李昌文，康 玲，張 松，周麗偉

(1.華中科技大學(xué)水電與數(shù)字化工程學(xué)院,武漢 430074；2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院水利規(guī)劃研究院,武漢 430010)

一種計(jì)算多屬性生態(tài)流量的改進(jìn)FDC法

李昌文1，2，康 玲1，張 松1，周麗偉1

(1.華中科技大學(xué)水電與數(shù)字化工程學(xué)院,武漢 430074；2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院水利規(guī)劃研究院,武漢 430010)

為解決生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)的空間移植性、逐月和年際變異性和分級(jí)性4個(gè)屬性問(wèn)題,提出了一種基于FDC的改進(jìn)方法。該方法基于月均流量系列的特定保證率將所有年份逐月進(jìn)行豐、平、枯水年分組,基于總歷時(shí)法和逐年組、逐月份的日均流量系列構(gòu)建FDC,取50%,90%歷時(shí)點(diǎn)流量作為生態(tài)流量的最優(yōu)上限值和最小值,最小到最優(yōu)上限之間的各級(jí)生態(tài)流量根據(jù)改進(jìn)的Tennant等差數(shù)量分級(jí)思想確定。以漢江為例,將計(jì)算結(jié)果與Tennant法、改進(jìn)Tennant法、7Q10法、90%保證率最枯月流量法、近10 a最枯月平均流量法、逐月最小生態(tài)徑流法、最小月平均法、Q90法、改進(jìn)Q90法、Q97,10法和生態(tài)監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明,改進(jìn)FDC法的生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)于傳統(tǒng)水文學(xué)法且十分合理,其空間移植性、時(shí)間變異性和棲息地條件的分級(jí)性都得到了充分體現(xiàn),同時(shí)也避免了極端流量事件和年內(nèi)分配不均的影響。

生態(tài)流量；流量歷時(shí)曲線(xiàn)；空間移植性；時(shí)間變異性；分級(jí)性；極端事件

2015,32(11):1-6,13

1 研究背景

河流的水文情勢(shì)表現(xiàn)為流量隨時(shí)間的年內(nèi)和年際變化,亦稱(chēng)為流量情勢(shì),對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的演替過(guò)程及多樣性和完整性維持具有決定性的作用[1]。通過(guò)長(zhǎng)期的演替,河流生態(tài)系統(tǒng)的生物群落已建立了與自然水文情勢(shì)相適應(yīng)的生存策略[2]。然而,人類(lèi)對(duì)水資源的不合理開(kāi)發(fā)改變了河流的天然水文情勢(shì),水生生物通常來(lái)不及適應(yīng)短期內(nèi)水文情勢(shì)的急劇改變而造成河流生態(tài)系統(tǒng)的退化[3]。為了保護(hù)和修復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng),急需提出有利于河流生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定發(fā)展的生態(tài)流量過(guò)程。

目前關(guān)于生態(tài)流量的計(jì)算方法有200多種,其中水文學(xué)類(lèi)方法由于簡(jiǎn)單、易用、只需流量數(shù)據(jù)、避免了昂貴、耗時(shí)的野外觀(guān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)而在全世界范圍內(nèi)得到了最普遍的應(yīng)用。流量歷時(shí)曲線(xiàn)(Flow-duration curve,FDC)法是水文學(xué)法中應(yīng)用第二廣泛的方法,在美國(guó)、英國(guó)、澳大利亞、南非等國(guó)的應(yīng)用較多[4]。然而,在中國(guó),研究方法主要偏向于較為簡(jiǎn)單的頻率曲線(xiàn)法,FDC的應(yīng)用論文只有零星幾篇[5-6]。目前,FDC法存在以下不足:①現(xiàn)有研究成果主要集中在逐年或所有年的FDC構(gòu)建,計(jì)算的生態(tài)流量在年內(nèi)或年際上為單一值,不符合自然水文情勢(shì)的變化規(guī)律；②生態(tài)流量的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)主要采用特定的保證率和百分比[7],具有較大程度的經(jīng)驗(yàn)性、主觀(guān)性和區(qū)域適用性,而不能移植到其他河流中,這也是其他水文學(xué)法存在的共性問(wèn)題。此外,空間移植性較差、生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)易受極端流量事件和年內(nèi)分配不均的影響也成為了目前亟待解決的問(wèn)題。因此,研究一種具有逐月變異性、年際變異性和空間移植性的分級(jí)FDC法,具有十分重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

