基于改進年內展布法的河流生態流量研究

田肖冉，姜 寧，施 巧，李德良，倪 鵬，劉 巖，王鑫鑫

（1.黑龍江大學水利電力學院，哈爾濱 150080；2.黑龍江省水利科學研究院，哈爾濱 150080）

0 引言

水在生態系統中扮演著重要的角色，它對于植物生長、動物繁衍生存都起著尤為重要的作用。因此，科學合理的確定河流的生態流量，不僅有利于水資源的合理利用，而且更能有效的保護水資源。

近年來，對于河流生態流量的研究已成為水利行業研究的熱點問題[1]，常用的計算方法分為水文學法、綜合法、棲息地模擬法和水力學法四大類[2-4]，其中，水文學法是我國最為常用的方法，它以歷史水文數據為基礎，較其他方法計算簡單方便，年內展布法就是其中的一種。生態流量的年內展布法是潘扎榮、阮曉紅等在2013 年河道基本生態需水的年內展布計算法[5]一文中提出的，年內展布法能夠體現河流的年內徑流量分布特點，但是由于該方法在12 個月份始終選取同一同期均值比來計算生態流量，故導致對季節性河流的計算中會產生較大偏差。因此，需要對年內展布法進行改進，國內目前主流的改進方案主要從替換多年平均月徑流量和分時段計算同期均值比兩個方面入手。其中，范肖予等提出的年內頻率展布法，將一年劃分為豐平枯3 個時期計算同期均值比[6]，但對于原年內展布法易受極端值的影響未得到改善；趙然杭等提出了將河道內90%保證率下的年徑流量代替各月最小徑流量的年均值的方法[7]，但該方法仍為采用單一同期均值比來計算全年生態流量；范博偉等根據徑流的季節性變化特點計算同期均值比[8]，取平均流量在5%～95%保證率之間的年份作為計算年份；鄧曉將各月分為汛期和非汛期，去除各月徑流系列中的極值后計算時段同期均值比[9]，以上兩種方法雖然避免了極端值的影響，但是計算中沒有涵蓋河流的所有徑流量資料；朱曄等也是采用分時段計算同期均值比的方法對原年內展布法進行了改進[10]，但改進后的年內展布法在7-9月的計算結果較原年內展布法得到較好的改善。

基于此，本文以90%保證率下各月的徑流量代替各月最小徑流量，避免極端情況下徑流量值對計算結果帶來的影響；并對原年內展布法依據季節、豐枯月份、徑流量3種標準劃分時段進行不同的改進，從中選擇合適的改進方法，使其計算結果的誤差變小，更符合河流的實際情況。

1 年內展布法及其改進

1.1 基本原理

年內展布計算方法根據流域水文站斷面獲取的長系列天然徑流量資料，從而計算長系列資料下各月最小徑流量的年均值-Qmin和多年平均月徑流量-Q，進而求得兩者之間的比值獲得同期均值比η，并以同期均值比系數結合各月多年平均徑流量-qj（j=1～12）進行計算，得到最終生態流量Qj=η qˉj。[11]其方法最核心的內容就是同期均值比的計算。

1.2 局限性

大部分的河流都有各自的流域特點和區域性特征，不同流域、區域的河流徑流量差異較大，因此，在對河流進行分析時，需要針對不同河流的水文特征進行因地制宜的研究。

年內展布法以天然徑流量為基礎，但由于河流本身的特點，有可能產生部分月斷流的情況，各月最小徑流量會受到極端徑流的影響，而在計算過程中未考慮多年徑流隨季節的變化特征，對于強季節性河流來說，該方法計算的結果可能存在較大偏差。

1.3 改進思路

針對原年內展布法的局限性，本文進行改進：

（1）以90%保證率下各月的徑流量代替各月最小徑流量。在一般氣候條件下，90%保證率下的河流徑流量能夠維持河流基本生態功能，以90%保證率下各月的徑流量代替各月最小徑流量還可以避免極端值的影響。

（2）選擇不同的同期均值比。本文通過對年內12 個月的徑流量按照表1進行不同劃分，進而分時段計算得出各時段的同期均值比。其中，根據北方河流的季節性按改進方法一將一年劃分為春夏秋冬四季4個時段[12]；根據黑龍江省豐枯月份判定方法按改進方法二將一年劃分為非汛期、汛期和冰凍期3個時段；根據河流徑流量特征按改進方法三劃分為豐平枯3個時段。

