雷付春

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

生態(tài)基流是河流生態(tài)要求的最基本水文流量，近些年來(lái)，隨著流域用水矛盾的日益突出，生態(tài)基流特別是對(duì)于干旱地區(qū)的河流而言已成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，水文學(xué)方法為常用的河流生態(tài)基流計(jì)算方法。進(jìn)入20世紀(jì)以來(lái)，年內(nèi)展布方法由于采用同一個(gè)時(shí)期的徑流均值來(lái)計(jì)算年內(nèi)生態(tài)徑流的需水過(guò)程，解決了傳統(tǒng)水文學(xué)方法采用徑流百分率作為生態(tài)基流指標(biāo)的主觀性和經(jīng)驗(yàn)性的局限。但是年內(nèi)展布方法存在不能反映旱區(qū)季節(jié)性河流不同時(shí)期徑流變化特性的局限，存在明顯的局限性。對(duì)于北方干旱區(qū)河流而言，分析不同時(shí)期的生態(tài)基流有利于區(qū)域河流水資源的優(yōu)化配置和高效利用，鑒于此，本文建立一種改進(jìn)的年內(nèi)展布方法，以同頻率月平均徑流為計(jì)算基礎(chǔ)，計(jì)算旱區(qū)季節(jié)性河流豐、平、枯三個(gè)時(shí)期的生態(tài)基流的變化過(guò)程。研究成果對(duì)于北方旱區(qū)季節(jié)性河流生態(tài)基流確定具有重要的參考價(jià)值。

1 改進(jìn)的年內(nèi)展布方法計(jì)算原理

改進(jìn)的年內(nèi)展布方法根據(jù)區(qū)域河流天然徑流過(guò)程，將12個(gè)月份分別劃分成豐水期、枯水期以及平水期，在同一時(shí)期各頻率下，先確定同一個(gè)時(shí)期下均值比，即為同期多年月最小徑流量與多年同期的比值，其主要計(jì)算步驟為：

(1)結(jié)合區(qū)域?qū)崪y(cè)的天然徑流數(shù)據(jù)確定各個(gè)月份最小流量值，其計(jì)算方程為：

(1)

(2)計(jì)算三個(gè)頻率下的月平均徑流量和最小月均流量，計(jì)算方程為：

(2)

(3)

(3)計(jì)算不同頻率下月均流同期均值和多年平均徑流的比值，其計(jì)算方程為：

(4)

式中，η枯水期、η豐水期、η平水期—各頻率下同一時(shí)期下的徑流比值。

(4)以多年月平均徑流量為計(jì)算基礎(chǔ)，對(duì)各月份生態(tài)基流進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方程為：

(5)

式中，Qi—各月份下的生態(tài)基流，m3/s；ηi—各頻率下的徑流比值。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 站點(diǎn)概況

結(jié)合遼寧北部旱區(qū)4個(gè)典型站點(diǎn)作為研究實(shí)例，各站點(diǎn)的年徑流深均在100mm以下，且各站點(diǎn)的年降水量均在600mm左右，屬于典型旱區(qū)季節(jié)性變化河流。近些年來(lái)，由于流域用水矛盾日益突出，各站點(diǎn)所在河流的生態(tài)需水得不到有效滿足，河流生態(tài)環(huán)境狀況呈現(xiàn)一定程度的破壞。當(dāng)前，隨著遼河流域生態(tài)治理措施的加大，需要對(duì)這些河流的生態(tài)基流進(jìn)行計(jì)算，以滿足河流最基本的生態(tài)需水要求。采用各站點(diǎn)1960—2018年天然徑流數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)計(jì)算各站點(diǎn)生態(tài)基流的變化過(guò)程。

2.2 各站點(diǎn)同期均值比計(jì)算結(jié)果

結(jié)合各站點(diǎn)1960—2018年天然徑流數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析各站點(diǎn)同期均值比，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1中可看出，選取的4個(gè)典型站點(diǎn)月最小流量年內(nèi)變化過(guò)程較小，這主要是因?yàn)檫@4個(gè)站點(diǎn)都位于徑流較小的區(qū)域，流域多年徑流變幅較小。從各站點(diǎn)的同期均值比結(jié)果可看出，各站點(diǎn)的同期均值比在15%～37%之間變化，豐水期的同期均值比較高，而在枯水和平水期其同期均值比在15%～23%之間變化。從各站點(diǎn)月最小徑流和月平

