朱 曄，方紅遠(yuǎn)，王鋮潔，宋文獻(xiàn)

（1.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225009；2.吉林省水文水資源局松原分局，吉林松原138001）

天然河流與河道本身并不存在過于嚴(yán)重的生態(tài)問題，水生動(dòng)植物依水而生，自然地生長(zhǎng)繁衍。而隨著文明的發(fā)展與進(jìn)步，有了人類的介入，在發(fā)展與利益的驅(qū)使下，我們對(duì)水資源的需求日益增大，對(duì)天然河流的開發(fā)利用強(qiáng)度日益增大，伴隨而來的是各種水環(huán)境問題，以及隨之引發(fā)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)問題，這也就有了人們對(duì)生態(tài)需水的思考與研究。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)生態(tài)需水的計(jì)算進(jìn)行了廣泛的研究，常用的計(jì)算方法分為水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地模擬法以及整體法［1-3］。計(jì)算簡(jiǎn)單、對(duì)數(shù)據(jù)要求不高的水文學(xué)法是國(guó)內(nèi)使用最廣泛的方法，其中，由潘扎榮等人提出的年內(nèi)展布法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)水文學(xué)法以多年平均徑流量的特定百分率或者天然徑流量頻率曲線上的特定保證率作為水文指標(biāo)進(jìn)行生態(tài)需水量計(jì)算造成的主觀性與經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)的不足，較好地體現(xiàn)了河流天然徑流的年內(nèi)豐枯變化過程，將其運(yùn)用于淮河干流生態(tài)需水量的計(jì)算結(jié)果也表明該方法能夠滿足河流生態(tài)功能目標(biāo)對(duì)徑流的實(shí)際需求［4］。但是該方法僅用單一的同期均值比計(jì)算全年的生態(tài)需水量，并不適用于徑流量隨季節(jié)變化較大的河流，且將最小年均徑流量與多年年均徑流量的比值作為同期均值比無法避免極端值對(duì)計(jì)算結(jié)果造成影響。范肖予等［5］提出的年內(nèi)同頻率展布計(jì)算法與雷付春等［6］改進(jìn)的年內(nèi)展布法將計(jì)算時(shí)段劃分為豐、平、枯三個(gè)時(shí)期以考慮河流的季節(jié)變化，但仍未改善原方法易受極端值影響的不足。趙然杭等［7］在計(jì)算時(shí)選用90%保證率下的年徑流量與多年年均徑流量的比值作為同期均值比，但該方法仍用單一均值比來計(jì)算全年生態(tài)需水量。范博偉等［8］為避免極豐、極枯年帶來的影響，在計(jì)算時(shí)剔除保證率在5%以下及95%以上年份的徑流資料；鄧曉等［9］在改進(jìn)原年內(nèi)展布法時(shí)也對(duì)極值進(jìn)行了剔除，但這兩種方法仍以選擇性徑流資料為分析基礎(chǔ)。

用Tennant 法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)原年內(nèi)展布法以及以上幾種改進(jìn)方法的計(jì)算結(jié)果，顯示有半數(shù)以上的計(jì)算結(jié)果在一般用水期與魚類產(chǎn)卵期僅達(dá)到中差等級(jí)，河流生態(tài)需水滿足程度不佳。鑒于此，本文對(duì)現(xiàn)有的年內(nèi)展布法進(jìn)行改進(jìn)，在計(jì)算前對(duì)流域的水文資料進(jìn)行三性審查以保證計(jì)算結(jié)果的可靠，計(jì)算時(shí)對(duì)年內(nèi)徑流進(jìn)行豐、平、枯的時(shí)段劃分以適用于季節(jié)性河流，并用90%保證率下的多年平均月徑流取代原方法中的最小平均徑流量，減弱極端情況下的徑流值對(duì)計(jì)算結(jié)果造成的影響，以期能夠更好地滿足河流的基本生態(tài)需水。

