基于逐月徑流頻率法的撓力河流域生態流量計算

董淑華，吳京晏，張玉國，邢貞相

(1.黑龍江省水文局，黑龍江 哈爾濱 1500001;2.東北農業大學 水利與土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150030)

基于逐月徑流頻率法的撓力河流域生態流量計算

董淑華1，吳京晏2，張玉國1，邢貞相2

(1.黑龍江省水文局，黑龍江 哈爾濱 1500001;2.東北農業大學 水利與土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150030)

本文以撓力河為例，基于菜嘴子、保安、寶清、紅旗嶺四個水文站1956—2012年的月徑流數據，運用逐月頻率法、改進Tennant法計算年內適宜生態徑流及生態需水過程，得到其年內適宜生態需水閾值，最終獲得四站完整的生態徑流及生態需水過程。研究結果表明，各站所在河道內的生態需水量計算方案結果均較為理想，各月生態需水量平均保證率為60.2%，河道內生態狀態很好。

撓力河流域；逐月徑流頻率法；Tennant法；生態需水量

河道內生態需水量是流域生態環境需水的重要組成部分，是流域生態水權分配和生態環境保護的依據，一般指維持水生生物和陸生生物生存的最低需水量，連通的湖泊、洪泛區范圍內的陸地和濕地都在其研究范圍之內[1]。保證水生生物的生存[2]，滿足部分排鹽、入滲補給及污染自凈等方面的需水量是河流生態環境需水量的主要用途，因此不能將其二次調控[3]。為使河流的基本生態環境功能不出現異常，常流河要保證其年內各時段的徑流量滿足一定大小，使河流生態環境不會出現斷流等現象[4]。河道內生態需水量主要由保證生態功能的河道主流生態需水量、河流流動過程中消耗的滲漏需水量和水面蒸發需水量三部分組成。目前河流生態系統保護的主要方向是研究河流生態徑流量[5],河流生態徑流過程及其變化特征對保護河流生態系統的健康及穩定起到重要作用。本文主要研究河流生態徑流的計算[6]。

1 研究流域概況

1.1 研究流域

撓力河流域是烏蘇里江的一級支流，位于黑龍江省東部地區。東經131°～134°，北緯46°～48°[7]。總面積為24 863 km2，撓力河起于完達山脈勃利縣境內的七里嘎山，自西南向東北，長條形。流域平均長度、寬度約為270 km和90 km，比率為3∶1，支流分布成羽毛狀[8]。流域屬于中溫帶大陸性季風氣候，半濕潤地帶，夏季高溫多雨，冬季干冷而漫長。根據本流域歷年氣象資料，7月份出現全年最高氣溫36.6 ℃，平均氣溫為21.9 ℃，1月份出現全年最低氣溫-37.2 ℃，月平均氣溫為-18.1°C。6—9月份的降水量占到全年的70%以上，平均為545 mm，其中雨量最為豐富的7、8月份占到全年降水量的44%以上； 5、6月份降水量較少，僅占全年降水量的23%，因此春季易發生干旱，秋季易出現洪澇災害[9]。

1.2 數據來源

本文選取位于撓力河流域干流上的4個主要水文站點(寶清站、保安站、紅旗嶺和菜嘴子)的月徑流量觀測數據。撓力河地區4個主要水文站點的月均徑流量數據摘自《黑龍江省水文年鑒》，由于各站統計年限不完全相同，寶清站、菜嘴子站的徑流序列長度為1956—2010年水文數據，保安站序列長為1958—2010年水文數據，紅旗嶺站序列長度為1977—2010年水文數據。

2 研究方法

2.1 逐月頻率計算法

首先需要建立天然月徑流量序列，將全年12個月的徑流量劃分為豐水序列、平水序列和枯水序列，依次采用50%保證率、75%保證率以及90%保證率[10]。該月河流最小生態流量即為保證率所對應的流量[11]。再由每個月的生態流量組成全年的生態流量過程。在確定徑流頻率最大處之前，要先選擇合適的概率分布函數[12]，常用的概率分布有P-Ⅲ型分布、GEV分布。利用檢驗概率平均值對比分析P-Ⅲ型分布和GEV分布對于月徑流的擬合效果，發現GEV分布更加符合月徑流的分布特點。因此，本文選擇GEV分布作為月徑流的分布函數。

GEV概率密度分布函數如式(1)，式(2)所示：

(1)

(2)

式中：ζ、σ、μ分別為GEV分布的形狀參數、尺度參數、位置參數，其中ζ<0、ζ=0、ζ>0分別對應著Frechet分布、Gumbel分布和Weibull分布。

利用線性矩法對GEV概率分布函數進行參數估計，利用下列公式算線性矩l1、l2、l3及GEV參數值。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：n代表月徑流序列的長度；xj代表第j年某月的徑流量，m3。

生態流量x即GEV分布中出現頻率最大的流量為：

(10)

2.2 Tennant評價方法

Tennant 法也可以稱作蒙大拿法，在1976年由田納特(Tennant，D. L)提出來的[13]。田納特等人為確保Tennant 法的有效性，1964—1974年期間對美國內布拉斯加等11條河流進行了詳細的野外研究。現在Tennant法在我國更普遍應用于計算河流生態徑流量和對河流生態用水的評價等方面的研究[14-15]。表1是Tennant法對河道內生態質量和河道流量關系的描述。

