改進的年內展布法在生態環境需水量計算中的應用

莊錦亮,廖海梅,曾德軍

(1.西昌學院 土木與水利工程學院，四川 西昌 615000； 2.貴州大學 土木工程學院，貴州 貴陽 550025；3.中國電建集團 貴陽勘測設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550025)

目前國外生態環境需水量的計算方法主要分為水文學法、水力參數法、棲息地模擬法及整體分析法。我國在生態環境需水量領域的研究起步較晚，河流水生生態資料缺乏，因而深入研究生態環境需水尚存在困難，目前主要從水文學的角度開展研究[1-2]。我國流域大多設有水文測站，具有較長年限的水文資料，對于部分無水文資料的小流域也可用水文比擬法、水文模型法等得到流域水文資料。因而從水文學的角度開展研究是可行的，也是以后從河流生物完整性方面深入研究的基礎。目前國內水文學法計算生態環境需水量主要有不同頻率最枯月平均值法、流量歷時曲線法、近10 a最枯月平均流量法、Tennant法、頻率曲線法等[3-8]。如何平衡人類用水需求與維系河流生態系統健康用水之間的矛盾，已成為當今河流管理者所面臨的巨大挑戰[9]。因而科學地確定河流生態環境需水量,是促進水資源的合理開發利用，保護河流生態系統健康的基礎。

年內展布法是2013年潘扎榮等[10]提出的河道內基本生態環境需水的計算方法。該方法克服了以往水文學法取多年平均流量的特定比例的主觀性，定量地研究生態環境需水量隨河流水文情勢的變化，但該方法不適合季節性河流以及無法避免極端水文條件的影響。目前多位學者提出了改進的年內展布法。范肖予等[11]提出年內同頻率展布計算法，將一年的同期均值比根據河流水文情勢劃分為不同時段，根據劃分的時段計算同期均值比，以適應季節性河流，但無法避免極端水文情況的影響；范博偉等[12]提出改進的年內展布法，只選取一定保證率范圍內的徑流資料。鄧曉[13]提出的新的年內展布法，剔除徑流極大值和極小值，但是兩種方法均導致徑流資料的完整性和代表性不足。

將潘扎榮[10]、范肖予[11]、范博偉[12]、鄧曉[13]、趙然杭[14]、雷付春[15]提出的年內展布法的計算結果用Tennant標準進行評價，結果表明超過一半的方法在一般用水期評價結果為極差，魚類產卵育幼評價結果為差中之間，不能較好地滿足河道基本生態環境需水量。因此本文在現有年內展布法的基礎上進行改進，使其更好地滿足河道內基本生態環境需水，適應季節性河流的同時避免極端水文情勢的影響。

1 改進的年內展布法

1.1 概念辨析

在生態環境需水的相關文獻和實際使用中，目前國內出現了較多的概念。如生態需水、生態耗水、生態徑流量、生態流量、生態環境流量、生態環境需水量等， 由于尚未形成統一的概念，經常被混用，相關學者也對概念進行了界定，這些概念的內涵是不同的[16-17]。還有部分學者將生態需水與環境需水進行了區分[18]。但是把生態環境需水分為河道內生態環境需水和河道外生態環境需水，是當前比較通行的一種分類方式[19]。生態環境需水是維系生態系統正常功能的用水量，具有閾值性，要根據不同的生態環境保護目標確定需水量[20]，反映自然、社會、經濟對河流水量、水質和水生生境的綜合要求[21]。結合以上分析，本文以生態環境需水量作為基本概念。

1.2 基本思路

由于不同流域和區域的差異性，以及生態保護目標不一致，制定統一的生態環境需水量計算標準存在一些不足。因此有必要對不同區域和流域進行生態環境需水差異化評估。生態環境需水量具有閾值性，要根據不同目標設定相應的需水水平。生態環境需水量與水文情勢密切相關，具有隨水文情勢變化的動態特征[22-23]。本文以一般用水期維持河流基本生態環境功能，在水生生物繁殖、發育期為產卵、繁殖等提供基本空間為目標，使用改進的年內展布法計算每月河道內基本生態環境需水量。

