基于RVA法的河道生態(tài)需水閾值預(yù)測(cè)方法研究

楊芙榮

(山東省臨沂市水利工程保障中心，山東 臨沂 276000)

20世紀(jì)40年代，對(duì)河流最小生態(tài)流量的研究已經(jīng)開始。我國(guó)的天然河流在工業(yè)生產(chǎn)等的不斷擠壓下，逐漸出現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)失衡現(xiàn)象，諸多河流的河水流量大幅減少，甚至出現(xiàn)了生態(tài)缺水等現(xiàn)象。在現(xiàn)有的生態(tài)需水研究中[1]，通過(guò)對(duì)國(guó)外河道生態(tài)需水?dāng)?shù)據(jù)的采集，設(shè)計(jì)了一個(gè)河道生態(tài)蓄水的數(shù)學(xué)模型，并將我國(guó)河道的生態(tài)水文導(dǎo)入其中，得到了一個(gè)較為準(zhǔn)確的生態(tài)需水閾值預(yù)測(cè)結(jié)果。該結(jié)果基本符合水文氣象的季節(jié)性變化，且可以在流量歷史保證率的基礎(chǔ)上不斷修正。文獻(xiàn)[2]以滇池流域的河道作為研究對(duì)象，基于Tennant法和R2-CROSS法，設(shè)計(jì)了一種河道生態(tài)需水的預(yù)測(cè)方法，該研究方法所計(jì)算的河段綜合水利特性，可以使河道流域的水資源得到更好地開發(fā)和利用，并為生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提供便利。文獻(xiàn)[3]以黃河為例，對(duì)黃河內(nèi)泥沙含量過(guò)多的河道生態(tài)需水問(wèn)題進(jìn)行了研究，基于高效的輸沙過(guò)程及河道內(nèi)分水指標(biāo)，對(duì)水資源的動(dòng)態(tài)調(diào)配進(jìn)行了計(jì)算，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)“保存量、分增量”的動(dòng)態(tài)分配策略，為河道內(nèi)水資源的預(yù)測(cè)提供了可靠的依據(jù)。本文結(jié)合以上文獻(xiàn)，基于RVA算法，設(shè)計(jì)了一種新的河道生態(tài)需水閾值預(yù)測(cè)方法。

1 基于RVA設(shè)計(jì)河道生態(tài)需水閾值預(yù)測(cè)方法

1.1 計(jì)算地表水資源可利用量

在河道內(nèi)，生態(tài)需水量主要包括植被需水量、水資源蒸發(fā)量、河道底部滲水量、下游河道蓄水量4部分[4]。根據(jù)一條河道所在斷面的不同，可以將河道劃分為不同的部分，如圖1所示。

圖1 河道生態(tài)需水分段示意圖

在圖1中，一條河流可以由若干條支流組成，其中A1和A2分別是該河道的支流，在支流上，不同的河道斷面可以作為不同的河段，其中A1支流上有A11和A12兩個(gè)河段，A2支流上有A21和A22兩個(gè)河段[5- 6]。在該河段中，可以得到整個(gè)流域內(nèi)的水資源總量，其計(jì)算公式為：

(1)

式中，Qw—該河道整個(gè)流域內(nèi)的水資源總量，億m3；Qi1、Qi2—2個(gè)支流A1和A2上水資源的流量，億m3；qi11、qi12、qi21、qi22—該流域不同支流和不同河段內(nèi)的水資源流量[7- 8]，億m3。

為保證數(shù)據(jù)的完整性，可以通過(guò)計(jì)算多年月平均流量的方式，對(duì)其進(jìn)行排頻適線工作。此時(shí)河道的月平均流量計(jì)算公式可以表示為：

(2)

結(jié)合以上公式，可以得到某年某月某支流某河段內(nèi)河流的地表水資源可利用量。

1.2 基于RVA方法建立生態(tài)需水模型

河道內(nèi)的生態(tài)需水主要指在保證河流生態(tài)系統(tǒng)平衡前提下的特定流量，通常隨季節(jié)發(fā)生變化，且具備一定的實(shí)效性?；诓煌乃こ桃约斑\(yùn)行模式，可以在水庫(kù)調(diào)水過(guò)程中規(guī)定相同的生態(tài)蓄水標(biāo)準(zhǔn)，避免部分水庫(kù)內(nèi)利益矛盾，同時(shí)可提高生態(tài)需水的標(biāo)準(zhǔn)閾值。RVA方法也稱為采用變化范圍法，是一種以各個(gè)指標(biāo)參數(shù)的75%和25%概率作為指標(biāo)上限與指標(biāo)下限的算法，在[25%，75%]之間的數(shù)據(jù)被稱為RVA閾值[9- 10]。將RVA方法應(yīng)用于河道生態(tài)需水，可以判定在[25%，75%]區(qū)間內(nèi)的流量均可以作為較好的生態(tài)環(huán)境指標(biāo)。在不同時(shí)段內(nèi)，河流的水文特征存在較大差異，在任何一條河流內(nèi)均存在豐水期與枯水期，同步時(shí)段的月徑流量差異較大。此時(shí)可以得到不同時(shí)段內(nèi)月平均流量的計(jì)算公式為：

