幼期修正為7月-9月，一般用水期修正為10月-翌年6月，詳見表4。

根據(jù)表3和表4，將彌河譚家坊水文斷面的基本生態(tài)需水量與Tennant法的評價標準進行對比分析，詳見表5。結(jié)果表明，在一般用水期（10月-翌年6月），各月生態(tài)需水量占年徑流量的34%～

[CM（22]161%，根據(jù)Tennant法對流量標準的描述[7]，河[CM）]

道徑流能夠維持一定的寬度、深度和流速，為水生物提供基本生存空間，滿足魚類洄游、景觀等一般要求。在魚類的產(chǎn)卵育幼期（7月-9月），各月生態(tài)需水量占年徑流量的128%～281%，處于差中（10%～30%）之間，河道徑流的河寬、水深和流速令人滿意，能夠滿足魚類產(chǎn)卵育幼的最低需求。Tennant法的流量標準考慮了當?shù)貧夂蚝退锏纳盍曅?，符合當?shù)貙嶋H條件，因此，改進的年內(nèi)展布計算法結(jié)果能夠滿足維持河道基本生態(tài)功能的要求，結(jié)果較為合理。

2.2.2與其他水文學(xué)方法對比

本文將改進的年內(nèi)展布計算法與我國常用的水文學(xué)方法——最小月平均流量法、枯年天然徑流估算法、7Q10法以及改進前的年內(nèi)展布計算法計算結(jié)果作對比，詳見表6。其中，最小月平均流量法采用河道最小月均徑流量的多年平均值作為河道內(nèi)基本生態(tài)需水量；枯年天然徑流估算法采用最枯年的天然徑流量作為河道內(nèi)基本生態(tài)需水量；7Q10法采用近10年最小月平均徑流量或90%保證率最小月平均徑流量作為河道內(nèi)基本生態(tài)需水量。

表6計算成果表明，最小月平均流量法雖與改進的年內(nèi)展布計算法計算的年均值較為接近，但無法計算各月河道內(nèi)基本生態(tài)需水量；枯年天然徑流估算法計算結(jié)果偏小，且受到特殊水文事件影響，4月-11月徑流量均為0，徑流過程不能有效反映河道歷史徑流過程和總體特征；7Q10法和年內(nèi)展布計算法計算結(jié)果均為0，不符合彌河的實際情況，結(jié)果不合理。因此，改進的年內(nèi)展布計算法相較于其他水文學(xué)方法，計算結(jié)果更為合理。

3結(jié)論

對年內(nèi)展布計算法進行的改進，既繼承了該方法能夠體現(xiàn)河道年內(nèi)徑流總體過程和變化特征的特點，又能夠適用于季節(jié)性明顯的河道，拓寬了該方法的適用范圍。

對彌河譚家坊水文斷面進行驗證計算，與Tennant法標準對比，計算結(jié)果在一般用水期和魚類產(chǎn)卵育幼期都能夠滿足維持河道基本生態(tài)功能的要求；與其他水文學(xué)法相對比，改進的年內(nèi)展布計算法計算結(jié)果較為合理，與實際情況更加相符。

改進的年內(nèi)展布計算法是一種計算河道內(nèi)基本生態(tài)需水量的較為簡單準確的水文學(xué)方法，具有較強的實用性，可對我國水資源高效利用與管理提供參考與借鑒。

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