改进的年内展布法在生态环境需水量计算中的应用

庄锦亮,廖海梅,曾德军

(1.西昌学院 土木与水利工程学院，四川 西昌 615000； 2.贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳 550025；3.中国电建集团 贵阳勘测设计研究院有限公司,贵州 贵阳 550025)

目前国外生态环境需水量的计算方法主要分为水文学法、水力参数法、栖息地模拟法及整体分析法。我国在生态环境需水量领域的研究起步较晚，河流水生生态资料缺乏，因而深入研究生态环境需水尚存在困难，目前主要从水文学的角度开展研究[1-2]。我国流域大多设有水文测站，具有较长年限的水文资料，对于部分无水文资料的小流域也可用水文比拟法、水文模型法等得到流域水文资料。因而从水文学的角度开展研究是可行的，也是以后从河流生物完整性方面深入研究的基础。目前国内水文学法计算生态环境需水量主要有不同频率最枯月平均值法、流量历时曲线法、近10 a最枯月平均流量法、Tennant法、频率曲线法等[3-8]。如何平衡人类用水需求与维系河流生态系统健康用水之间的矛盾，已成为当今河流管理者所面临的巨大挑战[9]。因而科学地确定河流生态环境需水量,是促进水资源的合理开发利用，保护河流生态系统健康的基础。

年内展布法是2013年潘扎荣等[10]提出的河道内基本生态环境需水的计算方法。该方法克服了以往水文学法取多年平均流量的特定比例的主观性，定量地研究生态环境需水量随河流水文情势的变化，但该方法不适合季节性河流以及无法避免极端水文条件的影响。目前多位学者提出了改进的年内展布法。范肖予等[11]提出年内同频率展布计算法，将一年的同期均值比根据河流水文情势划分为不同时段，根据划分的时段计算同期均值比，以适应季节性河流，但无法避免极端水文情况的影响；范博伟等[12]提出改进的年内展布法，只选取一定保证率范围内的径流资料。邓晓[13]提出的新的年内展布法，剔除径流极大值和极小值，但是两种方法均导致径流资料的完整性和代表性不足。

将潘扎荣[10]、范肖予[11]、范博伟[12]、邓晓[13]、赵然杭[14]、雷付春[15]提出的年内展布法的计算结果用Tennant标准进行评价，结果表明超过一半的方法在一般用水期评价结果为极差，鱼类产卵育幼评价结果为差中之间，不能较好地满足河道基本生态环境需水量。因此本文在现有年内展布法的基础上进行改进，使其更好地满足河道内基本生态环境需水，适应季节性河流的同时避免极端水文情势的影响。

1 改进的年内展布法

1.1 概念辨析

在生态环境需水的相关文献和实际使用中，目前国内出现了较多的概念。如生态需水、生态耗水、生态径流量、生态流量、生态环境流量、生态环境需水量等， 由于尚未形成统一的概念，经常被混用，相关学者也对概念进行了界定，这些概念的内涵是不同的[16-17]。还有部分学者将生态需水与环境需水进行了区分[18]。但是把生态环境需水分为河道内生态环境需水和河道外生态环境需水，是当前比较通行的一种分类方式[19]。生态环境需水是维系生态系统正常功能的用水量，具有阈值性，要根据不同的生态环境保护目标确定需水量[20]，反映自然、社会、经济对河流水量、水质和水生生境的综合要求[21]。结合以上分析，本文以生态环境需水量作为基本概念。

1.2 基本思路

由于不同流域和区域的差异性，以及生态保护目标不一致，制定统一的生态环境需水量计算标准存在一些不足。因此有必要对不同区域和流域进行生态环境需水差异化评估。生态环境需水量具有阈值性，要根据不同目标设定相应的需水水平。生态环境需水量与水文情势密切相关，具有随水文情势变化的动态特征[22-23]。本文以一般用水期维持河流基本生态环境功能，在水生生物繁殖、发育期为产卵、繁殖等提供基本空间为目标，使用改进的年内展布法计算每月河道内基本生态环境需水量。

