改進(jìn)年內(nèi)展布法在漓江生態(tài)流量中的應(yīng)用

梁榮軍　王越隆　陳勝團(tuán)　陳俊鴻　張帥普

摘 要：以漓江桂林、陽朔水文站為研究對(duì)象，根據(jù)年徑流資料，將一年分為豐、平、枯3個(gè)時(shí)期，采用改進(jìn)的年內(nèi)展布法，分別計(jì)算各個(gè)時(shí)期90%保證率下的多年各月均值流量與該時(shí)段下的多年各月均值流量的同期均值比，結(jié)合多年各月平均流量計(jì)算出生態(tài)流量，最后采用Tennant法對(duì)改進(jìn)前后的年內(nèi)展布法計(jì)算的生態(tài)流量進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，改進(jìn)的年內(nèi)展布法計(jì)算得到的生態(tài)流量過程更符合雨源型河流特征，且在一般用水期更適合河流用水需求。

關(guān)鍵詞：生態(tài)流量;改進(jìn)年內(nèi)展布法;Tennant法;月徑流;漓江流域

中圖法分類號(hào)：P333? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1? ? 研究背景

近年來，由于漓江枯水期水量不足，導(dǎo)致沿岸城市供水不足，河流生態(tài)環(huán)境破壞，旅游觀光航行受阻，對(duì)地方經(jīng)濟(jì)和生態(tài)造成嚴(yán)重影響。隨著漓江上游青獅潭、斧子口、川江、小溶江等水庫的建成，在有利于漓江防洪及補(bǔ)水的同時(shí)也帶來一些影響。比如，阻斷水體的自由流動(dòng)、限制水流的擴(kuò)散;河流天然流量過程趨于平坦化;切斷了魚類洄游通道，造成魚類等生物的生存環(huán)境破壞，影響其生長繁殖，進(jìn)而影響河流內(nèi)的生物多樣性;庫區(qū)水流變緩，使得流速達(dá)不到漂流性魚卵繁殖所需條件等。同時(shí)，隨著水生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn)，對(duì)水生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求也越來越高，保障主要河段生態(tài)流量已成為社會(huì)高度關(guān)注的問題[1-3]。因此，為維護(hù)漓江健康，保障漓江水資源可持續(xù)利用，需要對(duì)其生態(tài)流量進(jìn)行深入研究。

目前，研究者們對(duì)河流生態(tài)流量的計(jì)算提出了多種方法，按照依據(jù)理論和所需資料的不同，可以分為水文學(xué)方法、水力學(xué)方法、棲息地方法和整體分析方法[4]。其中，水文學(xué)法主要根據(jù)河流的歷史徑流資料計(jì)算生態(tài)流量，具有計(jì)算簡單、所需數(shù)據(jù)少等優(yōu)點(diǎn)，是目前使用最為廣泛的生態(tài)流量計(jì)算方法[5]。在我國，由于大型河流水文監(jiān)測站點(diǎn)較多，流量資料較長，所以采用水文學(xué)法計(jì)算生態(tài)流量較為可行。目前常用的研究方法主要有年內(nèi)展布法、Tennant法、近10年最枯月平均流量法、不同頻率最枯月平均值法、流量歷時(shí)曲線法等 [6-8]，但這些傳統(tǒng)水文學(xué)法以多年均值徑流量確定百分比或在自然徑流量的頻率曲線上確定保證率為水文指標(biāo)進(jìn)行生態(tài)流量計(jì)算，存在主觀性和經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)的不足。為了更好地體現(xiàn)河流天然徑流的年內(nèi)豐、平、枯時(shí)期變化過程，潘扎榮等[9]在2013年提出將年內(nèi)展布法運(yùn)用于淮河干流生態(tài)流量的計(jì)算，結(jié)果表明該方法能夠達(dá)到河流生態(tài)目標(biāo)功能對(duì)河流天然徑流的實(shí)際需求，但該方法不適用于季節(jié)性河流以及無法避免極端水文條件影響的情況。針對(duì)這些問題，國內(nèi)多位學(xué)者提出了改進(jìn)計(jì)算方法，其中莊錦亮等[10]和朱曄等[11]提出的改進(jìn)年內(nèi)展布法較好地解決了計(jì)算極端水文情況下生態(tài)流量的情況，通過劃分豐、平、枯月份使得計(jì)算結(jié)果更為合理。因此，本研究將改進(jìn)的年內(nèi)展布法應(yīng)用于漓江生態(tài)流量計(jì)算，并通過Tennant法進(jìn)行評(píng)價(jià)，減少極端水文情勢的影響，使其能更好地滿足各時(shí)段的生態(tài)流量。

