大连地区季节性缺水河流逐月生态保障率的设定和应用

梁中华

(辽宁省大连水文局，辽宁 大连 116023)

河流流量最下阈值即为其生态基流，在流域水资源调配和河流生态健康维持方面具有重要的作用[1]。河道生态需水即要保证其水量又要对其水质进行保障。由于需要对人类活动和区域河流水生态进行有效平衡，需对河流生态最低目标进行设定，生态基流即为满足河流生态最低目标的河道水量[2]。北方地区河流大都呈现季节性缺水，进入枯水期后，其水量很难得到有效保证。近些年来，有些研究成果表明[3-6]，通过生态基流的配置可以有效接近北方河流由于季节性缺水引起的众多水生态问题。当前对于河道生态基流的研究成果较多[7-12]，但对于季节性缺水河流水生态流量研究成果还较少。高玉琴[13]等针对南方季节性缺水河流的特点，提出改进的逐月保证率方法对南方季节性缺水河流的生态流量进行研究。但由于南方和北方地区河流特点差异较大，而北方地区季节性缺水河流的水生态流量对于河流水生态保护意义更为重大，为此本文结合逐月保证率方法，以大连地区季节性缺水河流为实例，基于逐月生态保障率评价指标体系，以河流水功能区划、水生态保护、生境条件以及河流时态作为评价指标，对大连地区季节性缺水河流进行逐月生态保障率的设定。研究成果可为北方缺水型河流水生态调控提高更为科学的参考依据。

1 逐月保证率设定方法

在流量历时曲线基础上对河流逐月生态保证率进行设定，其主要计算步骤为：

步骤1：建立分析的径流数据序列，序列长度高于20年，需要对资料数据序列的可靠性进行审查。

步骤2：对各月径流数据进行排序，并利用P-III曲线进行设计频率下的流量推求，对流量月历时曲线进行绘制。频率的计算方程为：

(1)

式中，p—流量频率；n—样本总年数；m—所在排位。

步骤3：对应流量从流量历时曲线进行推求，生态基流设计过程为月尺度，一般按照四季定性较为简单的方式进行保证率的设定，或者不同保证率按汛期和非汛期进行设定，对于北方地区河流其保证率在汛期一般设定为65%～75%之间，保证率汛期一般低于50%。针对传统保证率设置较为简单的局限，为充分考虑河道不同月份水环境状况、水生态保护目标，通过建立评估指标体系建立逐月生态保证率设定模型。评估模型主要包括河流水功能区水质保障目标，一般而言V类水质很难保证河流水生态健康。第二类是河流水生态保护目标，一般对于缺水性河流一般都以水功能区作为其主要水生态保护目标，其次为栖息水生生物。第三类为河流生态环境条件，一般认为4—6月为主要鱼类产卵期，1—3月及11—12月为鱼类生长和成熟期。第四类为河流时态，主要表征为汛期水量较为充沛可以维持河流生态健康稳定。各类目标评价指标体系见表1。

表1 逐月生态保证率设定评价指标体系

步骤4：北方季节性河流不同月份对其生态系统维持程度有所区别，因此在评价指标体系构建的基础上，采用逐月生态保证率模型对其进行评价，评价方程为：

(2)

式中，E—不同月份生态保证率评估值；wi—各指标评估权重值；ri—评估指标值；m—评估指标的总数。

步骤5：在评估模型构建的基础上，按照河流季节性水量变化特点结合其水功能区生态目标，对其不同保证率进行细化，本文划分为6个评价等级，其等级对应的生态保证率分别为85%、75%、65%、55%、45%、30%。12个月份中最小评估值作为其评价最小值。

步骤6：对各评估指标权重进行计算，为降低评估指标设置的主观性，本文采用AHP耦合熵权值方法对其指标权重进行计算，计算方程为：

(3)

式中，wi1，wi2—评估指标的主观和客观权重。

步骤7：对各因子的隶属度进行评价，若河流时态属于汛期月份，则该月份不能为非汛期时态，若属于鱼类成熟期，则不属于产卵期和育幼期，河道生态目标按照最高级来进行设定。可以得到各评估指标的隶属度矩阵R=rpq，若评估月份属于对应的类别项，则rpq=1，否则等于0。其中p和q分别表示为评价指标个数、已评价月份。

步骤8：按照主观和客观权重进行组合赋值，对其权重向量U进行确定，按照加权平均算法对其进行全部指标的综合评估，评估方程为：

E=UR

(4)

式中，E—各月生态保证率评估值。

2 实例应用

2.1 研究区域概况

本文以大连地区碧流河流域为研究实例，碧流河是辽宁省大连、营口地区最大河流，地理位置为北纬39°24′～40°20′，东经122°10′～122°53′。碧流河流域降水的年内分配极不均匀，降水主要集中在6—9月，尤其集中在7—8月。流域内有一座大型水库为碧流河水库，为流域内主要控制水利工程。流域地表水资源量较为充沛，但是存在明显的季节变化特点，汛期水量占全年总水量的比重高达70%以上，进入非汛期后水量锐减。碧流河冬季较为寒冷，季节性气候具有明显的差异，冬季时间较长，夏季是雨季较为集中的季节，5—7月份是碧流河流域鱼类产卵的最佳时期，鱼类活跃期主要为8月，河道冰冻期主要集中在每年12月到次年3月。为对碧流河天然条件下的径流量进行还原，采用同倍比方法对碧流河水库以及水库下游到碧流河出海口断面流量进行还原处理，从而使得碧流河生态需水更为准确及合理。碧流河流域不同月份天然条件下的径流量和流量月平均值见表2。

