基于改進(jìn)年內(nèi)展布法的河流生態(tài)流量研究

田肖冉，姜 寧，施 巧，李德良，倪 鵬，劉 巖，王鑫鑫

（1.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080；2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080）

0 引言

水在生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要的角色，它對于植物生長、動(dòng)物繁衍生存都起著尤為重要的作用。因此，科學(xué)合理的確定河流的生態(tài)流量，不僅有利于水資源的合理利用，而且更能有效的保護(hù)水資源。

近年來，對于河流生態(tài)流量的研究已成為水利行業(yè)研究的熱點(diǎn)問題[1]，常用的計(jì)算方法分為水文學(xué)法、綜合法、棲息地模擬法和水力學(xué)法四大類[2-4]，其中，水文學(xué)法是我國最為常用的方法，它以歷史水文數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，較其他方法計(jì)算簡單方便，年內(nèi)展布法就是其中的一種。生態(tài)流量的年內(nèi)展布法是潘扎榮、阮曉紅等在2013 年河道基本生態(tài)需水的年內(nèi)展布計(jì)算法[5]一文中提出的，年內(nèi)展布法能夠體現(xiàn)河流的年內(nèi)徑流量分布特點(diǎn)，但是由于該方法在12 個(gè)月份始終選取同一同期均值比來計(jì)算生態(tài)流量，故導(dǎo)致對季節(jié)性河流的計(jì)算中會(huì)產(chǎn)生較大偏差。因此，需要對年內(nèi)展布法進(jìn)行改進(jìn)，國內(nèi)目前主流的改進(jìn)方案主要從替換多年平均月徑流量和分時(shí)段計(jì)算同期均值比兩個(gè)方面入手。其中，范肖予等提出的年內(nèi)頻率展布法，將一年劃分為豐平枯3 個(gè)時(shí)期計(jì)算同期均值比[6]，但對于原年內(nèi)展布法易受極端值的影響未得到改善；趙然杭等提出了將河道內(nèi)90%保證率下的年徑流量代替各月最小徑流量的年均值的方法[7]，但該方法仍為采用單一同期均值比來計(jì)算全年生態(tài)流量；范博偉等根據(jù)徑流的季節(jié)性變化特點(diǎn)計(jì)算同期均值比[8]，取平均流量在5%～95%保證率之間的年份作為計(jì)算年份；鄧曉將各月分為汛期和非汛期，去除各月徑流系列中的極值后計(jì)算時(shí)段同期均值比[9]，以上兩種方法雖然避免了極端值的影響，但是計(jì)算中沒有涵蓋河流的所有徑流量資料；朱曄等也是采用分時(shí)段計(jì)算同期均值比的方法對原年內(nèi)展布法進(jìn)行了改進(jìn)[10]，但改進(jìn)后的年內(nèi)展布法在7-9月的計(jì)算結(jié)果較原年內(nèi)展布法得到較好的改善。

基于此，本文以90%保證率下各月的徑流量代替各月最小徑流量，避免極端情況下徑流量值對計(jì)算結(jié)果帶來的影響；并對原年內(nèi)展布法依據(jù)季節(jié)、豐枯月份、徑流量3種標(biāo)準(zhǔn)劃分時(shí)段進(jìn)行不同的改進(jìn)，從中選擇合適的改進(jìn)方法，使其計(jì)算結(jié)果的誤差變小，更符合河流的實(shí)際情況。

1 年內(nèi)展布法及其改進(jìn)

1.1 基本原理

年內(nèi)展布計(jì)算方法根據(jù)流域水文站斷面獲取的長系列天然徑流量資料，從而計(jì)算長系列資料下各月最小徑流量的年均值-Qmin和多年平均月徑流量-Q，進(jìn)而求得兩者之間的比值獲得同期均值比η，并以同期均值比系數(shù)結(jié)合各月多年平均徑流量-qj（j=1～12）進(jìn)行計(jì)算，得到最終生態(tài)流量Qj=η qˉj。[11]其方法最核心的內(nèi)容就是同期均值比的計(jì)算。

1.2 局限性

大部分的河流都有各自的流域特點(diǎn)和區(qū)域性特征，不同流域、區(qū)域的河流徑流量差異較大，因此，在對河流進(jìn)行分析時(shí)，需要針對不同河流的水文特征進(jìn)行因地制宜的研究。

