改進的年內(nèi)展布法在生態(tài)環(huán)境需水量計算中的應(yīng)用

莊錦亮,廖海梅,曾德軍

(1.西昌學(xué)院 土木與水利工程學(xué)院，四川 西昌 615000； 2.貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；3.中國電建集團 貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司,貴州 貴陽 550025)

目前國外生態(tài)環(huán)境需水量的計算方法主要分為水文學(xué)法、水力參數(shù)法、棲息地模擬法及整體分析法。我國在生態(tài)環(huán)境需水量領(lǐng)域的研究起步較晚，河流水生生態(tài)資料缺乏，因而深入研究生態(tài)環(huán)境需水尚存在困難，目前主要從水文學(xué)的角度開展研究[1-2]。我國流域大多設(shè)有水文測站，具有較長年限的水文資料，對于部分無水文資料的小流域也可用水文比擬法、水文模型法等得到流域水文資料。因而從水文學(xué)的角度開展研究是可行的，也是以后從河流生物完整性方面深入研究的基礎(chǔ)。目前國內(nèi)水文學(xué)法計算生態(tài)環(huán)境需水量主要有不同頻率最枯月平均值法、流量歷時曲線法、近10 a最枯月平均流量法、Tennant法、頻率曲線法等[3-8]。如何平衡人類用水需求與維系河流生態(tài)系統(tǒng)健康用水之間的矛盾，已成為當(dāng)今河流管理者所面臨的巨大挑戰(zhàn)[9]。因而科學(xué)地確定河流生態(tài)環(huán)境需水量,是促進水資源的合理開發(fā)利用，保護河流生態(tài)系統(tǒng)健康的基礎(chǔ)。

年內(nèi)展布法是2013年潘扎榮等[10]提出的河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水的計算方法。該方法克服了以往水文學(xué)法取多年平均流量的特定比例的主觀性，定量地研究生態(tài)環(huán)境需水量隨河流水文情勢的變化，但該方法不適合季節(jié)性河流以及無法避免極端水文條件的影響。目前多位學(xué)者提出了改進的年內(nèi)展布法。范肖予等[11]提出年內(nèi)同頻率展布計算法，將一年的同期均值比根據(jù)河流水文情勢劃分為不同時段，根據(jù)劃分的時段計算同期均值比，以適應(yīng)季節(jié)性河流，但無法避免極端水文情況的影響；范博偉等[12]提出改進的年內(nèi)展布法，只選取一定保證率范圍內(nèi)的徑流資料。鄧曉[13]提出的新的年內(nèi)展布法，剔除徑流極大值和極小值，但是兩種方法均導(dǎo)致徑流資料的完整性和代表性不足。

將潘扎榮[10]、范肖予[11]、范博偉[12]、鄧曉[13]、趙然杭[14]、雷付春[15]提出的年內(nèi)展布法的計算結(jié)果用Tennant標(biāo)準(zhǔn)進行評價，結(jié)果表明超過一半的方法在一般用水期評價結(jié)果為極差，魚類產(chǎn)卵育幼評價結(jié)果為差中之間，不能較好地滿足河道基本生態(tài)環(huán)境需水量。因此本文在現(xiàn)有年內(nèi)展布法的基礎(chǔ)上進行改進，使其更好地滿足河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水，適應(yīng)季節(jié)性河流的同時避免極端水文情勢的影響。

