河道生态基流量的新年内展布计算法

邓晓

摘要：为最大限度地满足河流的季节性生态水文需求，提出用于计算河道生态基流量的新年内展布计算法。该方法以河流天然径流数据为输入，在剔除各月径流量极值的基础上，以汛期、非汛期两时段量化“时段同期均值比”，并结合多年平均月径流过程、最小月平均径流过程，计算河道生态基流量。太子河流域南甸站、本溪站的计算结果显示，新年内展布计算法得出的生态基流过程较其他方法在形态上与各月多年平均径流过程更为相似，其水量不仅符合河流对径流的季节性动态需求，而且有利于河流生态环境的可持续发展。

关键词：河道生态基流量;新年内展布计算法;时段同期均值比;太子河流域

中图分类号：TV213.4

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.03.015

水资源是维持河流生态健康可持续的基础，如何合理地确定河道生态基流量一直是生态水文学研究的热点之一[l]。目前，水文学法是最常用的河道生态基流量计算方法，但其无法真实展现水文情势的年内动态变化过程，同时其生态学意义模糊[2]。因此，研究新的河道生态基流量计算方法具有重要意义。

目前，河道生态基流量计算方法方面的研究成果较多[3-5].其中比较有代表性的有两种：为满足河流水文过程对径流的年内动态需求，潘扎荣等[4]提出了年内展布法：为弥补年内展布法采用“同一年均值比”的不足，提高季节性特征明显的河流生态基流量计算精度，范肖予等[5]在年内展布法的基础上，提出了年内同频率展布计算法。尽管上述两种方法在一定程度上弥补了水文学法以多年平均径流量的特定百分比计算河道生态基流量的不足[4]，但均无法避免各月出现的极丰、极枯这两种极端径流量对计算结果的影响。同时，年内展布法采用“同一年均值比”，其成果难以最大限度满足河流的季节性生态水文需求：年内同频率展布计算法分别取丰、平、枯水段的3个“时段同一均值比”，也与水利工程中应用最为广泛的Tennant法的划分时段存在偏差，在实际应用时不够简便快捷。鉴于此，笔者尝试提出一种新的年内展布计算法，并将其用于计算我国东北地区的太子河流域河道生态基流量，同时与年内展布计算法、年内同频率展布计算法和Tennant法的计算结果进行比较，结果显示新年内展布计算法计算结果较其他方法能最大限度地满足河流的季节性基本生态需求，并在一定程度上避免极端径流事件的发生，对维持河流生态环境健康持续发展更加有利，在工程应用上更为便捷。

1 相关概念及内涵

1.1 生态基流量

河流生态需水量是指在特定的时空条件下，为满足河流发挥输沙、自净和渗漏等各项功能所需要的水量总称[4]。生态基流量则是河流维持其基本生态环境功能，避免断流或生态环境萎缩，河道长期（尤其是枯水期）必须保留的最小水量[6]。对于河流而言，保证其生态基流量，一方面能够保持河流在垂向和横向上的连通性，促进河流中各项信息流和能量流的输移和循环，另一方面可以维持河道结构的完整性，塑造出秀丽的水景观，一定程度上提高人类的生活品质。

1.2 时段同期均值比

随河流水文过程的周期节律，河道生态基流量常表现出一定的时空特征[7]，从支流到干流、从上游至河口，地貌、经济和水文条件沿程变化，进而河道生态基流量出现区域差异。另外，年内汛期水多、非汛期水少，河流水生生物洄游、繁殖等的需水量也在时间上呈动态变化。

考虑河流生态在年内对水量的动态需求，并与水利工程上现行的生态需水计算方法（Tennant法）和相关规范、标准相衔接，将年内分为汛期、非汛期，以河流天然径流过程，计算时段同期均值比叼，基于相应的时段多年平均径流量，计算各月河道生态基流量。

2 新年内展布计算法

根据流域特性和气候条件，将各月分为汛期和非汛期，以人类活动影响较小的实测径流或天然径流为基础，去除各月径流系列中的最大值和最小值，计算时段多年平均径流量、时段最小平均径流量和时段同期均值比，以时段多年平均径流量为基准，计算河道生态基流量的年内分布（展布）过程。新年内展布计算法主要步骤如下。

