宋佳阳
(辽宁省鞍山水文局,辽宁 鞍山 114000)
近些年来,河道生态需水保障对于流域水生态恢复至关重要,由于区域用水矛盾日益紧张,河道内的生态需水很难得到有效保证,使得河流生态环境遭到不同程度的破坏。为提高河流生态环境保护力度,亟需对其河道内的生态需水量进行评估,确定不同来水期河道生态需水量,从而制定相对应的河道生态水量调节方案。近些年来,国内对于河道生态需水取得一定研究成果,这其中TENNANT模型应用较为广泛,该模型以河道流量均值来评估生态需水量,可解决河流季节性来水对生态需水的影响。当前,一些研究成果表明,传统TENNANT模型由于不能考虑生态需水过程变化,使得其生态需水评估量有所偏大,为此有学者针对传统TENNANT模型生态需水评估的局限性,通过设定河流生态需水的上限和下限,对其河道生态径流进行等级划分,解决传统TENNANT模型不能考虑河道生态需水过程变化的局限。为提高东北地区季节性河流生态需水评估的科学性,本文引入改进的TENNANT模型对大洋河干流生态需水进行评估,研究成果对于东北地区方季节性河流生态需水评估具有重要参考价值。
在传统TENNANT模型基础上,改进TENNANT模型改进其生态径流分类计算标准,综合考虑生态需水年内和年际之间的变化,对其河道内不同来水频率下的生态径流进行计算:
(1)
式中,pij—第i个月份和第j个年份下超过某一频率的径流量占全年的百分比,%;rij—从大到小排序的区域日流量;mi、nj—超过某频率径流量维持的天数和年数。改进的TENNANT模型对河道生态径流量等级划分方程为:
(2)
式中,E0(ij)—第i个月份在第j个年份下最大生态径流量,m3/s;Q50(ij)、Q90(ij)—第i个月份在第j个年份下50%、75%频率下对应的流量历史数据值,m3/s。为降低极端流量事件对生态需水评估的影响对其划分等级进行计算:
(3)
各个年组以及月份的生态径流在确定生态径流划分等级数量后,对不同等级按照中位数均值原理进行计算:
N=Average[MOD(nij)]
(4)
式中,N—改进模型生态径流划分等级数量。改进后模型生态径流标准等级划分方程为:
(5)
式中,Em—不同等级下生态需水评估量,m3;Q50、Q75—上限和下限生态需水阈值。
以大洋河干流岫岩水文站以上集水区域为研究区域,该区域为鞍山地区暴雨洪水易发区域,河道内丰水期水量较大,枯水期水量锐减,区域多年降水量均值在800~1000mm左右。大洋河干流由于无控制型大型水库,因此河道内水量受人类活动影响程度相对较低,区域内需水主要满足工业和生活需水。分别在岫岩水文站设置上、中、下3个断面,通过对其断面流量进行同步观测,采用改进的TENNANT模型对其河道生态需水量进行计算,如图1所示。
图1 岫岩水文站以上区域及计算断面分布
大洋河干流各计算断面最小生态需水量采用逐月最小流量均值进行计算,各断面最小生态需水计算结果见表1,并对各断面最小生态需水量年内分配过程进行分析,结果如图2所示。
表1 大洋河干流各计算断面最小生态需水计算结果
图2 各断面最小生态径流年内分配过程
从计算结果可看出,各断面最小生态需水量沿程逐步递减,上游断面生态需水量高于下游、中游断面。大洋河干流丰水段主要集中在4—9月份,丰水段生态需水量要高于枯水段10月—次年3月的水量。河道内最小生态需水量主要和河道内的来水量相关度较大,这主要是因为其最小生态需水量主要基于逐月最小流量进行分析,逐月最小流量值越高其最小生态需水量越大,而逐月最小流量值越小其最小生态需水量越低。
河道内最优生态需水量主要结合其逐月频率进行计算,选取来水频率为50%、70%进行河道最优需水量逐月计算,大洋河干流各计算断面逐月最优生态需水计算结果见表2,其各计算断面最优生态需水年内分配过程如图3所示。
表2 大洋河干流各计算断面最优生态需水计算结果
图3 各断面最优生态径流年内分配过程
从计算结果可看出,最优生态需水量要高于河道内的最小生态需水量,各计算断面最优生态需水量可满足河道生态需水目标要求,和最小生态需水沿程变化具有一致性,大洋河干流最优生态需水从上游到下游逐步衰减变化。各断面最优生态需水和大洋河干流流量均值年内分配具有一致性,受区域来水量年内分配影响大洋河干流7—8月最优生态需水量较大,而4—9月份最优生态需水量相对较低。
分别采用改进前后TENNANT模型对大洋河干流最小和最优生态需水进行评价,评价结果见表3—4。
表4 大洋河干流各计算断面最优生态需水评价结果
从评价结果可看出,对于最小生态需水而言,改进模型下各断面生态环境状况处于差—极差程度,而传统模型下各断面生态环境状况总体处于中—较差程度。通过对大洋河干流生态环境状况进行调查,当干流河道内水量为最小生态需水量时,大洋河干流基本处于断流程度,河流生态环境状况很难得到保障,河流生态环境将遭到一定程度的破坏。改进模型下各断面生态评价结果比较符合大洋河干流实际情况,当河道内属于最小生态需水,其河流生态环境处于差—极差的状况。从干流各断面最优生态需水评估结果可看出,在最优生态需水量下改进模型和传统模型下大洋河干流生态环境将总体处于中—较好的状况,改进模型下计算的最优生态需水将有效改善大洋河干流生态环境状况,通过对比分析,在丰水期4—9月采用70%来水频率进行生态需水,枯水期采用45%来水频率进行生态需水可有效改善大洋河干流生态环境状况。
(1)在采用改进的TENNANT模型计算河流生态需水时,可分别以来水频率50%、75%作为其生态需水上限和下限阈值。
(2)对于受人类活动影响较大河道生态需水计算时,建议采用水文部门调查水量或者还原水量作为生态需水计算数据。
(3)本文仅考虑水量对于河道生态环境影响,后续研究中还需要综合考虑水质对河道生态环境影响,进行生态需水融合方法的研究。