1 改進的年內(nèi)展布法

1.1 概念辨析

在生態(tài)環(huán)境需水的相關(guān)文獻和實際使用中，目前國內(nèi)出現(xiàn)了較多的概念。如生態(tài)需水、生態(tài)耗水、生態(tài)徑流量、生態(tài)流量、生態(tài)環(huán)境流量、生態(tài)環(huán)境需水量等， 由于尚未形成統(tǒng)一的概念，經(jīng)常被混用，相關(guān)學(xué)者也對概念進行了界定，這些概念的內(nèi)涵是不同的[16-17]。還有部分學(xué)者將生態(tài)需水與環(huán)境需水進行了區(qū)分[18]。但是把生態(tài)環(huán)境需水分為河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水和河道外生態(tài)環(huán)境需水，是當(dāng)前比較通行的一種分類方式[19]。生態(tài)環(huán)境需水是維系生態(tài)系統(tǒng)正常功能的用水量，具有閾值性，要根據(jù)不同的生態(tài)環(huán)境保護目標(biāo)確定需水量[20]，反映自然、社會、經(jīng)濟對河流水量、水質(zhì)和水生生境的綜合要求[21]。結(jié)合以上分析，本文以生態(tài)環(huán)境需水量作為基本概念。

1.2 基本思路

由于不同流域和區(qū)域的差異性，以及生態(tài)保護目標(biāo)不一致，制定統(tǒng)一的生態(tài)環(huán)境需水量計算標(biāo)準(zhǔn)存在一些不足。因此有必要對不同區(qū)域和流域進行生態(tài)環(huán)境需水差異化評估。生態(tài)環(huán)境需水量具有閾值性，要根據(jù)不同目標(biāo)設(shè)定相應(yīng)的需水水平。生態(tài)環(huán)境需水量與水文情勢密切相關(guān)，具有隨水文情勢變化的動態(tài)特征[22-23]。本文以一般用水期維持河流基本生態(tài)環(huán)境功能，在水生生物繁殖、發(fā)育期為產(chǎn)卵、繁殖等提供基本空間為目標(biāo)，使用改進的年內(nèi)展布法計算每月河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量。

河流生態(tài)環(huán)境需水的年際變化主要表現(xiàn)為豐、枯、平變化，用保證率來表示[18]。在非特殊氣候條件下，具有90%保證率的流量能夠維系河流基本生態(tài)環(huán)境功能以及滿足水生生物對水量的基本需求[20]。同時對于季節(jié)性河流選取90%保證率多年各月的月徑流量能夠避免極端年份對計算結(jié)果的影響。河流年內(nèi)變化主要表現(xiàn)為汛期和非汛期的差異[18]。因而根據(jù)流域徑流特性將一年劃分為汛期和非汛期可以較好地反應(yīng)徑流年內(nèi)變化特征，適用于季節(jié)性河流。

1.3 計算過程

改進的年內(nèi)展布法計算過程如下：

(1) 根據(jù)流域徑流水文特性，將一年劃分為汛期和非汛期；

(4) 計算汛期多年各月90%保證率的平均流量與汛期多年平均流量的比值，非汛期多年各月90%保證率的平均流量與非汛期多年平均流量的比值，分別作為同期均值比η1,η2；

2 實際應(yīng)用

博陽河屬于鄱陽湖水系，發(fā)源于江西省瑞昌市湖炎洞，河道長93.5 km，全流域面積1 220 km2，最終注入鄱陽湖。徑流主要由降雨形成，流域徑流年際和年內(nèi)分配極不均勻，年徑流極值比K=7.1，具有明顯季節(jié)變化特征。汛期徑流量占年徑流量比重為64.7%。汛期為4～7月，非汛期為8月至翌年3月。梓坊水文站位于德安縣聶橋鄉(xiāng)梓坊村為博陽河控制站，控制面積626 km2，設(shè)于1956年，為國家基本站網(wǎng)點。

2.1 資料來源與處理

(1) 可靠性檢查。梓坊水文站為國家基本站網(wǎng)點，水位、流量、降水量等均按照國家標(biāo)準(zhǔn)整編，資料具有可靠性。

(2) 代表性檢查。梓坊水文站具有1957～2006年50 a的徑流資料，生態(tài)流量在接近天然狀態(tài)下滿足水生生態(tài)的需水量。選擇的水文數(shù)據(jù)應(yīng)反映天然狀態(tài)下河流水文情勢，因此選用1957～1990年34 a的水文數(shù)據(jù)，根據(jù)累積平均值模比系數(shù)過程線，自1976年以后趨于穩(wěn)定，說明選用的34 a的水文數(shù)據(jù)具有足夠代表性，梓坊站徑流年內(nèi)分配如圖1所示。

