宋佳陽(yáng)

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

近些年來(lái)，河道生態(tài)需水保障對(duì)于流域水生態(tài)恢復(fù)至關(guān)重要，由于區(qū)域用水矛盾日益緊張，河道內(nèi)的生態(tài)需水很難得到有效保證，使得河流生態(tài)環(huán)境遭到不同程度的破壞。為提高河流生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度，亟需對(duì)其河道內(nèi)的生態(tài)需水量進(jìn)行評(píng)估，確定不同來(lái)水期河道生態(tài)需水量，從而制定相對(duì)應(yīng)的河道生態(tài)水量調(diào)節(jié)方案。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)于河道生態(tài)需水取得一定研究成果，這其中TENNANT模型應(yīng)用較為廣泛，該模型以河道流量均值來(lái)評(píng)估生態(tài)需水量，可解決河流季節(jié)性來(lái)水對(duì)生態(tài)需水的影響。當(dāng)前，一些研究成果表明，傳統(tǒng)TENNANT模型由于不能考慮生態(tài)需水過程變化，使得其生態(tài)需水評(píng)估量有所偏大，為此有學(xué)者針對(duì)傳統(tǒng)TENNANT模型生態(tài)需水評(píng)估的局限性，通過設(shè)定河流生態(tài)需水的上限和下限，對(duì)其河道生態(tài)徑流進(jìn)行等級(jí)劃分，解決傳統(tǒng)TENNANT模型不能考慮河道生態(tài)需水過程變化的局限。為提高東北地區(qū)季節(jié)性河流生態(tài)需水評(píng)估的科學(xué)性，本文引入改進(jìn)的TENNANT模型對(duì)大洋河干流生態(tài)需水進(jìn)行評(píng)估，研究成果對(duì)于東北地區(qū)方季節(jié)性河流生態(tài)需水評(píng)估具有重要參考價(jià)值。

1 改進(jìn)的TENNANT模型

在傳統(tǒng)TENNANT模型基礎(chǔ)上，改進(jìn)TENNANT模型改進(jìn)其生態(tài)徑流分類計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮生態(tài)需水年內(nèi)和年際之間的變化，對(duì)其河道內(nèi)不同來(lái)水頻率下的生態(tài)徑流進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中，pij—第i個(gè)月份和第j個(gè)年份下超過某一頻率的徑流量占全年的百分比，%；rij—從大到小排序的區(qū)域日流量；mi、nj—超過某頻率徑流量維持的天數(shù)和年數(shù)。改進(jìn)的TENNANT模型對(duì)河道生態(tài)徑流量等級(jí)劃分方程為：

(2)

式中，E0(ij)—第i個(gè)月份在第j個(gè)年份下最大生態(tài)徑流量，m3/s；Q50(ij)、Q90(ij)—第i個(gè)月份在第j個(gè)年份下50%、75%頻率下對(duì)應(yīng)的流量歷史數(shù)據(jù)值，m3/s。為降低極端流量事件對(duì)生態(tài)需水評(píng)估的影響對(duì)其劃分等級(jí)進(jìn)行計(jì)算：

(3)

各個(gè)年組以及月份的生態(tài)徑流在確定生態(tài)徑流劃分等級(jí)數(shù)量后，對(duì)不同等級(jí)按照中位數(shù)均值原理進(jìn)行計(jì)算：

N=Average[MOD(nij)]

(4)

式中，N—改進(jìn)模型生態(tài)徑流劃分等級(jí)數(shù)量。改進(jìn)后模型生態(tài)徑流標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)劃分方程為：

(5)

式中，Em—不同等級(jí)下生態(tài)需水評(píng)估量，m3；Q50、Q75—上限和下限生態(tài)需水閾值。

2 大洋河干流生態(tài)需水估算

2.1 研究區(qū)域概況

以大洋河干流岫巖水文站以上集水區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)域，該區(qū)域?yàn)榘吧降貐^(qū)暴雨洪水易發(fā)區(qū)域，河道內(nèi)豐水期水量較大，枯水期水量銳減，區(qū)域多年降水量均值在800～1000mm左右。大洋河干流由于無(wú)控制型大型水庫(kù)，因此河道內(nèi)水量受人類活動(dòng)影響程度相對(duì)較低，區(qū)域內(nèi)需水主要滿足工業(yè)和生活需水。分別在岫巖水文站設(shè)置上、中、下3個(gè)斷面，通過對(duì)其斷面流量進(jìn)行同步觀測(cè)，采用改進(jìn)的TENNANT模型對(duì)其河道生態(tài)需水量進(jìn)行計(jì)算，如圖1所示。

圖1 岫巖水文站以上區(qū)域及計(jì)算斷面分布

2.2 最小生態(tài)需水計(jì)算

大洋河干流各計(jì)算斷面最小生態(tài)需水量采用逐月最小流量均值進(jìn)行計(jì)算，各斷面最小生態(tài)需水計(jì)算結(jié)果見表1，并對(duì)各斷面最小生態(tài)需水量年內(nèi)分配過程進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。

