河道適宜生態流量研究

(遼寧省朝陽水文局，遼寧 朝陽 122000)

人類對水資源的不合理開發會改變河道的天然水文情勢，使水生生物來不及適應短期內水文情勢的急劇改變而造成河流生態系統的退化[1]。河流的水文情勢亦稱為流量情勢，表現為河道流量的年內變化和年際變化情況[2]，對河流生態系統的平衡和生物多樣性、完整性具有決定性作用，因此，科學、合理地確定河道生態流量是保護河流生態系統的根本性措施[3-4]。

大伙房水庫位于遼河的大支流渾河中上游，是渾河上一個重要的控制站，坐落在遼寧省撫順市境內，控制流域面積5437km2。本文基于大伙房水庫站實測逐日流量資料，運用逐月頻率計算法和改進FDC法，對河道適宜生態流量進行計算，并結合Tennant法的評價準則對2種方法的計算結果進行評價優選，以此確定大伙房水庫上游河道適宜生態流量，為保護大伙房水庫上游河道生態系統健康穩定發展和水資源的優化配置提供參考。

1 研究方法

本文采用逐月頻率計算法和改進FDC計算渾河大伙房水庫上游河道適宜生態流量，并運用Tennant評價準則對2種方法的計算結果進行評價優選，得到最終的河道適宜生態流量。

1.1 逐月頻率計算法

逐月頻率計算法是根據歷史流量資料,采用距平百分率法將研究年份分為豐、平、枯水年組，再根據各個年組內各月的多年平均流量將一年劃分為豐水期、平水期、枯水期3個時期,對各個時期擬定不同的保證率(枯水期90%保證率,平水期70%保證率,豐水期50%保證率[5]),最后分別計算各個年組內各豐、平、枯水期在不同保證率下的生態流量,即為河道不同來水年份年內的適宜生態徑流過程。

1.2 改進FDC法

改進的FDC法[6]基于年均徑流量系列的特定保證率將所有年份進行豐、平、枯水年分組，在不同來水年組內基于天然月均流量的保證率分別將各月的日流量系列劃分為豐水組(月均流量的保證率P<25%) 、平水組 ( 25%≤P≤75%) 和枯水組(P>75%)，然后基于各年組、各月的日均流量系列構建 FDC,取50%，90%歷時點流量作為生態流量的最優上限值和最小值，最小到最優上限之間的各級生態流量根據改進的Tennant等差數量分級思想確定，最終確定適宜生態流量。

1.3 Tennant法評價準則

Tennant 法或稱蒙大拿法[7]：該方法屬于非現場測定類型的標準設定法，取預先確定的年天然徑流的百分比作為河流生態需水的推薦值。將河道內生態環境狀況分為極差、差、一般、良好、很好、極好、最佳范圍、最大允許極限8個級別，依據水生生物生育期分為一般用水期(10月至次年 3月) 和魚類產卵育幼期(4—9月) 兩個時段(見表1)。

表1 Tennant法中河道內不同生態環境狀況對應流量百分比

2 計算及結果分析

本文選取大伙房水庫1959—2016年實測逐日平均流量和年徑流數據，運用逐月頻率計算法和改進FDC法計算大伙房水庫上游河道適宜生態流量。

2.1 適宜生態流量計算

2.1.1 逐月頻率計算法

根據年徑流資料，對所取研究年份采用距平百分率法劃分為豐水年組、平水年組、枯水年組，在各個年組內根據大伙房站多年平均徑流過程(見圖1)將一年劃分為豐水期、平水期、枯水期3個時期(見表2)。

圖1 大伙房站多年平均徑流過程

年 份豐水期/月平水期/月枯水期/月豐水年7,891—6,10—12平水年6—941—3,5,10—12枯水年4,7—95,61—3,10—12

在豐水期、平水期、枯水期劃分的基礎上，對各個時期擬定不同的保證率(枯水期90%保證率,平水期70%保證率,豐水期50%保證率),分別計算各個年組內各豐、平、枯水期在不同保證率下的適宜生態流量，確定不同來水年份年內的河道適宜生態徑流，得到豐、平、枯水年組適適宜生態徑流過程(見圖2)。

圖2 豐、平、枯水年組適宜生態流量過程

由圖2可看出，平水年份和枯水年份的適宜生態流量過程趨勢基本一致，均呈“雙峰”形態，即1—8月適宜生態流量總體呈現增加上升趨勢，9—12月呈下降趨勢；豐水年份的適宜生態流量過程總體上呈“單峰”形態，4月的適宜生態流量略大于5月。

2.1.2 改進FDC法

根據實測逐日平均流量，運用改進FDC法，計算大伙房站豐水年、平水年、枯水年組各月的適宜生態流量，確定的適宜生態流量過程(見圖3)。

圖3 豐、平、枯水年組適宜生態流量過程

由圖3可看出，不同來水年份的適宜生態流量過程趨勢一致，適宜生態流量過程中8月生態流量值最大；豐水年份和平水年份的適宜生態流量過程總體上呈“單峰”，1—8月各級生態流量總體呈上升趨勢，4月份各級生態流量與5、6月相差不大,9—12月呈下降趨勢；枯水年份的適宜生態流量過程呈“雙峰”，由于4月河道冰雪消融，生態流量明顯大于5、6月份的生態流量。

2.2 結果分析

采用Tennant法的評價準則對以上2種方法的計算結果進行比較,計算的適宜生態流量過程及評價等級(見表3)。

表3 適宜生態流量過程對比及Tennant評價結果 單位：m3/s

續表

由表3可以看出，總體上，在汛期逐月頻率計算法的計算結果較改進FDC法的結果大，評價等級較高，非汛期改進FDC法計算結果較逐月頻率計算法的結果大，評價等級較高，能夠更好地保障河道正常生態功能。在豐水年份，逐月頻率計算法計算結果在7、8月較改進FDC法計算結果大，評價等級較高，改進FDC法計算結果在9月至次年6月較逐月頻率計算法計算結果大，評價等級較高；平水年份，逐月頻率計算法計算結果在6—9月較改進FDC法計算結果大，評價等級較高，改進FDC法計算結果在10月至次年5月較逐月頻率計算法計算結果大，評價等級較高；枯水年份，逐月頻率計算法計算結果在4—9月較改進FDC法計算結果大，評價等級較高，改進FDC法計算結果在10月至次年3月較逐月頻率計算法計算結果大，評價等級較高，故結合逐月頻率計算法和改進FDC法的計算結果，選取2者之間評價等級較高、流量較大者作為河道適宜生態流量，結果見表4，從而得到最終的河道適宜生態流量。

表4 河道適宜生態流量過程 單位：m3/s

3 結 語

本文運用的逐月頻率計算法和改進FDC法充分考慮了河流的豐、平、枯天然水文情勢, 強調了生態徑流的過程性，具有同天然河川徑流過程一樣的逐月和年際豐枯變化特性，按照歷史歷時情況將適宜生態流量精確到月尺度，并運用Tennant評價準則對2種方法的計算結果進行評價優選，得到最終的河道適宜生態流量，計算結果在不同來水年份的不同時期保證了河流的不同水量,更有利于維持河流的生態健康，便于在水資源配置管理中參考和應用。

本文通過對渾河大伙房水庫流域生態流量的研究，計算了豐、平、枯水年組適宜生態流量過程(表4)，計算的結果合理、符合河道不同生態需水流量過程對徑流的年內動態需求。