河流生态环境需水的年际变化主要表现为丰、枯、平变化，用保证率来表示[18]。在非特殊气候条件下，具有90%保证率的流量能够维系河流基本生态环境功能以及满足水生生物对水量的基本需求[20]。同时对于季节性河流选取90%保证率多年各月的月径流量能够避免极端年份对计算结果的影响。河流年内变化主要表现为汛期和非汛期的差异[18]。因而根据流域径流特性将一年划分为汛期和非汛期可以较好地反应径流年内变化特征，适用于季节性河流。

1.3 计算过程

改进的年内展布法计算过程如下：

(1) 根据流域径流水文特性，将一年划分为汛期和非汛期；

(4) 计算汛期多年各月90%保证率的平均流量与汛期多年平均流量的比值，非汛期多年各月90%保证率的平均流量与非汛期多年平均流量的比值，分别作为同期均值比η1,η2；

2 实际应用

博阳河属于鄱阳湖水系，发源于江西省瑞昌市湖炎洞，河道长93.5 km，全流域面积1 220 km2，最终注入鄱阳湖。径流主要由降雨形成，流域径流年际和年内分配极不均匀，年径流极值比K=7.1，具有明显季节变化特征。汛期径流量占年径流量比重为64.7%。汛期为4～7月，非汛期为8月至翌年3月。梓坊水文站位于德安县聂桥乡梓坊村为博阳河控制站，控制面积626 km2，设于1956年，为国家基本站网点。

2.1 资料来源与处理

(1) 可靠性检查。梓坊水文站为国家基本站网点，水位、流量、降水量等均按照国家标准整编，资料具有可靠性。

(2) 代表性检查。梓坊水文站具有1957～2006年50 a的径流资料，生态流量在接近天然状态下满足水生生态的需水量。选择的水文数据应反映天然状态下河流水文情势，因此选用1957～1990年34 a的水文数据，根据累积平均值模比系数过程线，自1976年以后趋于稳定，说明选用的34 a的水文数据具有足够代表性，梓坊站径流年内分配如图1所示。

图1 梓坊站径流年内分配Fig.1 Annual distribution of runoff at Zifang Station

(3) 一致性检查。当径流受到人类活动等的影响较大时，前后序列的趋势将会显著不同。使用Mann-Kendall法，变量不一定要具有正态分布特征，少数异常值也不会对其产生影响，因而较适合于非正态分布的水文、气象数据相关性检验[24-25]。

使用Mann- Kendall法分别审查梓坊水文站径流年际和年内变化，年际变化根据年均流量，年内变化根据年内变异系数(月均流量的标准差除以年均流量)进行检验，该站多年各月流量变差系数如图2所示。

图2 梓坊站多年各月流量变差系数Fig.2 Cv of monthly discharge at Zifang Station

Mann-Kendall趋势检验的原理为，对于时间序列X，Mann-Kendall趋势检验的统计量如下：

(1)

式中：xj为时间序列的第j个数据值；n为数据样本的长度;sgn是符号函数，其定义如下:

(2)

Mann和 Kendall证明发现，当n≥8时，统计量S大致服从正态分布，其均值为0，方差为

(3)

式中：i是第ti组的数据点的数目。

标准化统计量，按照如下公式计算：

(4)

在趋势检验中，输入置信度水平α，若绝对值丨Z丨≥Z1-α/2，原假设不成立，即在置信度水平α上，时间序列数据增加或减小幅度较为明显。当Zc>0时表示增加幅度，当Zc<0时表示减小幅度，当丨Zc丨≥1.28，1.64，2.32时，说明分别通过了信度为90%，95%，99%的显著性检验。梓坊站径流年际和年内变化均无显著趋势检验(见表1)，说明资料一致性较好。