1 改進(jìn)的年內(nèi)展布法

1.1 改進(jìn)思路

生態(tài)需水是在流域自然資源，特別是水土資源開發(fā)利用條件下，為了維護(hù)河流為核心的流域生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡的臨界水分條件，生態(tài)環(huán)境需水量是維系生態(tài)系統(tǒng)平衡最基本的用水量，是生態(tài)系統(tǒng)安全的一種基本閾值［10］。我國(guó)大部分河流存在顯著的流域性以及區(qū)域性特征，不同流域、區(qū)域的河流水文節(jié)律差異較大，為了更好地維持河流基本形態(tài)和基本生態(tài)功能，我們需要針對(duì)不同流域、區(qū)域河流的生態(tài)需水進(jìn)行因地制宜的研究。

水文資料，尤其是徑流資料是我們進(jìn)行生態(tài)需水量計(jì)算的基礎(chǔ)，也是決定我們計(jì)算結(jié)果精度的關(guān)鍵，所以必須充分重視對(duì)資料的審查與分析，以保證計(jì)算結(jié)果的可靠性與實(shí)用性。審查和分析的內(nèi)容包括資料的可靠性、代表性和一致性。對(duì)于季節(jié)變化顯著的河流，根據(jù)特定的保證率，結(jié)合流域歷年長(zhǎng)系列徑流資料將計(jì)算時(shí)段劃分為豐水期、平水期、枯水期可以較好地反映徑流的年內(nèi)變化過程，從而更適用于部分季節(jié)性河流［11］。在非極端氣候條件下，90%保證率的河道徑流量能夠維系河道基本生態(tài)功能，滿足水生生物對(duì)徑流量的基本需求［12，13］，同時(shí)也避免了原年內(nèi)展布法選用最小年均徑流量所造成的極端值的影響，所以本文決定以90%保證率下的多年平均月徑流量與多年平均月徑流量的比值計(jì)算同期均值比。

1.2 計(jì)算步驟

第一，對(duì)徑流資料進(jìn)行可靠性、代表性和一致性的審查。

（1）可靠性審查主要是考察資料來源的水文站是否符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，以及該站點(diǎn)是否具備長(zhǎng)期觀測(cè)的資料系列。

（2）資料的代表性是指樣本特征接近總體特征的程度，通過對(duì)歷史徑流資料的調(diào)查考證來判斷資料系列中是否包含了大、中、小徑流及極豐、極枯年份徑流［14］。同時(shí)繪制河流各月徑流累積均值模比系數(shù)年際過程曲線，觀察徑流年際變化趨勢(shì)以判斷資料系列是否具有較好的代表性［15］。模比系數(shù)是水文系列中的個(gè)體值與該系列平均值的比值，以逐年的各月累積徑流量除以該月多年平均徑流量就得到了了該月徑流累積模比系數(shù)。

（3）資料的一致性審查的目的是為了檢驗(yàn)計(jì)算樣本在統(tǒng)計(jì)上是否滿足“同分布”前提，是判斷流域在人類活動(dòng)影響明顯或流域天然下墊面環(huán)境有較大改變時(shí)資料系列的年際間是否存在系統(tǒng)偏差［16］。通常借助Mann-Kendall檢驗(yàn)法［17］，該法并不要求樣本數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，也不易受少數(shù)異常值的干擾，是世界氣象組織推薦并已廣泛使用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，同樣也適用于水文資料的一致性檢驗(yàn)。

計(jì)算對(duì)應(yīng)時(shí)間序列的統(tǒng)計(jì)量Z，輸入特定的置信水平α，若|Z|≥Z1-α/2則表示變量x隨時(shí)間序列變化趨勢(shì)顯著，否則變化趨勢(shì)不顯著。置信水平95%、99%對(duì)應(yīng)的Z1-α/2值分別為1.96、2.58，若計(jì)算值|Z|< 1.96、|Z|< 2.58，則表示所審查的徑流資料無顯著變化趨勢(shì)，一致性較好。