表2 碧流河流域不同月份天然条件下的径流量和流量月平均值

2.2 碧流河生态保证率评估指标权重分析

按照大连地区水功能划分结构，碧流河水质目标主要为III类水质，因此选这III类水质x13作为水功能评估指标，由于碧流河流域没有任何珍稀国家级保护鱼类和水生生物，因此水生态保护目标本文未予考虑。5—7月是碧流河流域是鱼类产卵的最佳时期，鱼类活跃期主要为8月。碧流河汛期主要为6—9月，非汛期为10月到次年5月。按照前面所述组合权重计算方法对碧流河流域不同生态保证率条件下的权重组合值进行计算，计算结果见表3。

表3 不同生态保证率下权重组合值计算结果

2.3 不同保证率下生态基流初拟过程

各月生态保证率按照评价标准进行设定，不同月份的评估值采用模糊综合评价法进行计算后，预先处理碧流河流域的不同月份的径流数据，极端月流量按照保证率为10%以下以及90%以上进行剔除后，得到不同月份的流量时间变化曲线，不同保证率下的流量即为其流量设计值，可以得到不同月份各生态保证率条件下的基流过程，见表4。

表4 不同月份碧流河流域生态保证率下的生态基流

从不同月份碧流河流域生态保证率下的生态基流计算结果可看出，不同月份下其各保证率设定值下的生态基流具有较为明显的丰枯变化过程，与碧流河流域月平均径流变化过程具有相似性，具有较为明显的河流季节变化特点。总体而言，对于碧流河而言，5—7月由于保证率设定值相对较高，因此其生态基流总体偏高，这主要是因为5—7月是碧流河流域鱼类产卵的最佳时期，因此其保证率相对较高。非汛期为10月到次年5月由于来水量较小，且无特定的水生态保护目标，因此其生态保证率设置相对较低。

2.4 不同生态需水计算方法对比

分别采用4种不同生态需水方法对碧流河流域生态基流进行计算，对比不同方法下的生态基流量，分析结果见表5。

表5 不同生态需水方法下碧流河流域生态基流计算结果

从不同生态需水方法下碧流河流域生态基流计算结果可看出，采用逐月保证率方法下计算的部分非汛期河流生态基流未能达到Tennant法10%多年平均流量的生态基础标准流量，其他月份计算结果均高于此生态基流计算标准，汛期均可以高于Tennant法30%多年平均流量的生态基础标准流量。本文采用年内展布法和逐月生态保证率计算的生态基流过程外包线作为其耦合的最终生态基流过程，从而更好地反映季节性河流水量变化特点。通过计算碧流河全年生态需水量约为2945万m3，占区域径流量多年平均值的比值高于30%，逐月生态保证率方法可以有效解决传统生态需水计算方法相对较为保守的局限。

2.5 碧流河水库不同生态调水方案分析

在采用逐月生态保证率方法计算碧流河流域生态基流过程后，针对碧流河水库调度方案，对不同生态调度方案下碧流河水库下游河道的生态需水进行计算，结果见表6。

表6 不同生态调度方案下碧流河水库下游河道的生态需水计算结果

在10%流量生态调度方案下，碧流河水库生态方式调节下，其下游河道生态状况一般较差，尤其是枯水季节生态需水很难得到有效满足，从表中可看出，采用10%径流方案下，其年生态需水量和生态供水量分别可达到2945万m3和2832万m3，年生态缺水量为185万m3，缺水主要集中非汛期。碧流河水库主要兴利目标为工业及生活供水，其次为生态用水，因此按照10%的径流调节而言，其生态供水量很难得到满足。碧流河水库在满足其供水目标的基础上，可以用于下游河道生态水量为2832万m3，如果把生态供水从10%提高到30%，则水库每年需要向下游河道增加1492万m3的水量用来维持下游河道的生态健康。

3 结论

(1)逐月保证率方法适合于北方缺水型河流水生态需水量的计算，在具体计算时，建议结合年内展布法和逐月生态保证率计算的生态基流过程外包线作为其耦合的最终生态基流过程，可使生态基流计算结果更为准确，更好地反映北方季节性河流水量变化特点。

(2)碧流河水库在满足其供水目标的基础上，可以用于下游河道生态水量为2832万m3，如果把生态供水从10%提高到30%，则水库每年可向下游河道增加1492万m3的水量用来维持其下游河道的生态健康。

(3)本文对碧流河水生态水量调控措施研究还较少，在后期研究还应结合生态需水计算成果重点对区域生态水量调控措施进行分析。