改進的年內(nèi)展布方法在干旱區(qū)河流生態(tài)基流量計算的適用性研究

雷付春

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

生態(tài)基流是河流生態(tài)要求的最基本水文流量，近些年來，隨著流域用水矛盾的日益突出，生態(tài)基流特別是對于干旱地區(qū)的河流而言已成為科學(xué)研究的熱點問題，水文學(xué)方法為常用的河流生態(tài)基流計算方法。進入20世紀(jì)以來，年內(nèi)展布方法由于采用同一個時期的徑流均值來計算年內(nèi)生態(tài)徑流的需水過程，解決了傳統(tǒng)水文學(xué)方法采用徑流百分率作為生態(tài)基流指標(biāo)的主觀性和經(jīng)驗性的局限。但是年內(nèi)展布方法存在不能反映旱區(qū)季節(jié)性河流不同時期徑流變化特性的局限，存在明顯的局限性。對于北方干旱區(qū)河流而言，分析不同時期的生態(tài)基流有利于區(qū)域河流水資源的優(yōu)化配置和高效利用，鑒于此，本文建立一種改進的年內(nèi)展布方法，以同頻率月平均徑流為計算基礎(chǔ)，計算旱區(qū)季節(jié)性河流豐、平、枯三個時期的生態(tài)基流的變化過程。研究成果對于北方旱區(qū)季節(jié)性河流生態(tài)基流確定具有重要的參考價值。

1 改進的年內(nèi)展布方法計算原理

改進的年內(nèi)展布方法根據(jù)區(qū)域河流天然徑流過程，將12個月份分別劃分成豐水期、枯水期以及平水期，在同一時期各頻率下，先確定同一個時期下均值比，即為同期多年月最小徑流量與多年同期的比值，其主要計算步驟為：

(1)結(jié)合區(qū)域?qū)崪y的天然徑流數(shù)據(jù)確定各個月份最小流量值，其計算方程為：

(1)

(2)計算三個頻率下的月平均徑流量和最小月均流量，計算方程為：

(2)

(3)

(3)計算不同頻率下月均流同期均值和多年平均徑流的比值，其計算方程為：

(4)

式中，η枯水期、η豐水期、η平水期—各頻率下同一時期下的徑流比值。

(4)以多年月平均徑流量為計算基礎(chǔ)，對各月份生態(tài)基流進行計算，計算方程為：

(5)

式中，Qi—各月份下的生態(tài)基流，m3/s；ηi—各頻率下的徑流比值。

2 實例應(yīng)用

2.1 站點概況

結(jié)合遼寧北部旱區(qū)4個典型站點作為研究實例，各站點的年徑流深均在100mm以下，且各站點的年降水量均在600mm左右，屬于典型旱區(qū)季節(jié)性變化河流。近些年來，由于流域用水矛盾日益突出，各站點所在河流的生態(tài)需水得不到有效滿足，河流生態(tài)環(huán)境狀況呈現(xiàn)一定程度的破壞。當(dāng)前，隨著遼河流域生態(tài)治理措施的加大，需要對這些河流的生態(tài)基流進行計算，以滿足河流最基本的生態(tài)需水要求。采用各站點1960—2018年天然徑流數(shù)據(jù)，統(tǒng)計計算各站點生態(tài)基流的變化過程。

2.2 各站點同期均值比計算結(jié)果

結(jié)合各站點1960—2018年天然徑流數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析各站點同期均值比，計算結(jié)果見表1。

從表1中可看出，選取的4個典型站點月最小流量年內(nèi)變化過程較小，這主要是因為這4個站點都位于徑流較小的區(qū)域，流域多年徑流變幅較小。從各站點的同期均值比結(jié)果可看出，各站點的同期均值比在15%～37%之間變化，豐水期的同期均值比較高，而在枯水和平水期其同期均值比在15%～23%之間變化。從各站點月最小徑流和月平

表1 各站點計算結(jié)果

表2 各站點生態(tài)基流計算結(jié)果

圖1 各水文站點改進方法傳統(tǒng)方法下生態(tài)基流年內(nèi)計算過程對比

均徑流可以看出，各站點所在的河流屬于旱區(qū)典型的季節(jié)性變化河流，河流徑流特性呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化。

2.3 各站點生態(tài)基流計算結(jié)果

結(jié)合改進年內(nèi)展布方法對各站點的生態(tài)基流進行了計算，計算結(jié)果見表2，并對比改進前后方法下生態(tài)基流的年內(nèi)過程，對比結(jié)果如圖1所示。

從對比結(jié)果可看出，改進前后方法下生態(tài)基流在年內(nèi)分配的變化趨勢較為一致，在平水期兩種方法下其生態(tài)基流差異性較小。而在豐水期和枯水期，傳統(tǒng)算法下其生態(tài)基流偏小，均小于改進方法下的兩個頻率下的生態(tài)基流值，特別是在枯水期，由于旱區(qū)河流枯時期來水量較少，若不能滿足河流最基本的生態(tài)基流的要求，枯水期河流生態(tài)環(huán)境破壞程度將加劇。在豐水期采用改進方法下計算的生態(tài)基流要大于傳統(tǒng)方法下的生態(tài)基流，因此采用同頻率方法下計算的各月生態(tài)基流和實際天然徑流貼近度更高，更能反映旱區(qū)季節(jié)性河流徑流的變化特點，計算更為精準(zhǔn)，更適用于北方旱區(qū)季節(jié)性河流的生態(tài)基流計算。

2.4 各站點生態(tài)基流評價結(jié)果

為對不同生態(tài)基流下河道生態(tài)環(huán)境狀況進行評價，結(jié)合Tenanat法對各站點各時期下的生態(tài)環(huán)境狀況進行評價，評價結(jié)果見表3。

表3 各站點生態(tài)基流評價對比結(jié)果

Tenanat法將豐水期多年徑流量的30%作為生態(tài)最小徑流過程，而在枯時期將多年平均徑流量的10%作為生態(tài)系統(tǒng)短期內(nèi)所需要的最下水量。從評價對比結(jié)果可看出，相比于傳統(tǒng)算法，采用改進算法下河道生態(tài)環(huán)境狀況評價結(jié)果得到明顯好轉(zhuǎn)，在豐水期，對于干旱區(qū)河流而言，總體可以保持在好到極好的狀態(tài)，改善程度好于傳統(tǒng)算法。而在枯水期和平水期，改進方法下河道生態(tài)環(huán)境狀況也好于傳統(tǒng)算法，在年均值對比結(jié)果中，各站點生態(tài)環(huán)境也總體在中～好的狀況，好于傳統(tǒng)算法下中或差的生態(tài)環(huán)境狀況。這主要是因為改進算法下其生態(tài)徑流過程可以考慮不同時期不同頻率下的徑流季節(jié)變化特點，和天然徑流的吻合度好于傳統(tǒng)算法，因此其計算的生態(tài)基流過程更符合河道的天然生態(tài)環(huán)境特征。

3 主要結(jié)論

(1)改進的年內(nèi)展布方法采用同頻率方法將各時期內(nèi)的最小徑流與多年平均徑流進行同期平均值的確定，結(jié)合站點各月天然徑流確定生態(tài)基流，該方法可以改善河流斷流及其他洪水對其他時期徑流計算的干擾程度，在北方季節(jié)性較強河流生態(tài)基流計算具有重要推廣價值。

(2)較傳統(tǒng)算法，采用改進的年內(nèi)展布方法下計算的生態(tài)基流不僅可滿足Tenanat方法下生態(tài)環(huán)境狀況評價的目標(biāo)，且對河流各時期天然徑流變化過程得到更為精細的劃分。