2 研究方法

2.1 改進(jìn)FDC的原理

為了反映更多的流量變異細(xì)節(jié),本文基于日均流量構(gòu)建逐時(shí)段的FDC,具體構(gòu)建方法包括總歷時(shí)法(Total-period method)、多年平均法(Calendar-year method)和多年中值法(Median-annual method)3種。總歷時(shí)法構(gòu)建的FDC較為真實(shí)地描述了徑流的歷史變化,缺點(diǎn)是不能反映徑流的年際變化；多年平均法構(gòu)建的FDC考慮了徑流的平均年際變化,但易受年際極端流量事件的影響；多年中值法構(gòu)建的FDC同時(shí)考慮了徑流的年際變化和極端流量事件的影響。綜上所述,多年中值法是最合理的,但為了描述生態(tài)流量的逐月變化特性,需要構(gòu)建逐月FDC,如果采用多年中值法,則每年每月的日均流量系列太短,反而會(huì)增加FDC的不確定性,故采用總歷時(shí)法構(gòu)建逐月FDC。為了能同時(shí)反映生態(tài)流量的年際變化和逐月變化特征,基于天然月均流量的保證率分別將各月的日流量系列劃分為豐水年組(月均流量的保證率GR＜25%)、平水年組(25%≤GR≤75%)和枯水年組(GR＞75%),然后基于各年組、各月的日均流量系列構(gòu)建FDC[8],超過(guò)頻率的計(jì)算公式為

式中:pij為第j年組、第i月、第rij個(gè)日均流量的超過(guò)率(%)；rij為日均流量系列從大到小排序后的編號(hào)；mi為第i月的天數(shù)(i=1,2,…,12,分別代表1—12月)；nj為第j年組的年份數(shù)(j=1,2,3,分別代表豐水年組、平水年組和枯水年組)。

2.2 基于改進(jìn)FDC的生態(tài)流量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

Tennant基于水文學(xué)家和生物學(xué)家在美國(guó)南北分界線(xiàn)100多條河流17 a的研究經(jīng)驗(yàn)以及自身在蒙大拿州、懷俄明州和內(nèi)布拉斯加州11條河流11 a的野外觀(guān)測(cè)、水力學(xué)分析和統(tǒng)計(jì)分析,研究發(fā)現(xiàn):最優(yōu)生態(tài)流量的上限等于多年平均流量(average annual flow,AAF),最優(yōu)范圍(占5級(jí))、很好、好、良好、一般和最小相鄰各級(jí)生態(tài)流量的差值相同,都等于10%AAF[9]。Tennant法促成了生態(tài)流量科學(xué)的成形和快速發(fā)展,成為了全球應(yīng)用最廣和最有效的方法[4],其設(shè)計(jì)者也因此被譽(yù)為生態(tài)流量政策及科學(xué)之父。為了減少生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)人為的主觀(guān)分級(jí),本文采用Tennant法的等差數(shù)列分級(jí)思想計(jì)算生態(tài)流量,具體步驟如下:確定具有逐月變異性、年際變異性和空間移植性的最優(yōu)和最小生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)；基于等差數(shù)列分級(jí)思想確定最優(yōu)和最小生態(tài)流量之間的適宜分級(jí)數(shù)；根據(jù)分級(jí)數(shù)計(jì)算各級(jí)生態(tài)流量。

2.2.1 最優(yōu)和最小生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)有研究表明,AAF易受年際極端流量事件及年內(nèi)分配不均的影響,而不能較好地反映流量系列的集中分布趨勢(shì)；相反,多年中值流量受徑流系列總體分布偏斜度的失真影響很小,更能體現(xiàn)河流的實(shí)際來(lái)水過(guò)程[10]?；诖?本文采用逐年組、逐月份FDC上的中值流量來(lái)代替AAF作為最優(yōu)生態(tài)流量的上限值。

Tennant法的最小生態(tài)流量等于10%AAF,該值既可能遠(yuǎn)小于天然最小月流量,甚至遠(yuǎn)小于天然最小日流量,又可能遠(yuǎn)大于天然最小月流量(尤其在枯水季節(jié))[8]。因此,10%AAF不能作為最小生態(tài)流量的普適性標(biāo)準(zhǔn)使用。為了提高最小生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)的移植性,根據(jù)現(xiàn)有研究成果[6,8],選取各個(gè)年組逐月FDC上的90%歷時(shí)點(diǎn)流量作為最小生態(tài)流量。

