黑龍江省境內河流生態需水量計算方法研討

王青梅，吳明官

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

0 前 言

目前，黑龍江省在水工程規劃設計等過程中，按照《河湖生態環境需水計算規范(SL/Z 712—2014)》要求，推求目標河流上的水文站和工程地點生態環境需水量時，普遍對SL/Z 712—2014規范中推薦的排頻法、歷時曲線法、蒙大拿法等的認識和理解有一定的偏差，而且并不了解不同方法之間的關系及優缺點等，結果造成不必要的麻煩和浪費寶貴的工作時間。

2018年10月，黑龍江省水文局編制的《黑龍江省第三次水資源調查評價——水生態專項工作匯報(生態需水量)》審查過程中，也證實了這一點。因此，為了便于開展河湖生態環境需水計算工作，下面針對排頻法、歷時曲線法、蒙大拿法等多種方法進行研討，供大家參考[1]。

1 計算方法

河湖生態環境需水計算規范(SL/Z 712—2014)中，提出的常用方法有蒙大拿法、排頻法、歷時曲線法、歷年最小值法等，其中：蒙大拿法在黑龍江省水文局編制的《黑龍江省第三次水資源調查評價——水生態專項工作匯報(生態需水量)》中介紹的比較詳細，故在此不再重復介紹，特此說明。

1.1 排頻法

該方法又稱歷年最小值頻率計算法(簡稱：頻率計算法)，實用于實測徑流系列和天然徑流系列，計算系列長度為N年。歷年最小值的時段長，可以為月、旬、日；保證率P=80%、85%、90%、95%，根據目標河流的實際情況，可以取定值，也可以取變值。一般情況下，時段長為月時，保證率取P=90%[2-3]。

1.2 歷時曲線法

該方法又稱歷年逐時段(月、旬、日)徑流量保證率曲線法(簡稱：頻率曲線法)，也就是《黑龍江省第三次水資源調查評價——水生態專項工作匯報(生態需水量)》中稱：Qp法，實用于實測徑流系列，計算系列長度為M=N(年數)×T(時段數)。一般情況下，時段長為月時，保證率取P=95%。

常用的方法是歷年逐月徑流量保證率曲線法：計算系列長度為M=N(年數)×6。

1.3 歷年最小值法

該方法在SL/Z 712—2014規范中要求，近10a每年的最小枯水流量中，選擇最小值，作為生態基流量，故該成果往往偏小。因此，建議采用下面的方法(3a最小流量的平均值)更接近于其它方法的計算成果。

具體來說，歷年最小3a枯水流量的平均值，就是采用上述排頻法的實測徑流系列中，選擇3個最小流量的平均值作為生態基流量，該方法的計算成果比規范中推薦的方法代表性較好。

1.4 保證率關系

上述的排頻法(P排頻)和歷時曲線法(P歷時)的保證率關系分析如下：

P排頻=m/(N+1)×100%，P歷時=J/(N×T+1)×100%

(1)

式中：P排頻、P歷時分別為排頻法和歷時曲線法的經驗頻率(保證率)，N為計算系列長度(如：年限N=50a)，m、J分別為年最小系列排序號和歷年逐時段計算系列排序號；T為時段數，如：時段長度為月時，全年T=12、冰凍期(11月、12月、1-4月)T=6、暢流期(5-10月)T=6、汛期(6-9月)T=4等。

若P排頻/P歷時=1，則m/N=J/(N×T)，(N×T)/N=J/m，T=J/m，J=T×m。例如：當N=50a，保證率P=90%，時段長度為月時，暢流期T=6，近似求P排頻和P歷時，即m=P×(N+1)=90%×51=45.9(取整為45或46)，J=T×m=6×45=270(或取整為275)，P排頻=45(或46)/51×100%=88.2%(90.2%),P歷時=270(或275)/(50×6+1)×100%=89.7%(91.4%)。

1.5 分析與討論

綜上所述，歷年最小值法的計算成果最小，雖然沒有規定保證率，但是實際上，保證率往往>95%；歷時曲線法和排頻法的計算成果，在相同保證率的情況下，往往歷時曲線法中的方法3(最小值或平均值)成果與排頻法成果接近。因此，在實際工作中，各種方法應該取長補短，優勢互補，多種方法綜合比較后，合理選定較優成果為好。

1.5.1 蒙大拿法

下面重點分析和討論大家對蒙大拿法中平均流量的不同認識和理解，對最終成果的影響。

Tennant法也稱Montana法——蒙大拿法，以平均年流量百分比作為推薦流量，在不同的月份采用不同的百分比。

Tennant法適合于較大河流生態需水量計算，通常作為研究生態流量推薦值使用或作為其他方法的一種檢驗，簡單易操作，在中國應用較為普遍，也是在SL/Z 712—2014規范中推薦方法之一。

