王青梅，吳明官

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

0 前 言

目前，黑龍江省在水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)等過程中，按照《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范(SL/Z 712—2014)》要求，推求目標(biāo)河流上的水文站和工程地點(diǎn)生態(tài)環(huán)境需水量時(shí)，普遍對SL/Z 712—2014規(guī)范中推薦的排頻法、歷時(shí)曲線法、蒙大拿法等的認(rèn)識和理解有一定的偏差，而且并不了解不同方法之間的關(guān)系及優(yōu)缺點(diǎn)等，結(jié)果造成不必要的麻煩和浪費(fèi)寶貴的工作時(shí)間。

2018年10月，黑龍江省水文局編制的《黑龍江省第三次水資源調(diào)查評價(jià)——水生態(tài)專項(xiàng)工作匯報(bào)(生態(tài)需水量)》審查過程中，也證實(shí)了這一點(diǎn)。因此，為了便于開展河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算工作，下面針對排頻法、歷時(shí)曲線法、蒙大拿法等多種方法進(jìn)行研討，供大家參考[1]。

1 計(jì)算方法

河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范(SL/Z 712—2014)中，提出的常用方法有蒙大拿法、排頻法、歷時(shí)曲線法、歷年最小值法等，其中：蒙大拿法在黑龍江省水文局編制的《黑龍江省第三次水資源調(diào)查評價(jià)——水生態(tài)專項(xiàng)工作匯報(bào)(生態(tài)需水量)》中介紹的比較詳細(xì)，故在此不再重復(fù)介紹，特此說明。

1.1 排頻法

該方法又稱歷年最小值頻率計(jì)算法(簡稱：頻率計(jì)算法)，實(shí)用于實(shí)測徑流系列和天然徑流系列，計(jì)算系列長度為N年。歷年最小值的時(shí)段長，可以為月、旬、日；保證率P=80%、85%、90%、95%，根據(jù)目標(biāo)河流的實(shí)際情況，可以取定值，也可以取變值。一般情況下，時(shí)段長為月時(shí)，保證率取P=90%[2-3]。

1.2 歷時(shí)曲線法

該方法又稱歷年逐時(shí)段(月、旬、日)徑流量保證率曲線法(簡稱：頻率曲線法)，也就是《黑龍江省第三次水資源調(diào)查評價(jià)——水生態(tài)專項(xiàng)工作匯報(bào)(生態(tài)需水量)》中稱：Qp法，實(shí)用于實(shí)測徑流系列，計(jì)算系列長度為M=N(年數(shù))×T(時(shí)段數(shù))。一般情況下，時(shí)段長為月時(shí)，保證率取P=95%。

常用的方法是歷年逐月徑流量保證率曲線法：計(jì)算系列長度為M=N(年數(shù))×6。

1.3 歷年最小值法

該方法在SL/Z 712—2014規(guī)范中要求，近10a每年的最小枯水流量中，選擇最小值，作為生態(tài)基流量，故該成果往往偏小。因此，建議采用下面的方法(3a最小流量的平均值)更接近于其它方法的計(jì)算成果。

具體來說，歷年最小3a枯水流量的平均值，就是采用上述排頻法的實(shí)測徑流系列中，選擇3個(gè)最小流量的平均值作為生態(tài)基流量，該方法的計(jì)算成果比規(guī)范中推薦的方法代表性較好。

1.4 保證率關(guān)系

上述的排頻法(P排頻)和歷時(shí)曲線法(P歷時(shí))的保證率關(guān)系分析如下：

P排頻=m/(N+1)×100%，P歷時(shí)=J/(N×T+1)×100%

(1)

式中：P排頻、P歷時(shí)分別為排頻法和歷時(shí)曲線法的經(jīng)驗(yàn)頻率(保證率)，N為計(jì)算系列長度(如：年限N=50a)，m、J分別為年最小系列排序號和歷年逐時(shí)段計(jì)算系列排序號；T為時(shí)段數(shù)，如：時(shí)段長度為月時(shí)，全年T=12、冰凍期(11月、12月、1-4月)T=6、暢流期(5-10月)T=6、汛期(6-9月)T=4等。