第二，整理測(cè)站歷年徑流資料，根據(jù)《水文基本術(shù)語和符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50096-98）中豐、平、枯級(jí)別的劃分標(biāo)準(zhǔn)P≤37.5%、<37.5%P≤62.5%、P>62.%，對(duì)徑流資料按月份進(jìn)行年內(nèi)劃分，劃分為豐水期、枯水期、平水期三個(gè)計(jì)算時(shí)段。

第四，根據(jù)測(cè)站歷年徑流資料，繪制各月皮爾遜-Ⅲ型頻率曲線，輸入頻率P= 90%，查詢90%保證率下的各月多年平均月徑流，并計(jì)算90%保證率下的豐水期多年平均月徑流，90%保證率下的平水期多年平均月徑流，90%保證率下的枯水期多年平均月徑流。

第五，利用該時(shí)段90%保證率下的多年平均月徑流與該時(shí)段多年平均流量的比值計(jì)算同期均值比η1，η2，η3。

第六，計(jì)算河流各月生態(tài)需水量Qi=ηi×。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 流域概況

松花江是中國(guó)七大河之一，它也是黑龍江在我國(guó)境內(nèi)的最大支流。河流流經(jīng)吉林、黑龍江兩大省，發(fā)源地分為南北兩源，北源為發(fā)源于大興安嶺支脈伊勒呼里山的嫩江，南源為發(fā)源于長(zhǎng)白山天池的第二松花江，南北兩源于吉林省的三岔河段處匯合后并入松花江干流。松花江干流上游段為三岔河至哈爾濱水文站一段，全長(zhǎng)240 km，流域集水面積17 869 km2。上游段設(shè)有水文站點(diǎn)下岱吉站，于1939年5月設(shè)站，為國(guó)家長(zhǎng)期積累基礎(chǔ)信息，為松花江流域防洪調(diào)度提供水文情報(bào)預(yù)報(bào)，為松花江干流區(qū)域提供水資源監(jiān)測(cè)信息和考核評(píng)價(jià)依據(jù)等。

2.2 資料審查

（1）可靠性審查。下岱吉水文站測(cè)站編號(hào)10700040，現(xiàn)屬吉林省水文水資源局松原分局，具有長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)水位、流量、泥沙、降水、蒸發(fā)、水（岸）溫、冰情的歷史，且監(jiān)測(cè)與資料整編方式均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此資料可靠性較高。

（2）代表性審查。整理下岱吉水文站1988-2017年的流量資料，通過繪制該站1-12月徑流累計(jì)均值模比系數(shù)年際變化曲線如圖2 所示，自2005年起，各月的徑流累計(jì)均值模比系數(shù)大致穩(wěn)定在數(shù)值1.0左右，說明下岱吉水文站1988-2017年的流量資料具有較好的代表性。

圖1 松花江干流流域概況圖Fig.1 The geographical map of Songhua River basin

圖2 下岱吉水文站各月徑流累計(jì)均值模比系數(shù)曲線圖Fig.2 The cumulative average MoBi coefficient curve of Xiadaiji Station’s monthly runoff

（3）一致性審查。經(jīng)計(jì)算，下岱吉水文站1988-2017年的流量資料的統(tǒng)計(jì)量Z為-1.89，沒有通過置信水平為95%和99%的顯著性檢驗(yàn)，說明該站徑流資料一致性較好。

2.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)松花江干流下岱吉水文站1988-2017年的逐月徑流資料，按照前文所述計(jì)算步驟，計(jì)算得下岱吉水文站逐月同期均值比以及生態(tài)需水量，結(jié)果如表1所示。

表1 基于改進(jìn)年內(nèi)展布法的下岱吉水文站生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果Tab.1 The ecological water demand of Xiadaiji Station based on the improved dynamic calculation method

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 改進(jìn)后的年內(nèi)展布法與原方法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