Tennant法的生態(tài)流量分為10級(jí),其中第6—10級(jí)為生態(tài)流量的最佳范圍,常合并為1級(jí),即總共6級(jí)。Tennant法的最優(yōu)生態(tài)流量下限值等于60%AAF,為了避免60%的區(qū)域局限性,本文進(jìn)行如下改進(jìn):將最小至最優(yōu)上限的生態(tài)流量初步等分為10級(jí),第6級(jí)為最優(yōu)生態(tài)流量的下限值,公式為

式中:Eo(ij)為第j年組第i月的最優(yōu)生態(tài)流量下限值；Q50(ij),Q90(ij)分別為第j年組第i月FDC上的中值流量50%和90%歷時(shí)點(diǎn)流量。

2.2.2 生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)的分級(jí)數(shù)量

為避免極端高、低流量事件對(duì)AAF的影響,各級(jí)生態(tài)流量的等差改進(jìn)為10%Q50[8]。分級(jí)數(shù)量的計(jì)算公式為

式中:nij為第j年組第i月的生態(tài)流量分級(jí)數(shù)；Round為四舍五入函數(shù)。

為便于管理,各年組、各月份的生態(tài)流量分級(jí)數(shù)量取恒定值,具體根據(jù)nij系列的眾數(shù)得到,如果返回了幾個(gè)不同的級(jí)數(shù),則取其平均值,即

式中:N為最終的生態(tài)流量分級(jí)數(shù)；Mode,Average分別為求眾數(shù)函數(shù)、求平均值函數(shù)。

2.2.3 各級(jí)生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)的確定

基于Tennant法的等差數(shù)列分級(jí)思想,確定各級(jí)生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn),即

式中:Em為第m級(jí)生態(tài)流量,其中E1為最小生態(tài)流量；最優(yōu)生態(tài)流量具有上、下閾值,其中EN為最優(yōu)生態(tài)流量的下限值；Q50為最優(yōu)生態(tài)流量的上限值。

3 實(shí)例研究

3.1 研究區(qū)域概況

本文選取漢江為研究對(duì)象。漢江是長(zhǎng)江最長(zhǎng)的支流,全長(zhǎng)1 577 km,流域面積15.9萬(wàn)km2。漢江中游于1973年建成了控制性大型骨干工程——丹江口水庫(kù),1968年蓄水運(yùn)用后,下游襄陽(yáng)水文站年內(nèi)流量分配趨于均勻,中水流量持續(xù)時(shí)間增加,枯水流量加大,主汛期7—9月的徑流量占全年百分?jǐn)?shù)比建庫(kù)前減少11.5%,多年月均流量的最大與最小值的比為建庫(kù)前的26%。天然水文情勢(shì)的劇烈改變,引起了漢江中下游的一系列生態(tài)問(wèn)題,主要表現(xiàn)為“四大家魚(yú)”等天然產(chǎn)漂流性漁業(yè)資源的衰退和“水華”的頻繁爆發(fā)。

3.2 計(jì)算結(jié)果

基于丹江口水庫(kù)蓄水前襄陽(yáng)水文站的天然日均流量系列(1930—1967年),采用改進(jìn)FC法計(jì)算漢江的各級(jí)生態(tài)流量。豐水年、平水年、枯水年的最小生態(tài)流量過(guò)程見(jiàn)圖1,枯水年份的各級(jí)生態(tài)流量過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖1 最小生態(tài)流量過(guò)程Fig.1 The minimum ecological flow duration curves

圖2 枯水年份的各級(jí)生態(tài)流量過(guò)程Fig.2 Multi-level ecological flow duration curves in dry year

由圖1可知,改進(jìn)FDC法計(jì)算的生態(tài)流量具有逐月和年際豐枯變化特性,平水年1—12月的計(jì)算值分別占多年平均流量的21%,23%,26%,36%, 43%,33%,68%,51%,57%,55%,39%,30%,對(duì)逐月最小生態(tài)流量取平均值,得到豐、平、枯水年的最小年均生態(tài)流量分別占多年平均流量的62%,40%和21%。由圖2可知,漢江襄陽(yáng)斷面的生態(tài)流量可分為最小、適宜和最優(yōu)3個(gè)等級(jí),枯水年的年均生態(tài)流量分別占多年平均流量的21%,26%,30%～38%。

