大連地區(qū)季節(jié)性缺水河流逐月生態(tài)保障率的設定和應用

梁中華

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

河流流量最下閾值即為其生態(tài)基流，在流域水資源調(diào)配和河流生態(tài)健康維持方面具有重要的作用[1]。河道生態(tài)需水即要保證其水量又要對其水質(zhì)進行保障。由于需要對人類活動和區(qū)域河流水生態(tài)進行有效平衡，需對河流生態(tài)最低目標進行設定，生態(tài)基流即為滿足河流生態(tài)最低目標的河道水量[2]。北方地區(qū)河流大都呈現(xiàn)季節(jié)性缺水，進入枯水期后，其水量很難得到有效保證。近些年來，有些研究成果表明[3-6]，通過生態(tài)基流的配置可以有效接近北方河流由于季節(jié)性缺水引起的眾多水生態(tài)問題。當前對于河道生態(tài)基流的研究成果較多[7-12]，但對于季節(jié)性缺水河流水生態(tài)流量研究成果還較少。高玉琴[13]等針對南方季節(jié)性缺水河流的特點，提出改進的逐月保證率方法對南方季節(jié)性缺水河流的生態(tài)流量進行研究。但由于南方和北方地區(qū)河流特點差異較大，而北方地區(qū)季節(jié)性缺水河流的水生態(tài)流量對于河流水生態(tài)保護意義更為重大，為此本文結合逐月保證率方法，以大連地區(qū)季節(jié)性缺水河流為實例，基于逐月生態(tài)保障率評價指標體系，以河流水功能區(qū)劃、水生態(tài)保護、生境條件以及河流時態(tài)作為評價指標，對大連地區(qū)季節(jié)性缺水河流進行逐月生態(tài)保障率的設定。研究成果可為北方缺水型河流水生態(tài)調(diào)控提高更為科學的參考依據(jù)。

1 逐月保證率設定方法

在流量歷時曲線基礎上對河流逐月生態(tài)保證率進行設定，其主要計算步驟為：

步驟1：建立分析的徑流數(shù)據(jù)序列，序列長度高于20年，需要對資料數(shù)據(jù)序列的可靠性進行審查。

步驟2：對各月徑流數(shù)據(jù)進行排序，并利用P-III曲線進行設計頻率下的流量推求，對流量月歷時曲線進行繪制。頻率的計算方程為：

(1)

式中，p—流量頻率；n—樣本總年數(shù)；m—所在排位。

步驟3：對應流量從流量歷時曲線進行推求，生態(tài)基流設計過程為月尺度，一般按照四季定性較為簡單的方式進行保證率的設定，或者不同保證率按汛期和非汛期進行設定，對于北方地區(qū)河流其保證率在汛期一般設定為65%～75%之間，保證率汛期一般低于50%。針對傳統(tǒng)保證率設置較為簡單的局限，為充分考慮河道不同月份水環(huán)境狀況、水生態(tài)保護目標，通過建立評估指標體系建立逐月生態(tài)保證率設定模型。評估模型主要包括河流水功能區(qū)水質(zhì)保障目標，一般而言V類水質(zhì)很難保證河流水生態(tài)健康。第二類是河流水生態(tài)保護目標，一般對于缺水性河流一般都以水功能區(qū)作為其主要水生態(tài)保護目標，其次為棲息水生生物。第三類為河流生態(tài)環(huán)境條件，一般認為4—6月為主要魚類產(chǎn)卵期，1—3月及11—12月為魚類生長和成熟期。第四類為河流時態(tài)，主要表征為汛期水量較為充沛可以維持河流生態(tài)健康穩(wěn)定。各類目標評價指標體系見表1。

表1 逐月生態(tài)保證率設定評價指標體系

步驟4：北方季節(jié)性河流不同月份對其生態(tài)系統(tǒng)維持程度有所區(qū)別，因此在評價指標體系構建的基礎上，采用逐月生態(tài)保證率模型對其進行評價，評價方程為：

(2)