年內(nèi)展布法以天然徑流量為基礎(chǔ)，但由于河流本身的特點(diǎn)，有可能產(chǎn)生部分月斷流的情況，各月最小徑流量會(huì)受到極端徑流的影響，而在計(jì)算過程中未考慮多年徑流隨季節(jié)的變化特征，對于強(qiáng)季節(jié)性河流來說，該方法計(jì)算的結(jié)果可能存在較大偏差。

1.3 改進(jìn)思路

針對原年內(nèi)展布法的局限性，本文進(jìn)行改進(jìn)：

（1）以90%保證率下各月的徑流量代替各月最小徑流量。在一般氣候條件下，90%保證率下的河流徑流量能夠維持河流基本生態(tài)功能，以90%保證率下各月的徑流量代替各月最小徑流量還可以避免極端值的影響。

（2）選擇不同的同期均值比。本文通過對年內(nèi)12 個(gè)月的徑流量按照表1進(jìn)行不同劃分，進(jìn)而分時(shí)段計(jì)算得出各時(shí)段的同期均值比。其中，根據(jù)北方河流的季節(jié)性按改進(jìn)方法一將一年劃分為春夏秋冬四季4個(gè)時(shí)段[12]；根據(jù)黑龍江省豐枯月份判定方法按改進(jìn)方法二將一年劃分為非汛期、汛期和冰凍期3個(gè)時(shí)段；根據(jù)河流徑流量特征按改進(jìn)方法三劃分為豐平枯3個(gè)時(shí)段。

表1 3種改進(jìn)方法的時(shí)段劃分Tab.1 Time division of three improved methods

同期均值比計(jì)算方法如下：

1.4 計(jì)算步驟

步驟一，對徑流資料進(jìn)行可靠性、代表性和一致性的審查[12,13]。水文資料是水文分析計(jì)算的依據(jù)，它直接影響著工程設(shè)計(jì)的精度。因此，對于所使用的水文資料必須慎重的審查，即鑒定年徑流量資料的可靠性、一致性和代表性。

（1）資料可靠性的審查。檢查水文站獲取的資料是否真實(shí)可靠。

（2）資料代表性的審查。計(jì)算成果的精度取決于樣本對總體的代表性，代表性越高，抽樣誤差就越小。因此，資料的代表性審查對衡量頻率計(jì)算結(jié)果的精度具有重要意義。

（3）資料一致性的審查。資料的一致性要求組成系列的每個(gè)資料都具有同一成因，不同成因的資料不得作為一個(gè)統(tǒng)計(jì)系列。對于年徑流量系列而言，它的一致性是建立在氣候條件和下墊面條件的穩(wěn)定性上的。

步驟二，根據(jù)獲取的多年徑流量資料，分別計(jì)算歷年來12個(gè)月的各月多年平均徑流量。

步驟三，確定90%保證率下各月的徑流量。根據(jù)已有的天然徑流資料，采用皮爾遜-Ⅲ型曲線分別對12 個(gè)月各月多年徑流量進(jìn)行配線，首先通過61 年的徑流資料確定12 個(gè)月各月多年平均徑流量值、取Cs∕Cv=2，然后對曲線進(jìn)行多次擬合，得到最好擬合效果下90% 保證率下各月的徑流量q90%,j。

步驟四，根據(jù)改進(jìn)方法中時(shí)段的劃分，分別計(jì)算3種改進(jìn)方法下各時(shí)段i的平均月徑流量和90%保證率下各時(shí)段i的平均月徑流量，從而計(jì)算各時(shí)段的同期均值比ηi。

2.1.1 流域概況

西北河是松花江下游左岸一級支流，發(fā)源于通河縣東南部祥順鎮(zhèn)北部山區(qū)，自西北向東南匯入松花江。河道全長74 km，流域面積880 km2。西北河流域位于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，流域四季分明：春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季降溫急劇，冬季嚴(yán)寒漫長。此流域降水主要受季風(fēng)影響，降水多集中在夏季，年內(nèi)分配不均，6-9月降水量占年降水量的75%，其中7、8 兩月降水量占年降水總量的54%左右，降水的年際變化較大。

2.1.2 資料數(shù)據(jù)審查

（1）可靠性審查。西北河水文站設(shè)立于1958 年5 月，集水面積531 km2，具有長期監(jiān)測資料，且持續(xù)觀測至今，資料可靠性較高。

（2）代表性審查。本次選取西北河水文站1956-2016年徑流量資料，進(jìn)而繪制該站1-12 月各月徑流量累計(jì)均值模比系數(shù)年際變化曲線圖。由圖1 可知，自2010 年起，各月的徑流量累計(jì)均值模比系數(shù)大致穩(wěn)定在數(shù)值1.0 左右[14]，說明西北河水文站1956-2016年61年的徑流量資料具有較好的代表性。

