河道適宜生態(tài)流量研究

(遼寧省朝陽水文局，遼寧 朝陽 122000)

人類對水資源的不合理開發(fā)會改變河道的天然水文情勢，使水生生物來不及適應(yīng)短期內(nèi)水文情勢的急劇改變而造成河流生態(tài)系統(tǒng)的退化[1]。河流的水文情勢亦稱為流量情勢，表現(xiàn)為河道流量的年內(nèi)變化和年際變化情況[2]，對河流生態(tài)系統(tǒng)的平衡和生物多樣性、完整性具有決定性作用，因此，科學(xué)、合理地確定河道生態(tài)流量是保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)的根本性措施[3-4]。

大伙房水庫位于遼河的大支流渾河中上游，是渾河上一個重要的控制站，坐落在遼寧省撫順市境內(nèi)，控制流域面積5437km2。本文基于大伙房水庫站實(shí)測逐日流量資料，運(yùn)用逐月頻率計算法和改進(jìn)FDC法，對河道適宜生態(tài)流量進(jìn)行計算，并結(jié)合Tennant法的評價準(zhǔn)則對2種方法的計算結(jié)果進(jìn)行評價優(yōu)選，以此確定大伙房水庫上游河道適宜生態(tài)流量，為保護(hù)大伙房水庫上游河道生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定發(fā)展和水資源的優(yōu)化配置提供參考。

1 研究方法

本文采用逐月頻率計算法和改進(jìn)FDC計算渾河大伙房水庫上游河道適宜生態(tài)流量，并運(yùn)用Tennant評價準(zhǔn)則對2種方法的計算結(jié)果進(jìn)行評價優(yōu)選，得到最終的河道適宜生態(tài)流量。

1.1 逐月頻率計算法

逐月頻率計算法是根據(jù)歷史流量資料,采用距平百分率法將研究年份分為豐、平、枯水年組，再根據(jù)各個年組內(nèi)各月的多年平均流量將一年劃分為豐水期、平水期、枯水期3個時期,對各個時期擬定不同的保證率(枯水期90%保證率,平水期70%保證率,豐水期50%保證率[5]),最后分別計算各個年組內(nèi)各豐、平、枯水期在不同保證率下的生態(tài)流量,即為河道不同來水年份年內(nèi)的適宜生態(tài)徑流過程。

1.2 改進(jìn)FDC法

改進(jìn)的FDC法[6]基于年均徑流量系列的特定保證率將所有年份進(jìn)行豐、平、枯水年分組，在不同來水年組內(nèi)基于天然月均流量的保證率分別將各月的日流量系列劃分為豐水組(月均流量的保證率P<25%) 、平水組 ( 25%≤P≤75%) 和枯水組(P>75%)，然后基于各年組、各月的日均流量系列構(gòu)建 FDC,取50%，90%歷時點(diǎn)流量作為生態(tài)流量的最優(yōu)上限值和最小值，最小到最優(yōu)上限之間的各級生態(tài)流量根據(jù)改進(jìn)的Tennant等差數(shù)量分級思想確定，最終確定適宜生態(tài)流量。

1.3 Tennant法評價準(zhǔn)則

Tennant 法或稱蒙大拿法[7]：該方法屬于非現(xiàn)場測定類型的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定法，取預(yù)先確定的年天然徑流的百分比作為河流生態(tài)需水的推薦值。將河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況分為極差、差、一般、良好、很好、極好、最佳范圍、最大允許極限8個級別，依據(jù)水生生物生育期分為一般用水期(10月至次年 3月) 和魚類產(chǎn)卵育幼期(4—9月) 兩個時段(見表1)。

表1 Tennant法中河道內(nèi)不同生態(tài)環(huán)境狀況對應(yīng)流量百分比

2 計算及結(jié)果分析

本文選取大伙房水庫1959—2016年實(shí)測逐日平均流量和年徑流數(shù)據(jù)，運(yùn)用逐月頻率計算法和改進(jìn)FDC法計算大伙房水庫上游河道適宜生態(tài)流量。

2.1 適宜生態(tài)流量計算

2.1.1 逐月頻率計算法

根據(jù)年徑流資料，對所取研究年份采用距平百分率法劃分為豐水年組、平水年組、枯水年組，在各個年組內(nèi)根據(jù)大伙房站多年平均徑流過程(見圖1)將一年劃分為豐水期、平水期、枯水期3個時期(見表2)。