式中，E—不同月份生態(tài)保證率評估值；wi—各指標評估權重值；ri—評估指標值；m—評估指標的總數(shù)。

步驟5：在評估模型構建的基礎上，按照河流季節(jié)性水量變化特點結合其水功能區(qū)生態(tài)目標，對其不同保證率進行細化，本文劃分為6個評價等級，其等級對應的生態(tài)保證率分別為85%、75%、65%、55%、45%、30%。12個月份中最小評估值作為其評價最小值。

步驟6：對各評估指標權重進行計算，為降低評估指標設置的主觀性，本文采用AHP耦合熵權值方法對其指標權重進行計算，計算方程為：

(3)

式中，wi1，wi2—評估指標的主觀和客觀權重。

步驟7：對各因子的隸屬度進行評價，若河流時態(tài)屬于汛期月份，則該月份不能為非汛期時態(tài)，若屬于魚類成熟期，則不屬于產(chǎn)卵期和育幼期，河道生態(tài)目標按照最高級來進行設定。可以得到各評估指標的隸屬度矩陣R=rpq，若評估月份屬于對應的類別項，則rpq=1，否則等于0。其中p和q分別表示為評價指標個數(shù)、已評價月份。

步驟8：按照主觀和客觀權重進行組合賦值，對其權重向量U進行確定，按照加權平均算法對其進行全部指標的綜合評估，評估方程為：

E=UR

(4)

式中，E—各月生態(tài)保證率評估值。

2 實例應用

2.1 研究區(qū)域概況

本文以大連地區(qū)碧流河流域為研究實例，碧流河是遼寧省大連、營口地區(qū)最大河流，地理位置為北緯39°24′～40°20′，東經(jīng)122°10′～122°53′。碧流河流域降水的年內(nèi)分配極不均勻，降水主要集中在6—9月，尤其集中在7—8月。流域內(nèi)有一座大型水庫為碧流河水庫，為流域內(nèi)主要控制水利工程。流域地表水資源量較為充沛，但是存在明顯的季節(jié)變化特點，汛期水量占全年總水量的比重高達70%以上，進入非汛期后水量銳減。碧流河冬季較為寒冷，季節(jié)性氣候具有明顯的差異，冬季時間較長，夏季是雨季較為集中的季節(jié)，5—7月份是碧流河流域魚類產(chǎn)卵的最佳時期，魚類活躍期主要為8月，河道冰凍期主要集中在每年12月到次年3月。為對碧流河天然條件下的徑流量進行還原，采用同倍比方法對碧流河水庫以及水庫下游到碧流河出?？跀嗝媪髁窟M行還原處理，從而使得碧流河生態(tài)需水更為準確及合理。碧流河流域不同月份天然條件下的徑流量和流量月平均值見表2。

表2 碧流河流域不同月份天然條件下的徑流量和流量月平均值

2.2 碧流河生態(tài)保證率評估指標權重分析

按照大連地區(qū)水功能劃分結構，碧流河水質(zhì)目標主要為III類水質(zhì)，因此選這III類水質(zhì)x13作為水功能評估指標，由于碧流河流域沒有任何珍稀國家級保護魚類和水生生物，因此水生態(tài)保護目標本文未予考慮。5—7月是碧流河流域是魚類產(chǎn)卵的最佳時期，魚類活躍期主要為8月。碧流河汛期主要為6—9月，非汛期為10月到次年5月。按照前面所述組合權重計算方法對碧流河流域不同生態(tài)保證率條件下的權重組合值進行計算，計算結果見表3。

表3 不同生態(tài)保證率下權重組合值計算結果

2.3 不同保證率下生態(tài)基流初擬過程

各月生態(tài)保證率按照評價標準進行設定，不同月份的評估值采用模糊綜合評價法進行計算后，預先處理碧流河流域的不同月份的徑流數(shù)據(jù)，極端月流量按照保證率為10%以下以及90%以上進行剔除后，得到不同月份的流量時間變化曲線，不同保證率下的流量即為其流量設計值，可以得到不同月份各生態(tài)保證率條件下的基流過程，見表4。