圖1 西北河水文站各月徑流累計(jì)均值模比系數(shù)曲線圖Fig.1 Curve of modulus ratio coefficient of cumulative mean value of monthly runoff of Northwest River Wen station

2 實(shí)例計(jì)算與分析

2.1 實(shí)例計(jì)算

以松花江支流西北河流域?yàn)槔x取西北河水文站斷面

（3）一致性審查。松花江支流西北河流域氣候條件穩(wěn)定，且流域內(nèi)無攔河壩、水電站、渠道、泵站等水利工程的影響。因此，西北河水文站徑流量資料一致性較好。

2.1.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)西北河水文站1956-2016 年61 年的徑流量資料，按照前文所述計(jì)算步驟進(jìn)行計(jì)算，得到3種改進(jìn)方法下各月的生態(tài)流量，結(jié)果如表2所示。

表2 改進(jìn)年內(nèi)展布法的西北河水文站生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of ecological flow of Northwest River Cultural Station Based on improved intra year distribution method

2.1.4 結(jié)果分析

3種改進(jìn)后的年內(nèi)展布法與原年內(nèi)展布法計(jì)算的生態(tài)流量結(jié)果如圖2所示。

圖2 改進(jìn)的年內(nèi)展布法與原方法的西北河水文站生態(tài)流量對比Fig.2 Comparison of ecological flow of Northwest River cultural station between the improved intra year distribution method and the original method

由圖2 可知，除改進(jìn)方法二在6 月計(jì)算得到的生態(tài)流量值較高外，3種改進(jìn)方法計(jì)算得出的生態(tài)流量與原年內(nèi)展布法計(jì)算得出的生態(tài)流量年內(nèi)變化趨勢基本一致。

通過比較上述4種計(jì)算方法可知，計(jì)算得到的生態(tài)流量總體趨勢為：改進(jìn)方法一＞改進(jìn)方法三＞原年內(nèi)展布法＞改進(jìn)方法二。采用改進(jìn)方法二計(jì)算得到的結(jié)果在非汛期（4-5 月、10-11 月）與原年內(nèi)展布法計(jì)算得到的結(jié)果相同，在7-8 月計(jì)算得到的結(jié)果低于原年內(nèi)展布法計(jì)算得到的結(jié)果，總體來看生態(tài)流量值較原年內(nèi)展布法計(jì)算得到的結(jié)果低，其改進(jìn)方法在此不適用，不予采用；采用改進(jìn)方法三改進(jìn)的年內(nèi)展布法計(jì)算得到的生態(tài)流量值同原年內(nèi)展布法相比各月之間均有所提高，予以采用；采用改進(jìn)方法一計(jì)算得到的生態(tài)流量結(jié)果均高于原年內(nèi)展布法計(jì)算得到的結(jié)果，其中，除在12-翌年3月之間改進(jìn)效果稍低一些外，在其他月份之間改進(jìn)效果均較高，尤其在7-8 月其計(jì)算結(jié)果較原年內(nèi)展布法有了較大的提高，符合7-8月水量較多的特點(diǎn)，予以采用。綜合來看，運(yùn)用改進(jìn)方法一改進(jìn)的年內(nèi)展布法效果更好，更適用于西北河生態(tài)流量的計(jì)算，且計(jì)算結(jié)果符合北方河流季節(jié)性變化特征，本文選取改進(jìn)方法一為改進(jìn)的年內(nèi)展布法。

2.2 改進(jìn)方法驗(yàn)證

通過3種改進(jìn)的年內(nèi)展布法與原年內(nèi)展布法對比分析，以及改進(jìn)的3種方法之間進(jìn)行對比，選取改進(jìn)效果最好的改進(jìn)方法一作為本文改進(jìn)的年內(nèi)展布法，對其進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2.1 改進(jìn)后的年內(nèi)展布法與Tennant法對比

Tennant 法又稱蒙大拿法，該法把生態(tài)流量劃分為8 個(gè)等級，又因?yàn)樗飳Νh(huán)境的要求存在季節(jié)性差異，將情況分作10-翌年3 月（一般用水期）和4-9 月（用水高峰期）兩類討論，評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示[15,16]。