河流生態環境需水的年際變化主要表現為豐、枯、平變化，用保證率來表示[18]。在非特殊氣候條件下，具有90%保證率的流量能夠維系河流基本生態環境功能以及滿足水生生物對水量的基本需求[20]。同時對于季節性河流選取90%保證率多年各月的月徑流量能夠避免極端年份對計算結果的影響。河流年內變化主要表現為汛期和非汛期的差異[18]。因而根據流域徑流特性將一年劃分為汛期和非汛期可以較好地反應徑流年內變化特征，適用于季節性河流。

1.3 計算過程

改進的年內展布法計算過程如下：

(1) 根據流域徑流水文特性，將一年劃分為汛期和非汛期；

(4) 計算汛期多年各月90%保證率的平均流量與汛期多年平均流量的比值，非汛期多年各月90%保證率的平均流量與非汛期多年平均流量的比值，分別作為同期均值比η1,η2；

2 實際應用

博陽河屬于鄱陽湖水系，發源于江西省瑞昌市湖炎洞，河道長93.5 km，全流域面積1 220 km2，最終注入鄱陽湖。徑流主要由降雨形成，流域徑流年際和年內分配極不均勻，年徑流極值比K=7.1，具有明顯季節變化特征。汛期徑流量占年徑流量比重為64.7%。汛期為4～7月，非汛期為8月至翌年3月。梓坊水文站位于德安縣聶橋鄉梓坊村為博陽河控制站，控制面積626 km2，設于1956年，為國家基本站網點。

2.1 資料來源與處理

(1) 可靠性檢查。梓坊水文站為國家基本站網點，水位、流量、降水量等均按照國家標準整編，資料具有可靠性。

(2) 代表性檢查。梓坊水文站具有1957～2006年50 a的徑流資料，生態流量在接近天然狀態下滿足水生生態的需水量。選擇的水文數據應反映天然狀態下河流水文情勢，因此選用1957～1990年34 a的水文數據，根據累積平均值模比系數過程線，自1976年以后趨于穩定，說明選用的34 a的水文數據具有足夠代表性，梓坊站徑流年內分配如圖1所示。

圖1 梓坊站徑流年內分配Fig.1 Annual distribution of runoff at Zifang Station

(3) 一致性檢查。當徑流受到人類活動等的影響較大時，前后序列的趨勢將會顯著不同。使用Mann-Kendall法，變量不一定要具有正態分布特征，少數異常值也不會對其產生影響，因而較適合于非正態分布的水文、氣象數據相關性檢驗[24-25]。

使用Mann- Kendall法分別審查梓坊水文站徑流年際和年內變化，年際變化根據年均流量，年內變化根據年內變異系數(月均流量的標準差除以年均流量)進行檢驗，該站多年各月流量變差系數如圖2所示。

圖2 梓坊站多年各月流量變差系數Fig.2 Cv of monthly discharge at Zifang Station

Mann-Kendall趨勢檢驗的原理為，對于時間序列X，Mann-Kendall趨勢檢驗的統計量如下：

(1)

式中：xj為時間序列的第j個數據值；n為數據樣本的長度;sgn是符號函數，其定義如下:

(2)

Mann和 Kendall證明發現，當n≥8時，統計量S大致服從正態分布，其均值為0，方差為

(3)

式中：i是第ti組的數據點的數目。

標準化統計量，按照如下公式計算：

(4)

在趨勢檢驗中，輸入置信度水平α，若絕對值丨Z丨≥Z1-α/2，原假設不成立，即在置信度水平α上，時間序列數據增加或減小幅度較為明顯。當Zc>0時表示增加幅度，當Zc<0時表示減小幅度，當丨Zc丨≥1.28，1.64，2.32時，說明分別通過了信度為90%，95%，99%的顯著性檢驗。梓坊站徑流年際和年內變化均無顯著趨勢檢驗(見表1)，說明資料一致性較好。

