基于典型水文頻率方法的太子河本溪段生態需水量計算

毛玉鳳

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

隨著社會經濟的不斷發展和進步，人類對水資源開發、利用的程度和強度都日益增長[1- 2]。河流的水文情勢及水文過程隨著大規模水利工程的修建發生明顯改變[3]。河道內水量受流域內水利工程的開發和利用逐步減少，河道水生態環境遭受不同程度的惡化[4]。全球有近一半的河流生態系統由于不合理的水資源開發產生明顯退化[5]，保持河道內生態流量是維持河流生態系統健康的首先條件[6]。太子河流域屬于遼河的一級支流，主要流經遼寧中東部的遼陽、本溪、鞍山等城市，與遼河的另一條一級支流渾河位于太子河的西北側，渾江位于太子河的東側，南側與鴨綠江支流大洋河水系相連[7]。太子河流域作為遼寧東部地區通道主要水域節點，區域經濟社會發展和其水資源開發利用、可持續發展緊密相關[8]。在全球氣候變化及人類活動日益增強的大背景下，太子河本溪段水生態環境出現不同程度的退化，亟需加大對區域水資源的生態保護。本文結合太子河本溪水文站1970—2019年實測水文資料，采用典型水文頻率方法[9- 15]對河道生態需水量進行計算。

1 研究方法及數據來源

1.1 研究方法

典型水文頻率方法是基于河流實測來水資料分析，對其豐水及枯水年份進行等級劃分，劃分計算標準方程為：

(1)

式中，E—水文站徑流實測值的距平率，%；Q—水文站i年徑流量實測值，108m3；Qn—水文站i徑流量實測值的多年均值，108m3。

按照遼寧東部地區徑流變化特點并結合GB T50095—2014《水文基本術語和符號標準》對豐水年、枯水年及平水年的徑流量距平率進行劃分，劃分標準見表1。

1.2 數據來源

本溪水文站是太子河干流主要控制水文站，生態需水計算主要采用太子河本溪水文站實測徑流數據資料。考慮到資料的可靠性、一致性以及代表性，本文采用生態需水量分析的徑流數據序列。

2 生態需水計算及分析

2.1 徑流變化特征

結合本溪水文站1970—2019年實測徑流資料數據序列，對其年徑流量及其距平率進行變化特征分析，年徑流變化特征分析結果見表2，并對其年內分配進行統計，統計結果見表3。

對表2本溪水文站年徑流量進行統計分析，本溪水文站1970—2019年年徑流總體呈現遞增變化，年徑流遞增幅度約為0.52×108m3。各年份距平率總體呈現倒“V”型變化，1995年是本溪口水文站年距平率變化的轉折點，從1970—1995年各年份年徑流距平率總體為遞減變化，而從1995年—2019年各年份年徑流距平率總體為遞增變化。從本溪水文站徑流年內分配統計結果可看出，年內來水量較大的時段主要集中在5—9月份，月平均來水流量都可以超過100m3/s，7月份屬于來水量最大的月份，其相應的月均徑流量也最大。從10月份開始到第二年的3月份，屬于枯水時段，月均流量和月均徑流量都有較為顯著的減少。

表1 不同來水年份劃分標準等級

表2 本溪水文站年徑流變化特征分析結果

(續表2)

表3 本溪水文站徑流年內分配統計結果

2.2 生態需水量的確定

結合表1不同豐水年、平水年、枯水年等級劃分標準及本溪水文站不同年份保證率分析的基礎上，對各年份年型進行確定，結果見4，并采用典型水文頻率方法對太子河本溪段生態需水量進行確定，確定結果見表5。

表4 本溪水文站不同來水年型確定結果

(續表4)

從本溪水文站不同來水年型確定結果可看出，太子河本溪段豐水年、枯水年、平水年規律變化不明顯，特枯水年為1974年、1977年、1986年，偏枯水年具有一定的連續性，分別為1973年、1975年、1978年、1983—1985年、2003—2004年、2012—2014年及2018年，豐水年相對較為集中，分別為1970—1971年、1994年、1996年、1998—2001年出現連續4年豐水年，2002年開始太子河本溪段出現豐水年的年份相對較少，僅在2010、2016年出現豐水年，該河段出現平水年的年份相比其他年型較多，占總年份數的比例達到50%。年距平率最低的為1986年，為-27.61%，是太子河本溪段有記錄以來最枯年份，以1986年的2月份來水量34.8m3/s作為其生態最小水量，計算太子河本溪段全年生態最小水量值為10.52×108m3。

2.3 生態需水量滿足度的分析

基于典型水文頻率方法對太子河本溪段年生態需水量結果，按照保證率進行年內生態徑流量的分配，并與表3中本溪水文站多年徑流年內分配結果對其最小生態需水量滿足度進行分析，見表5。

表5 基于典型水文頻率方法生態需水滿足度分析結果

從表5中可看出，按照典型水文頻率方法下的太子河本溪段各月最小生態流量在本溪水文站月平均流量下其生態滿足都均可達到100%，這主要是因為典型水文頻率方法計算的生態需水量是按照滿足特枯年份最小月流量，其計算的生態需水量是按照來水最不利條件下進行的，因此按照多年月均流量計算的生態滿足度均可達到100%。

3 結論

(1)本溪站年距平率最低的為1986年，是太子河本溪段有記錄以來最枯年份，以1986年的2月份來水量34.8m3/s作為其生態最小水量，計算太子河本溪段全年生態最小水量值為10.52×108m3。

(2)典型水文頻率方法計算的生態需水量是按照滿足特枯年份最小月流量，其計算的生態需水量是按照來水最不利條件下進行的，因此按照多年月均流量計算的生態滿足度均可達到100%。

(3)典型水文頻率方法計算的生態需水量不能考慮人類活動對其水量的影響，在后續研究中還需要對受人類活動影響較大如上游有水庫或者橡膠壩情況下的河段生態需水進行深入研究。