（1）计算时段多年平均径流量。在剔除年内各月极值径流数据的基础上，分别计算年、汛期和非汛期的多年平均径流量，计算公式为

3 实例分析与讨论

3.1 计算过程

3.1.1 资料情况

太子河是辽河一级支流，自东北向西南横贯辽宁省，河长413 km，流域面积13 883 km²[8]。太子河流域河川径流主要来源于降水，具有明显的季节性变化特征。本文以太子河源头的南甸站和中游的本溪站为典型断面，应用新年内展布计算法计算河道生态基流量。采用的站点资料见表1。

3.1.2 径流特性

太子河属于典型的季節性河流，流域年内各月径流量存在显著差异。南甸站以上人类活动影响较小，本溪站以上的观音阁水库（库容为21. 68亿m³）于1994年汛后开始蓄水[8]。南甸站、本溪站径流年内分配过程分别见图1和图2。可以看出，径流年内分配极不均匀，主要集中在汛期（6-9月）[9]。其中：南甸站汛期径流总量（1186万m³）占全年的75.8%，最大月径流量（527万m3）是最小月径流量（6.86万m³）的76.8倍;本溪站汛期径流总量（4 243万m³）占全年的71.6%，最大月径流量（1 780万m³）是最小月径流量（40.5万m³）的44.0倍。

3.1.3 生态基流

太子河流域汛期为6-9月，非汛期为10月一次年5月。运用式（1）、式（2）依次计算各月多年平均径流量q1、汛期多年平均径流量Q1、非汛期多年平均径流量Q2、汛期最小平均径流量Qmin1和非汛期最小平均径流量Qmin2;运用式（3），以时段最小平均径流量与对应时段多年平均径流量的比值，得到汛期、非汛期的时段同期均值比η1、η2;最后，以汛期、非汛期多年平均径流量Q，、Q2与对应的同期均值比η1、η2的乘积，求得南甸站和本溪站年内各月河道生态基流过程。

太子河流域南甸站、本溪站河道年内各月生态基流的中间变量值汇总见表2，两站年内各月河道生态基流过程见表3。

3.2 结果分析

3.2.1 与两种年内展布计算法结果对比

基于太子河流域南甸站、本溪站同期径流资料，在不剔除、剔除年内各月径流量极值的前提下，运用年内展布计算法[4]和年内同频率展布计算法[5]，分别计算各站河道生态基流量，并与各站年内各月最小月平均径流过程、河道生态基流过程绘制在一起，见图3和图4。

由图3和图4可以看出：3种年内展布法得出的河道生态基流过程基本一致，新年内展布计算法得出的汛期各月生态基流量均小于其他两种年内展布法的计算值，非汛期4-5月的生态基流量均大于其他两种年内展布法的计算值，其余月份的3种方法计算值差别不大：与最小月平均径流过程相比，对于汛期，当不剔除各月径流量极值时，8月的最小月平均径流量明显大于3种年内展布法的计算值，其余月份的最小月平均径流量稍小：当剔除各月径流量极值时，各月最小平均径流量均小于3种年内展布法的计算值：对于非汛期，3种年内展布法计算值与各月最小月平均径流量存在一定的差别，但各月差值相对较小。

在年径流总量相等的情况下，剔除月径流量极值的3种年内展布法能够为汛期河道预留更多的生态基流量，从而避免各月最小月平均径流事件的发生，有利于维持河流生态环境的健康稳定：非汛期的10月一次年3月，最小月平均径流量变化过程与3种生态基流变化过程相差不大，河流此时经历结冰一封冻一融冰的变化过程，河流生态环境对水量多少的敏感性较弱，3月以后气温回升，河流中水生物（尤其是鱼类）开始洄游、产卵，此时需要更多的水量，而新年内展布计算法的计算值能够最大限度地提高河流中的水量，对水生物更加有利。另外，新年内展布计算法得出的生态基流过程不仅与各月多年平均径流过程在形态上更加接近，而且能体现出河道生态基流随季节更替而不断发生“枯一丰一枯”的循环交替变化。

因此，将年内1-12月划分为汛期、非汛期，在剔除各月径流量的极值以后，各时段采用不同的均值比，并以时段多年平均径流量和最小径流量为标准，建立的新年内展布计算法更适合季节性特征明显的北方河流河道生态基流计算。