4 討論與分析

為了評(píng)估改進(jìn)FDC法的合理性,與常用的Tennant法、改進(jìn)Tennant法(生態(tài)流量的等差為逐月平均流量的10%)、7Q10法、90%保證率最枯月流量法、近10 a最枯月平均流量法、逐月最小生態(tài)徑流法、最小月平均法、基于FDC的Q90法和Q97,10法[11](最小生態(tài)流量等于90%保證率的枯水年FDC上超過(guò)97%頻率的流量)進(jìn)行對(duì)比,并結(jié)合生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)研究成果進(jìn)行論證。

4.1 多種方法的對(duì)比分析

4.1.1 具有多級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的方法比較

以上各方法中,僅Tennant系列方法的生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)具有多個(gè)等級(jí),以對(duì)應(yīng)于不同的水生棲息地條件,其余方法只能計(jì)算最小生態(tài)流量。由改進(jìn)FDC法和Tennant方法確定的漢江生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)分別包含3級(jí)和6級(jí),分級(jí)越細(xì),實(shí)際的水庫(kù)調(diào)度和水資源配置難度越大。因此,就生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)數(shù)而言,改進(jìn)FDC法相對(duì)更合適。

考慮到Tennant法的生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)不具有逐月變異特性,僅對(duì)改進(jìn)Tennant法和改進(jìn)FDC法進(jìn)行比較。考慮到改進(jìn)Tennant法的生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)不具有年際的豐枯變異特性,為了對(duì)等比較,改進(jìn)Tennant法和改進(jìn)FDC法均基于所有年的流量系列計(jì)算生態(tài)流量,而不必劃分豐、平、枯水年組。2種方法的最小和最優(yōu)生態(tài)流量比較結(jié)果分別如圖3、圖4所示。

圖3 改進(jìn)FDC法和改進(jìn)Tennant法的最小生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)比較Fig.3 Comparison of minimum ecological flow criteria between modified FDC method and modified Tennant method

由圖3可知,改進(jìn)FDC法的最小生態(tài)流量總體在最小和第二小月均流量之間,7月份的最小月均流量(1932年)和第二小月均流量(1948年)遠(yuǎn)大于改進(jìn)FDC法的最小生態(tài)流量。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),該月的均值流量受到了月內(nèi)極端大流量的影響而偏高(圖5),因此,改進(jìn)FDC法的最小生態(tài)流量是合理的。相反,改進(jìn)Tennant法的最小生態(tài)流量遠(yuǎn)低于逐月最小月流量,極不利于河流的健康維持。圖5也同樣說(shuō)明了改進(jìn)FDC法優(yōu)于逐月最小生態(tài)徑流法。

圖4 改進(jìn)FDC法和改進(jìn)Tennant法的最優(yōu)生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)比較Fig.4 Comparison of optimum ecological flow criteria between modified FDC method and modified Tennant method

圖5 月均流量與日流量比較Fig.5 Comparison between monthly mean flow and daily flow in a month

由圖4可知,2種方法的最優(yōu)生態(tài)流量在枯水期相近,但在主汛期7—9月,改進(jìn)Tennant法的計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)高于改進(jìn)FDC法。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),在枯水期和主汛期,漢江襄陽(yáng)斷面月流量系列的變差系數(shù)分別為0.37～0.46和0.62～0.70,劇烈的年際變化(尤其是年際極端高流量)使得主汛期月均流量偏離總體分布(圖6),而多年中值流量避免了該影響,使得改進(jìn)FDC法較改進(jìn)Tennant法更為科學(xué)合理。

4.1.2 僅具有最小標(biāo)準(zhǔn)的方法比較

根據(jù)改進(jìn)FDC法與所選水文學(xué)法的最小生態(tài)流量比較結(jié)果(圖7),可知:除了逐月最小生態(tài)徑流法和改進(jìn)Tennant法的計(jì)算結(jié)果具有逐月變化特點(diǎn)外,其余所選方法的最小生態(tài)流量在年內(nèi)和年際上為一恒定值,計(jì)算結(jié)果從大到小排序?yàn)?Q97,10法、最小月平均法、Q90法、近10 a最枯月平均流量法、90%保證率最枯月流量法、7Q10法和Tennant法。

圖6 多年平均月流量與月流量系列比較Fig.6 Comparison between average monthly flow and monthly flow series