表1 3種改進方法的時段劃分Tab.1 Time division of three improved methods

同期均值比計算方法如下：

1.4 計算步驟

步驟一，對徑流資料進行可靠性、代表性和一致性的審查[12,13]。水文資料是水文分析計算的依據，它直接影響著工程設計的精度。因此，對于所使用的水文資料必須慎重的審查，即鑒定年徑流量資料的可靠性、一致性和代表性。

（1）資料可靠性的審查。檢查水文站獲取的資料是否真實可靠。

（2）資料代表性的審查。計算成果的精度取決于樣本對總體的代表性，代表性越高，抽樣誤差就越小。因此，資料的代表性審查對衡量頻率計算結果的精度具有重要意義。

（3）資料一致性的審查。資料的一致性要求組成系列的每個資料都具有同一成因，不同成因的資料不得作為一個統計系列。對于年徑流量系列而言，它的一致性是建立在氣候條件和下墊面條件的穩定性上的。

步驟二，根據獲取的多年徑流量資料，分別計算歷年來12個月的各月多年平均徑流量。

步驟三，確定90%保證率下各月的徑流量。根據已有的天然徑流資料，采用皮爾遜-Ⅲ型曲線分別對12 個月各月多年徑流量進行配線，首先通過61 年的徑流資料確定12 個月各月多年平均徑流量值、取Cs∕Cv=2，然后對曲線進行多次擬合，得到最好擬合效果下90% 保證率下各月的徑流量q90%,j。

步驟四，根據改進方法中時段的劃分，分別計算3種改進方法下各時段i的平均月徑流量和90%保證率下各時段i的平均月徑流量，從而計算各時段的同期均值比ηi。

2.1.1 流域概況

西北河是松花江下游左岸一級支流，發源于通河縣東南部祥順鎮北部山區，自西北向東南匯入松花江。河道全長74 km，流域面積880 km2。西北河流域位于中溫帶大陸性季風氣候區，流域四季分明：春季干燥多風，夏季炎熱多雨，秋季降溫急劇，冬季嚴寒漫長。此流域降水主要受季風影響，降水多集中在夏季，年內分配不均，6-9月降水量占年降水量的75%，其中7、8 兩月降水量占年降水總量的54%左右，降水的年際變化較大。

2.1.2 資料數據審查

（1）可靠性審查。西北河水文站設立于1958 年5 月，集水面積531 km2，具有長期監測資料，且持續觀測至今，資料可靠性較高。

（2）代表性審查。本次選取西北河水文站1956-2016年徑流量資料，進而繪制該站1-12 月各月徑流量累計均值模比系數年際變化曲線圖。由圖1 可知，自2010 年起，各月的徑流量累計均值模比系數大致穩定在數值1.0 左右[14]，說明西北河水文站1956-2016年61年的徑流量資料具有較好的代表性。

圖1 西北河水文站各月徑流累計均值模比系數曲線圖Fig.1 Curve of modulus ratio coefficient of cumulative mean value of monthly runoff of Northwest River Wen station

2 實例計算與分析

2.1 實例計算

以松花江支流西北河流域為例，選取西北河水文站斷面

（3）一致性審查。松花江支流西北河流域氣候條件穩定，且流域內無攔河壩、水電站、渠道、泵站等水利工程的影響。因此，西北河水文站徑流量資料一致性較好。

2.1.3 計算結果

根據西北河水文站1956-2016 年61 年的徑流量資料，按照前文所述計算步驟進行計算，得到3種改進方法下各月的生態流量，結果如表2所示。

表2 改進年內展布法的西北河水文站生態流量計算結果Tab.2 Calculation results of ecological flow of Northwest River Cultural Station Based on improved intra year distribution method

2.1.4 結果分析

3種改進后的年內展布法與原年內展布法計算的生態流量結果如圖2所示。

圖2 改進的年內展布法與原方法的西北河水文站生態流量對比Fig.2 Comparison of ecological flow of Northwest River cultural station between the improved intra year distribution method and the original method

