基于RVA法的河道生態需水閾值預測方法研究

楊芙榮

(山東省臨沂市水利工程保障中心，山東 臨沂 276000)

20世紀40年代，對河流最小生態流量的研究已經開始。我國的天然河流在工業生產等的不斷擠壓下，逐漸出現生態系統失衡現象，諸多河流的河水流量大幅減少，甚至出現了生態缺水等現象。在現有的生態需水研究中[1]，通過對國外河道生態需水數據的采集，設計了一個河道生態蓄水的數學模型，并將我國河道的生態水文導入其中，得到了一個較為準確的生態需水閾值預測結果。該結果基本符合水文氣象的季節性變化，且可以在流量歷史保證率的基礎上不斷修正。文獻[2]以滇池流域的河道作為研究對象，基于Tennant法和R2-CROSS法，設計了一種河道生態需水的預測方法，該研究方法所計算的河段綜合水利特性，可以使河道流域的水資源得到更好地開發和利用，并為生態環境的保護提供便利。文獻[3]以黃河為例，對黃河內泥沙含量過多的河道生態需水問題進行了研究，基于高效的輸沙過程及河道內分水指標，對水資源的動態調配進行了計算，并建立相應的數學模型，通過“保存量、分增量”的動態分配策略，為河道內水資源的預測提供了可靠的依據。本文結合以上文獻，基于RVA算法，設計了一種新的河道生態需水閾值預測方法。

1 基于RVA設計河道生態需水閾值預測方法

1.1 計算地表水資源可利用量

在河道內，生態需水量主要包括植被需水量、水資源蒸發量、河道底部滲水量、下游河道蓄水量4部分[4]。根據一條河道所在斷面的不同，可以將河道劃分為不同的部分，如圖1所示。

圖1 河道生態需水分段示意圖

在圖1中，一條河流可以由若干條支流組成，其中A1和A2分別是該河道的支流，在支流上，不同的河道斷面可以作為不同的河段，其中A1支流上有A11和A12兩個河段，A2支流上有A21和A22兩個河段[5- 6]。在該河段中，可以得到整個流域內的水資源總量，其計算公式為：

(1)

式中，Qw—該河道整個流域內的水資源總量，億m3；Qi1、Qi2—2個支流A1和A2上水資源的流量，億m3；qi11、qi12、qi21、qi22—該流域不同支流和不同河段內的水資源流量[7- 8]，億m3。

為保證數據的完整性，可以通過計算多年月平均流量的方式，對其進行排頻適線工作。此時河道的月平均流量計算公式可以表示為：

(2)

結合以上公式，可以得到某年某月某支流某河段內河流的地表水資源可利用量。

1.2 基于RVA方法建立生態需水模型

河道內的生態需水主要指在保證河流生態系統平衡前提下的特定流量，通常隨季節發生變化，且具備一定的實效性。基于不同的水利工程以及運行模式，可以在水庫調水過程中規定相同的生態蓄水標準，避免部分水庫內利益矛盾，同時可提高生態需水的標準閾值。RVA方法也稱為采用變化范圍法，是一種以各個指標參數的75%和25%概率作為指標上限與指標下限的算法，在[25%，75%]之間的數據被稱為RVA閾值[9- 10]。將RVA方法應用于河道生態需水，可以判定在[25%，75%]區間內的流量均可以作為較好的生態環境指標。在不同時段內，河流的水文特征存在較大差異，在任何一條河流內均存在豐水期與枯水期，同步時段的月徑流量差異較大。此時可以得到不同時段內月平均流量的計算公式為：

(3)

在RVA方法下，一般需要以95%的保證率作為每月的月徑流量，則此時其計算公式為：

(4)

式中，Q95%-f—計算95%月徑流量條件下的徑流之和，m3；q95%—95%保證率的月平均徑流量，m3。

在同期均值比中，有絕對徑流之和與95%保證率下的徑流之和的比值，計算公式為：

(5)

式中，βm—絕對徑流之和與95%保證率下的徑流之和的比值，一般用百分數的形式表示。

此時可以此計算每月的生態需水量：

(6)

式中，Qd—該河流支流某一河段內在第d個月內的生態需水量，m3。也是在結合植被需水量、水資源蒸發量、河道底部滲水量、下游河道蓄水量4部分條件下的最小用水量。

為計算該河段內的生態需水指數，需要首先確定生態供水指數，其計算公式為：

(7)

式中，Km—該河道某支流某河段內在一段時間內的生態供水指數；Qb(t)—該時段內河道的生態供水流量，m3；Qv(t)—一段時間內該河道的生態需水流量，m3；Tn—計算時間的總時長。

結合生態供水指數，可以在徑流資料較為豐富的區域計算生態供水區間，其計算公式為：

(8)