圖7 多種方法計(jì)算的最小生態(tài)流量比較Fig.7 Comparison of minimum ecological flows calculated by modified FDC method and traditional hydrological methods

Q97,10法的計(jì)算結(jié)果一般偏小,接近于7Q10法[11],但在漢江襄陽(yáng)斷面的應(yīng)用卻比較反常,其結(jié)果遠(yuǎn)大于改進(jìn)FDC法在平水年份枯水季節(jié)的最小生態(tài)流量。分析其原因,傳統(tǒng)水文學(xué)法的徑流年際劃分是基于年均流量系列,沒(méi)有考慮徑流的年內(nèi)分配情況,對(duì)于年內(nèi)徑流分配不均的河流,一旦出現(xiàn)年內(nèi)分配較均勻且各月流量相對(duì)較小但其總和在90%保證率左右的所謂“枯水”年份(漢江襄陽(yáng)斷面為1966年,圖8),就會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象。

圖8 Q97，10法易受徑流年內(nèi)分配的影響Fig.8 Influence of runoff of intra-annual distribution on Q97，10method

最小月平均法、Q90法、近10 a最枯月平均流量法的計(jì)算結(jié)果接近于改進(jìn)FDC法在平水年份枯水季節(jié)的最小生態(tài)流量。最小月平均法計(jì)算結(jié)果偏大的原因在于:最小月平均流量受到最小月流量系列中的年際極端高流量影響(圖9)。Q90法計(jì)算結(jié)果偏大的原因在于:沒(méi)有對(duì)天然徑流系列進(jìn)行年際豐、平、枯劃分,基于所有年的日均流量系列得到的最小生態(tài)流量更能反映平水年份枯水季節(jié)的生態(tài)需求。近10年最枯月平均流量法計(jì)算結(jié)果偏大的原因在于:在近10年,自然水文情勢(shì)受到丹江口水庫(kù)“削峰補(bǔ)枯”的干擾較強(qiáng)烈,徑流的年內(nèi)分配趨于均勻化,枯水季節(jié)流量增大。

圖9 最小月平均法易受流量年際極端變化的影響Fig.9 Influence of extremely inter-annual flow on minimum monthly average method

90%保證率最枯月流量法、7Q10法的計(jì)算結(jié)果接近于改進(jìn)FDC法在枯水年份枯水季節(jié)的最小生態(tài)流量,證明了改進(jìn)FDC法的合理性。

圖10 基于逐月和年際變異性的改進(jìn)Q90法Fig.10 Modified Q90method based on monthly and inter-annual variability

為了進(jìn)一步說(shuō)明改進(jìn)FDC法生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)的年際變異性?xún)?yōu)點(diǎn),以Q90法為例,根據(jù)傳統(tǒng)水文學(xué)方法對(duì)年均流量進(jìn)行排頻計(jì)算,得到豐水年組、平水年組和枯水年組,然后對(duì)Q90法進(jìn)行改進(jìn),得到各年組、各月的最小生態(tài)流量(圖10)。圖10(a)展示的是各年組的Q90值,圖10(b)展示的是逐年組逐月份的Q90值。顯然,傳統(tǒng)的徑流年際劃分方法易導(dǎo)致年生態(tài)流量呈現(xiàn)不出年際的豐、平、枯變化規(guī)律,且使逐月份的生態(tài)流量同時(shí)具有年際的豐、平、枯變異特點(diǎn),而改進(jìn)FDC法則沖破了這一束縛。

4.2 生態(tài)監(jiān)測(cè)成果的論證

漢江中游是“四大家魚(yú)”的天然產(chǎn)卵場(chǎng),每年5—8月,當(dāng)水溫達(dá)到18℃以上時(shí),家魚(yú)便集中在產(chǎn)卵場(chǎng)進(jìn)行繁殖,產(chǎn)卵規(guī)模與漲水的流量增加量和洪水持續(xù)時(shí)間有關(guān)?！八拇蠹音~(yú)”在產(chǎn)卵期的適宜流速為0.3～0.6 m/s,根據(jù)襄陽(yáng)水文斷面在1973—1997年的流速-流量關(guān)系曲線(xiàn),得到漢江的最優(yōu)生態(tài)流量[12],并將其與改進(jìn)FDC法在平水年和枯水年的最優(yōu)生態(tài)流量進(jìn)行比較(表1)。

