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(jì)算河道生態(tài)基流量的新年內(nèi)展布計(jì)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(chǔ)上，以汛期、非汛期兩時(shí)段量化“時(shí)段同期均值比”，并結(jié)合多年平均月徑流過(guò)程、最小月平均徑流過(guò)程，計(jì)算河道生態(tài)基流量。太子河流域南甸站、本溪站的計(jì)算結(jié)果顯示，新年內(nèi)展布計(jì)算法得出的生態(tài)基流過(guò)程較其他方法在形態(tài)上與各月多年平均徑流過(guò)程更為相似，其水量不僅符合河流對(duì)徑流的季節(jié)性動(dòng)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(guān)鍵詞：河道生態(tài)基流量;新年內(nèi)展布計(jì)算法;時(shí)段同期均值比;太子河流域

中圖分類號(hào)：TV213.4

文獻(xiàn)標(biāo)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(chǔ)，如何合理地確定河道生態(tài)基流量一直是生態(tài)水文學(xué)研究的熱點(diǎn)之一[l]。目前，水文學(xué)法是最常用的河道生態(tài)基流量計(jì)算方法，但其無(wú)法真實(shí)展現(xiàn)水文情勢(shì)的年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，同時(shí)其生態(tài)學(xué)意義模糊[2]。因此，研究新的河道生態(tài)基流量計(jì)算方法具有重要意義。

目前，河道生態(tài)基流量計(jì)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(guò)程對(duì)徑流的年內(nèi)動(dòng)態(tài)需求，潘扎榮等[4]提出了年內(nèi)展布法：為彌補(bǔ)年內(nèi)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(jì)算精度，范肖予等[5]在年內(nèi)展布法的基礎(chǔ)上，提出了年內(nèi)同頻率展布計(jì)算法。盡管上述兩種方法在一定程度上彌補(bǔ)了水文學(xué)法以多年平均徑流量的特定百分比計(jì)算河道生態(tài)基流量的不足[4]，但均無(wú)法避免各月出現(xiàn)的極豐、極枯這兩種極端徑流量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。同時(shí)，年內(nèi)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(nèi)同頻率展布計(jì)算法分別取豐、平、枯水段的3個(gè)“時(shí)段同一均值比”，也與水利工程中應(yīng)用最為廣泛的Tennant法的劃分時(shí)段存在偏差，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)不夠簡(jiǎn)便快捷。鑒于此，筆者嘗試提出一種新的年內(nèi)展布計(jì)算法，并將其用于計(jì)算我國(guó)東北地區(qū)的太子河流域河道生態(tài)基流量，同時(shí)與年內(nèi)展布計(jì)算法、年內(nèi)同頻率展布計(jì)算法和Tennant法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果顯示新年內(nèi)展布計(jì)算法計(jì)算結(jié)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(duì)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(yīng)用上更為便捷。

1 相關(guān)概念及內(nèi)涵

1.1 生態(tài)基流量

河流生態(tài)需水量是指在特定的時(shí)空條件下，為滿足河流發(fā)揮輸沙、自凈和滲漏等各項(xiàng)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(zhǎng)期（尤其是枯水期）必須保留的最小水量[6]。對(duì)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(jìn)河流中各項(xiàng)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(jié)構(gòu)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(zhì)。

1.2 時(shí)段同期均值比

隨河流水文過(guò)程的周期節(jié)律，河道生態(tài)基流量常表現(xiàn)出一定的時(shí)空特征[7]，從支流到干流、從上游至河口，地貌、經(jīng)濟(jì)和水文條件沿程變化，進(jìn)而河道生態(tài)基流量出現(xiàn)區(qū)域差異。另外，年內(nèi)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(shí)間上呈動(dòng)態(tài)變化。

考慮河流生態(tài)在年內(nèi)對(duì)水量的動(dòng)態(tài)需求，并與水利工程上現(xiàn)行的生態(tài)需水計(jì)算方法（Tennant法）和相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)相銜接，將年內(nèi)分為汛期、非汛期，以河流天然徑流過(guò)程，計(jì)算時(shí)段同期均值比叼，基于相應(yīng)的時(shí)段多年平均徑流量，計(jì)算各月河道生態(tài)基流量。

