陳 楷，王立權(quán)，劉 巖，李 瑩

( 1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080 )

1 研究區(qū)域概況

1.1 流域概況

密江河位于黑龍江省海林市，屬海浪河一級(jí)支流。發(fā)源于張廣才嶺的太平嶺一帶，自北向南流經(jīng)海林林業(yè)局奮斗林場(chǎng)、山市種奶牛場(chǎng)、新安朝鮮族鄉(xiāng)、密江村等村屯，在密江村東部匯入海浪河。河流全長(zhǎng)50 km，流域面積554.8 km2。

1.2 水文氣象特征

密江河流域地處中溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，降雨量受地形抬升影響較大，自下游向上游呈遞增趨勢(shì)。流域內(nèi)多年平均降水量分布差異較大，上游可高達(dá)1110 mm，下游為530 mm。降水的年內(nèi)分配不均勻，一般多集中在汛期6—9月，其降水量占全年的76%。

2 資料來(lái)源和研究方法

2.1 資料來(lái)源

密江河流域沒(méi)有水文站，相鄰流域爾站河干流上現(xiàn)有爾站(二)水文站。爾站(二)水文站具有1980年至今42年流量觀測(cè)資料。爾站河與密江河同屬于牡丹江水系，徑流特征、下墊面條件相似，可作為本次計(jì)算的參證站。

利用爾站(二)1956—2009年水資源調(diào)查評(píng)價(jià)結(jié)果，先采用面積比計(jì)算，然后用年徑流深等值線進(jìn)行修正，得出1956—2009年共濟(jì)水位站530 km2流域逐年徑流量。利用共濟(jì)水位站2010—2016年逐年年徑流深等值線推算出2010—2016年逐年徑流量。最終得到完整的1956—2016年共計(jì)61年的共濟(jì)水位站逐年徑流量。

1956—2000年(長(zhǎng)系列)與1980—2016(短系列)年多年平均徑流量相比，共濟(jì)水位站多年平均徑流量減少了3.98%，變化幅度小于10%，誤差較小，故本次選取1956—2016年徑流系列進(jìn)行計(jì)算。如表1所示。

表1 共濟(jì)水位站不同系列多年平均徑流量對(duì)比

2.2 研究方法

目前國(guó)內(nèi)外生態(tài)流量計(jì)算方法大致分為水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地模擬法和整體法4類[1-3]。水文學(xué)法是基于長(zhǎng)系列徑流資料，通過(guò)平均流量的百分率或頻率曲線設(shè)計(jì)保證率等水文指標(biāo)估算生態(tài)流量[4-5],代表方法有Tennant法、保證率法、最枯月平均流量法等。水文學(xué)法由于原理簡(jiǎn)單、計(jì)算快速等諸多優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。

2.2.1 Tennant法

Tennant法即蒙大拿法，是目前全球應(yīng)用最廣泛的生態(tài)流量計(jì)算方法，是以歷史流量為基礎(chǔ)在不同月份采用不同年平均天然徑流量的百分比來(lái)估算生態(tài)流量的水文學(xué)方法。

2.2.2 90%保證率法

國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中多采用90%或者95%保證率的水文年最枯月平均流量估算河流生態(tài)流量。保證率法多用于開(kāi)發(fā)利用程度較高的河流，要求有較長(zhǎng)系列(20年以上)的水文實(shí)測(cè)徑流資料。

2.2.3 最枯月平均流量法

最枯月平均流量法應(yīng)用較為廣泛，選擇長(zhǎng)系列水文資料中最小的月均流量數(shù)值作為最枯月平均流量，用歷年最枯月平均流量進(jìn)行頻率分析或近10年最枯月平均流量作為設(shè)計(jì)流量，一般選取90%保證率下的最枯月平均流量[6]。適用范圍與保證率法基本一致。

2.2.4 Tessman法

Tessman法是對(duì)Tennant法的改進(jìn)，由南達(dá)科他州立大學(xué)水資源研究所學(xué)者Tessman.S在1980年首次提出，該方法與Tennant法相比增加了平水月這一概念，將一年12個(gè)月劃分成豐、平、枯3個(gè)不同的時(shí)期，根據(jù)月平均流量和年平均流量之間的比率確定生態(tài)流量[7]。

(1)月均流量≤40%×年均流量，生態(tài)流量為月平均流量。

(2)40%×年均流量<月均流量<年均流量，生態(tài)流量為年平均流量的40%。

(3)月均流量>年均流量，生態(tài)流量為月平均流量的40%[8]。

2.2.5 年內(nèi)展布法

年內(nèi)展布法是基于各月多年天然平均徑流過(guò)程，結(jié)合多年年均徑流量與最小年均徑流量?jī)蓚€(gè)水文變量的同期均值比來(lái)確定生態(tài)流量的計(jì)算方法。年內(nèi)展布法能夠反映河道年內(nèi)徑流過(guò)程和變化特征，有很強(qiáng)的適用性和區(qū)域代表性[9]。