圖1 梓坊站徑流年內(nèi)分配Fig.1 Annual distribution of runoff at Zifang Station

(3) 一致性檢查。當(dāng)徑流受到人類活動等的影響較大時，前后序列的趨勢將會顯著不同。使用Mann-Kendall法，變量不一定要具有正態(tài)分布特征，少數(shù)異常值也不會對其產(chǎn)生影響，因而較適合于非正態(tài)分布的水文、氣象數(shù)據(jù)相關(guān)性檢驗[24-25]。

使用Mann- Kendall法分別審查梓坊水文站徑流年際和年內(nèi)變化，年際變化根據(jù)年均流量，年內(nèi)變化根據(jù)年內(nèi)變異系數(shù)(月均流量的標(biāo)準(zhǔn)差除以年均流量)進行檢驗，該站多年各月流量變差系數(shù)如圖2所示。

圖2 梓坊站多年各月流量變差系數(shù)Fig.2 Cv of monthly discharge at Zifang Station

Mann-Kendall趨勢檢驗的原理為，對于時間序列X，Mann-Kendall趨勢檢驗的統(tǒng)計量如下：

(1)

式中：xj為時間序列的第j個數(shù)據(jù)值；n為數(shù)據(jù)樣本的長度;sgn是符號函數(shù)，其定義如下:

(2)

Mann和 Kendall證明發(fā)現(xiàn)，當(dāng)n≥8時，統(tǒng)計量S大致服從正態(tài)分布，其均值為0，方差為

(3)

式中：i是第ti組的數(shù)據(jù)點的數(shù)目。

標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計量，按照如下公式計算：

(4)

在趨勢檢驗中，輸入置信度水平α，若絕對值丨Z丨≥Z1-α/2，原假設(shè)不成立，即在置信度水平α上，時間序列數(shù)據(jù)增加或減小幅度較為明顯。當(dāng)Zc>0時表示增加幅度，當(dāng)Zc<0時表示減小幅度，當(dāng)丨Zc丨≥1.28，1.64，2.32時，說明分別通過了信度為90%，95%，99%的顯著性檢驗。梓坊站徑流年際和年內(nèi)變化均無顯著趨勢檢驗(見表1)，說明資料一致性較好。

表1 梓坊站徑流年際和年內(nèi)變化趨勢Tab.1 Annual and inter annual runoff trends at Zifang Station

2.2 計算結(jié)果

表2 同期均值比計算結(jié)果Tab.2 Result of mean ratio of the same period

表3 各月河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量Tab.3 Basic environmental flow of each month

注：全年平均Qi為2.9m3/s，年均值比為21.6。

2.3 比較分析

將改進的年內(nèi)展布法的計算結(jié)果與傳統(tǒng)的年內(nèi)展布法，及我國現(xiàn)行的SL/Z 712-2014《河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》推薦的水文學(xué)方法、最小月平均流量法、Qp法、頻率曲線法、流量歷時曲線法進行比較，計算結(jié)果如表4所示。

表4 不同方法基本生態(tài)環(huán)境需水量計算結(jié)果Tab.4 Results of basic environmental flow by different method

博陽河流域有國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源保護區(qū)，主要保護對象有翹嘴鲌、黃顙魚等，保護期為每年4～7月，因此將Tennant法進行修正，一般用水期為8月至翌年3月，產(chǎn)卵育幼期為4～7月。