表1 監(jiān)測(cè)成果與改進(jìn)FDC法的最優(yōu)生態(tài)流量比較Table 1 Comparison of optimum ecological flowbetween monitoring data and calculated data bymodified FDC method

由表1可知,丹江口水庫(kù)蓄水后的最優(yōu)生態(tài)流量監(jiān)測(cè)成果與基于丹江口水庫(kù)蓄水前天然流量系列和改進(jìn)FDC法的平、枯水年最優(yōu)生態(tài)流量范圍相比,總體存在較大交叉區(qū)域,說(shuō)明改進(jìn)FDC法的計(jì)算成果具有一定的合理性；同時(shí),改進(jìn)FDC法在平水年的最優(yōu)生態(tài)流量上限值稍大于監(jiān)測(cè)成果,其原因在于生態(tài)監(jiān)測(cè)資料為丹江口水庫(kù)蓄水后的1973-1997年,丹江口水庫(kù)的削峰作用極大地減緩了漢江中游的流速。此外,改進(jìn)FDC法在枯水年的最優(yōu)生態(tài)流量下限值要稍低于監(jiān)測(cè)成果,其原因在于枯水年份的天然來(lái)流量較小,考慮到生產(chǎn)和生活用水,很難維持家魚(yú)所需的生態(tài)洪水。綜上所述,改進(jìn)FDC法的生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)是合理的。

5 結(jié) 論

改進(jìn)FDC法的生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)具有較好的逐月和年際豐枯變化特性、空間移植性以及水生棲息地條件分級(jí)性。在漢江襄陽(yáng)水文站的實(shí)例研究中,通過(guò)與常用的Tennant法、改進(jìn)Tennant法、7Q10法、90%保證率最枯月流量法、近10年最枯月平均流量法、逐月最小生態(tài)徑流法、最小月平均法、基于FDC的Q90法、改進(jìn)Q90法、Q97,10法和生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析,表明改進(jìn)FDC法的生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)是十分合理的,同時(shí)也揭露了傳統(tǒng)水文學(xué)法最根本的共性問(wèn)題。此外,最小和最優(yōu)生態(tài)流量的設(shè)計(jì)使得其避免了年際、年內(nèi)、月內(nèi)極端高流量事件和年內(nèi)徑流分配不均的影響,最小至最優(yōu)的各級(jí)生態(tài)流量基于改進(jìn)的Tennant等差數(shù)列分級(jí)思想,在最小和最優(yōu)生態(tài)流量設(shè)置合理的情況下,中間各級(jí)生態(tài)流量也相對(duì)合理,減少了分級(jí)的主觀(guān)性和隨意性。改進(jìn)FDC法不要求每年的日流量是連續(xù)的,當(dāng)部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失時(shí)可避免插補(bǔ)所帶來(lái)的誤差,極大地提高了該方法的應(yīng)用范圍。

[1]POFF N L,ZIMMERMAN J.Ecological Responses to Altered Flow Regimes:A Literature Review to Inform the Science and Management of Environmental Flows[J]. Freshwater Biology,2010,55(1):194-205.

[2]LYTLE D A,POFF N L.Adaptation to Natural Flow Regimes[J].Trends in Ecology&Evolution,2004, 19(2):94-100.

[3]VOROSMARTY C J,MCINTYRE P B,GESSNER M O, et al.Global Threats to Human Water Security and River Biodiversity[J].Nature,2010,467(7315):555-561.

[4]THARME R E.A Global Perspective on Environmental Flow Assessment:Emerging Trends in the Development and Application of Environmental Flow Methodologies for Rivers[J].River Research and Applications,2003, 19(5-6):397-441.

[5]劉 靜,鄭紅星,戴向前.隨機(jī)流量歷時(shí)曲線(xiàn)及其在生態(tài)流量計(jì)算中的應(yīng)用[J].南水北調(diào)與水利科技, 2011,9(3):118-123.(LIU Jing,ZHENG Hong-xing, DAI Xiang-qian.Stochastic Flow Duration Curve and Its Application in Ecological Instream Flow Estimation in the Songhuajiang Basin[J].South-to-North Water Transfers and Water Science&Technology,2011,9(3):118-123.(in Chinese))

[6]門(mén)寶輝,林春坤,李智飛,等.永定河官?gòu)d山峽河道內(nèi)最小生態(tài)需水量的歷時(shí)曲線(xiàn)法[J].南水北調(diào)與水利科技,2012,10(2):52-56,92.(MEN Bao-hui, LIN Chun-kun,LI Zhi-fei,et al.Application of Flow Duration Curve Method in Calculating Instream Minimum Ecological Water Demand in Guanting Gorge of Yongding River[J].South-to-North Water Transfers and Water Science&Technology,2012,10(2):52-56,92.(in Chinese))

[7]KANNAN D N,JEONG J.An Approach for Estimating Stream Health Using Flow Duration Curves and Indices of Hydrologic Alteration[R].Texas:United States Environmental Protection Agency,Texas AgriLife Research, 2011.