改進(jìn)后的年內(nèi)展布法與原方法計(jì)算的生態(tài)需水量結(jié)果如表2、圖3所示。

表2 基于改進(jìn)的年內(nèi)展布法與原方法的下岱吉水文站生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果Tab.2 T he ecological water demands of Xiadaiji station based on the improved dynamic calculation method and dynamic calculation method

由圖3 可知，兩種方法計(jì)算得出的生態(tài)需水量年內(nèi)變化趨勢(shì)基本一致，除7-9月，其他月的生態(tài)需水量原方法的計(jì)算結(jié)果均低于改進(jìn)后的年內(nèi)展布法，尤其冬季流量過低，這并不利于河道內(nèi)生物在北方極端氣候條件下生存，且河流的流量偏小將直接影響到河流的流動(dòng)性與連通性，不利于河流自身的生態(tài)健康。7-9月，改進(jìn)后的年內(nèi)展布法的計(jì)算結(jié)果低于原方法，但差別較小。原因在于原方法用最小年均徑流量-Qmin和多年年均徑流量-Q的比值計(jì)算同期均值比，而7-9月為夏季，降水多集中于該時(shí)期，導(dǎo)致該時(shí)期年內(nèi)徑流分配占比較大，如圖4所示。因而這幾個(gè)月的最小年均徑流量也偏高，導(dǎo)致同期均值比偏大，使得最終計(jì)算結(jié)果也稍有偏大?？傮w看來，改進(jìn)后的年內(nèi)展布法能較好地反映徑流的年內(nèi)分布特征，且尤其適用于北方河流季節(jié)性變化特征明顯這一情況，其計(jì)算結(jié)果在北方地區(qū)極端氣候條件下更能滿足河道內(nèi)水生生物生存的需求，更利于河流保持其基本的生態(tài)功能。

圖3 基于改進(jìn)的年內(nèi)展布法與原方法的下岱吉水文站生態(tài)需水量對(duì)比Fig.3 Comparison of ecological water demands between the improved dynamic calculation method and dynamic calculation method

圖4 下岱吉水文站徑流年內(nèi)分配Fig.4 Annual distribution of runoff at Xiadaji Station

2.4.2 改進(jìn)后的年內(nèi)展布法與Tennant法對(duì)比

Tennant 法又稱Montana 法，該法以事先可知的多年平均流量百分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ)，將生態(tài)流量分為8個(gè)等級(jí)，又因?yàn)樗飳?duì)環(huán)境的要求存在季節(jié)性差異，將情況分作10月-次年3月份（一般用水期）和4-9月（魚類產(chǎn)卵育幼期）兩類討論，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表3［18］。

表3 Tennant法對(duì)棲息地質(zhì)量和流量關(guān)系的描述Tab.3 A description of the relationship between habitat quality and flow by Tennant

依據(jù)Tennant 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)改進(jìn)后的年內(nèi)展布法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，改進(jìn)后的年內(nèi)展布法的計(jì)算結(jié)果，一般用水期的生態(tài)需水量占多年平均徑流量的25.2%～38.8%，Tennant 法的評(píng)價(jià)結(jié)果為良好～極好，此時(shí)河流的河寬、水深及流速是較好的，可以滿足捕魚、筏船等基本的要求。而原年內(nèi)展布法的計(jì)算的生態(tài)需水量在該時(shí)期占多年平均徑流量的9.6%～14.4%，Tennant 法的評(píng)價(jià)結(jié)果為極差～良好，評(píng)價(jià)結(jié)果相比改進(jìn)后的方法較差；改進(jìn)后的年內(nèi)展布法計(jì)算的生態(tài)需水量在魚類產(chǎn)卵育幼期占多年平均徑流量的38.5%～82.8%，Tennant 法的評(píng)價(jià)結(jié)果為一般～最佳范圍，此時(shí)河流的河寬、水深及流速可以較好地滿足水生生物的生存需求，并且捕魚、船只通航均可以實(shí)現(xiàn)［19］。而原年內(nèi)展布法的計(jì)算的生態(tài)需水量在該時(shí)期占多年平均徑流量的24.0%～86.1%，Tennant 法的評(píng)價(jià)結(jié)果為差～最佳范圍，評(píng)價(jià)結(jié)果相比改進(jìn)后的方法稍差?？傮w來看，改進(jìn)后的年內(nèi)展布法計(jì)算的生態(tài)需水量相較前文所提原方法及其他改進(jìn)方法有所優(yōu)化，能更好地滿足水生生物的生存需求，因此本文方法的改進(jìn)是合理可行的。

