基于分季節(jié)生態(tài)基流計算方法的區(qū)域生態(tài)需水量計算研究

王 樂

(遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110003)

河流汛期徑流占總徑流的60%～80%，有的區(qū)域甚至超過80%，而汛期時間一般集中在3個月以內(nèi)，而在非汛期徑流一般占據(jù)的比重較小，河道徑流呈現(xiàn)較為明顯的季節(jié)變化特點。在我國北方區(qū)域河流非汛期徑流一般占總徑流的35%以下，而河流生態(tài)需水也同樣呈現(xiàn)較為明顯的季節(jié)變化特點[1]。在汛期河流中的水生生物為繁殖期，其生長期一般處于河流來水較為豐富的時期，可以對河道進行有效的生態(tài)補水，保障河流生態(tài)系統(tǒng)健康。而在非汛期由于來水量偏少，對生態(tài)需水要求較少的為河流冬季的枯水季節(jié)。對于整個流域而言，其生態(tài)水文季節(jié)包括三個時期，分別為汛前、主汛以及汛后三個階段。為保障河流生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定，需要從不同季節(jié)來搭建河流生態(tài)流量的保障體系。當前，國內(nèi)對于生態(tài)需水計算研究較多[2- 9]，但對分季節(jié)生態(tài)基流計算研究較少，為此本文以北方河流大凌河中游為研究實例，結合分季節(jié)生態(tài)基流計算，實現(xiàn)區(qū)域不同季節(jié)的生態(tài)基流計算。

1 分季節(jié)生態(tài)基流計算方法

在以上分析的基礎上，通過模型分析建立數(shù)值計算方法，定量給出臨界點E值。汛后期生態(tài)流量取決于q與l變化關系。求一階導數(shù)：

(1)

式中，Z—為水位；L—河長；q—為計算單元基流。

(2)

對于實測河流，以n年資料，建立數(shù)值模擬模型。

采用數(shù)值插值差分：

(3)

對n年求和平均：

(4)

近似處理為：

(5)

設q初始值為q0，取Δq=qi-qi-1等步長。上式簡化為：

(6)

(7)

E對應的河流平均規(guī)模LE：

(8)

以上建立的數(shù)值計算方法，能夠精確的計算臨界點E值，消除了個人偏好等主觀因素對汛后最小生態(tài)流量計算的影響。

2 研究實例

2.1 區(qū)域概況

本文以大凌河中游為研究實例，區(qū)域內(nèi)有2個水文控制站點，區(qū)域主汛期主要為7～8月，2個控制水文站點有實測的大斷面數(shù)據(jù)(如圖1)，此外分季節(jié)生態(tài)基流計算需要確定各控制站點的相對流量和河流規(guī)模之間的相關關系，結合區(qū)域的實測水位流量數(shù)據(jù)以及大斷面數(shù)據(jù)繪制了各控制站點的相對流量-河流規(guī)模(如圖1)。

2.2 分季節(jié)生態(tài)基流計算

結合分季節(jié)生態(tài)基流計算方法對2個控制站點的生態(tài)基流進行計算，計算結果見表1和表2。

表1 1#站點不同季節(jié)生態(tài)基流計算結果

從表1和表2中可以看出，大凌河中游在汛前期(4～6月)偏枯流量在2.0～12.6m3/s之間，而偏豐期生態(tài)基流在6.1～33.0m3/s之間，而進入主汛期(7～8月)，其流量變化顯著，偏枯期生態(tài)基流為7.2～42.9m3/s之間，偏豐期為12.6～52.8m3/s之間。進入汛后期，其生態(tài)徑流逐步減小，呈現(xiàn)遞減變化趨勢，在偏枯期生態(tài)基流在4.3～18.9m3/s之間，偏豐期為2.0～21.2m3/s之間變化。從生態(tài)需水總量可以看出，區(qū)域偏枯期和偏豐期生態(tài)需水總量差異性較小。

圖1 區(qū)域站點斷面套繪以及相對流量-河流規(guī)模

月份分季節(jié)低流量/(m3/s)偏枯中等偏豐4月5月6月7月8月9月10月11月12月1月2月3月總量/億m3汛前期主汛期汛后期2.34.75.82.24.25.72.04.26.13.26.37.73.57.212.64.38.211.41.73.85.51.53.64.71.32.23.91.62.83.41.22.33.61.62.94.40.71.42.0

2.3 不同方法生態(tài)基流計算對比

為分析不同方法生態(tài)基流的計算結果，分別采用本文的分季節(jié)生態(tài)基流計算方法和IHA方法對區(qū)域兩個控制水文站的生態(tài)基流進行計算，對比計算結果見表3和表4。

表3 1#站點不同方法生態(tài)基流計算結果對比

表4 2#站點不同方法生態(tài)基流計算結果對比

由表中可以看出，本文方法計算的生態(tài)需水結果比IHA計算結果普遍偏大，主要原因為汛期生態(tài)流量估算中輸沙水量qs取值較大，造成汛期生態(tài)流量比較大。從表中可以看出，汛后期生態(tài)流量相對量沿程遞減(2#控制站點在1#控制站點下游)，即上游的相對流量高于下游。這一規(guī)律的原因在于：隨著流量的變化，河流規(guī)模和環(huán)境都發(fā)生變化，小河流的變化比大河流更為顯著。因此，小河流比大河流存在更大的風險，需要相對更高的平均流量來維持類似的生態(tài)環(huán)境。

3 結語

本文結合分季節(jié)生態(tài)基流計算方法對大凌河中游的生態(tài)需水進行計算，研究取得以下結論：

(1)分季節(jié)生態(tài)基流可綜合考慮北方河流徑流季節(jié)性變化的顯著特點，適合于北方河流生態(tài)需水計算。

(2)本文方法計算的生態(tài)需水結果比IHA計算結果普遍偏大，主要原因為汛期生態(tài)流量估算中輸沙水量qs取值較大，造成汛期生態(tài)流量比較大。

(3)隨著流量的變化，河流規(guī)模和環(huán)境都發(fā)生變化，小河流的變化比大河流更為顯著。

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