2.2.6 Texas法

Texas法在考慮了季節(jié)變化因素的基礎(chǔ)上，考慮了不同生物特征和區(qū)域水文特征條件下的需水量[10]，將生態(tài)流量定義為50%保證率下的特定百分率取值。

3 生態(tài)流量計(jì)算及結(jié)果分析

3.1 密江河徑流年際變化特征

徑流系列的年際變化特征常采用Cv，極值比和Cu三個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)來(lái)表示。對(duì)共濟(jì)水位站1956—2016年共61年的徑流系列資料進(jìn)行分析計(jì)算，得到共濟(jì)水位站徑流的年際變化特征如表2所示。

表2 共濟(jì)水位站斷面徑流年際變化特征值

從變差系數(shù)、徑流極值比和不均勻系數(shù)的計(jì)算結(jié)果表明共濟(jì)水位站斷面徑流系列年際間豐枯變化劇烈，年際變化幅度較大且不均勻。徑流的年際變化過(guò)程線如圖1所示。

圖1 徑流量年際變化過(guò)程線

利用M-K檢驗(yàn)法對(duì)密江河流域61年徑流系列進(jìn)行突變分析。在M-K突變點(diǎn)檢驗(yàn)中，取UF和UB曲線交點(diǎn)為突變點(diǎn)，由圖可知兩條曲線在95%的臨界線±2.03之間有三個(gè)交點(diǎn)[11]，分別為1957年、2012年和2015年。從UF曲線可以看出，密河流域徑流系列整體出現(xiàn)下限趨勢(shì)，如圖2所示。

圖2 徑流量M—K突變點(diǎn)檢驗(yàn)分析

密江河徑流量年際變化具有階段性特征，根據(jù)距平有正有負(fù)的特點(diǎn)，可以較其他方法更能直觀而準(zhǔn)確地確定年際變化階段如圖3所示，年際豐枯變化劇烈。

圖3 徑流量累計(jì)距平變化

3.2 不同方法計(jì)算過(guò)程

3.2.1 Tennant法

本次計(jì)算汛期(6—9月)選取多年平均流量的20%作為生態(tài)流量，其他一般用水期選取多年平均流量的10%作為生態(tài)流量，生態(tài)流量目標(biāo)值見(jiàn)表3。

表3 Tennant法生態(tài)流量目標(biāo)值 m3·s-1

3.2.2 90%保證率法

采用P-Ⅲ型曲線對(duì)各時(shí)期最枯月徑流量系列進(jìn)行配線，將90%保證率下對(duì)應(yīng)的月平均流量作為生態(tài)流量，生態(tài)流量目標(biāo)值見(jiàn)表4。

表4 90%保證率法生態(tài)流量目標(biāo)值 m3·s-1

3.2.3 最枯月平均流量法

以歷年最枯月平均流量進(jìn)行90%保證率下的水文頻率分析，生態(tài)流量目標(biāo)值見(jiàn)表5。

表5 最枯月平均流量法生態(tài)流量目標(biāo)值 m3·s-1

3.2.4 Tessman法

按照Tessman法規(guī)定，結(jié)合黑龍江省豐枯月份判定方法以及河流特性及水文特征，將汛期確定為豐水月份，非汛期確定為平水月份，冰凍期確定為枯水月份，生態(tài)流量目標(biāo)值見(jiàn)表6。

表6 Tessman法生態(tài)流量目標(biāo)值 m3·s-1

3.2.5 年內(nèi)展布法

采用同期均值比以多年平均流量為基準(zhǔn)計(jì)算生態(tài)流量過(guò)程，生態(tài)流量目標(biāo)值見(jiàn)表7。

表7 年內(nèi)展布法生態(tài)流量目標(biāo)值 m3·s-1

3.2.6 Texas法

各月50%保證率下的水文流量頻率曲線對(duì)應(yīng)的月均流量值作為生態(tài)流量，生態(tài)流量目標(biāo)值見(jiàn)表8。

表8 Texas法生態(tài)流量目標(biāo)值 m3·s-1

3.3 不同生態(tài)流量計(jì)算方法分析評(píng)價(jià)

3.3.1 不同生態(tài)流量計(jì)算方法分析

各月份生態(tài)流量相差明顯，體現(xiàn)出各種計(jì)算方法的自身特點(diǎn)，見(jiàn)表9、圖4。

表9 不同計(jì)算方法生態(tài)流量目標(biāo)值

圖4 密江河不同方法生態(tài)流量對(duì)比

Texas法的高流量是目前各種生態(tài)流量計(jì)算方法結(jié)果的外包線，1—3月生態(tài)流量的內(nèi)包線是年內(nèi)展布法的計(jì)算結(jié)果，4—12月生態(tài)流量?jī)?nèi)包線是最枯月平均流量法計(jì)算結(jié)果。