[8]LI C W,KANG L.A New Modified Tennant Method with Spatial-temporal Variability[J].Water Resources Management,2014,28(14):4911-4926.

[9]TENNANT D L.Instream Flow Regimens for Fish,Wildlife,Recreation and Related Environmental Resources[J].Fisheries,1976,1(4):6-10.

[10]鄭志宏,黃 強(qiáng),魏明華,等.基于中位數(shù)眾數(shù)理論的Tennant法改進(jìn)與應(yīng)用[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2010,42(6):38-42.(ZHENG Zhi-hong, HUANG Qiang,WEI Ming-hua,et al.Improvement and Application of Tennant Method Based on Median and Mode Theory[J].Journal of Sichuan University(Engineering Science Edition),2010,42(6):38-42.(in Chinese))

[11]SUGIYAMA H,VUDHIVANICH V,WHITAKER A C, et al.Stochastic Flow Duration Curves for Evaluation of Flow Regimes in Rivers[J].Journal of the American Water Resources Association,2003,39(1):47-58.

[12]孫 義,邵東國(guó),顧文權(quán).基于關(guān)鍵物種繁殖的漢江中游生態(tài)需水量計(jì)算方法[J].南水北調(diào)與水利科技, 2008,6(3):97-100.(SUN Yi,SHAO Dong-guo,GU Wen-quan.Calculation Approach of Ecological Water Demand Based on Breeding of Critical Species in the Middle Reaches of Hanjiang River[J].South-to-North Water Transfers and Water Science&Technology,2008, 6(3):97-100.(in Chinese))

(編輯:趙衛(wèi)兵)

A Modified FDC Method with Multi-level Ecological Flow Criteria

LI Chang-wen1,2,KANG Ling1,ZHANG Song1,ZHOU Li-wei1
(1.School of Hydropower&Information Engineering,Huazhong University of Science&Technology,Wuhan 430074,China；2.Water Conservancy Planning Institute,Yangtze River Changjiang Institute of Survey, Planning,Design and Research,Wuhan 430010,China)

To solve four key problems existed in the current ecological flow criteria(EFC):spatial transferability,monthly variability,inter-annual variability and scalability,a modified flow-duration curve method is proposed. Based on specific guaranteed rates of average monthly flow series,this approach divides all the years into wet,normal and dry year groups for every month；and then monthly flow-duration curves for every water year group are established based on total-period method and daily flow series,the discharges at the 50-percent-duration and 90-percent-duration points are respectively taken as the optimum and minimum EFC.Finally,multi-level EFC from minimum to optimum are established with progression idea of modified Tennant arithmetic.The new approach is tested in the Hanjiang River and compared with Tennant method,modified Tennant method,7Q10 method,minimum monthly runoff at 90%guaranteed rate method,minimum monthly runoff for recent ten years method,month-bymonth minimum ecological runoff method,minimum monthly average discharge method,Q90method,modified Q90method,Q97,10method and ecological monitoring data.The results show that the new approach is reasonable and superior to traditional hydrological methods for excellent spatial transferability,temporal variability,gradability of perch condition,meanwhile,by the new approach,we can avoids the influence of extreme flow events and uneven intra-annual distribution.

ecological flow；flow-duration curve；spatial transferability；temporal variability；gradability；extreme flow events

X171.1

A

1001-5485(2015)11-0001-06

10.11988/ckyyb.20140814

2014-09-18；

2014-10-16

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20110142110064)

李昌文(1986-),男,重慶梁平人,博士研究生,主要從事生態(tài)水文研究,(電話(huà))13517254948(電子信箱)lichangwen@hust.edu.cn。

康 玲(1965-),女,湖北武漢人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事水資源優(yōu)化配置和生態(tài)調(diào)度研究,(電話(huà))13971585580(電子信箱) kling@hust.edu.cn。