表3 Tennant法的生態(tài)流量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn) %Tab.3 Ecological flow evaluation criteria of Tennant method

依據(jù)Tennant 法評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對改進(jìn)后的年內(nèi)展布法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，在一般用水期，生態(tài)流量與多年平均月徑流量的比值由原年內(nèi)展布法的0.49%～6.01%通過采用改進(jìn)的年內(nèi)展布法變?yōu)榱?.91%～14.83%，Tennant法的評價(jià)結(jié)果由極差改進(jìn)為極差～好；在用水高峰期，生態(tài)流量與多年平均月徑流量的比值由原年內(nèi)展布法的5.51%～20.30%通過采用改進(jìn)的年內(nèi)展布法變?yōu)榱?1.95%～52.56%，Tennant 法的評價(jià)結(jié)果由原來的極差～中范圍變?yōu)榱瞬睢珮O好范圍?？傮w來看，相比較于原年內(nèi)展布法對生態(tài)流量計(jì)算的結(jié)果，在這兩個(gè)時(shí)期均有了較好的改善，因此對年內(nèi)展布法的改進(jìn)是合理可行的。

表4 改進(jìn)后的年內(nèi)展布法及原年內(nèi)展布法與Tennant評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對比Tab.4 Comparison between the improved intra year distribution method and the original intra year distribution method and Tennant evaluation standard

2.2.2 改進(jìn)后的年內(nèi)展布法與其他的計(jì)算結(jié)果對比

將改進(jìn)方法一改進(jìn)后的年內(nèi)展布法得到的生態(tài)流量與逐月最小徑流法[16-18]及90%保證率法[19]比較，其結(jié)果如圖3 和表5所示。

圖3 多種方法計(jì)算的西北河水文站生態(tài)流量對比Fig.3 Comparison of ecological flow of Northwest River cultural station calculated by various methods

表5 改進(jìn)的年內(nèi)展布法與其他方法對比 m3/s Tab.5 Comparison between improved intra year distribution method and other methods

由圖3 和表5 可知，逐月最小徑流法的計(jì)算結(jié)果整體流量值較改進(jìn)方法一過低，且在7-8月相差最大，不符合西北河在夏季徑流量大的特點(diǎn)，且無法滿足魚類繁衍生存的要求；90%保證率法在5-8 月之間的流量變化趨勢不符合圖4 西北河流域年內(nèi)徑流量的變化特征，且5月生態(tài)流量過低，不能滿足生態(tài)用水的需求。綜合上述情況，本文選用改進(jìn)方法一改進(jìn)的年內(nèi)展布法，其既符合西北河流域季節(jié)性變化的特點(diǎn)，又能夠滿足魚類繁衍生存的需求和河流生物生長的需要，能夠保障河流的基本生態(tài)功能。

圖4 西北河水文站徑流年內(nèi)分配Fig.4 Annual distribution of runoff of Northwest River Wenhe station

3 結(jié) 論

本文通過劃分年內(nèi)時(shí)段選取不同的同期均值比，對年內(nèi)展布法進(jìn)行了改進(jìn)，主要得出以下結(jié)論：

（1）本文按不同方法劃分，運(yùn)用3種方法對年內(nèi)展布法進(jìn)行了改進(jìn)，將計(jì)算結(jié)果與原年內(nèi)展布法對比可知，按豐枯月份判定方法劃分計(jì)算得到的結(jié)果與原年內(nèi)展布法相比較差。因此，對于此劃分方法還需進(jìn)一步驗(yàn)證其適用性。

（2）本文以松花江支流西北河為例對改進(jìn)的年內(nèi)展布法進(jìn)行計(jì)算，并對基礎(chǔ)資料進(jìn)行了三性審查確保了資料的可靠性、一致性和代表性，同時(shí)，采用90%保證率下各月的徑流量代替各月最小徑流量，避免了極端值的影響，使其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況更相符。

（3）本文選取河流季節(jié)性改進(jìn)的年內(nèi)展布法，對西北河流域進(jìn)行生態(tài)流量計(jì)算。將改進(jìn)的年內(nèi)展布法與其他水文學(xué)方法（逐月最小徑流法、90%保證率法）進(jìn)行對比，并結(jié)合Tennant 法進(jìn)行了評價(jià)，結(jié)果表明，改進(jìn)后的年內(nèi)展布法更能體現(xiàn)河流的變化特征，更適用于北方河流生態(tài)流量的計(jì)算。