表4 不同月份碧流河流域生態(tài)保證率下的生態(tài)基流

從不同月份碧流河流域生態(tài)保證率下的生態(tài)基流計算結果可看出，不同月份下其各保證率設定值下的生態(tài)基流具有較為明顯的豐枯變化過程，與碧流河流域月平均徑流變化過程具有相似性，具有較為明顯的河流季節(jié)變化特點?？傮w而言，對于碧流河而言，5—7月由于保證率設定值相對較高，因此其生態(tài)基流總體偏高，這主要是因為5—7月是碧流河流域魚類產(chǎn)卵的最佳時期，因此其保證率相對較高。非汛期為10月到次年5月由于來水量較小，且無特定的水生態(tài)保護目標，因此其生態(tài)保證率設置相對較低。

2.4 不同生態(tài)需水計算方法對比

分別采用4種不同生態(tài)需水方法對碧流河流域生態(tài)基流進行計算，對比不同方法下的生態(tài)基流量，分析結果見表5。

表5 不同生態(tài)需水方法下碧流河流域生態(tài)基流計算結果

從不同生態(tài)需水方法下碧流河流域生態(tài)基流計算結果可看出，采用逐月保證率方法下計算的部分非汛期河流生態(tài)基流未能達到Tennant法10%多年平均流量的生態(tài)基礎標準流量，其他月份計算結果均高于此生態(tài)基流計算標準，汛期均可以高于Tennant法30%多年平均流量的生態(tài)基礎標準流量。本文采用年內(nèi)展布法和逐月生態(tài)保證率計算的生態(tài)基流過程外包線作為其耦合的最終生態(tài)基流過程，從而更好地反映季節(jié)性河流水量變化特點。通過計算碧流河全年生態(tài)需水量約為2945萬m3，占區(qū)域徑流量多年平均值的比值高于30%，逐月生態(tài)保證率方法可以有效解決傳統(tǒng)生態(tài)需水計算方法相對較為保守的局限。

2.5 碧流河水庫不同生態(tài)調(diào)水方案分析

在采用逐月生態(tài)保證率方法計算碧流河流域生態(tài)基流過程后，針對碧流河水庫調(diào)度方案，對不同生態(tài)調(diào)度方案下碧流河水庫下游河道的生態(tài)需水進行計算，結果見表6。

表6 不同生態(tài)調(diào)度方案下碧流河水庫下游河道的生態(tài)需水計算結果

在10%流量生態(tài)調(diào)度方案下，碧流河水庫生態(tài)方式調(diào)節(jié)下，其下游河道生態(tài)狀況一般較差，尤其是枯水季節(jié)生態(tài)需水很難得到有效滿足，從表中可看出，采用10%徑流方案下，其年生態(tài)需水量和生態(tài)供水量分別可達到2945萬m3和2832萬m3，年生態(tài)缺水量為185萬m3，缺水主要集中非汛期。碧流河水庫主要興利目標為工業(yè)及生活供水，其次為生態(tài)用水，因此按照10%的徑流調(diào)節(jié)而言，其生態(tài)供水量很難得到滿足。碧流河水庫在滿足其供水目標的基礎上，可以用于下游河道生態(tài)水量為2832萬m3，如果把生態(tài)供水從10%提高到30%，則水庫每年需要向下游河道增加1492萬m3的水量用來維持下游河道的生態(tài)健康。

3 結論

(1)逐月保證率方法適合于北方缺水型河流水生態(tài)需水量的計算，在具體計算時，建議結合年內(nèi)展布法和逐月生態(tài)保證率計算的生態(tài)基流過程外包線作為其耦合的最終生態(tài)基流過程，可使生態(tài)基流計算結果更為準確，更好地反映北方季節(jié)性河流水量變化特點。

(2)碧流河水庫在滿足其供水目標的基礎上，可以用于下游河道生態(tài)水量為2832萬m3，如果把生態(tài)供水從10%提高到30%，則水庫每年可向下游河道增加1492萬m3的水量用來維持其下游河道的生態(tài)健康。

(3)本文對碧流河水生態(tài)水量調(diào)控措施研究還較少，在后期研究還應結合生態(tài)需水計算成果重點對區(qū)域生態(tài)水量調(diào)控措施進行分析。