方法Ⅰ：分月組合法。

(2)

(3)

式中：W1為生態需水量，萬m3、億m3；Q1為生態基流量，m3/s；C為生態基流標準的平均流量百分比，%，查表2可得；K為單位日秒數(24×60×60=86400)；Tj為各月的總天數(如：1月31d，2月正常年28d、閏年29d)；T為計算期總天數；Qij為歷年逐月平均流量，m3/s；n、m分別表示計算年總數、計算期月總數。

方法Ⅱ：按年計算法。

(4)

(5)

Aj=Tj/T，A1+A2+A3+……+Aj+……+Am=1式中：Aj為各月的組合權重，其它符號同(1)式和(2)式。

下面證明方法Ⅰ和方法Ⅱ的關系：

(6)

1.5.2 歷時曲線法

從上述的各種方法中可以看出，歷時曲線法中的方法3與蒙大拿法中的方法Ⅰ、歷時曲線法中方法2與蒙大拿法中的方法Ⅱ，計算期多年平均徑流量的計算過程完全一致，而且采用歷時曲線法和蒙大拿法計算的多年平均徑流量成果相同。實際上，在只計算多年平均徑流量的情況下，方法2和方法3的計算成果相同或很接近，但是在計算期內，取某一個固定保證率的情況下，這兩種方法的計算成果并不相同，而且往往相差較大。

因此，當采用歷時曲線法時，建議采用方法1、方法2、方法3(又分最小值和平均值)推求生態基流量，然后多種方法的計算成果，經合理性、代表性、可靠性等綜合分析后，推薦較優成果為佳[4]。

2 計算期劃分

黑龍江省位于中溫帶和北溫帶(又稱：寒溫帶，漠河縣的部分區域)，屬于溫帶季風氣候區，四季分明，松嫩平原和三江平原地區多年平均年平均氣溫0-4℃，多年平均最低月平均氣溫-18--26℃。因此，黑龍江省屬于寒區和高寒區，其中：松嫩平原和三江平原地區屬于寒區，北部地區屬于高寒區(-30℃以下區域)。

根據黑龍江省地理位置、氣候、水文氣象、大中小型河流等自然地理和經濟社會發展情況，緊密結合黑龍江省水資源時空分布特點，建議將生態基流和生態需水量的計算期，即把全年劃分為暢流期和非暢流期。

在實際工作中，全省中小型河流，建議把全年劃分為汛前或灌溉臨界期(5月、6月)、主汛期(7月、8月)、汛后(9月、10月)、冰凍期(11月、12月、1-4月)。大型河流，建議把全年劃分為汛前或灌溉臨界期(5月、6月)、主汛期(7月、8月、9月)、汛后(10月)、冰凍期(11月、12月、1-4月)。

3 計算系列

根據長系列水文站的水文(徑流、降水)資料，采用差積曲線法、累積曲線法等多種系列代表性分析方法，論證本次采用徑流系列(如：1956-2016年、1980-2016年、1956-2000年)的代表性。

4 組合頻率

在上述的蒙大拿法中，已經證明了方法Ⅰ(分月組合法)和方法Ⅱ(按年計算法)的計算期內多年平均徑流量計算成果相等。同理，歷時曲線法中方法2和方法3的計算期內多年平均徑流量計算成果也相等。

因此，下面需要具體分析，在設計保證率確定的情況下，歷時曲線法中方法2和方法3的組合頻率關系。

首先，通過大家最常用的地區洪水組合方式，定性分析最簡單的甲乙兩項的組合關系。一般情況下，若把設計流域分成上、下兩部分，則上游為主洪水(10a一遇)與下游區間相應洪水(應<10a一遇)組合后，等于全流域的設計洪水(10a一遇)；或下游區間為主洪水(10a一遇)與上游相應洪水(應<10a一遇)組合后，也等于全流域的設計洪水(10a一遇)。

很顯然，上游為主洪水(10a一遇)與下游區間為主洪水(10a一遇)組合后，一定大于全流域的設計洪水(超10a一遇)。同樣的道理可知，上游為主年徑流量(保證率P=90%)與下游區間為主年徑流量(保證率P=90%)組合后，一定小于全流域的設計年徑流量(保證率P>90%)。

從此，可以得出如下的結論：

4.1 多年平均情況(P=50%)