(3)

在RVA方法下，一般需要以95%的保證率作為每月的月徑流量，則此時(shí)其計(jì)算公式為：

(4)

式中，Q95%-f—計(jì)算95%月徑流量條件下的徑流之和，m3；q95%—95%保證率的月平均徑流量，m3。

在同期均值比中，有絕對(duì)徑流之和與95%保證率下的徑流之和的比值，計(jì)算公式為：

(5)

式中，βm—絕對(duì)徑流之和與95%保證率下的徑流之和的比值，一般用百分?jǐn)?shù)的形式表示。

此時(shí)可以此計(jì)算每月的生態(tài)需水量：

(6)

式中，Qd—該河流支流某一河段內(nèi)在第d個(gè)月內(nèi)的生態(tài)需水量，m3。也是在結(jié)合植被需水量、水資源蒸發(fā)量、河道底部滲水量、下游河道蓄水量4部分條件下的最小用水量。

為計(jì)算該河段內(nèi)的生態(tài)需水指數(shù)，需要首先確定生態(tài)供水指數(shù)，其計(jì)算公式為：

(7)

式中，Km—該河道某支流某河段內(nèi)在一段時(shí)間內(nèi)的生態(tài)供水指數(shù)；Qb(t)—該時(shí)段內(nèi)河道的生態(tài)供水流量，m3；Qv(t)—一段時(shí)間內(nèi)該河道的生態(tài)需水流量，m3；Tn—計(jì)算時(shí)間的總時(shí)長(zhǎng)。

結(jié)合生態(tài)供水指數(shù)，可以在徑流資料較為豐富的區(qū)域計(jì)算生態(tài)供水區(qū)間，其計(jì)算公式為：

(8)

式中，GRVA—結(jié)合RVA方法計(jì)算得到的河道生態(tài)需水閾值區(qū)間；gf(t)—一段時(shí)間內(nèi)RVA生態(tài)需水指標(biāo)的上限；qm(t)—t時(shí)段內(nèi)RVA生態(tài)需水指標(biāo)的下限；Tm—閾值區(qū)間內(nèi)最適宜的時(shí)段。

在計(jì)算生態(tài)供水的過(guò)程中，若某一時(shí)段不利于河道內(nèi)生物的繁殖或生存，則需要通過(guò)定義破壞時(shí)段與適宜時(shí)段的方式，建立水生生物生存與繁衍的最佳時(shí)段，其整形變量的符號(hào)函數(shù)可以表示為：

(9)

式中，sgn(x)—河道內(nèi)水生生物生存與繁衍時(shí)段的整形變量；x—閾值區(qū)間內(nèi)的一個(gè)時(shí)段。

一般將sgn(x)=1時(shí)作為最適宜水生生物繁衍的時(shí)段，將sgn(x)=0作為最不適宜水生生物繁衍的時(shí)段。綜合以上公式，可以得到RVA方法下的生態(tài)需水模型，通過(guò)該模型能夠得到徑流非一致性的閾值區(qū)間。

2 試驗(yàn)研究

2.1 研究區(qū)水文特征

選取某四季分明、降雨集中的區(qū)域作為本次試驗(yàn)的研究區(qū)，以分辨不同季節(jié)河道生態(tài)需水閾值的不同點(diǎn)。該研究區(qū)內(nèi)共有4個(gè)地級(jí)市，分別對(duì)其進(jìn)行研究與分析，當(dāng)?shù)卦?010—2015年的年平均月降水量如圖2所示。

圖2 2010—2015年月平均降水量

由圖2可知，本研究區(qū)內(nèi)的4個(gè)地級(jí)市在相同月份下降雨量差距較小，且呈現(xiàn)明顯的冬季干燥，夏季多雨的特點(diǎn)。其中1、2、3、11、12月的月平均降雨量均小于30mm，4—5月的降雨量在30～60mm，6月、10月的降雨量在60～150mm，7—9月的降雨量最大，約為180～270mm。由于年降水量以及地形、蒸發(fā)量等因素的影響，4個(gè)地級(jí)市的河流徑流量存在一定差異，計(jì)算2010—2015年該研究區(qū)的月平均徑流量如圖3所示。