3.2.2 与Tennant法结果对比

Tennant法[10]是由Tennant提出的用于计算和评价河流生态径流的方法，一般将年内划分为4-9月和10月一次年3月两个时段，并依据河流流量状况分为多个评价等级。田景环等[11]以径流系列的中位数替代平均值，将年内划分为汛期和非汛期，对Tennant法进行了改进。

以往的水利工程一般多用Tennant法计算河道生态基流量，其中：汛期的河道生态基流量取多年平均径流量的30%，非汛期的则取多年平均径流量的10%。基于太子河流域汛期、非汛期对应的时段，本文将Tennant法评价时段做相应修正，结果见表4[10]。

为进一步分析新年内展布计算法得出的河道生态基流量的合理性，将得出的南甸站、本溪站河道生态基流过程及两站年内各月的最小月平均径流过程与修正后的Tennant法的评价结果对比，见表5。

由表5可以看出，用修正的Tennant法对新年内展布计算法得出的汛期、全年河道生态基流量占其多年平均径流量百分比值的评价结果与对应的汛期、全年最小月平均径流量的评价结果基本一致，而用修正的Tennant法对新年内展布计算法得出的非汛期生态基流量占其多年平均径流量百分比的评价结果则稍好于非汛期最小月平均径流量的评价结果。以南甸站为例，其汛期、非汛期和全年的河道生态基流量占其多年平均径流量的百分比分别为9. 2%、10.2%和9.4%，均高于相应的最小月平均径流量占其多年平均径流量的比值（5.7%、9.0%和6.5%）。可见，新年内展布计算法得出的河道生态基流过程对应的流速、水深能为水生物提供更好的栖息繁衍条件，更有利于河流生态系统的可持续发展。

4 结语

（1）将年内划分为汛期、非汛期，剔除各月径流量极值，并采用不同时段同期均值比的新年内展布计算法，可在一定程度上避免特殊年份的极端径流值对计算结果的影响，其生态基流过程在年内分配形态上更接近年内各月多年平均径流过程，更适用于季节性特征明显的北方河流河道生态基流计算。

（2）利用新年内展布计算法计算的太子河流域南甸水文站、本溪水文站的河道生态基流过程，其对应的修正后的Tennant法评价结果稍好于各站的最小月平均径流过程，可满足水生物对径流的动态需求。同时，这也验证了本文建立的新年内展布计算法是合理的，该方法不仅具有一定的生态学意义，还能够满足河流生态环境及水生物对径流的季节性年内过程和水量的需求。

参考文献：

[1]陆建宇，陆宝宏，王猛，等，沂河流域河流生态需水研究[J].水资源保护，2015，31（3）：67-72.

[2] 彭涛，陈晓宏，王高旭，等，基于湿周法的河道最小生态需水量多目标评价模型[J].水利水电科技进展，2012，32（5）：6-10.

[3]郭利丹，夏自强，林虹，等，生态径流评价中的Tennant法應用[J].生态学报，2009，29（4）：1787-1792.

[4]潘扎荣，阮晓红，徐静，等，河道基本生态需水的年内展布计算法[J].水利学报，2013，44（1）：119-126.

[5] 范肖予，肖娟，白露，等.河道生态基流量的年内同频率展布计算法[J].水电能源科学，2017，35（3）：24-26.

[6] 李怀恩，岳思羽，河道生态基流的功能及价值研究：以渭河宝鸡段为例[J].水力发电学报，2016，35（ 11）：64-73.

[7] 徐志侠.河流与湖泊生态需水研究[D].南京：河海大学，2005：26.

[8] 王丁明，太子河水库建设对水文情势影响与环境流量研究[D].唐山：河北联合大学，2012：13.

[9]赵洪武，范宏，太子河流域汛期水资源利用研究[J].东北水利水电，2003，21（11）：9-10.

[10]TENNANT D L. Instream Flow Regimens for Fish，Wildlife. Recreation and Related Environmental Resources[J]. Fisheries， 1976，l（4）：6-10.

[11] 田景环，余玲，孙晗含，等.生态径流Tennant法的改进与应用[J].人民黄河，2011，33（4）：68-69。