2 新年內(nèi)展布計(jì)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(dòng)影響較小的實(shí)測(cè)徑流或天然徑流為基礎(chǔ)，去除各月徑流系列中的最大值和最小值，計(jì)算時(shí)段多年平均徑流量、時(shí)段最小平均徑流量和時(shí)段同期均值比，以時(shí)段多年平均徑流量為基準(zhǔn)，計(jì)算河道生態(tài)基流量的年內(nèi)分布（展布）過(guò)程。新年內(nèi)展布計(jì)算法主要步驟如下。

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

3 實(shí)例分析與討論

3.1 計(jì)算過(guò)程

3.1.1 資料情況

太子河是遼河一級(jí)支流，自東北向西南橫貫遼寧省，河長(zhǎng)413 km，流域面積13 883 km²[8]。太子河流域河川徑流主要來(lái)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(yīng)用新年內(nèi)展布計(jì)算法計(jì)算河道生態(tài)基流量。采用的站點(diǎn)資料見(jiàn)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(nèi)各月徑流量存在顯著差異。南甸站以上人類活動(dòng)影響較小，本溪站以上的觀音閣水庫(kù)（庫(kù)容為21. 68億m³）于1994年汛后開(kāi)始蓄水[8]。南甸站、本溪站徑流年內(nèi)分配過(guò)程分別見(jiàn)圖1和圖2?？梢钥闯觯瑥搅髂陜?nèi)分配極不均勻，主要集中在汛期（6-9月）[9]。其中：南甸站汛期徑流總量（1186萬(wàn)m³）占全年的75.8%，最大月徑流量（527萬(wàn)m3）是最小月徑流量（6.86萬(wàn)m³）的76.8倍;本溪站汛期徑流總量（4 243萬(wàn)m³）占全年的71.6%，最大月徑流量（1 780萬(wàn)m³）是最小月徑流量（40.5萬(wàn)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(yùn)用式（1）、式（2）依次計(jì)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(yùn)用式（3），以時(shí)段最小平均徑流量與對(duì)應(yīng)時(shí)段多年平均徑流量的比值，得到汛期、非汛期的時(shí)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(duì)應(yīng)的同期均值比η1、η2的乘積，求得南甸站和本溪站年內(nèi)各月河道生態(tài)基流過(guò)程。

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

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 與兩種年內(nèi)展布計(jì)算法結(jié)果對(duì)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(nèi)各月徑流量極值的前提下，運(yùn)用年內(nèi)展布計(jì)算法[4]和年內(nèi)同頻率展布計(jì)算法[5]，分別計(jì)算各站河道生態(tài)基流量，并與各站年內(nèi)各月最小月平均徑流過(guò)程、河道生態(tài)基流過(guò)程繪制在一起，見(jiàn)圖3和圖4。

由圖3和圖4可以看出：3種年內(nèi)展布法得出的河道生態(tài)基流過(guò)程基本一致，新年內(nèi)展布計(jì)算法得出的汛期各月生態(tài)基流量均小于其他兩種年內(nèi)展布法的計(jì)算值，非汛期4-5月的生態(tài)基流量均大于其他兩種年內(nèi)展布法的計(jì)算值，其余月份的3種方法計(jì)算值差別不大：與最小月平均徑流過(guò)程相比，對(duì)于汛期，當(dāng)不剔除各月徑流量極值時(shí)，8月的最小月平均徑流量明顯大于3種年內(nèi)展布法的計(jì)算值，其余月份的最小月平均徑流量稍?。寒?dāng)剔除各月徑流量極值時(shí)，各月最小平均徑流量均小于3種年內(nèi)展布法的計(jì)算值：對(duì)于非汛期，3種年內(nèi)展布法計(jì)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(duì)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(nèi)展布法能夠?yàn)檠雌诤拥李A(yù)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(guò)程與3種生態(tài)基流變化過(guò)程相差不大，河流此時(shí)經(jīng)歷結(jié)冰一封凍一融冰的變化過(guò)程，河流生態(tài)環(huán)境對(duì)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(yú)類）開(kāi)始洄游、產(chǎn)卵，此時(shí)需要更多的水量，而新年內(nèi)展布計(jì)算法的計(jì)算值能夠最大限度地提高河流中的水量，對(duì)水生物更加有利。另外，新年內(nèi)展布計(jì)算法得出的生態(tài)基流過(guò)程不僅與各月多年平均徑流過(guò)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(nèi)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(shí)段采用不同的均值比，并以時(shí)段多年平均徑流量和最小徑流量為標(biāo)準(zhǔn)，建立的新年內(nèi)展布計(jì)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(jì)算。