若P排頻/P歷時(shí)=1，則m/N=J/(N×T)，(N×T)/N=J/m，T=J/m，J=T×m。例如：當(dāng)N=50a，保證率P=90%，時(shí)段長度為月時(shí)，暢流期T=6，近似求P排頻和P歷時(shí)，即m=P×(N+1)=90%×51=45.9(取整為45或46)，J=T×m=6×45=270(或取整為275)，P排頻=45(或46)/51×100%=88.2%(90.2%),P歷時(shí)=270(或275)/(50×6+1)×100%=89.7%(91.4%)。

1.5 分析與討論

綜上所述，歷年最小值法的計(jì)算成果最小，雖然沒有規(guī)定保證率，但是實(shí)際上，保證率往往>95%；歷時(shí)曲線法和排頻法的計(jì)算成果，在相同保證率的情況下，往往歷時(shí)曲線法中的方法3(最小值或平均值)成果與排頻法成果接近。因此，在實(shí)際工作中，各種方法應(yīng)該取長補(bǔ)短，優(yōu)勢互補(bǔ)，多種方法綜合比較后，合理選定較優(yōu)成果為好。

1.5.1 蒙大拿法

下面重點(diǎn)分析和討論大家對蒙大拿法中平均流量的不同認(rèn)識和理解，對最終成果的影響。

Tennant法也稱Montana法——蒙大拿法，以平均年流量百分比作為推薦流量，在不同的月份采用不同的百分比。

Tennant法適合于較大河流生態(tài)需水量計(jì)算，通常作為研究生態(tài)流量推薦值使用或作為其他方法的一種檢驗(yàn)，簡單易操作，在中國應(yīng)用較為普遍，也是在SL/Z 712—2014規(guī)范中推薦方法之一。

方法Ⅰ：分月組合法。

(2)

(3)

式中：W1為生態(tài)需水量，萬m3、億m3；Q1為生態(tài)基流量，m3/s；C為生態(tài)基流標(biāo)準(zhǔn)的平均流量百分比，%，查表2可得；K為單位日秒數(shù)(24×60×60=86400)；Tj為各月的總天數(shù)(如：1月31d，2月正常年28d、閏年29d)；T為計(jì)算期總天數(shù)；Qij為歷年逐月平均流量，m3/s；n、m分別表示計(jì)算年總數(shù)、計(jì)算期月總數(shù)。

方法Ⅱ：按年計(jì)算法。

(4)

(5)

Aj=Tj/T，A1+A2+A3+……+Aj+……+Am=1式中：Aj為各月的組合權(quán)重，其它符號同(1)式和(2)式。

下面證明方法Ⅰ和方法Ⅱ的關(guān)系：

(6)

1.5.2 歷時(shí)曲線法

從上述的各種方法中可以看出，歷時(shí)曲線法中的方法3與蒙大拿法中的方法Ⅰ、歷時(shí)曲線法中方法2與蒙大拿法中的方法Ⅱ，計(jì)算期多年平均徑流量的計(jì)算過程完全一致，而且采用歷時(shí)曲線法和蒙大拿法計(jì)算的多年平均徑流量成果相同。實(shí)際上，在只計(jì)算多年平均徑流量的情況下，方法2和方法3的計(jì)算成果相同或很接近，但是在計(jì)算期內(nèi)，取某一個(gè)固定保證率的情況下，這兩種方法的計(jì)算成果并不相同，而且往往相差較大。

因此，當(dāng)采用歷時(shí)曲線法時(shí)，建議采用方法1、方法2、方法3(又分最小值和平均值)推求生態(tài)基流量，然后多種方法的計(jì)算成果，經(jīng)合理性、代表性、可靠性等綜合分析后，推薦較優(yōu)成果為佳[4]。

2 計(jì)算期劃分

黑龍江省位于中溫帶和北溫帶(又稱：寒溫帶，漠河縣的部分區(qū)域)，屬于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，松嫩平原和三江平原地區(qū)多年平均年平均氣溫0-4℃，多年平均最低月平均氣溫-18--26℃。因此，黑龍江省屬于寒區(qū)和高寒區(qū)，其中：松嫩平原和三江平原地區(qū)屬于寒區(qū)，北部地區(qū)屬于高寒區(qū)(-30℃以下區(qū)域)。

