基于多种水文学法的密江河生态流量研究

陈 楷，王立权，刘 岩，李 莹

( 1.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080 )

1 研究区域概况

1.1 流域概况

密江河位于黑龙江省海林市，属海浪河一级支流。发源于张广才岭的太平岭一带，自北向南流经海林林业局奋斗林场、山市种奶牛场、新安朝鲜族乡、密江村等村屯，在密江村东部汇入海浪河。河流全长50 km，流域面积554.8 km2。

1.2 水文气象特征

密江河流域地处中温带季风气候区，降雨量受地形抬升影响较大，自下游向上游呈递增趋势。流域内多年平均降水量分布差异较大，上游可高达1110 mm，下游为530 mm。降水的年内分配不均匀，一般多集中在汛期6—9月，其降水量占全年的76%。

2 资料来源和研究方法

2.1 资料来源

密江河流域没有水文站，相邻流域尔站河干流上现有尔站(二)水文站。尔站(二)水文站具有1980年至今42年流量观测资料。尔站河与密江河同属于牡丹江水系，径流特征、下垫面条件相似，可作为本次计算的参证站。

利用尔站(二)1956—2009年水资源调查评价结果，先采用面积比计算，然后用年径流深等值线进行修正，得出1956—2009年共济水位站530 km2流域逐年径流量。利用共济水位站2010—2016年逐年年径流深等值线推算出2010—2016年逐年径流量。最终得到完整的1956—2016年共计61年的共济水位站逐年径流量。

1956—2000年(长系列)与1980—2016(短系列)年多年平均径流量相比，共济水位站多年平均径流量减少了3.98%，变化幅度小于10%，误差较小，故本次选取1956—2016年径流系列进行计算。如表1所示。

表1 共济水位站不同系列多年平均径流量对比

2.2 研究方法

目前国内外生态流量计算方法大致分为水文学法、水力学法、栖息地模拟法和整体法4类[1-3]。水文学法是基于长系列径流资料，通过平均流量的百分率或频率曲线设计保证率等水文指标估算生态流量[4-5],代表方法有Tennant法、保证率法、最枯月平均流量法等。水文学法由于原理简单、计算快速等诸多优点，在国内外得到了广泛的应用。

2.2.1 Tennant法

Tennant法即蒙大拿法，是目前全球应用最广泛的生态流量计算方法，是以历史流量为基础在不同月份采用不同年平均天然径流量的百分比来估算生态流量的水文学方法。

2.2.2 90%保证率法

国内外文献中多采用90%或者95%保证率的水文年最枯月平均流量估算河流生态流量。保证率法多用于开发利用程度较高的河流，要求有较长系列(20年以上)的水文实测径流资料。

2.2.3 最枯月平均流量法

最枯月平均流量法应用较为广泛，选择长系列水文资料中最小的月均流量数值作为最枯月平均流量，用历年最枯月平均流量进行频率分析或近10年最枯月平均流量作为设计流量，一般选取90%保证率下的最枯月平均流量[6]。适用范围与保证率法基本一致。

2.2.4 Tessman法

Tessman法是对Tennant法的改进，由南达科他州立大学水资源研究所学者Tessman.S在1980年首次提出，该方法与Tennant法相比增加了平水月这一概念，将一年12个月划分成丰、平、枯3个不同的时期，根据月平均流量和年平均流量之间的比率确定生态流量[7]。

(1)月均流量≤40%×年均流量，生态流量为月平均流量。

(2)40%×年均流量<月均流量<年均流量，生态流量为年平均流量的40%。

(3)月均流量>年均流量，生态流量为月平均流量的40%[8]。

2.2.5 年内展布法

年内展布法是基于各月多年天然平均径流过程，结合多年年均径流量与最小年均径流量两个水文变量的同期均值比来确定生态流量的计算方法。年内展布法能够反映河道年内径流过程和变化特征，有很强的适用性和区域代表性[9]。

2.2.6 Texas法

Texas法在考虑了季节变化因素的基础上，考虑了不同生物特征和区域水文特征条件下的需水量[10]，将生态流量定义为50%保证率下的特定百分率取值。

3 生态流量计算及结果分析

3.1 密江河径流年际变化特征

径流系列的年际变化特征常采用Cv，极值比和Cu三个统计参数来表示。对共济水位站1956—2016年共61年的径流系列资料进行分析计算，得到共济水位站径流的年际变化特征如表2所示。

表2 共济水位站断面径流年际变化特征值

从变差系数、径流极值比和不均匀系数的计算结果表明共济水位站断面径流系列年际间丰枯变化剧烈，年际变化幅度较大且不均匀。径流的年际变化过程线如图1所示。

图1 径流量年际变化过程线

利用M-K检验法对密江河流域61年径流系列进行突变分析。在M-K突变点检验中，取UF和UB曲线交点为突变点，由图可知两条曲线在95%的临界线±2.03之间有三个交点[11]，分别为1957年、2012年和2015年。从UF曲线可以看出，密河流域径流系列整体出现下限趋势，如图2所示。