3.2.2 與Tennant法結(jié)果對(duì)比

Tennant法[10]是由Tennant提出的用于計(jì)算和評(píng)價(jià)河流生態(tài)徑流的方法，一般將年內(nèi)劃分為4-9月和10月一次年3月兩個(gè)時(shí)段，并依據(jù)河流流量狀況分為多個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)。田景環(huán)等[11]以徑流系列的中位數(shù)替代平均值，將年內(nèi)劃分為汛期和非汛期，對(duì)Tennant法進(jìn)行了改進(jìn)。

以往的水利工程一般多用Tennant法計(jì)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(duì)應(yīng)的時(shí)段，本文將Tennant法評(píng)價(jià)時(shí)段做相應(yīng)修正，結(jié)果見(jiàn)表4[10]。

為進(jìn)一步分析新年內(nèi)展布計(jì)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(guò)程及兩站年內(nèi)各月的最小月平均徑流過(guò)程與修正后的Tennant法的評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比，見(jiàn)表5。

由表5可以看出，用修正的Tennant法對(duì)新年內(nèi)展布計(jì)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(píng)價(jià)結(jié)果與對(duì)應(yīng)的汛期、全年最小月平均徑流量的評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，而用修正的Tennant法對(duì)新年內(nèi)展布計(jì)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(píng)價(jià)結(jié)果則稍好于非汛期最小月平均徑流量的評(píng)價(jià)結(jié)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(yīng)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%）?？梢?jiàn)，新年內(nèi)展布計(jì)算法得出的河道生態(tài)基流過(guò)程對(duì)應(yīng)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(jié)語(yǔ)

（1）將年內(nèi)劃分為汛期、非汛期，剔除各月徑流量極值，并采用不同時(shí)段同期均值比的新年內(nèi)展布計(jì)算法，可在一定程度上避免特殊年份的極端徑流值對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，其生態(tài)基流過(guò)程在年內(nèi)分配形態(tài)上更接近年內(nèi)各月多年平均徑流過(guò)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(jì)算。

（2）利用新年內(nèi)展布計(jì)算法計(jì)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(guò)程，其對(duì)應(yīng)的修正后的Tennant法評(píng)價(jià)結(jié)果稍好于各站的最小月平均徑流過(guò)程，可滿足水生物對(duì)徑流的動(dòng)態(tài)需求。同時(shí)，這也驗(yàn)證了本文建立的新年內(nèi)展布計(jì)算法是合理的，該方法不僅具有一定的生態(tài)學(xué)意義，還能夠滿足河流生態(tài)環(huán)境及水生物對(duì)徑流的季節(jié)性年內(nèi)過(guò)程和水量的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸建宇，陸寶宏，王猛，等，沂河流域河流生態(tài)需水研究[J].水資源保護(hù)，2015，31（3）：67-72.

[2] 彭濤，陳曉宏，王高旭，等，基于濕周法的河道最小生態(tài)需水量多目標(biāo)評(píng)價(jià)模型[J].水利水電科技進(jìn)展，2012，32（5）：6-10.

[3]郭利丹，夏自強(qiáng)，林虹，等，生態(tài)徑流評(píng)價(jià)中的Tennant法應(yīng)用[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，29（4）：1787-1792.

[4]潘扎榮，阮曉紅，徐靜，等，河道基本生態(tài)需水的年內(nèi)展布計(jì)算法[J].水利學(xué)報(bào)，2013，44（1）：119-126.

[5] 范肖予，肖娟，白露，等.河道生態(tài)基流量的年內(nèi)同頻率展布計(jì)算法[J].水電能源科學(xué)，2017，35（3）：24-26.

[6] 李懷恩，岳思羽，河道生態(tài)基流的功能及價(jià)值研究：以渭河寶雞段為例[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2016，35（ 11）：64-73.

[7] 徐志俠.河流與湖泊生態(tài)需水研究[D].南京：河海大學(xué)，2005：26.

[8] 王丁明，太子河水庫(kù)建設(shè)對(duì)水文情勢(shì)影響與環(huán)境流量研究[D].唐山：河北聯(lián)合大學(xué)，2012：13.

[9]趙洪武，范宏，太子河流域汛期水資源利用研究[J].東北水利水電，2003，21（11）：9-10.

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

[11] 田景環(huán)，余玲，孫晗含，等.生態(tài)徑流Tennant法的改進(jìn)與應(yīng)用[J].人民黃河，2011，33（4）：68-69。