針對(duì)河流生態(tài)需水的年內(nèi)展布法改進(jìn)及其應(yīng)用

范博偉，張澤中，齊青青

(華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，鄭州 450045)

1 概 述

生態(tài)需水量的計(jì)算是河流生態(tài)需水的研究?jī)?nèi)容之一。國(guó)內(nèi)外生態(tài)流量的計(jì)算方法有很多，大致分為水力學(xué)法、歷史流量法、棲息地定額法、整體分析法等[1-6]。這些方法中，水力學(xué)法需要現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)河道地形資料和水力參數(shù)，應(yīng)用起來(lái)比較困難；棲息地定額法和整體分析法涉及學(xué)科較多，需要多方面的支持，成本較高；歷史流量法是建立在歷史流量的基礎(chǔ)上，用河流多年徑流資料來(lái)推求生態(tài)需水。歷史流量法具有原理簡(jiǎn)單，計(jì)算方便等優(yōu)點(diǎn)，年內(nèi)展布法就屬于其中的一種。

生態(tài)需水的年內(nèi)展布法是潘扎榮等[7]于2012年在河道基本生態(tài)需水的年內(nèi)展布計(jì)算法中提出的。年內(nèi)展布法采用同期均值比計(jì)算年內(nèi)需水量的過(guò)程，在一定程度上克服了傳統(tǒng)水文學(xué)以多年平均徑流量的特定百分率作為水文指標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)性和主觀性[8]。該方法對(duì)生態(tài)需水量的計(jì)算，具有一定的指導(dǎo)意義。但該方法確定生態(tài)需水量較為保守，且始終選取同一個(gè)同期均值比計(jì)算年內(nèi)需水量，故不能適應(yīng)季節(jié)性河流的計(jì)算需要。改進(jìn)的年內(nèi)展布法通過(guò)審查徑流資料的可靠性，避免極個(gè)別情況對(duì)整體計(jì)算結(jié)果的影響，根據(jù)河流的季節(jié)性劃分計(jì)算時(shí)段，還選取特枯年(95%保證率)月均徑流量與多年月均流量的比值定義同期均值比，更符合實(shí)際情況。

2 年內(nèi)展布法

生態(tài)需水的年內(nèi)展布法需要根據(jù)已有的徑流資料計(jì)算多年平均徑流總量和年最小徑流總量，由兩者之間的比值得到各月生態(tài)需水量與多年平均徑流量之間的關(guān)系，進(jìn)而求得生態(tài)需水量。該方法是利用最小年徑流量與多年平均徑流量的比值作為同期均值比來(lái)確定生態(tài)需水量的。較傳統(tǒng)水文學(xué)方法中[9]選用固定的百分率，更能體現(xiàn)河流的季節(jié)性豐枯變化。與水力學(xué)法相比，只需河道徑流的歷史資料，而不需其它水力參數(shù)，工作量小，運(yùn)用方便。

年內(nèi)展布法的不足：①未對(duì)多年徑流資料進(jìn)行審查，會(huì)因個(gè)別極大極小值而影響計(jì)算結(jié)果。②未考慮水量的年內(nèi)分配。河流流量隨季節(jié)性變化，而原方法同期均值比是根據(jù)多年徑流資料統(tǒng)一劃定的，沒(méi)有考慮水量的年內(nèi)變化問(wèn)題，故計(jì)算結(jié)果過(guò)于平均。③計(jì)算同期均值比時(shí)，選用最小月均徑流量相加，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏小，不利于環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

3 年內(nèi)展布法改進(jìn)

針對(duì)以上不足，本文進(jìn)行了3點(diǎn)改進(jìn)：對(duì)徑流資料進(jìn)行審查，避免極個(gè)別特殊流量對(duì)整體計(jì)算結(jié)果的影響；根據(jù)徑流的季節(jié)性變化特點(diǎn)，選取不同的同期均值比，以適應(yīng)季節(jié)性河流的計(jì)算需要；選取具有95%保證率的月均徑流量與多年月均流量的比值定義同期均值比。改進(jìn)后的年內(nèi)展布計(jì)算法步驟為：

第一，對(duì)年徑流量資料進(jìn)行審查，保證其可靠性、合理性。對(duì)年均流量進(jìn)行適線，為避免極豐極枯年份對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，只取對(duì)應(yīng)保證率在5%～95%之間年份的天然月徑流量作為計(jì)算資料。

(1)

P=M/(n+1)

(2)

式中：qtj為第j年第t月的天然月徑流量；M為各月份長(zhǎng)系列水文年份中徑流量從大到小排列的序次；n為總年數(shù)；P為保證率。

第三，劃分計(jì)算時(shí)段，確定各時(shí)段內(nèi)水文要素之和。根據(jù)河流的水文特征劃分為特定時(shí)段，如枯水期、平水期、豐水期。據(jù)此計(jì)算各時(shí)段內(nèi)的月均流量之和Qk及具有95%保證率的月流量之和Qk,95%。公式如下：

(3)

(4)

式中：m為各時(shí)段內(nèi)包含的月份個(gè)數(shù)；k為時(shí)段名。

第四，計(jì)算同期均值比。公式如下：

枯水期 (5)

平水期 (6)

豐水期 (7)

第五，確定各月的生態(tài)流量。公式如下：

(8)