表1 大洋河干流各計(jì)算斷面最小生態(tài)需水計(jì)算結(jié)果

圖2 各斷面最小生態(tài)徑流年內(nèi)分配過程

從計(jì)算結(jié)果可看出，各斷面最小生態(tài)需水量沿程逐步遞減，上游斷面生態(tài)需水量高于下游、中游斷面。大洋河干流豐水段主要集中在4—9月份，豐水段生態(tài)需水量要高于枯水段10月—次年3月的水量。河道內(nèi)最小生態(tài)需水量主要和河道內(nèi)的來(lái)水量相關(guān)度較大，這主要是因?yàn)槠渥钚∩鷳B(tài)需水量主要基于逐月最小流量進(jìn)行分析，逐月最小流量值越高其最小生態(tài)需水量越大，而逐月最小流量值越小其最小生態(tài)需水量越低。

2.3 最優(yōu)生態(tài)需水計(jì)算

河道內(nèi)最優(yōu)生態(tài)需水量主要結(jié)合其逐月頻率進(jìn)行計(jì)算，選取來(lái)水頻率為50%、70%進(jìn)行河道最優(yōu)需水量逐月計(jì)算，大洋河干流各計(jì)算斷面逐月最優(yōu)生態(tài)需水計(jì)算結(jié)果見表2，其各計(jì)算斷面最優(yōu)生態(tài)需水年內(nèi)分配過程如圖3所示。

表2 大洋河干流各計(jì)算斷面最優(yōu)生態(tài)需水計(jì)算結(jié)果

圖3 各斷面最優(yōu)生態(tài)徑流年內(nèi)分配過程

從計(jì)算結(jié)果可看出，最優(yōu)生態(tài)需水量要高于河道內(nèi)的最小生態(tài)需水量，各計(jì)算斷面最優(yōu)生態(tài)需水量可滿足河道生態(tài)需水目標(biāo)要求，和最小生態(tài)需水沿程變化具有一致性，大洋河干流最優(yōu)生態(tài)需水從上游到下游逐步衰減變化。各斷面最優(yōu)生態(tài)需水和大洋河干流流量均值年內(nèi)分配具有一致性，受區(qū)域來(lái)水量年內(nèi)分配影響大洋河干流7—8月最優(yōu)生態(tài)需水量較大，而4—9月份最優(yōu)生態(tài)需水量相對(duì)較低。

3 大洋河干流生態(tài)需水評(píng)價(jià)

分別采用改進(jìn)前后TENNANT模型對(duì)大洋河干流最小和最優(yōu)生態(tài)需水進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見表3—4。

表4 大洋河干流各計(jì)算斷面最優(yōu)生態(tài)需水評(píng)價(jià)結(jié)果

從評(píng)價(jià)結(jié)果可看出，對(duì)于最小生態(tài)需水而言，改進(jìn)模型下各斷面生態(tài)環(huán)境狀況處于差—極差程度，而傳統(tǒng)模型下各斷面生態(tài)環(huán)境狀況總體處于中—較差程度。通過對(duì)大洋河干流生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行調(diào)查，當(dāng)干流河道內(nèi)水量為最小生態(tài)需水量時(shí)，大洋河干流基本處于斷流程度，河流生態(tài)環(huán)境狀況很難得到保障，河流生態(tài)環(huán)境將遭到一定程度的破壞。改進(jìn)模型下各斷面生態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果比較符合大洋河干流實(shí)際情況，當(dāng)河道內(nèi)屬于最小生態(tài)需水，其河流生態(tài)環(huán)境處于差—極差的狀況。從干流各斷面最優(yōu)生態(tài)需水評(píng)估結(jié)果可看出，在最優(yōu)生態(tài)需水量下改進(jìn)模型和傳統(tǒng)模型下大洋河干流生態(tài)環(huán)境將總體處于中—較好的狀況，改進(jìn)模型下計(jì)算的最優(yōu)生態(tài)需水將有效改善大洋河干流生態(tài)環(huán)境狀況，通過對(duì)比分析，在豐水期4—9月采用70%來(lái)水頻率進(jìn)行生態(tài)需水，枯水期采用45%來(lái)水頻率進(jìn)行生態(tài)需水可有效改善大洋河干流生態(tài)環(huán)境狀況。

4 結(jié)論

(1)在采用改進(jìn)的TENNANT模型計(jì)算河流生態(tài)需水時(shí)，可分別以來(lái)水頻率50%、75%作為其生態(tài)需水上限和下限閾值。

(2)對(duì)于受人類活動(dòng)影響較大河道生態(tài)需水計(jì)算時(shí)，建議采用水文部門調(diào)查水量或者還原水量作為生態(tài)需水計(jì)算數(shù)據(jù)。

(3)本文僅考慮水量對(duì)于河道生態(tài)環(huán)境影響，后續(xù)研究中還需要綜合考慮水質(zhì)對(duì)河道生態(tài)環(huán)境影響，進(jìn)行生態(tài)需水融合方法的研究。