圖1 大伙房站多年平均徑流過程

年 份豐水期/月平水期/月枯水期/月豐水年7,891—6,10—12平水年6—941—3,5,10—12枯水年4,7—95,61—3,10—12

在豐水期、平水期、枯水期劃分的基礎(chǔ)上，對各個時期擬定不同的保證率(枯水期90%保證率,平水期70%保證率,豐水期50%保證率),分別計算各個年組內(nèi)各豐、平、枯水期在不同保證率下的適宜生態(tài)流量，確定不同來水年份年內(nèi)的河道適宜生態(tài)徑流，得到豐、平、枯水年組適適宜生態(tài)徑流過程(見圖2)。

圖2 豐、平、枯水年組適宜生態(tài)流量過程

由圖2可看出，平水年份和枯水年份的適宜生態(tài)流量過程趨勢基本一致，均呈“雙峰”形態(tài)，即1—8月適宜生態(tài)流量總體呈現(xiàn)增加上升趨勢，9—12月呈下降趨勢；豐水年份的適宜生態(tài)流量過程總體上呈“單峰”形態(tài)，4月的適宜生態(tài)流量略大于5月。

2.1.2 改進(jìn)FDC法

根據(jù)實(shí)測逐日平均流量，運(yùn)用改進(jìn)FDC法，計算大伙房站豐水年、平水年、枯水年組各月的適宜生態(tài)流量，確定的適宜生態(tài)流量過程(見圖3)。

圖3 豐、平、枯水年組適宜生態(tài)流量過程

由圖3可看出，不同來水年份的適宜生態(tài)流量過程趨勢一致，適宜生態(tài)流量過程中8月生態(tài)流量值最大；豐水年份和平水年份的適宜生態(tài)流量過程總體上呈“單峰”，1—8月各級生態(tài)流量總體呈上升趨勢，4月份各級生態(tài)流量與5、6月相差不大,9—12月呈下降趨勢；枯水年份的適宜生態(tài)流量過程呈“雙峰”，由于4月河道冰雪消融，生態(tài)流量明顯大于5、6月份的生態(tài)流量。

2.2 結(jié)果分析

采用Tennant法的評價準(zhǔn)則對以上2種方法的計算結(jié)果進(jìn)行比較,計算的適宜生態(tài)流量過程及評價等級(見表3)。

表3 適宜生態(tài)流量過程對比及Tennant評價結(jié)果 單位：m3/s

續(xù)表

由表3可以看出，總體上，在汛期逐月頻率計算法的計算結(jié)果較改進(jìn)FDC法的結(jié)果大，評價等級較高，非汛期改進(jìn)FDC法計算結(jié)果較逐月頻率計算法的結(jié)果大，評價等級較高，能夠更好地保障河道正常生態(tài)功能。在豐水年份，逐月頻率計算法計算結(jié)果在7、8月較改進(jìn)FDC法計算結(jié)果大，評價等級較高，改進(jìn)FDC法計算結(jié)果在9月至次年6月較逐月頻率計算法計算結(jié)果大，評價等級較高；平水年份，逐月頻率計算法計算結(jié)果在6—9月較改進(jìn)FDC法計算結(jié)果大，評價等級較高，改進(jìn)FDC法計算結(jié)果在10月至次年5月較逐月頻率計算法計算結(jié)果大，評價等級較高；枯水年份，逐月頻率計算法計算結(jié)果在4—9月較改進(jìn)FDC法計算結(jié)果大，評價等級較高，改進(jìn)FDC法計算結(jié)果在10月至次年3月較逐月頻率計算法計算結(jié)果大，評價等級較高，故結(jié)合逐月頻率計算法和改進(jìn)FDC法的計算結(jié)果，選取2者之間評價等級較高、流量較大者作為河道適宜生態(tài)流量，結(jié)果見表4，從而得到最終的河道適宜生態(tài)流量。

表4 河道適宜生態(tài)流量過程 單位：m3/s

3 結(jié) 語

本文運(yùn)用的逐月頻率計算法和改進(jìn)FDC法充分考慮了河流的豐、平、枯天然水文情勢, 強(qiáng)調(diào)了生態(tài)徑流的過程性，具有同天然河川徑流過程一樣的逐月和年際豐枯變化特性，按照歷史歷時情況將適宜生態(tài)流量精確到月尺度，并運(yùn)用Tennant評價準(zhǔn)則對2種方法的計算結(jié)果進(jìn)行評價優(yōu)選，得到最終的河道適宜生態(tài)流量，計算結(jié)果在不同來水年份的不同時期保證了河流的不同水量,更有利于維持河流的生態(tài)健康，便于在水資源配置管理中參考和應(yīng)用。

本文通過對渾河大伙房水庫流域生態(tài)流量的研究，計算了豐、平、枯水年組適宜生態(tài)流量過程(表4)，計算的結(jié)果合理、符合河道不同生態(tài)需水流量過程對徑流的年內(nèi)動態(tài)需求。