河道生態(tài)基流量的新年內展布計算法

鄧曉

摘要：為最大限度地滿足河流的季節(jié)性生態(tài)水文需求，提出用于計算河道生態(tài)基流量的新年內展布計算法。該方法以河流天然徑流數(shù)據(jù)為輸入，在剔除各月徑流量極值的基礎上，以汛期、非汛期兩時段量化“時段同期均值比”，并結合多年平均月徑流過程、最小月平均徑流過程，計算河道生態(tài)基流量。太子河流域南甸站、本溪站的計算結果顯示，新年內展布計算法得出的生態(tài)基流過程較其他方法在形態(tài)上與各月多年平均徑流過程更為相似，其水量不僅符合河流對徑流的季節(jié)性動態(tài)需求，而且有利于河流生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

關鍵詞：河道生態(tài)基流量;新年內展布計算法;時段同期均值比;太子河流域

中圖分類號：TV213.4

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.03.015

水資源是維持河流生態(tài)健康可持續(xù)的基礎，如何合理地確定河道生態(tài)基流量一直是生態(tài)水文學研究的熱點之一[l]。目前，水文學法是最常用的河道生態(tài)基流量計算方法，但其無法真實展現(xiàn)水文情勢的年內動態(tài)變化過程，同時其生態(tài)學意義模糊[2]。因此，研究新的河道生態(tài)基流量計算方法具有重要意義。

目前，河道生態(tài)基流量計算方法方面的研究成果較多[3-5].其中比較有代表性的有兩種：為滿足河流水文過程對徑流的年內動態(tài)需求，潘扎榮等[4]提出了年內展布法：為彌補年內展布法采用“同一年均值比”的不足，提高季節(jié)性特征明顯的河流生態(tài)基流量計算精度，范肖予等[5]在年內展布法的基礎上，提出了年內同頻率展布計算法。盡管上述兩種方法在一定程度上彌補了水文學法以多年平均徑流量的特定百分比計算河道生態(tài)基流量的不足[4]，但均無法避免各月出現(xiàn)的極豐、極枯這兩種極端徑流量對計算結果的影響。同時，年內展布法采用“同一年均值比”，其成果難以最大限度滿足河流的季節(jié)性生態(tài)水文需求：年內同頻率展布計算法分別取豐、平、枯水段的3個“時段同一均值比”，也與水利工程中應用最為廣泛的Tennant法的劃分時段存在偏差，在實際應用時不夠簡便快捷。鑒于此，筆者嘗試提出一種新的年內展布計算法，并將其用于計算我國東北地區(qū)的太子河流域河道生態(tài)基流量，同時與年內展布計算法、年內同頻率展布計算法和Tennant法的計算結果進行比較，結果顯示新年內展布計算法計算結果較其他方法能最大限度地滿足河流的季節(jié)性基本生態(tài)需求，并在一定程度上避免極端徑流事件的發(fā)生，對維持河流生態(tài)環(huán)境健康持續(xù)發(fā)展更加有利，在工程應用上更為便捷。

1 相關概念及內涵

1.1 生態(tài)基流量

河流生態(tài)需水量是指在特定的時空條件下，為滿足河流發(fā)揮輸沙、自凈和滲漏等各項功能所需要的水量總稱[4]。生態(tài)基流量則是河流維持其基本生態(tài)環(huán)境功能，避免斷流或生態(tài)環(huán)境萎縮，河道長期（尤其是枯水期）必須保留的最小水量[6]。對于河流而言，保證其生態(tài)基流量，一方面能夠保持河流在垂向和橫向上的連通性，促進河流中各項信息流和能量流的輸移和循環(huán)，另一方面可以維持河道結構的完整性，塑造出秀麗的水景觀，一定程度上提高人類的生活品質。

1.2 時段同期均值比

隨河流水文過程的周期節(jié)律，河道生態(tài)基流量常表現(xiàn)出一定的時空特征[7]，從支流到干流、從上游至河口，地貌、經(jīng)濟和水文條件沿程變化，進而河道生態(tài)基流量出現(xiàn)區(qū)域差異。另外，年內汛期水多、非汛期水少，河流水生生物洄游、繁殖等的需水量也在時間上呈動態(tài)變化。