式中，GRVA—結合RVA方法計算得到的河道生態需水閾值區間；gf(t)—一段時間內RVA生態需水指標的上限；qm(t)—t時段內RVA生態需水指標的下限；Tm—閾值區間內最適宜的時段。

在計算生態供水的過程中，若某一時段不利于河道內生物的繁殖或生存，則需要通過定義破壞時段與適宜時段的方式，建立水生生物生存與繁衍的最佳時段，其整形變量的符號函數可以表示為：

(9)

式中，sgn(x)—河道內水生生物生存與繁衍時段的整形變量；x—閾值區間內的一個時段。

一般將sgn(x)=1時作為最適宜水生生物繁衍的時段，將sgn(x)=0作為最不適宜水生生物繁衍的時段。綜合以上公式，可以得到RVA方法下的生態需水模型，通過該模型能夠得到徑流非一致性的閾值區間。

2 試驗研究

2.1 研究區水文特征

選取某四季分明、降雨集中的區域作為本次試驗的研究區，以分辨不同季節河道生態需水閾值的不同點。該研究區內共有4個地級市，分別對其進行研究與分析，當地在2010—2015年的年平均月降水量如圖2所示。

圖2 2010—2015年月平均降水量

由圖2可知，本研究區內的4個地級市在相同月份下降雨量差距較小，且呈現明顯的冬季干燥，夏季多雨的特點。其中1、2、3、11、12月的月平均降雨量均小于30mm，4—5月的降雨量在30～60mm，6月、10月的降雨量在60～150mm，7—9月的降雨量最大，約為180～270mm。由于年降水量以及地形、蒸發量等因素的影響，4個地級市的河流徑流量存在一定差異，計算2010—2015年該研究區的月平均徑流量如圖3所示。

圖3 2010—2015年月平均徑流量

由圖3可知，在1—6月、10—12月間，月平均徑流量均小于1.5×108m3，只有每年的7—9月，月平均徑流量才能達到峰值，約為5.0×108～8.0×108m3。由此可見，月降水量與月徑流量呈現明顯的正比例遞增關系，降雨量越大，當地的徑流量越大。且在同一月份內，A地的徑流量較其他3個研究區的徑流量更大。除此以外，還有月平均輸沙量、月平均蒸發量等水文特征，其中月平均輸沙量表示2010—2015年，在4個研究區域內某月水流流動輸送的泥沙總量；月平均蒸發量表示在某研究區內，某月經過蒸發流失的河水總量。

2.2 河道內生態需水計算

使用RVA方法計算該河道內的生態需水量，通過詳細的日流量數據計算河流在不同時段的流量狀態，可以通過以下公式估算預測河道生態需水閾值。

(10)

(11)

結合該生態需水的計算公式，可以對比不同預測方法的相對誤差。

2.3 基于不同方法預測對比結果

為驗證本文預測方法準確性，使用以上生態需水閾值預測方法，計算4個研究區內的生態需水閾值，劃定本次生態河道內4個標記水域的需水上限與下限，在圖中用灰色區域表示。分別使用本文設計的RVA方法、傳統的改進流量歷時保證率法、Tennant和R2-CROSS方法以及水-沙-生態多因子方法進行生態需水閾值的預測，得到如圖4所示的預測結果。

圖4 不同方法預測結果

在圖4中，灰色區域的上限與下限分別代表該研究區內設定的生態需水閾值上界與下界，當某節點的預測結果在閾值內，表示該預測結果準確，若某月某地的預測數據不在閾值內部，則該預測結果不準確。在研究區A中，改進流量歷時保證率方法在5—9月的河道生態需水均低于或高于閾值結果，此時段內該方法的預測結果不準；Tennant和R2-CROSS方法在1月、6—11月均存在數據精度較差的情況；水-沙-生態多因子方法7—9月預測結果不準確；只有本文設計的RVA方法所有時段的預測結果均在閾值上界與閾值下界之間。在研究區B、C、D中，預測結果與其基本相同，通過以上4組數據可知，本文設計的RVA預測方法獲得的各節點指標均在閾值內部，其他3種傳統方法的預測結果均存在高于或低于閾值的情況。

3 結語

本文設計了一種基于RVA的河道生態需水閾值預測方法，該閾值預測方法能夠使河道生態在[25%，75%]的區間內以較好的狀態滿足河道內生物的生存需求。一旦超過這個區間，河道的生態系統將遭到破壞。經過試驗得知，本文設計的預測方法能夠以最準確的方式，得到與閾值相符的預測結果，而傳統的改進流量歷時保證率法、Tennant和R2-CROSS方法以及水-沙-生態多因子方法的預測結果均存在一定程度的精度誤差。雖然采用RVA法可估算河道生態環境需水量，但水生態環境是一個復雜的系統，如何結合河道自身的水質、生物多樣性、地域氣候環境等特點，進行科學的生態環境需水量計算仍需要深入研究。