表1 梓坊站徑流年際和年內變化趨勢Tab.1 Annual and inter annual runoff trends at Zifang Station

2.2 計算結果

表2 同期均值比計算結果Tab.2 Result of mean ratio of the same period

表3 各月河道內基本生態環境需水量Tab.3 Basic environmental flow of each month

注：全年平均Qi為2.9m3/s，年均值比為21.6。

2.3 比較分析

將改進的年內展布法的計算結果與傳統的年內展布法，及我國現行的SL/Z 712-2014《河湖生態環境需水計算規范》推薦的水文學方法、最小月平均流量法、Qp法、頻率曲線法、流量歷時曲線法進行比較，計算結果如表4所示。

表4 不同方法基本生態環境需水量計算結果Tab.4 Results of basic environmental flow by different method

博陽河流域有國家級水產種質資源保護區，主要保護對象有翹嘴鲌、黃顙魚等，保護期為每年4～7月，因此將Tennant法進行修正，一般用水期為8月至翌年3月，產卵育幼期為4～7月。

通過圖3和表5可知：傳統的年內展布法和改進的年內展布法，河道內基本生態環境需水量的年內過程的趨勢基本一致，改進的年內展布法計算得到的汛期和非汛期各月的生態環境需水量均大于傳統的年內展布法，用Tennant法標準評價的等級一般用水期為中好之間，產卵育幼期為中好之間，傳統的年內展布法Tennan法標準評價的等級一般用水期為很差，產卵育幼期為差中之間。

表5 不同方法計算基本生態環境需水量與Tennant評價標準對比Tab.5 Results of different methods compared with Tennant method

圖3 不同方法基本生態環境需水量計算結果對比Fig.3 Compasion of basic environmental flow by different methods

最小月平均流量法與改進年內展布法相比，結果偏小，且不能表征徑流的動態變化。

流量歷時曲線法，取95%保證率多年各月平均流量作為生態需水量時，結果小于改進的年內展布法，且一般用水期Tennant法標準評價的等級為很差；取90%保證率多年各月平均流量作為生態環境需水量，結果與改進的年內展布法結果非常接近，但是改進的年內展布法一般用水期各月的生態流量更接近各月多年平均流量，符合水文情勢變化，能更好地滿足各月生態需求。

Qp法，取95%保證率或90%保證率各月多年平均流量作為生態需水量，結果均很小不能滿足河道內基本生態環境需水量。頻率曲線法計算得到的基本生態環境需水量與改進的年內展布法，年內趨勢一致，但是Tennant法標準評價的等級一般用水期為很差。

因此將一年劃分為汛期和非汛期，選用90%保證率多年各月平均流量，分別計算同期均值比，得到河道內基本生態環境需水量的改進的年內展布法，其計算結果比其他水文學方法更加合理，可用于季節性河流，彌補了傳統年內展布法不適用于季節性河流的不足，同時避免極端水文情況的影響。

3 結論與展望

本文通過將一年分為汛期和非汛期，以90%保證率的多年各月平均流量和多年各月平均流量分別計算汛期和非汛期的同期均值比，根據多年各月平均流量和同期均值比計算各月生態環境需水量，對年內展布法進行改進。與傳統的年內展布法進行對比，并用Tennant標準進行評價，改進的年內展布法的優點為：

(1) 改進的年內展布法，體現徑流的年內變化過程，具有明顯的的豐枯特性，符合水文情勢，并且能夠適用于季節性的河流；

(2) 改進的年內展布法，避免了極端水文情況對生態環境需水量計算結果的影響，同時能夠滿足河流基本生態環境功能及水生生物對水量的基本需求；

(3) 改進的年內展布法與傳統的年內展布法及規范推薦的其他水文學方法對比，改進的年內展布法與流量歷時曲線法取90%保證率多年各月平均流量時，評價結果一致，但是改進的年內展布法一般用水期各月河道內基本生態環境需水量變化趨勢更接近各月多年平均流量，符合徑流的年內變化，與其他水文學方法比對，改進的年內展布法評價結果均好于其他方法。

改進的年內展布法彌補了傳統年內展布法不適用于季節性河流的不足，同時避免極端水文的影響。今后建議針對不同的區域和流域，開展生態環境需水量的差異化評估。