4 實(shí)例應(yīng)用

以黃河干流年徑流資料為例，選取黃河下游花園口、高村、孫口3個(gè)水文測(cè)站1952-1998年的天然月徑流資料，利用改進(jìn)的年內(nèi)展布法來(lái)確定河道的生態(tài)需水量。研究測(cè)站地理位置分布見(jiàn)圖1。

圖1 研究測(cè)站地理位置分布

4.1 資料審查

利用皮爾遜Ⅲ型曲線對(duì)年均流量進(jìn)行適線，獲得不同保證率下的年均流量。為避免極豐極枯年份對(duì)計(jì)算生態(tài)流量時(shí)的影響，只取對(duì)應(yīng)保證率在5%～95%之間年份的天然月徑流量作為計(jì)算資料。

由適線結(jié)果可以得到，花園口站多年平均流量為1 821.20 m3/s。為避免極端流量的影響，只取平均流量在5%～95%保證率之間的年份作為計(jì)算年份，重新計(jì)算可得多年平均流量為1 799.80 m3/s。見(jiàn)圖2。

圖2 花園口流量適線

4.2 計(jì)算生態(tài)需水量

根據(jù)選取的計(jì)算年份數(shù)據(jù)確定各月生態(tài)流量。將黃河干流流量劃分為枯水期、平水期和豐水期，分別為12-3月份、4-6月份、7-11月份。各站生態(tài)流量計(jì)算見(jiàn)表1、表2。

表1 各站生態(tài)流量計(jì)算過(guò)程表 /m3·s-1

表2 黃河下游各測(cè)站的生態(tài)流量 /m3·s-1

4.3 分析討論

4.3.1 本方法與年內(nèi)展布法比較

為驗(yàn)證計(jì)算方法的可靠性，分別運(yùn)用本文中的方法和年內(nèi)展布法，將兩種計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析。見(jiàn)圖3。

在圖3可以看出，兩種計(jì)算方法得到的生態(tài)需水年內(nèi)變化大致走向基本一致，尤其是在枯水期基本重合。而在平水期和豐水期，本方法計(jì)算結(jié)果大于年內(nèi)展布法結(jié)果。因此，更適合季節(jié)性河流的生態(tài)需水量計(jì)算。

年內(nèi)展布法確定生態(tài)流量時(shí)過(guò)于保守，同期均值比的確定也過(guò)于平均，計(jì)算結(jié)果偏小,不利于生態(tài)環(huán)境。改進(jìn)的年內(nèi)展布計(jì)算法不僅保留了徑流隨季節(jié)變化的特性，而且更符合實(shí)際情況，有利于人水和諧。該方法相對(duì)于年內(nèi)展布計(jì)算法放大了部分流量，并彌補(bǔ)了原方法生態(tài)需水偏小、不利于生物繁衍的不足。

4.3.2 本方法與改進(jìn)后的Tennant法比較

現(xiàn)行的Tennant法不能反映河流的季節(jié)特性。黃強(qiáng)等在計(jì)算黃河干流生態(tài)環(huán)境需水Tennant法的改進(jìn)及應(yīng)用[10]中提出了改進(jìn)的Tennant法，該方法更能適應(yīng)多沙及季節(jié)性河流。故運(yùn)用改進(jìn)的Tennant法求得的花園口站生態(tài)需水標(biāo)準(zhǔn)與本文計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。改進(jìn)的Tennant法求得的花園口站生態(tài)需水的各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

圖3 改進(jìn)的年內(nèi)展布法與原方法計(jì)算結(jié)果比較

表3 黃河下游花園口站時(shí)段需水各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)/m3·s-1

由表3可知，12-3月份枯水期，改進(jìn)的年內(nèi)展布法計(jì)算結(jié)果處于極好的標(biāo)準(zhǔn)；7-11月份豐水期，評(píng)價(jià)位于中和好的標(biāo)準(zhǔn)之間；4-6月份平水期，Tennant法評(píng)價(jià)為最佳狀態(tài)。根據(jù)文獻(xiàn)[11]中黃河水環(huán)境和水功能類(lèi)型及特點(diǎn)，4-6月份生態(tài)環(huán)境需水量應(yīng)保持在最佳狀態(tài)，以保證魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵場(chǎng)及棲息地要求；其他季節(jié)則應(yīng)保持在較好標(biāo)準(zhǔn)。改進(jìn)的年內(nèi)展布法能夠滿足這種要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)根據(jù)河流的季節(jié)性選取不同的同期均值比，改進(jìn)了河道基本生態(tài)需水的年內(nèi)展布法，彌補(bǔ)了原方法生態(tài)需水偏小、不利于生物繁衍的不足。應(yīng)用于實(shí)際的結(jié)果表明，由于河流具有季節(jié)性變化規(guī)律，生態(tài)需水量也會(huì)隨著季節(jié)發(fā)生改變。所以，河流的生態(tài)需水不僅要包含生態(tài)環(huán)境需水量的大小，而且能夠反映生態(tài)環(huán)境需水量的大小隨季節(jié)的變化規(guī)律。本文對(duì)年內(nèi)展布法的改進(jìn)可以更好地體現(xiàn)河段流量豐枯的實(shí)際情況，能夠保證黃河下游最基本的生態(tài)需求。計(jì)算結(jié)果表明，改進(jìn)的年內(nèi)展布法不僅能夠滿足Tennant法對(duì)于河道生態(tài)需水的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，而且滿足黃河下游生物對(duì)水生態(tài)環(huán)境的實(shí)際要求，對(duì)河流的生態(tài)評(píng)價(jià)具有一定的指導(dǎo)意義。