考慮河流生態(tài)在年內對水量的動態(tài)需求，并與水利工程上現(xiàn)行的生態(tài)需水計算方法（Tennant法）和相關規(guī)范、標準相銜接，將年內分為汛期、非汛期，以河流天然徑流過程，計算時段同期均值比叼，基于相應的時段多年平均徑流量，計算各月河道生態(tài)基流量。

2 新年內展布計算法

根據(jù)流域特性和氣候條件，將各月分為汛期和非汛期，以人類活動影響較小的實測徑流或天然徑流為基礎，去除各月徑流系列中的最大值和最小值，計算時段多年平均徑流量、時段最小平均徑流量和時段同期均值比，以時段多年平均徑流量為基準，計算河道生態(tài)基流量的年內分布（展布）過程。新年內展布計算法主要步驟如下。

（1）計算時段多年平均徑流量。在剔除年內各月極值徑流數(shù)據(jù)的基礎上，分別計算年、汛期和非汛期的多年平均徑流量，計算公式為

3 實例分析與討論

3.1 計算過程

3.1.1 資料情況

太子河是遼河一級支流，自東北向西南橫貫遼寧省，河長413 km，流域面積13 883 km²[8]。太子河流域河川徑流主要來源于降水，具有明顯的季節(jié)性變化特征。本文以太子河源頭的南甸站和中游的本溪站為典型斷面，應用新年內展布計算法計算河道生態(tài)基流量。采用的站點資料見表1。

3.1.2 徑流特性

太子河屬于典型的季節(jié)性河流，流域年內各月徑流量存在顯著差異。南甸站以上人類活動影響較小，本溪站以上的觀音閣水庫（庫容為21. 68億m³）于1994年汛后開始蓄水[8]。南甸站、本溪站徑流年內分配過程分別見圖1和圖2?？梢钥闯觯瑥搅髂陜确峙錁O不均勻，主要集中在汛期（6-9月）[9]。其中：南甸站汛期徑流總量（1186萬m³）占全年的75.8%，最大月徑流量（527萬m3）是最小月徑流量（6.86萬m³）的76.8倍;本溪站汛期徑流總量（4 243萬m³）占全年的71.6%，最大月徑流量（1 780萬m³）是最小月徑流量（40.5萬m³）的44.0倍。

3.1.3 生態(tài)基流

太子河流域汛期為6-9月，非汛期為10月一次年5月。運用式（1）、式（2）依次計算各月多年平均徑流量q1、汛期多年平均徑流量Q1、非汛期多年平均徑流量Q2、汛期最小平均徑流量Qmin1和非汛期最小平均徑流量Qmin2;運用式（3），以時段最小平均徑流量與對應時段多年平均徑流量的比值，得到汛期、非汛期的時段同期均值比η1、η2;最后，以汛期、非汛期多年平均徑流量Q，、Q2與對應的同期均值比η1、η2的乘積，求得南甸站和本溪站年內各月河道生態(tài)基流過程。

太子河流域南甸站、本溪站河道年內各月生態(tài)基流的中間變量值匯總見表2，兩站年內各月河道生態(tài)基流過程見表3。

3.2 結果分析

3.2.1 與兩種年內展布計算法結果對比

基于太子河流域南甸站、本溪站同期徑流資料，在不剔除、剔除年內各月徑流量極值的前提下，運用年內展布計算法[4]和年內同頻率展布計算法[5]，分別計算各站河道生態(tài)基流量，并與各站年內各月最小月平均徑流過程、河道生態(tài)基流過程繪制在一起，見圖3和圖4。

由圖3和圖4可以看出：3種年內展布法得出的河道生態(tài)基流過程基本一致，新年內展布計算法得出的汛期各月生態(tài)基流量均小于其他兩種年內展布法的計算值，非汛期4-5月的生態(tài)基流量均大于其他兩種年內展布法的計算值，其余月份的3種方法計算值差別不大：與最小月平均徑流過程相比，對于汛期，當不剔除各月徑流量極值時，8月的最小月平均徑流量明顯大于3種年內展布法的計算值，其余月份的最小月平均徑流量稍小：當剔除各月徑流量極值時，各月最小平均徑流量均小于3種年內展布法的計算值：對于非汛期，3種年內展布法計算值與各月最小月平均徑流量存在一定的差別，但各月差值相對較小。