通過圖3和表5可知：傳統(tǒng)的年內(nèi)展布法和改進的年內(nèi)展布法，河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量的年內(nèi)過程的趨勢基本一致，改進的年內(nèi)展布法計算得到的汛期和非汛期各月的生態(tài)環(huán)境需水量均大于傳統(tǒng)的年內(nèi)展布法，用Tennant法標(biāo)準(zhǔn)評價的等級一般用水期為中好之間，產(chǎn)卵育幼期為中好之間，傳統(tǒng)的年內(nèi)展布法Tennan法標(biāo)準(zhǔn)評價的等級一般用水期為很差，產(chǎn)卵育幼期為差中之間。

表5 不同方法計算基本生態(tài)環(huán)境需水量與Tennant評價標(biāo)準(zhǔn)對比Tab.5 Results of different methods compared with Tennant method

圖3 不同方法基本生態(tài)環(huán)境需水量計算結(jié)果對比Fig.3 Compasion of basic environmental flow by different methods

最小月平均流量法與改進年內(nèi)展布法相比，結(jié)果偏小，且不能表征徑流的動態(tài)變化。

流量歷時曲線法，取95%保證率多年各月平均流量作為生態(tài)需水量時，結(jié)果小于改進的年內(nèi)展布法，且一般用水期Tennant法標(biāo)準(zhǔn)評價的等級為很差；取90%保證率多年各月平均流量作為生態(tài)環(huán)境需水量，結(jié)果與改進的年內(nèi)展布法結(jié)果非常接近，但是改進的年內(nèi)展布法一般用水期各月的生態(tài)流量更接近各月多年平均流量，符合水文情勢變化，能更好地滿足各月生態(tài)需求。

Qp法，取95%保證率或90%保證率各月多年平均流量作為生態(tài)需水量，結(jié)果均很小不能滿足河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量。頻率曲線法計算得到的基本生態(tài)環(huán)境需水量與改進的年內(nèi)展布法，年內(nèi)趨勢一致，但是Tennant法標(biāo)準(zhǔn)評價的等級一般用水期為很差。

因此將一年劃分為汛期和非汛期，選用90%保證率多年各月平均流量，分別計算同期均值比，得到河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量的改進的年內(nèi)展布法，其計算結(jié)果比其他水文學(xué)方法更加合理，可用于季節(jié)性河流，彌補了傳統(tǒng)年內(nèi)展布法不適用于季節(jié)性河流的不足，同時避免極端水文情況的影響。

3 結(jié)論與展望

本文通過將一年分為汛期和非汛期，以90%保證率的多年各月平均流量和多年各月平均流量分別計算汛期和非汛期的同期均值比，根據(jù)多年各月平均流量和同期均值比計算各月生態(tài)環(huán)境需水量，對年內(nèi)展布法進行改進。與傳統(tǒng)的年內(nèi)展布法進行對比，并用Tennant標(biāo)準(zhǔn)進行評價，改進的年內(nèi)展布法的優(yōu)點為：

(1) 改進的年內(nèi)展布法，體現(xiàn)徑流的年內(nèi)變化過程，具有明顯的的豐枯特性，符合水文情勢，并且能夠適用于季節(jié)性的河流；

(2) 改進的年內(nèi)展布法，避免了極端水文情況對生態(tài)環(huán)境需水量計算結(jié)果的影響，同時能夠滿足河流基本生態(tài)環(huán)境功能及水生生物對水量的基本需求；

(3) 改進的年內(nèi)展布法與傳統(tǒng)的年內(nèi)展布法及規(guī)范推薦的其他水文學(xué)方法對比，改進的年內(nèi)展布法與流量歷時曲線法取90%保證率多年各月平均流量時，評價結(jié)果一致，但是改進的年內(nèi)展布法一般用水期各月河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量變化趨勢更接近各月多年平均流量，符合徑流的年內(nèi)變化，與其他水文學(xué)方法比對，改進的年內(nèi)展布法評價結(jié)果均好于其他方法。

改進的年內(nèi)展布法彌補了傳統(tǒng)年內(nèi)展布法不適用于季節(jié)性河流的不足，同時避免極端水文的影響。今后建議針對不同的區(qū)域和流域，開展生態(tài)環(huán)境需水量的差異化評估。