由圖2 可知，除改進方法二在6 月計算得到的生態流量值較高外，3種改進方法計算得出的生態流量與原年內展布法計算得出的生態流量年內變化趨勢基本一致。

通過比較上述4種計算方法可知，計算得到的生態流量總體趨勢為：改進方法一＞改進方法三＞原年內展布法＞改進方法二。采用改進方法二計算得到的結果在非汛期（4-5 月、10-11 月）與原年內展布法計算得到的結果相同，在7-8 月計算得到的結果低于原年內展布法計算得到的結果，總體來看生態流量值較原年內展布法計算得到的結果低，其改進方法在此不適用，不予采用；采用改進方法三改進的年內展布法計算得到的生態流量值同原年內展布法相比各月之間均有所提高，予以采用；采用改進方法一計算得到的生態流量結果均高于原年內展布法計算得到的結果，其中，除在12-翌年3月之間改進效果稍低一些外，在其他月份之間改進效果均較高，尤其在7-8 月其計算結果較原年內展布法有了較大的提高，符合7-8月水量較多的特點，予以采用。綜合來看，運用改進方法一改進的年內展布法效果更好，更適用于西北河生態流量的計算，且計算結果符合北方河流季節性變化特征，本文選取改進方法一為改進的年內展布法。

2.2 改進方法驗證

通過3種改進的年內展布法與原年內展布法對比分析，以及改進的3種方法之間進行對比，選取改進效果最好的改進方法一作為本文改進的年內展布法，對其進行驗證。

2.2.1 改進后的年內展布法與Tennant法對比

Tennant 法又稱蒙大拿法，該法把生態流量劃分為8 個等級，又因為水生生物對環境的要求存在季節性差異，將情況分作10-翌年3 月（一般用水期）和4-9 月（用水高峰期）兩類討論，評價標準如表3所示[15,16]。

表3 Tennant法的生態流量評價標準 %Tab.3 Ecological flow evaluation criteria of Tennant method

依據Tennant 法評價標準，對改進后的年內展布法的計算結果進行評價，結果如表4所示。

由表4可知，在一般用水期，生態流量與多年平均月徑流量的比值由原年內展布法的0.49%～6.01%通過采用改進的年內展布法變為了1.91%～14.83%，Tennant法的評價結果由極差改進為極差～好；在用水高峰期，生態流量與多年平均月徑流量的比值由原年內展布法的5.51%～20.30%通過采用改進的年內展布法變為了11.95%～52.56%，Tennant 法的評價結果由原來的極差～中范圍變為了差～極好范圍。總體來看，相比較于原年內展布法對生態流量計算的結果，在這兩個時期均有了較好的改善，因此對年內展布法的改進是合理可行的。

表4 改進后的年內展布法及原年內展布法與Tennant評價標準對比Tab.4 Comparison between the improved intra year distribution method and the original intra year distribution method and Tennant evaluation standard

2.2.2 改進后的年內展布法與其他的計算結果對比

將改進方法一改進后的年內展布法得到的生態流量與逐月最小徑流法[16-18]及90%保證率法[19]比較，其結果如圖3 和表5所示。

圖3 多種方法計算的西北河水文站生態流量對比Fig.3 Comparison of ecological flow of Northwest River cultural station calculated by various methods

表5 改進的年內展布法與其他方法對比 m3/s Tab.5 Comparison between improved intra year distribution method and other methods

由圖3 和表5 可知，逐月最小徑流法的計算結果整體流量值較改進方法一過低，且在7-8月相差最大，不符合西北河在夏季徑流量大的特點，且無法滿足魚類繁衍生存的要求；90%保證率法在5-8 月之間的流量變化趨勢不符合圖4 西北河流域年內徑流量的變化特征，且5月生態流量過低，不能滿足生態用水的需求。綜合上述情況，本文選用改進方法一改進的年內展布法，其既符合西北河流域季節性變化的特點，又能夠滿足魚類繁衍生存的需求和河流生物生長的需要，能夠保障河流的基本生態功能。

圖4 西北河水文站徑流年內分配Fig.4 Annual distribution of runoff of Northwest River Wenhe station

3 結 論

本文通過劃分年內時段選取不同的同期均值比，對年內展布法進行了改進，主要得出以下結論：

（1）本文按不同方法劃分，運用3種方法對年內展布法進行了改進，將計算結果與原年內展布法對比可知，按豐枯月份判定方法劃分計算得到的結果與原年內展布法相比較差。因此，對于此劃分方法還需進一步驗證其適用性。

（2）本文以松花江支流西北河為例對改進的年內展布法進行計算，并對基礎資料進行了三性審查確保了資料的可靠性、一致性和代表性，同時，采用90%保證率下各月的徑流量代替各月最小徑流量，避免了極端值的影響，使其計算結果與實際情況更相符。

（3）本文選取河流季節性改進的年內展布法，對西北河流域進行生態流量計算。將改進的年內展布法與其他水文學方法（逐月最小徑流法、90%保證率法）進行對比，并結合Tennant 法進行了評價，結果表明，改進后的年內展布法更能體現河流的變化特征，更適用于北方河流生態流量的計算。