图2 径流量M—K突变点检验分析

密江河径流量年际变化具有阶段性特征，根据距平有正有负的特点，可以较其他方法更能直观而准确地确定年际变化阶段如图3所示，年际丰枯变化剧烈。

图3 径流量累计距平变化

3.2 不同方法计算过程

3.2.1 Tennant法

本次计算汛期(6—9月)选取多年平均流量的20%作为生态流量，其他一般用水期选取多年平均流量的10%作为生态流量，生态流量目标值见表3。

表3 Tennant法生态流量目标值 m3·s-1

3.2.2 90%保证率法

采用P-Ⅲ型曲线对各时期最枯月径流量系列进行配线，将90%保证率下对应的月平均流量作为生态流量，生态流量目标值见表4。

表4 90%保证率法生态流量目标值 m3·s-1

3.2.3 最枯月平均流量法

以历年最枯月平均流量进行90%保证率下的水文频率分析，生态流量目标值见表5。

表5 最枯月平均流量法生态流量目标值 m3·s-1

3.2.4 Tessman法

按照Tessman法规定，结合黑龙江省丰枯月份判定方法以及河流特性及水文特征，将汛期确定为丰水月份，非汛期确定为平水月份，冰冻期确定为枯水月份，生态流量目标值见表6。

表6 Tessman法生态流量目标值 m3·s-1

3.2.5 年内展布法

采用同期均值比以多年平均流量为基准计算生态流量过程，生态流量目标值见表7。

表7 年内展布法生态流量目标值 m3·s-1

3.2.6 Texas法

各月50%保证率下的水文流量频率曲线对应的月均流量值作为生态流量，生态流量目标值见表8。

表8 Texas法生态流量目标值 m3·s-1

3.3 不同生态流量计算方法分析评价

3.3.1 不同生态流量计算方法分析

各月份生态流量相差明显，体现出各种计算方法的自身特点，见表9、图4。

表9 不同计算方法生态流量目标值

图4 密江河不同方法生态流量对比

Texas法的高流量是目前各种生态流量计算方法结果的外包线，1—3月生态流量的内包线是年内展布法的计算结果，4—12月生态流量内包线是最枯月平均流量法计算结果。

Texas法所计算的生态流量值远远大于其他方法计算的生态流量值，虽然该方法计算的结果都能较好的密江河的径流过程，但是此方法计算的结果偏大，一般情况下难以满足。

最枯月平均流量法各月生态流量数据一致，汛期和非汛期生态流量变化不大，不能体现出季节的变化，此方法不适于密江河这种汛期流量占比大，季节变化明显的河流。

Tessman法和年内展布法计算4月、5月非汛期的生态流量大于6月、9月汛期的生态流量。根据密江河河流气候特点，每年的降水主要集中在7—9月，因而不符合实际情况，此方法不适用。

90%保证率法取90%保证率流量作为生态流量，没有考虑生物、年内变化等因素，所以计算结果无法展现年内变化的问题，此方法不使用。

综合考虑，Tennant法更适用于密江河流域生态流量。

3.3.2 不同水平年生态流量

生态流量保证程度应体现径流的年际丰平枯变化，为此采用Tennant法分别对密江河丰、平、枯水平年生态流量进行计算，既反映了密江河流域径流的季节性变化，也综合了径流不同水平年对生态流量的影响，更符合实际[12]，见表10、图5。

表10 不同水平年生态流量值 m3·s-1

图5 不同水平年生态流量对比

如图所示：由Tennant法计算得到的生态流量汛期与非汛期变化显著，枯水年、平水年和丰水年的生态流量依次增大，各水平年生态流量最大值均出现在汛期，与流域实际情况相符。

3.3.3 长系列满足程度分析

评价1956—2016年水文长系列的实测径流量与生态流量满足程度，按照汛期、非汛期和冰冻期分别分析评价。见表11。

表11 Tennant满足程度法保证率分析

从表可以看出，综合考虑，6种计算方法也只有Tennant法既满足适用性又满足生态流量保证率，且适用于北温带河流生态需水和常年性河流，固推荐此方法作为密江河流域生态流量的计算方法。

3.3.4 生态流量目标优化

根据历史长系列径流资料，应用Tennant计算密江河的生态流量目标，密江河地处东北地区，具有季节性、年际变化特点，受气候条件影响，每年1—3月和12月密江河进入封冻期，河流两岸结冰，没有水量补给，天然来水少，径流量占全年径流量不足4%。建议冰冻期不设置生态基流目标值，优化后的生态基流目标值见表12。

表12 生态流量目标优化值

4 结 论

(1)本文采用6种水文学方法对密江河生态流量进行计算，6种计算方法的结果存在一定的差别，尤其是6—9月汛期的生态流量，从0.28～11.90 m3/s、非汛期的生态流量从0.28～9.79 m3/s，变化幅度大；冰冻期的生态流量从0.05～0.99 m3/s，变化幅度较小。

(2)通过不同生态流量计算方法的分析评价，Tennant法既满足适用性又满足生态流量保证率。Tennant法计算简单，且适用于北温带河流生态需水和常年性河流，故推荐此方法作为密江河流域生态流量的计算方法。

(3)建议冰冻期(12月—次年3月)不设置生态基流目标值值，按来流下泄确定生态流量。