表1 梓坊站径流年际和年内变化趋势Tab.1 Annual and inter annual runoff trends at Zifang Station

2.2 计算结果

表2 同期均值比计算结果Tab.2 Result of mean ratio of the same period

表3 各月河道内基本生态环境需水量Tab.3 Basic environmental flow of each month

注：全年平均Qi为2.9m3/s，年均值比为21.6。

2.3 比较分析

将改进的年内展布法的计算结果与传统的年内展布法，及我国现行的SL/Z 712-2014《河湖生态环境需水计算规范》推荐的水文学方法、最小月平均流量法、Qp法、频率曲线法、流量历时曲线法进行比较，计算结果如表4所示。

表4 不同方法基本生态环境需水量计算结果Tab.4 Results of basic environmental flow by different method

博阳河流域有国家级水产种质资源保护区，主要保护对象有翘嘴鲌、黄颡鱼等，保护期为每年4～7月，因此将Tennant法进行修正，一般用水期为8月至翌年3月，产卵育幼期为4～7月。

通过图3和表5可知：传统的年内展布法和改进的年内展布法，河道内基本生态环境需水量的年内过程的趋势基本一致，改进的年内展布法计算得到的汛期和非汛期各月的生态环境需水量均大于传统的年内展布法，用Tennant法标准评价的等级一般用水期为中好之间，产卵育幼期为中好之间，传统的年内展布法Tennan法标准评价的等级一般用水期为很差，产卵育幼期为差中之间。

表5 不同方法计算基本生态环境需水量与Tennant评价标准对比Tab.5 Results of different methods compared with Tennant method

图3 不同方法基本生态环境需水量计算结果对比Fig.3 Compasion of basic environmental flow by different methods

最小月平均流量法与改进年内展布法相比，结果偏小，且不能表征径流的动态变化。

流量历时曲线法，取95%保证率多年各月平均流量作为生态需水量时，结果小于改进的年内展布法，且一般用水期Tennant法标准评价的等级为很差；取90%保证率多年各月平均流量作为生态环境需水量，结果与改进的年内展布法结果非常接近，但是改进的年内展布法一般用水期各月的生态流量更接近各月多年平均流量，符合水文情势变化，能更好地满足各月生态需求。

Qp法，取95%保证率或90%保证率各月多年平均流量作为生态需水量，结果均很小不能满足河道内基本生态环境需水量。频率曲线法计算得到的基本生态环境需水量与改进的年内展布法，年内趋势一致，但是Tennant法标准评价的等级一般用水期为很差。

因此将一年划分为汛期和非汛期，选用90%保证率多年各月平均流量，分别计算同期均值比，得到河道内基本生态环境需水量的改进的年内展布法，其计算结果比其他水文学方法更加合理，可用于季节性河流，弥补了传统年内展布法不适用于季节性河流的不足，同时避免极端水文情况的影响。

3 结论与展望

本文通过将一年分为汛期和非汛期，以90%保证率的多年各月平均流量和多年各月平均流量分别计算汛期和非汛期的同期均值比，根据多年各月平均流量和同期均值比计算各月生态环境需水量，对年内展布法进行改进。与传统的年内展布法进行对比，并用Tennant标准进行评价，改进的年内展布法的优点为：

(1) 改进的年内展布法，体现径流的年内变化过程，具有明显的的丰枯特性，符合水文情势，并且能够适用于季节性的河流；

(2) 改进的年内展布法，避免了极端水文情况对生态环境需水量计算结果的影响，同时能够满足河流基本生态环境功能及水生生物对水量的基本需求；

(3) 改进的年内展布法与传统的年内展布法及规范推荐的其他水文学方法对比，改进的年内展布法与流量历时曲线法取90%保证率多年各月平均流量时，评价结果一致，但是改进的年内展布法一般用水期各月河道内基本生态环境需水量变化趋势更接近各月多年平均流量，符合径流的年内变化，与其他水文学方法比对，改进的年内展布法评价结果均好于其他方法。

改进的年内展布法弥补了传统年内展布法不适用于季节性河流的不足，同时避免极端水文的影响。今后建议针对不同的区域和流域，开展生态环境需水量的差异化评估。