從蒙大拿法的證明結論中可知，歷時曲線法中方法2(按年計算法)和方法3(分月組合法)，在計算期內推求多年平均徑流量的情況下，兩種方法的計算成果相同。因此，在計算期內推求保證率P=50%左右的平均徑流量時，兩種方法的計算成果較接近。歷時曲線法組合頻率示意圖，見圖1。

圖1 歷時曲線法組合頻率示意圖

4.2 保證率P<50%

歷時曲線法中方法2和方法3，詳見歷時曲線法組合頻率示意圖中的左半部分，在計算期內推求保證率P<50%平均徑流量的情況下(P2=P3=P)，方法3計算成果(Q3)大于方法2計算成果(Q2)，保證率P越小，兩種方法的平均流量差值就越大；反之，兩種方法的平均流量差值就越小。

另外，在取同一個平均流量(Q2=Q3=Q)的情況下，相應的保證率P，方法3(P3)大于方法2(P2)，保證率P越小，兩種方法的保證率差值就越大；反之，兩種方法的保證率差值就越小。

4.3 保證率P>50%

歷時曲線法中方法2和方法3，詳見歷時曲線法組合頻率示意圖中的右半部分，在計算期內推求保證率P>50%平均徑流量的情況下(P2=P3=P)，方法3計算成果(Q3)<方法2計算成果(Q2)，保證率P越大，兩種方法的平均流量差值就越大；反之，兩種方法的平均流量差值就越小。

另外，在取同一個平均流量(Q2=Q3=Q)的情況下，相應的保證率P，方法3(P3)<方法2(P2)，保證率P越大，兩種方法的保證率差值就越大；反之，兩種方法的保證率差值就越小。

4.4 水資源時空分布組合頻率

這里研討的水資源時空分布，主要指某流域內水文要素(水資源)的空間分布和時間分布，即可以為洪水、暴雨、徑流、降水等。通過上述歷時曲線法中方法2和方法3的分析結論中可以看出，對單站而言，生態基流的分月組合和按年計算，多年平均值雖然相等，但同一個保證率對應的計算成果并不相同，這個結論同樣適用于多站其它水文要素的組合情況。

因此，歷時曲線法組合頻率示意圖，同樣可以適用于洪水、暴雨、徑流、降水等組合情況，故該示意圖也可以稱：水文要素時空分布組合頻率示意圖。有了這一組合頻率示意圖就可以很容易解釋過去大家在實際工作中一直很困擾的一些老大難問題，如：設計排水區內既有平原區，又有山丘區、城區等情況時，設計排水流量的組合問題，該問題較復雜，在此不再敘述，詳細內容可以見參考資料[5]即可。

從上述的組合頻率分析結論中可知，在推求多年平均值情況下，水文要素無論是多站空間分布或單站時間分布上的組合問題，兩種途徑計算成果均相等，因此，在實際工作中任選其中的一個方法即可；但是在某一個固定保證率情況下，推求對應的水文要素成果時，具體問題應該具體分析后，慎重處理，否則會出現意想不到的問題，這是迄今為止還沒有徹底解決的問題，也是本次研討的關鍵問題，應該在今后的工作中引起足夠的重視為盼。

5 分析結論

為了在實際工作中，節省計算工作量和寶貴時間，并方便應用上述的多種方法，特進行了歸納和總結，供大家參考。

5.1 生態基流

采用歷時曲線法中的方法1，分別計算暢流期和非暢流期(冰凍期)的歷年逐月平均流量保證率曲線，然后分別推求保證率P=95%對應的暢流期和非暢流期月平均流量，分別作為暢流期和非暢流期(冰凍期)的生態基流量，即分別表示為Q暢和Q基。

再采用歷時曲線法中的方法1，計算灌溉臨界期的歷年逐月平均流量保證率曲線，然后推求保證率P=95%對應的灌溉臨界期月平均流量，若該平均流量小于暢流期平均流量Q暢，則生態基流量Q暢取灌溉臨界期月平均流量。

5.2 最小生態需水量

采用歷時曲線法中的方法3，分月(1-12月)繪制月平均流量保證率曲線，然后分別推求灌溉臨界期(汛前2個月)、主汛期(2個月或3個月)、汛后(2個月或1個月)、冰凍期(6個月)保證率P=95%對應的月平均流量，即分別表示為Q灌、Q汛、Q后、Q冰。若灌溉臨界期Q灌

再采用蒙大拿法分別計算暢流期(基流標準取中，C=20%)和冰凍期(基流標準取中，C=10%)生態需水量。若蒙大拿法暢流期生態需水量W蒙暢

總而言之，上述的暢流期和冰凍期兩個計算期最終成果相加后，可以作為年最小生態需水量(又稱：基本生態需水量)。