根據(jù)黑龍江省地理位置、氣候、水文氣象、大中小型河流等自然地理和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情況，緊密結(jié)合黑龍江省水資源時(shí)空分布特點(diǎn)，建議將生態(tài)基流和生態(tài)需水量的計(jì)算期，即把全年劃分為暢流期和非暢流期。

在實(shí)際工作中，全省中小型河流，建議把全年劃分為汛前或灌溉臨界期(5月、6月)、主汛期(7月、8月)、汛后(9月、10月)、冰凍期(11月、12月、1-4月)。大型河流，建議把全年劃分為汛前或灌溉臨界期(5月、6月)、主汛期(7月、8月、9月)、汛后(10月)、冰凍期(11月、12月、1-4月)。

3 計(jì)算系列

根據(jù)長系列水文站的水文(徑流、降水)資料，采用差積曲線法、累積曲線法等多種系列代表性分析方法，論證本次采用徑流系列(如：1956-2016年、1980-2016年、1956-2000年)的代表性。

4 組合頻率

在上述的蒙大拿法中，已經(jīng)證明了方法Ⅰ(分月組合法)和方法Ⅱ(按年計(jì)算法)的計(jì)算期內(nèi)多年平均徑流量計(jì)算成果相等。同理，歷時(shí)曲線法中方法2和方法3的計(jì)算期內(nèi)多年平均徑流量計(jì)算成果也相等。

因此，下面需要具體分析，在設(shè)計(jì)保證率確定的情況下，歷時(shí)曲線法中方法2和方法3的組合頻率關(guān)系。

首先，通過大家最常用的地區(qū)洪水組合方式，定性分析最簡單的甲乙兩項(xiàng)的組合關(guān)系。一般情況下，若把設(shè)計(jì)流域分成上、下兩部分，則上游為主洪水(10a一遇)與下游區(qū)間相應(yīng)洪水(應(yīng)<10a一遇)組合后，等于全流域的設(shè)計(jì)洪水(10a一遇)；或下游區(qū)間為主洪水(10a一遇)與上游相應(yīng)洪水(應(yīng)<10a一遇)組合后，也等于全流域的設(shè)計(jì)洪水(10a一遇)。

很顯然，上游為主洪水(10a一遇)與下游區(qū)間為主洪水(10a一遇)組合后，一定大于全流域的設(shè)計(jì)洪水(超10a一遇)。同樣的道理可知，上游為主年徑流量(保證率P=90%)與下游區(qū)間為主年徑流量(保證率P=90%)組合后，一定小于全流域的設(shè)計(jì)年徑流量(保證率P>90%)。

從此，可以得出如下的結(jié)論：

4.1 多年平均情況(P=50%)

從蒙大拿法的證明結(jié)論中可知，歷時(shí)曲線法中方法2(按年計(jì)算法)和方法3(分月組合法)，在計(jì)算期內(nèi)推求多年平均徑流量的情況下，兩種方法的計(jì)算成果相同。因此，在計(jì)算期內(nèi)推求保證率P=50%左右的平均徑流量時(shí)，兩種方法的計(jì)算成果較接近。歷時(shí)曲線法組合頻率示意圖，見圖1。

圖1 歷時(shí)曲線法組合頻率示意圖

4.2 保證率P<50%

歷時(shí)曲線法中方法2和方法3，詳見歷時(shí)曲線法組合頻率示意圖中的左半部分，在計(jì)算期內(nèi)推求保證率P<50%平均徑流量的情況下(P2=P3=P)，方法3計(jì)算成果(Q3)大于方法2計(jì)算成果(Q2)，保證率P越小，兩種方法的平均流量差值就越大；反之，兩種方法的平均流量差值就越小。

另外，在取同一個(gè)平均流量(Q2=Q3=Q)的情況下，相應(yīng)的保證率P，方法3(P3)大于方法2(P2)，保證率P越小，兩種方法的保證率差值就越大；反之，兩種方法的保證率差值就越小。

4.3 保證率P>50%

歷時(shí)曲線法中方法2和方法3，詳見歷時(shí)曲線法組合頻率示意圖中的右半部分，在計(jì)算期內(nèi)推求保證率P>50%平均徑流量的情況下(P2=P3=P)，方法3計(jì)算成果(Q3)<方法2計(jì)算成果(Q2)，保證率P越大，兩種方法的平均流量差值就越大；反之，兩種方法的平均流量差值就越小。