表1 Tennant法對河道內生態質量和河道流量關系的描述

由表1可知，可以將河道流量大體分成三個等級，當河道徑流量是多年平均流量的60%～100%時，河寬、水深等因素會提供給水生生物以優良的生長環境，河道兩邊的灘地也將成為魚類良好的生存條件，植物也會有充足的水量，可以滿足捕魚、劃船等各種需求；當河道徑流量是多年平均流量的30%～60%時，河道兩邊的部分灘地會顯現出來，魚類，無脊椎動物數量有所下降，但對于捕魚，劃船等旅游項目基本沒有影響，還算令人滿意；當河道徑流量是多年平均流量的5%～10%時，對于大型河流而言基本可以滿足魚類生存，是保持生物短時間生存的最低流量。

Tennant 法的優點是應用簡單、操作方便，依據多年流量數據就可以評價生態水量，容易與水生生態系統之間建立關系，且不需要進行大量的野外工作。

3 撓力河流域生態流量計算

3.1 生態需水量的計算

本研究所選取的研究區域撓力河位于緯度較高的中國東北部，其中12月—次年3月屬于寒冬季節，溫度較低，多處河流處于冰凍期，所以本文選取4—11月的平均水量數據為基礎數據。本次采用逐月最小生態徑流計算法來計算最小生態徑流。根據本文之前的步驟,對撓力河流域寶清、保安、紅旗嶺和菜嘴子共四站的生態需水量的計算結果如表2所示。

3.2 檢驗與分析

通過Tennant法來檢驗“逐月徑流頻率法”進而得到撓力河流域各水文站生態需水量評價的結果見表3。

表2 撓力河流域四站生態需水量 104 m3

由表3可知，寶清站、保安站、紅旗嶺和菜嘴子的生態需水量占多年平均徑流量的比例分別為20%～60%、45%～80%、50%～80%和30%～70%。寶清站7、8、9、10月份的生態需水保證率均在50%以下，其中10月份是 27.74%，通過查看1956—2012年的月徑流數據可知，1957、1959、1963年10月份徑流量明顯偏大，使該月多年平均徑流量增大，生態需水量比例降低；7、8、9月份由于我國東部的鋒面雨轉移到此地從而形成大量的降雨，使河道內的流量劇增，所以計算方案結果較差。其他三個站的比值相對平穩，只有11月份的較低，是由于冬季天氣寒冷干燥，不適宜動植物的生長，導致生態需水量下降，盡管冬季嚴寒大面積積雪，冰凍河面，但影響作用沒有前者大，因此比值較小；4、5、6月份由于上一年冬季降雪的融化，河道內流量豐富，使河道內的徑流量能夠滿足生態需水。所以結果較為理想，生態需水量平均保證率為60.2%，河道內生態狀態維持很好。

4 結論與建議

本文選取撓力河流域的保安、寶清、菜嘴子、紅旗嶺四個水文站1956—2012年的月徑流數據作為研究對象，分別計算各月份河道內生態流量，觀察各月份生態流量的變化規律并找到其中的影響因素。

(1)本文采用逐月徑流頻率法來計算最小生態流量，在計算過程中要確定保證率是計算的重要環節，能夠反映年內河流豐枯的變化過程。通過計算生態需水量與多年平均徑流量之間的比值，可以判斷河內的生態狀態。寶清的生態需水量保證率在20%～60%，差距較大，通過對數據的觀察發現數年的10月份徑流量明顯偏大，導致比值降低。保安、菜嘴子、紅旗嶺三站的生態需水量保證率均在60%以上，結果非常理想。

(2)對不同頻率下生態流量分別應用Tennant 生態環境狀況評價等級標準做對比，將枯水期最小生態流量閾值提升。從整體觀察可以看出4—6月份的河道生態狀態非常好，這是由于冬季剛過，天氣漸漸轉暖，大量的冰雪融化，使河道內徑流量增多，完全能夠滿足生態流量的需求；7—10月份天氣變熱，為水生生物提供了良好的生存環境，大量的動植物進行繁殖和生長，導致生態需水的增加，所以河道生態流量基本能夠滿足生態流量的需求；而11月份天氣變冷，水面冰凍，生態需求減少，所以河道內徑流量能夠提供良好的生態環境。

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Calculation of ecological flow based on monthly runoff frequencymethod in Naolihe Basin

DONG Shuhua1，WU Jingyan2，ZHANG Yuguo1，XING Zhenxiang2

(1.HeilongjiangHydrologyBureau,HeilongjiangHarbin150001,China;2.SchoolofWaterConservancyandCivilEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,HeilongjiangHarbin150030,China)

In this paper, Naolihe River was selected as an example. Based on the monthly runoff data of the 1956—2012 in four hydrological stations of Caizuizi, Baoan, Baoqing and Hongqiling, this paper uses the monthly frequency method and the improved Tennant method to calculate the annual suitable ecological runoff and ecological water demand process to get the threshold of the annual ecological water demand, and finally get complete ecological runoff and ecological water demand process of the four hydrological stations. The results show that the calculation scheme of ecological water demands in each river that hydrological station in is ideal, the average guarantee rate of the monthly ecological water demand is 60.2%, and the ecology in the river is pretty good.

Naolihe Basin; monthly runoff frequency analysis; Tennant method; ecological water demand

黑龍江省水利廳科技開發項目(201402；201318)；國家自然科學基金項目(51109036；51179032)；黑龍省自然科學基金(E2015024)；教育部高等學校博士學科點專項科研基金(20112325120009)；水利部公益性行業科研專項經費項目(201301096)；黑龍江省級領軍人才梯隊后備事頭人資助項目(500001)

董淑華(1960-)，女，黑龍江望奎人，教高，主要從事水文水資源分析與管理工作。E-mail:54570917@qq.com。

邢貞相(1976-)，男，山東膠南人，副教授，主要從事水資源分析與評價方面的研究。E-mail：xingzhenxiang01@163.com。

TV121

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2096-0506(2017)04-0015-05