圖3 2010—2015年月平均徑流量

由圖3可知，在1—6月、10—12月間，月平均徑流量均小于1.5×108m3，只有每年的7—9月，月平均徑流量才能達(dá)到峰值，約為5.0×108～8.0×108m3。由此可見，月降水量與月徑流量呈現(xiàn)明顯的正比例遞增關(guān)系，降雨量越大，當(dāng)?shù)氐膹搅髁吭酱蟆Ｇ以谕辉路輧?nèi)，A地的徑流量較其他3個(gè)研究區(qū)的徑流量更大。除此以外，還有月平均輸沙量、月平均蒸發(fā)量等水文特征，其中月平均輸沙量表示2010—2015年，在4個(gè)研究區(qū)域內(nèi)某月水流流動(dòng)輸送的泥沙總量；月平均蒸發(fā)量表示在某研究區(qū)內(nèi)，某月經(jīng)過(guò)蒸發(fā)流失的河水總量。

2.2 河道內(nèi)生態(tài)需水計(jì)算

使用RVA方法計(jì)算該河道內(nèi)的生態(tài)需水量，通過(guò)詳細(xì)的日流量數(shù)據(jù)計(jì)算河流在不同時(shí)段的流量狀態(tài)，可以通過(guò)以下公式估算預(yù)測(cè)河道生態(tài)需水閾值。

(10)

(11)

結(jié)合該生態(tài)需水的計(jì)算公式，可以對(duì)比不同預(yù)測(cè)方法的相對(duì)誤差。

2.3 基于不同方法預(yù)測(cè)對(duì)比結(jié)果

為驗(yàn)證本文預(yù)測(cè)方法準(zhǔn)確性，使用以上生態(tài)需水閾值預(yù)測(cè)方法，計(jì)算4個(gè)研究區(qū)內(nèi)的生態(tài)需水閾值，劃定本次生態(tài)河道內(nèi)4個(gè)標(biāo)記水域的需水上限與下限，在圖中用灰色區(qū)域表示。分別使用本文設(shè)計(jì)的RVA方法、傳統(tǒng)的改進(jìn)流量歷時(shí)保證率法、Tennant和R2-CROSS方法以及水-沙-生態(tài)多因子方法進(jìn)行生態(tài)需水閾值的預(yù)測(cè)，得到如圖4所示的預(yù)測(cè)結(jié)果。

圖4 不同方法預(yù)測(cè)結(jié)果

在圖4中，灰色區(qū)域的上限與下限分別代表該研究區(qū)內(nèi)設(shè)定的生態(tài)需水閾值上界與下界，當(dāng)某節(jié)點(diǎn)的預(yù)測(cè)結(jié)果在閾值內(nèi)，表示該預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，若某月某地的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)不在閾值內(nèi)部，則該預(yù)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確。在研究區(qū)A中，改進(jìn)流量歷時(shí)保證率方法在5—9月的河道生態(tài)需水均低于或高于閾值結(jié)果，此時(shí)段內(nèi)該方法的預(yù)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)；Tennant和R2-CROSS方法在1月、6—11月均存在數(shù)據(jù)精度較差的情況；水-沙-生態(tài)多因子方法7—9月預(yù)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確；只有本文設(shè)計(jì)的RVA方法所有時(shí)段的預(yù)測(cè)結(jié)果均在閾值上界與閾值下界之間。在研究區(qū)B、C、D中，預(yù)測(cè)結(jié)果與其基本相同，通過(guò)以上4組數(shù)據(jù)可知，本文設(shè)計(jì)的RVA預(yù)測(cè)方法獲得的各節(jié)點(diǎn)指標(biāo)均在閾值內(nèi)部，其他3種傳統(tǒng)方法的預(yù)測(cè)結(jié)果均存在高于或低于閾值的情況。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于RVA的河道生態(tài)需水閾值預(yù)測(cè)方法，該閾值預(yù)測(cè)方法能夠使河道生態(tài)在[25%，75%]的區(qū)間內(nèi)以較好的狀態(tài)滿足河道內(nèi)生物的生存需求。一旦超過(guò)這個(gè)區(qū)間，河道的生態(tài)系統(tǒng)將遭到破壞。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得知，本文設(shè)計(jì)的預(yù)測(cè)方法能夠以最準(zhǔn)確的方式，得到與閾值相符的預(yù)測(cè)結(jié)果，而傳統(tǒng)的改進(jìn)流量歷時(shí)保證率法、Tennant和R2-CROSS方法以及水-沙-生態(tài)多因子方法的預(yù)測(cè)結(jié)果均存在一定程度的精度誤差。雖然采用RVA法可估算河道生態(tài)環(huán)境需水量，但水生態(tài)環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，如何結(jié)合河道自身的水質(zhì)、生物多樣性、地域氣候環(huán)境等特點(diǎn)，進(jìn)行科學(xué)的生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算仍需要深入研究。