2? 改進(jìn)的年內(nèi)展布法

2.1? 基本思路

首先對(duì)所用水文數(shù)據(jù)資料的可靠性、代表性和一致性進(jìn)行審查和分析，確保計(jì)算的可靠性和合理性。為更好反映年內(nèi)各時(shí)段的徑流情況，依據(jù)漓江的年際徑流資料劃分豐、平、枯水期。在非極端條件下，90%保證率的河流徑流量可以保持基本生態(tài)環(huán)境功能和達(dá)到生物對(duì)水量的基本要求。在極端水文情況下，具有90%保證率的各月徑流量還能夠避免極端值對(duì)生態(tài)流量的影響[12]，因此該方法能夠科學(xué)地進(jìn)行季節(jié)性河流生態(tài)流量計(jì)算。

2.2? 計(jì)算過程

改進(jìn)的年內(nèi)展布法[11]計(jì)算過程如下：

（1）根據(jù)歷年的河流徑流量用距平百分率來劃分豐水期、平水期、枯水期，并選用《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（GB/T 22482—2008）中距平百分率P的標(biāo)準(zhǔn)來劃分徑流豐、平、枯水期。劃分標(biāo)準(zhǔn)分別為P>10%，-10%<P≤10%，P≤-10%。距平百分率。其中為某月多年平均徑流量，代表多年各月平均徑流量。根據(jù)漓江流域的水文情況，將P值進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

（2）分別計(jì)算多年各月平均徑流量（i = 1，2，……，12），豐水期多年平均徑流量，平水期多年平均徑流量，以及枯水期多年平均徑流量。

（3）根據(jù)皮爾遜-Ⅲ型頻率曲線求90%保證率的多年各月平均徑流量，計(jì)算豐水期、平水期、枯水期多年各月90%保證率的平均徑流量、和。

（4）分別計(jì)算豐水期、平水期和枯水期多年各月90%保證率下的平均徑流量多年平均徑流量的比值，作為同期均值比，，。

（5）根據(jù)各月的多年月平均徑流量計(jì)算出各月河流基本生態(tài)流量 。

3? 應(yīng)用實(shí)例

3.1? 研究區(qū)域概況

漓江屬珠江流域西江水系，地處東經(jīng)109°45′～110°40′，北緯24°18′～25°41′，位于廣西壯族自治區(qū)東北部，全長214 km，以桂林水文站為界限其上游集水總面積為2 762 km2，陽朔水文站以上集水總面積為5 579 km2[13-14]。漓江屬于季節(jié)性河流，全年超過80%的降雨集中在3—7月;而1月月平均流量小于20 m3/s，豐水期與枯水期水量差異明顯。

3.2? 資料的“三性”審查

（1）可靠性檢查。本文選取桂林和陽朔水文站為對(duì)象，桂林至陽朔段不僅是漓江旅游通航的核心段，還分別為桂林市核心城區(qū)與國家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)控制站點(diǎn)，因此確定其生態(tài)流量具有重要意義。資料均來源于桂林水文中心，其水位、流量等數(shù)據(jù)均按國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行監(jiān)測和整編，可靠性較高。

（2）代表性檢查。整理了桂林站和陽朔站2010—2019年的徑流資料，計(jì)算各月徑流量累計(jì)均值模比系數(shù)的年度變化，其結(jié)果大部分在1.0左右，表明所選資料的代表性較好。

（3）一致性檢查。通過Mann-Kendall法進(jìn)行徑流數(shù)據(jù)的審查，計(jì)算結(jié)果如圖1所示，<1.96沒有通過置信水平 95%的顯著性檢驗(yàn)，表明變化曲線趨勢和突變不明顯，數(shù)據(jù)一致性較好。

3.3? 結(jié)果分析

3.3.1? 改進(jìn)年內(nèi)展布法計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定4—7月為豐水期，3月和8月為平水期，1、2、9、10、11、12月份為枯水期。漓江兩個(gè)站點(diǎn)生態(tài)需水量如表1、表2所示。

漓江桂林水文站和陽朔水文站改進(jìn)前后年內(nèi)展布法對(duì)比結(jié)果如圖2、圖3和表3所示?？芍?，改進(jìn)后的年內(nèi)展布法與原方法所計(jì)算的生態(tài)流量變化趨勢基本相同，4—7月份改進(jìn)的年內(nèi)展布法生態(tài)流量高于原年內(nèi)展布法，其他月份低于或者趨近于原年內(nèi)展布法，其原因主要是漓江降雨集中于這個(gè)時(shí)期且占年總降雨量很大比重[15]，符合南方雨源型河流的水文特征?？梢钥闯?，改進(jìn)的年內(nèi)展布法可以更好地體現(xiàn)徑流量的年內(nèi)分布特點(diǎn)，適用于漓江季節(jié)性變化特征顯著的狀況。