另外，在取同一個(gè)平均流量(Q2=Q3=Q)的情況下，相應(yīng)的保證率P，方法3(P3)<方法2(P2)，保證率P越大，兩種方法的保證率差值就越大；反之，兩種方法的保證率差值就越小。

4.4 水資源時(shí)空分布組合頻率

這里研討的水資源時(shí)空分布，主要指某流域內(nèi)水文要素(水資源)的空間分布和時(shí)間分布，即可以為洪水、暴雨、徑流、降水等。通過上述歷時(shí)曲線法中方法2和方法3的分析結(jié)論中可以看出，對單站而言，生態(tài)基流的分月組合和按年計(jì)算，多年平均值雖然相等，但同一個(gè)保證率對應(yīng)的計(jì)算成果并不相同，這個(gè)結(jié)論同樣適用于多站其它水文要素的組合情況。

因此，歷時(shí)曲線法組合頻率示意圖，同樣可以適用于洪水、暴雨、徑流、降水等組合情況，故該示意圖也可以稱：水文要素時(shí)空分布組合頻率示意圖。有了這一組合頻率示意圖就可以很容易解釋過去大家在實(shí)際工作中一直很困擾的一些老大難問題，如：設(shè)計(jì)排水區(qū)內(nèi)既有平原區(qū)，又有山丘區(qū)、城區(qū)等情況時(shí)，設(shè)計(jì)排水流量的組合問題，該問題較復(fù)雜，在此不再敘述，詳細(xì)內(nèi)容可以見參考資料[5]即可。

從上述的組合頻率分析結(jié)論中可知，在推求多年平均值情況下，水文要素?zé)o論是多站空間分布或單站時(shí)間分布上的組合問題，兩種途徑計(jì)算成果均相等，因此，在實(shí)際工作中任選其中的一個(gè)方法即可；但是在某一個(gè)固定保證率情況下，推求對應(yīng)的水文要素成果時(shí)，具體問題應(yīng)該具體分析后，慎重處理，否則會出現(xiàn)意想不到的問題，這是迄今為止還沒有徹底解決的問題，也是本次研討的關(guān)鍵問題，應(yīng)該在今后的工作中引起足夠的重視為盼。

5 分析結(jié)論

為了在實(shí)際工作中，節(jié)省計(jì)算工作量和寶貴時(shí)間，并方便應(yīng)用上述的多種方法，特進(jìn)行了歸納和總結(jié)，供大家參考。

5.1 生態(tài)基流

采用歷時(shí)曲線法中的方法1，分別計(jì)算暢流期和非暢流期(冰凍期)的歷年逐月平均流量保證率曲線，然后分別推求保證率P=95%對應(yīng)的暢流期和非暢流期月平均流量，分別作為暢流期和非暢流期(冰凍期)的生態(tài)基流量，即分別表示為Q暢和Q基。

再采用歷時(shí)曲線法中的方法1，計(jì)算灌溉臨界期的歷年逐月平均流量保證率曲線，然后推求保證率P=95%對應(yīng)的灌溉臨界期月平均流量，若該平均流量小于暢流期平均流量Q暢，則生態(tài)基流量Q暢取灌溉臨界期月平均流量。

5.2 最小生態(tài)需水量

采用歷時(shí)曲線法中的方法3，分月(1-12月)繪制月平均流量保證率曲線，然后分別推求灌溉臨界期(汛前2個(gè)月)、主汛期(2個(gè)月或3個(gè)月)、汛后(2個(gè)月或1個(gè)月)、冰凍期(6個(gè)月)保證率P=95%對應(yīng)的月平均流量，即分別表示為Q灌、Q汛、Q后、Q冰。若灌溉臨界期Q灌

再采用蒙大拿法分別計(jì)算暢流期(基流標(biāo)準(zhǔn)取中，C=20%)和冰凍期(基流標(biāo)準(zhǔn)取中，C=10%)生態(tài)需水量。若蒙大拿法暢流期生態(tài)需水量W蒙暢

總而言之，上述的暢流期和冰凍期兩個(gè)計(jì)算期最終成果相加后，可以作為年最小生態(tài)需水量(又稱：基本生態(tài)需水量)。