在年徑流總量相等的情況下，剔除月徑流量極值的3種年內展布法能夠為汛期河道預留更多的生態(tài)基流量，從而避免各月最小月平均徑流事件的發(fā)生，有利于維持河流生態(tài)環(huán)境的健康穩(wěn)定：非汛期的10月一次年3月，最小月平均徑流量變化過程與3種生態(tài)基流變化過程相差不大，河流此時經(jīng)歷結冰一封凍一融冰的變化過程，河流生態(tài)環(huán)境對水量多少的敏感性較弱，3月以后氣溫回升，河流中水生物（尤其是魚類）開始洄游、產(chǎn)卵，此時需要更多的水量，而新年內展布計算法的計算值能夠最大限度地提高河流中的水量，對水生物更加有利。另外，新年內展布計算法得出的生態(tài)基流過程不僅與各月多年平均徑流過程在形態(tài)上更加接近，而且能體現(xiàn)出河道生態(tài)基流隨季節(jié)更替而不斷發(fā)生“枯一豐一枯”的循環(huán)交替變化。

因此，將年內1-12月劃分為汛期、非汛期，在剔除各月徑流量的極值以后，各時段采用不同的均值比，并以時段多年平均徑流量和最小徑流量為標準，建立的新年內展布計算法更適合季節(jié)性特征明顯的北方河流河道生態(tài)基流計算。

3.2.2 與Tennant法結果對比

Tennant法[10]是由Tennant提出的用于計算和評價河流生態(tài)徑流的方法，一般將年內劃分為4-9月和10月一次年3月兩個時段，并依據(jù)河流流量狀況分為多個評價等級。田景環(huán)等[11]以徑流系列的中位數(shù)替代平均值，將年內劃分為汛期和非汛期，對Tennant法進行了改進。

以往的水利工程一般多用Tennant法計算河道生態(tài)基流量，其中：汛期的河道生態(tài)基流量取多年平均徑流量的30%，非汛期的則取多年平均徑流量的10%。基于太子河流域汛期、非汛期對應的時段，本文將Tennant法評價時段做相應修正，結果見表4[10]。

為進一步分析新年內展布計算法得出的河道生態(tài)基流量的合理性，將得出的南甸站、本溪站河道生態(tài)基流過程及兩站年內各月的最小月平均徑流過程與修正后的Tennant法的評價結果對比，見表5。

由表5可以看出，用修正的Tennant法對新年內展布計算法得出的汛期、全年河道生態(tài)基流量占其多年平均徑流量百分比值的評價結果與對應的汛期、全年最小月平均徑流量的評價結果基本一致，而用修正的Tennant法對新年內展布計算法得出的非汛期生態(tài)基流量占其多年平均徑流量百分比的評價結果則稍好于非汛期最小月平均徑流量的評價結果。以南甸站為例，其汛期、非汛期和全年的河道生態(tài)基流量占其多年平均徑流量的百分比分別為9. 2%、10.2%和9.4%，均高于相應的最小月平均徑流量占其多年平均徑流量的比值（5.7%、9.0%和6.5%）。可見，新年內展布計算法得出的河道生態(tài)基流過程對應的流速、水深能為水生物提供更好的棲息繁衍條件，更有利于河流生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

4 結語

（1）將年內劃分為汛期、非汛期，剔除各月徑流量極值，并采用不同時段同期均值比的新年內展布計算法，可在一定程度上避免特殊年份的極端徑流值對計算結果的影響，其生態(tài)基流過程在年內分配形態(tài)上更接近年內各月多年平均徑流過程，更適用于季節(jié)性特征明顯的北方河流河道生態(tài)基流計算。

（2）利用新年內展布計算法計算的太子河流域南甸水文站、本溪水文站的河道生態(tài)基流過程，其對應的修正后的Tennant法評價結果稍好于各站的最小月平均徑流過程，可滿足水生物對徑流的動態(tài)需求。同時，這也驗證了本文建立的新年內展布計算法是合理的，該方法不僅具有一定的生態(tài)學意義，還能夠滿足河流生態(tài)環(huán)境及水生物對徑流的季節(jié)性年內過程和水量的需求。

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