表4 改進(jìn)的年內(nèi)展布法及原方法與Tennant評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比Tab.4 Comparison of results between the improved dynamic calculation method and Tennant method

2.4.3 改進(jìn)后的年內(nèi)展布法與其他方法對(duì)比

將基于改進(jìn)后的年內(nèi)展布法得到的生態(tài)需水量與最小月平均流量法、流量歷時(shí)曲線法以及90%保證率法比較，其結(jié)果如表5、圖5所示。

圖5 多種方法計(jì)算的下岱吉斷面的生態(tài)需水量對(duì)比Fig.5 Comparison of Xiadaiji Station’s ecological water demands by different methods

表5 改進(jìn)的年內(nèi)展布法與其他方法對(duì)比Tab.5 Comparison between the improved dynamic calculation method and other methods

由表5、圖5 可知，最小月平均流量法、流量歷時(shí)曲線法以及90%保證率法三者計(jì)算得出的生態(tài)需水量年內(nèi)變化趨勢(shì)基本一致，其中最小月平均流量法與90%保證率法的計(jì)算結(jié)果在豐水期7-9月相較本文改進(jìn)后的年內(nèi)展布法過低，不符合河流隨季節(jié)變化在夏季流量較大的特點(diǎn)，在魚類的產(chǎn)卵育幼期也無法滿足物種的生長(zhǎng)需求。而流量歷史曲線法在枯水期與本次改進(jìn)后的年內(nèi)展布法的結(jié)果較為接近，但是在平水期其結(jié)果偏高，豐水期其結(jié)果又偏低，不符合河流年內(nèi)豐平枯變化的實(shí)際特征，同樣地也無法很好地滿足魚類產(chǎn)卵育幼的基本需求。因此綜合上述情況，本文采用的改進(jìn)后的年內(nèi)展布法既符合河流季節(jié)性變化的特點(diǎn)，又能較好地滿足河道內(nèi)生物生存生長(zhǎng)的需要，且在極端天氣條件下也可保持河流的基本生態(tài)功能，可維持相對(duì)良好的河道環(huán)境。

3 結(jié) 論

（1）本文所提出的改進(jìn)的年內(nèi)展布法，對(duì)測(cè)站的徑流資料進(jìn)行三性審查以確保資料的可信度，并結(jié)合流域的豐平枯劃分，以90%保證率下的多年平均月徑流量與多年平均月徑流量的比值計(jì)算同期均值比，對(duì)原方法進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的年內(nèi)展布法在有可靠的長(zhǎng)期徑流資料的條件下，是一種計(jì)算簡(jiǎn)單、原理科學(xué)的生態(tài)需水量計(jì)算方法。

（2）本文利用改進(jìn)后的年內(nèi)展布法，對(duì)松花江干流上游段的下岱吉水文站的河流斷面進(jìn)行生態(tài)需水量的計(jì)算。通過與原方法的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的年內(nèi)展布法在保有原方法能夠體現(xiàn)河流年內(nèi)徑流變化特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，更符合河流隨季節(jié)變化帶來的豐平枯的變化過程，且極大程度上避免了流域極端水文情況的影響，因而適用于北方河流冬季的極端氣候條件。

（3）用Tennant 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)改進(jìn)后的年內(nèi)展布法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，并將該法與其他生態(tài)需水量計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明改進(jìn)后的方法能更好地滿足河道內(nèi)水生生物在不同生長(zhǎng)時(shí)期的生存需求，且有利于河流的生態(tài)健康。 □