针对河流生态需水的年内展布法改进及其应用

范博伟，张泽中，齐青青

(华北水利水电大学 水利学院，郑州 450045)

1 概 述

生态需水量的计算是河流生态需水的研究内容之一。国内外生态流量的计算方法有很多，大致分为水力学法、历史流量法、栖息地定额法、整体分析法等[1-6]。这些方法中，水力学法需要现场勘测河道地形资料和水力参数，应用起来比较困难；栖息地定额法和整体分析法涉及学科较多，需要多方面的支持，成本较高；历史流量法是建立在历史流量的基础上，用河流多年径流资料来推求生态需水。历史流量法具有原理简单，计算方便等优点，年内展布法就属于其中的一种。

生态需水的年内展布法是潘扎荣等[7]于2012年在河道基本生态需水的年内展布计算法中提出的。年内展布法采用同期均值比计算年内需水量的过程，在一定程度上克服了传统水文学以多年平均径流量的特定百分率作为水文指标的经验性和主观性[8]。该方法对生态需水量的计算，具有一定的指导意义。但该方法确定生态需水量较为保守，且始终选取同一个同期均值比计算年内需水量，故不能适应季节性河流的计算需要。改进的年内展布法通过审查径流资料的可靠性，避免极个别情况对整体计算结果的影响，根据河流的季节性划分计算时段，还选取特枯年(95%保证率)月均径流量与多年月均流量的比值定义同期均值比，更符合实际情况。

2 年内展布法

生态需水的年内展布法需要根据已有的径流资料计算多年平均径流总量和年最小径流总量，由两者之间的比值得到各月生态需水量与多年平均径流量之间的关系，进而求得生态需水量。该方法是利用最小年径流量与多年平均径流量的比值作为同期均值比来确定生态需水量的。较传统水文学方法中[9]选用固定的百分率，更能体现河流的季节性丰枯变化。与水力学法相比，只需河道径流的历史资料，而不需其它水力参数，工作量小，运用方便。

年内展布法的不足：①未对多年径流资料进行审查，会因个别极大极小值而影响计算结果。②未考虑水量的年内分配。河流流量随季节性变化，而原方法同期均值比是根据多年径流资料统一划定的，没有考虑水量的年内变化问题，故计算结果过于平均。③计算同期均值比时，选用最小月均径流量相加，导致计算结果偏小，不利于环境可持续发展。

3 年内展布法改进

针对以上不足，本文进行了3点改进：对径流资料进行审查，避免极个别特殊流量对整体计算结果的影响；根据径流的季节性变化特点，选取不同的同期均值比，以适应季节性河流的计算需要；选取具有95%保证率的月均径流量与多年月均流量的比值定义同期均值比。改进后的年内展布计算法步骤为：

第一，对年径流量资料进行审查，保证其可靠性、合理性。对年均流量进行适线，为避免极丰极枯年份对计算结果的影响，只取对应保证率在5%～95%之间年份的天然月径流量作为计算资料。

(1)

P=M/(n+1)

(2)

式中：qtj为第j年第t月的天然月径流量；M为各月份长系列水文年份中径流量从大到小排列的序次；n为总年数；P为保证率。

第三，划分计算时段，确定各时段内水文要素之和。根据河流的水文特征划分为特定时段，如枯水期、平水期、丰水期。据此计算各时段内的月均流量之和Qk及具有95%保证率的月流量之和Qk,95%。公式如下：

(3)

(4)

式中：m为各时段内包含的月份个数；k为时段名。

第四，计算同期均值比。公式如下：

枯水期 (5)

平水期 (6)

丰水期 (7)

第五，确定各月的生态流量。公式如下：

(8)

4 实例应用

以黄河干流年径流资料为例，选取黄河下游花园口、高村、孙口3个水文测站1952-1998年的天然月径流资料，利用改进的年内展布法来确定河道的生态需水量。研究测站地理位置分布见图1。

图1 研究测站地理位置分布

4.1 资料审查

利用皮尔逊Ⅲ型曲线对年均流量进行适线，获得不同保证率下的年均流量。为避免极丰极枯年份对计算生态流量时的影响，只取对应保证率在5%～95%之间年份的天然月径流量作为计算资料。

由适线结果可以得到，花园口站多年平均流量为1 821.20 m3/s。为避免极端流量的影响，只取平均流量在5%～95%保证率之间的年份作为计算年份，重新计算可得多年平均流量为1 799.80 m3/s。见图2。

图2 花园口流量适线

4.2 计算生态需水量

根据选取的计算年份数据确定各月生态流量。将黄河干流流量划分为枯水期、平水期和丰水期，分别为12-3月份、4-6月份、7-11月份。各站生态流量计算见表1、表2。

表1 各站生态流量计算过程表 /m3·s-1

表2 黄河下游各测站的生态流量 /m3·s-1

4.3 分析讨论

4.3.1 本方法与年内展布法比较

为验证计算方法的可靠性，分别运用本文中的方法和年内展布法，将两种计算结果进行比较分析。见图3。

在图3可以看出，两种计算方法得到的生态需水年内变化大致走向基本一致，尤其是在枯水期基本重合。而在平水期和丰水期，本方法计算结果大于年内展布法结果。因此，更适合季节性河流的生态需水量计算。

年内展布法确定生态流量时过于保守，同期均值比的确定也过于平均，计算结果偏小,不利于生态环境。改进的年内展布计算法不仅保留了径流随季节变化的特性，而且更符合实际情况，有利于人水和谐。该方法相对于年内展布计算法放大了部分流量，并弥补了原方法生态需水偏小、不利于生物繁衍的不足。

4.3.2 本方法与改进后的Tennant法比较

现行的Tennant法不能反映河流的季节特性。黄强等在计算黄河干流生态环境需水Tennant法的改进及应用[10]中提出了改进的Tennant法，该方法更能适应多沙及季节性河流。故运用改进的Tennant法求得的花园口站生态需水标准与本文计算结果进行对比。改进的Tennant法求得的花园口站生态需水的各级标准见表3。

图3 改进的年内展布法与原方法计算结果比较

表3 黄河下游花园口站时段需水各级标准/m3·s-1

由表3可知，12-3月份枯水期，改进的年内展布法计算结果处于极好的标准；7-11月份丰水期，评价位于中和好的标准之间；4-6月份平水期，Tennant法评价为最佳状态。根据文献[11]中黄河水环境和水功能类型及特点，4-6月份生态环境需水量应保持在最佳状态，以保证鱼类产卵场及栖息地要求；其他季节则应保持在较好标准。改进的年内展布法能够满足这种要求。

5 结 语

本文通过根据河流的季节性选取不同的同期均值比，改进了河道基本生态需水的年内展布法，弥补了原方法生态需水偏小、不利于生物繁衍的不足。应用于实际的结果表明，由于河流具有季节性变化规律，生态需水量也会随着季节发生改变。所以，河流的生态需水不仅要包含生态环境需水量的大小，而且能够反映生态环境需水量的大小随季节的变化规律。本文对年内展布法的改进可以更好地体现河段流量丰枯的实际情况，能够保证黄河下游最基本的生态需求。计算结果表明，改进的年内展布法不仅能够满足Tennant法对于河道生态需水的评价标准，而且满足黄河下游生物对水生态环境的实际要求，对河流的生态评价具有一定的指导意义。