Texas法所計(jì)算的生態(tài)流量值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他方法計(jì)算的生態(tài)流量值，雖然該方法計(jì)算的結(jié)果都能較好的密江河的徑流過(guò)程，但是此方法計(jì)算的結(jié)果偏大，一般情況下難以滿足。

最枯月平均流量法各月生態(tài)流量數(shù)據(jù)一致，汛期和非汛期生態(tài)流量變化不大，不能體現(xiàn)出季節(jié)的變化，此方法不適于密江河這種汛期流量占比大，季節(jié)變化明顯的河流。

Tessman法和年內(nèi)展布法計(jì)算4月、5月非汛期的生態(tài)流量大于6月、9月汛期的生態(tài)流量。根據(jù)密江河河流氣候特點(diǎn)，每年的降水主要集中在7—9月，因而不符合實(shí)際情況，此方法不適用。

90%保證率法取90%保證率流量作為生態(tài)流量，沒(méi)有考慮生物、年內(nèi)變化等因素，所以計(jì)算結(jié)果無(wú)法展現(xiàn)年內(nèi)變化的問(wèn)題，此方法不使用。

綜合考慮，Tennant法更適用于密江河流域生態(tài)流量。

3.3.2 不同水平年生態(tài)流量

生態(tài)流量保證程度應(yīng)體現(xiàn)徑流的年際豐平枯變化，為此采用Tennant法分別對(duì)密江河豐、平、枯水平年生態(tài)流量進(jìn)行計(jì)算，既反映了密江河流域徑流的季節(jié)性變化，也綜合了徑流不同水平年對(duì)生態(tài)流量的影響，更符合實(shí)際[12]，見(jiàn)表10、圖5。

表10 不同水平年生態(tài)流量值 m3·s-1

圖5 不同水平年生態(tài)流量對(duì)比

如圖所示：由Tennant法計(jì)算得到的生態(tài)流量汛期與非汛期變化顯著，枯水年、平水年和豐水年的生態(tài)流量依次增大，各水平年生態(tài)流量最大值均出現(xiàn)在汛期，與流域?qū)嶋H情況相符。

3.3.3 長(zhǎng)系列滿足程度分析

評(píng)價(jià)1956—2016年水文長(zhǎng)系列的實(shí)測(cè)徑流量與生態(tài)流量滿足程度，按照汛期、非汛期和冰凍期分別分析評(píng)價(jià)。見(jiàn)表11。

表11 Tennant滿足程度法保證率分析

從表可以看出，綜合考慮，6種計(jì)算方法也只有Tennant法既滿足適用性又滿足生態(tài)流量保證率，且適用于北溫帶河流生態(tài)需水和常年性河流，固推薦此方法作為密江河流域生態(tài)流量的計(jì)算方法。

3.3.4 生態(tài)流量目標(biāo)優(yōu)化

根據(jù)歷史長(zhǎng)系列徑流資料，應(yīng)用Tennant計(jì)算密江河的生態(tài)流量目標(biāo)，密江河地處東北地區(qū)，具有季節(jié)性、年際變化特點(diǎn)，受氣候條件影響，每年1—3月和12月密江河進(jìn)入封凍期，河流兩岸結(jié)冰，沒(méi)有水量補(bǔ)給，天然來(lái)水少，徑流量占全年徑流量不足4%。建議冰凍期不設(shè)置生態(tài)基流目標(biāo)值，優(yōu)化后的生態(tài)基流目標(biāo)值見(jiàn)表12。

表12 生態(tài)流量目標(biāo)優(yōu)化值

4 結(jié) 論

(1)本文采用6種水文學(xué)方法對(duì)密江河生態(tài)流量進(jìn)行計(jì)算，6種計(jì)算方法的結(jié)果存在一定的差別，尤其是6—9月汛期的生態(tài)流量，從0.28～11.90 m3/s、非汛期的生態(tài)流量從0.28～9.79 m3/s，變化幅度大；冰凍期的生態(tài)流量從0.05～0.99 m3/s，變化幅度較小。

(2)通過(guò)不同生態(tài)流量計(jì)算方法的分析評(píng)價(jià)，Tennant法既滿足適用性又滿足生態(tài)流量保證率。Tennant法計(jì)算簡(jiǎn)單，且適用于北溫帶河流生態(tài)需水和常年性河流，故推薦此方法作為密江河流域生態(tài)流量的計(jì)算方法。

(3)建議冰凍期(12月—次年3月)不設(shè)置生態(tài)基流目標(biāo)值值，按來(lái)流下泄確定生態(tài)流量。