表1 各站點(diǎn)計(jì)算結(jié)果

表2 各站點(diǎn)生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果

圖1 各水文站點(diǎn)改進(jìn)方法傳統(tǒng)方法下生態(tài)基流年內(nèi)計(jì)算過(guò)程對(duì)比

均徑流可以看出，各站點(diǎn)所在的河流屬于旱區(qū)典型的季節(jié)性變化河流，河流徑流特性呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化。

2.3 各站點(diǎn)生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果

結(jié)合改進(jìn)年內(nèi)展布方法對(duì)各站點(diǎn)的生態(tài)基流進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，并對(duì)比改進(jìn)前后方法下生態(tài)基流的年內(nèi)過(guò)程，對(duì)比結(jié)果如圖1所示。

從對(duì)比結(jié)果可看出，改進(jìn)前后方法下生態(tài)基流在年內(nèi)分配的變化趨勢(shì)較為一致，在平水期兩種方法下其生態(tài)基流差異性較小。而在豐水期和枯水期，傳統(tǒng)算法下其生態(tài)基流偏小，均小于改進(jìn)方法下的兩個(gè)頻率下的生態(tài)基流值，特別是在枯水期，由于旱區(qū)河流枯時(shí)期來(lái)水量較少，若不能滿足河流最基本的生態(tài)基流的要求，枯水期河流生態(tài)環(huán)境破壞程度將加劇。在豐水期采用改進(jìn)方法下計(jì)算的生態(tài)基流要大于傳統(tǒng)方法下的生態(tài)基流，因此采用同頻率方法下計(jì)算的各月生態(tài)基流和實(shí)際天然徑流貼近度更高，更能反映旱區(qū)季節(jié)性河流徑流的變化特點(diǎn)，計(jì)算更為精準(zhǔn)，更適用于北方旱區(qū)季節(jié)性河流的生態(tài)基流計(jì)算。

2.4 各站點(diǎn)生態(tài)基流評(píng)價(jià)結(jié)果

為對(duì)不同生態(tài)基流下河道生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)合Tenanat法對(duì)各站點(diǎn)各時(shí)期下的生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 各站點(diǎn)生態(tài)基流評(píng)價(jià)對(duì)比結(jié)果

Tenanat法將豐水期多年徑流量的30%作為生態(tài)最小徑流過(guò)程，而在枯時(shí)期將多年平均徑流量的10%作為生態(tài)系統(tǒng)短期內(nèi)所需要的最下水量。從評(píng)價(jià)對(duì)比結(jié)果可看出，相比于傳統(tǒng)算法，采用改進(jìn)算法下河道生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)結(jié)果得到明顯好轉(zhuǎn)，在豐水期，對(duì)于干旱區(qū)河流而言，總體可以保持在好到極好的狀態(tài)，改善程度好于傳統(tǒng)算法。而在枯水期和平水期，改進(jìn)方法下河道生態(tài)環(huán)境狀況也好于傳統(tǒng)算法，在年均值對(duì)比結(jié)果中，各站點(diǎn)生態(tài)環(huán)境也總體在中～好的狀況，好于傳統(tǒng)算法下中或差的生態(tài)環(huán)境狀況。這主要是因?yàn)楦倪M(jìn)算法下其生態(tài)徑流過(guò)程可以考慮不同時(shí)期不同頻率下的徑流季節(jié)變化特點(diǎn)，和天然徑流的吻合度好于傳統(tǒng)算法，因此其計(jì)算的生態(tài)基流過(guò)程更符合河道的天然生態(tài)環(huán)境特征。

3 主要結(jié)論

(1)改進(jìn)的年內(nèi)展布方法采用同頻率方法將各時(shí)期內(nèi)的最小徑流與多年平均徑流進(jìn)行同期平均值的確定，結(jié)合站點(diǎn)各月天然徑流確定生態(tài)基流，該方法可以改善河流斷流及其他洪水對(duì)其他時(shí)期徑流計(jì)算的干擾程度，在北方季節(jié)性較強(qiáng)河流生態(tài)基流計(jì)算具有重要推廣價(jià)值。

(2)較傳統(tǒng)算法，采用改進(jìn)的年內(nèi)展布方法下計(jì)算的生態(tài)基流不僅可滿足Tenanat方法下生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)的目標(biāo)，且對(duì)河流各時(shí)期天然徑流變化過(guò)程得到更為精細(xì)的劃分。