基于典型水文频率方法的太子河本溪段生态需水量计算

毛玉凤

(辽宁省本溪水文局，辽宁 本溪 117000)

随着社会经济的不断发展和进步，人类对水资源开发、利用的程度和强度都日益增长[1- 2]。河流的水文情势及水文过程随着大规模水利工程的修建发生明显改变[3]。河道内水量受流域内水利工程的开发和利用逐步减少，河道水生态环境遭受不同程度的恶化[4]。全球有近一半的河流生态系统由于不合理的水资源开发产生明显退化[5]，保持河道内生态流量是维持河流生态系统健康的首先条件[6]。太子河流域属于辽河的一级支流，主要流经辽宁中东部的辽阳、本溪、鞍山等城市，与辽河的另一条一级支流浑河位于太子河的西北侧，浑江位于太子河的东侧，南侧与鸭绿江支流大洋河水系相连[7]。太子河流域作为辽宁东部地区通道主要水域节点，区域经济社会发展和其水资源开发利用、可持续发展紧密相关[8]。在全球气候变化及人类活动日益增强的大背景下，太子河本溪段水生态环境出现不同程度的退化，亟需加大对区域水资源的生态保护。本文结合太子河本溪水文站1970—2019年实测水文资料，采用典型水文频率方法[9- 15]对河道生态需水量进行计算。

1 研究方法及数据来源

1.1 研究方法

典型水文频率方法是基于河流实测来水资料分析，对其丰水及枯水年份进行等级划分，划分计算标准方程为：

(1)

式中，E—水文站径流实测值的距平率，%；Q—水文站i年径流量实测值，108m3；Qn—水文站i径流量实测值的多年均值，108m3。

按照辽宁东部地区径流变化特点并结合GB T50095—2014《水文基本术语和符号标准》对丰水年、枯水年及平水年的径流量距平率进行划分，划分标准见表1。

1.2 数据来源

本溪水文站是太子河干流主要控制水文站，生态需水计算主要采用太子河本溪水文站实测径流数据资料。考虑到资料的可靠性、一致性以及代表性，本文采用生态需水量分析的径流数据序列。

2 生态需水计算及分析

2.1 径流变化特征

结合本溪水文站1970—2019年实测径流资料数据序列，对其年径流量及其距平率进行变化特征分析，年径流变化特征分析结果见表2，并对其年内分配进行统计，统计结果见表3。

对表2本溪水文站年径流量进行统计分析，本溪水文站1970—2019年年径流总体呈现递增变化，年径流递增幅度约为0.52×108m3。各年份距平率总体呈现倒“V”型变化，1995年是本溪口水文站年距平率变化的转折点，从1970—1995年各年份年径流距平率总体为递减变化，而从1995年—2019年各年份年径流距平率总体为递增变化。从本溪水文站径流年内分配统计结果可看出，年内来水量较大的时段主要集中在5—9月份，月平均来水流量都可以超过100m3/s，7月份属于来水量最大的月份，其相应的月均径流量也最大。从10月份开始到第二年的3月份，属于枯水时段，月均流量和月均径流量都有较为显著的减少。

表1 不同来水年份划分标准等级

表2 本溪水文站年径流变化特征分析结果

(续表2)

表3 本溪水文站径流年内分配统计结果

2.2 生态需水量的确定

结合表1不同丰水年、平水年、枯水年等级划分标准及本溪水文站不同年份保证率分析的基础上，对各年份年型进行确定，结果见4，并采用典型水文频率方法对太子河本溪段生态需水量进行确定，确定结果见表5。

表4 本溪水文站不同来水年型确定结果

(续表4)

从本溪水文站不同来水年型确定结果可看出，太子河本溪段丰水年、枯水年、平水年规律变化不明显，特枯水年为1974年、1977年、1986年，偏枯水年具有一定的连续性，分别为1973年、1975年、1978年、1983—1985年、2003—2004年、2012—2014年及2018年，丰水年相对较为集中，分别为1970—1971年、1994年、1996年、1998—2001年出现连续4年丰水年，2002年开始太子河本溪段出现丰水年的年份相对较少，仅在2010、2016年出现丰水年，该河段出现平水年的年份相比其他年型较多，占总年份数的比例达到50%。年距平率最低的为1986年，为-27.61%，是太子河本溪段有记录以来最枯年份，以1986年的2月份来水量34.8m3/s作为其生态最小水量，计算太子河本溪段全年生态最小水量值为10.52×108m3。

2.3 生态需水量满足度的分析

基于典型水文频率方法对太子河本溪段年生态需水量结果，按照保证率进行年内生态径流量的分配，并与表3中本溪水文站多年径流年内分配结果对其最小生态需水量满足度进行分析，见表5。

表5 基于典型水文频率方法生态需水满足度分析结果

从表5中可看出，按照典型水文频率方法下的太子河本溪段各月最小生态流量在本溪水文站月平均流量下其生态满足都均可达到100%，这主要是因为典型水文频率方法计算的生态需水量是按照满足特枯年份最小月流量，其计算的生态需水量是按照来水最不利条件下进行的，因此按照多年月均流量计算的生态满足度均可达到100%。

3 结论

(1)本溪站年距平率最低的为1986年，是太子河本溪段有记录以来最枯年份，以1986年的2月份来水量34.8m3/s作为其生态最小水量，计算太子河本溪段全年生态最小水量值为10.52×108m3。

(2)典型水文频率方法计算的生态需水量是按照满足特枯年份最小月流量，其计算的生态需水量是按照来水最不利条件下进行的，因此按照多年月均流量计算的生态满足度均可达到100%。

(3)典型水文频率方法计算的生态需水量不能考虑人类活动对其水量的影响，在后续研究中还需要对受人类活动影响较大如上游有水库或者橡胶坝情况下的河段生态需水进行深入研究。