3.3.2? Tennant法評(píng)判結(jié)果

由于Tennant法所需資料較少，僅通過評(píng)價(jià)資料建立的徑流量和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系便可確定生態(tài)流量，應(yīng)用簡單方便，計(jì)算結(jié)果能為水資源規(guī)劃提供宏觀指導(dǎo)意義，因此本文采用Tennant法作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)[15]。每年農(nóng)歷3—4月河流水量上漲，陸續(xù)開始有魚類往上游溯河產(chǎn)卵，到了農(nóng)歷6—7月洪澇汛期，本地魚種開始大批的進(jìn)行產(chǎn)卵[16]。因此本文以10月至次年3月作為一般用水期，4—9月作為用水敏感期，建立河道流量狀況評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[15]，見表4。根據(jù)Tennant法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)了原年內(nèi)展布法和改進(jìn)后的年內(nèi)展布法的計(jì)算結(jié)果，結(jié)果如表5所示。

由表5可知，改進(jìn)后年內(nèi)展布法的生態(tài)流量評(píng)價(jià)結(jié)果在桂林水文站檢測到在一般用水期各月生態(tài)流量占年均徑流量11.1～19.2%，Tennant法的評(píng)價(jià)結(jié)果為一般～良好，此時(shí)漓江流域的水文情況基本滿足旅游觀光、魚類生存和生活用水的需求。原年內(nèi)展布法在一般用水期的各月生態(tài)流量占年均徑流量15.5～20.1%，Tennant法的評(píng)價(jià)結(jié)果為一般～很好。桂林站用水敏感期各月生態(tài)流量占年均徑流量15.9～135.7%，Tennant法的評(píng)價(jià)結(jié)果為差～最大，其中8—9月評(píng)價(jià)為差，其它月份為最佳范圍。原年內(nèi)展布法用水敏感期各月生態(tài)流量占年均徑流量22.9～103.6%，Tennant法的評(píng)價(jià)結(jié)果亦為差～最大。由于漓江汛期為3—8月，其中4—7月為降水集中期，此時(shí)漓江的生態(tài)流量能較好的滿足旅游觀光、魚類產(chǎn)卵需求。8—9月降水量大為減少，導(dǎo)致河道內(nèi)流量減小，生態(tài)流量評(píng)價(jià)結(jié)果較差。陽朔水文站的評(píng)價(jià)結(jié)果基本與桂林水文站相同?？傮w來看，改進(jìn)的年內(nèi)展布法的評(píng)價(jià)結(jié)果能保證漓江流域各個(gè)水期的生態(tài)用水，特別是在豐水期得到了較好提升，更符合南方河流的水文情況，因此采用改進(jìn)的年內(nèi)展布法是合適的。

4? 結(jié)論

（1）通過將12個(gè)月份劃分豐、平、枯3個(gè)時(shí)期，用90%保證率的多年平均各月徑流量和多年平均各月徑流量分別計(jì)算各個(gè)時(shí)期的同期均值比，對(duì)漓江流域原年內(nèi)展布法進(jìn)行改進(jìn)。

（2）對(duì)比原年內(nèi)展布法，用改進(jìn)的年內(nèi)展布法計(jì)算桂林站和陽朔站的各月生態(tài)流量，更符合季節(jié)性分布，也能體現(xiàn)河流年內(nèi)各月平均徑流量變化特征，同時(shí)避免了極端水文情況的影響。

（3）將采用改進(jìn)年內(nèi)展布法得到的計(jì)算結(jié)果用Tennant法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，表明采用改進(jìn)年內(nèi)展布法得到的生態(tài)流量能更好的滿足生物、環(huán)境對(duì)水量的需求，特別是在一般用水期更符合生態(tài)用水需求，有利于環(huán)境生態(tài)的持續(xù)發(fā)展。

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Application of an Improved Annual Distribution Method in the Calculation of Ecological Flow of Lijiang River

Liang Rongjun1，Wang Yuelong1，Chen Shengtuan1，Chen Junhong2，Zhang Shuaipu2

（1. College of Information Science and Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China;

2. Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China）

Abstract：The ecological flow of Lijiang River was calculated based on annual runoff data at Guilin and Yangshuo hydrological stations. A year was divided into high water period，flat water period and low water period. The ratio of the monthly mean flow of each period under the 90% guarantee rate to the multi-year monthly mean flow in the same period was calculated，and the ecological flow was calculated in association with the monthly mean flow. Furthermore，the ecological flow calculated by the annual distribution method before and after modification was evaluated by using the Tennant method. The results showed that the ecological flow calculated by improved annual distribution method is more in line with the characteristics of rain-source rivers，and more suitable for river water demand in normal water use period.

Key words：ecological flow;improved annual distribution method;Tennant method;monthly runoff;Lijiang River basin

收稿日期：2022-03-20

基金項(xiàng)目：桂林理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目（202110596030）;廣西科技基地和人才專項(xiàng)（桂科AD21220106）;桂林理工大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金（GUTQDJJ2020083）

作者簡介：梁榮軍，男，主要研究智慧水利。E-mail：lrjunyan@qq.com

通訊作者：陳俊鴻，男，講師，博士，主要從事水資源管理研究工作。E-mail：jhchen@glut.edu.cn