一种计算多属性生态流量的改进FDC法

李昌文，康 玲，张 松，周丽伟

(1.华中科技大学水电与数字化工程学院,武汉 430074；2.长江勘测规划设计研究院水利规划研究院,武汉 430010)

一种计算多属性生态流量的改进FDC法

李昌文1，2，康 玲1，张 松1，周丽伟1

(1.华中科技大学水电与数字化工程学院,武汉 430074；2.长江勘测规划设计研究院水利规划研究院,武汉 430010)

为解决生态流量标准的空间移植性、逐月和年际变异性和分级性4个属性问题,提出了一种基于FDC的改进方法。该方法基于月均流量系列的特定保证率将所有年份逐月进行丰、平、枯水年分组,基于总历时法和逐年组、逐月份的日均流量系列构建FDC,取50%,90%历时点流量作为生态流量的最优上限值和最小值,最小到最优上限之间的各级生态流量根据改进的Tennant等差数量分级思想确定。以汉江为例,将计算结果与Tennant法、改进Tennant法、7Q10法、90%保证率最枯月流量法、近10 a最枯月平均流量法、逐月最小生态径流法、最小月平均法、Q90法、改进Q90法、Q97,10法和生态监测成果进行了对比分析。结果表明,改进FDC法的生态流量标准优于传统水文学法且十分合理,其空间移植性、时间变异性和栖息地条件的分级性都得到了充分体现,同时也避免了极端流量事件和年内分配不均的影响。

生态流量；流量历时曲线；空间移植性；时间变异性；分级性；极端事件

2015,32(11):1-6,13

1 研究背景

河流的水文情势表现为流量随时间的年内和年际变化,亦称为流量情势,对河流生态系统的演替过程及多样性和完整性维持具有决定性的作用[1]。通过长期的演替,河流生态系统的生物群落已建立了与自然水文情势相适应的生存策略[2]。然而,人类对水资源的不合理开发改变了河流的天然水文情势,水生生物通常来不及适应短期内水文情势的急剧改变而造成河流生态系统的退化[3]。为了保护和修复河流生态系统,急需提出有利于河流生态系统健康稳定发展的生态流量过程。

目前关于生态流量的计算方法有200多种,其中水文学类方法由于简单、易用、只需流量数据、避免了昂贵、耗时的野外观测等优点而在全世界范围内得到了最普遍的应用。流量历时曲线(Flow-duration curve,FDC)法是水文学法中应用第二广泛的方法,在美国、英国、澳大利亚、南非等国的应用较多[4]。然而,在中国,研究方法主要偏向于较为简单的频率曲线法,FDC的应用论文只有零星几篇[5-6]。目前,FDC法存在以下不足:①现有研究成果主要集中在逐年或所有年的FDC构建,计算的生态流量在年内或年际上为单一值,不符合自然水文情势的变化规律；②生态流量的分级标准主要采用特定的保证率和百分比[7],具有较大程度的经验性、主观性和区域适用性,而不能移植到其他河流中,这也是其他水文学法存在的共性问题。此外,空间移植性较差、生态流量标准易受极端流量事件和年内分配不均的影响也成为了目前亟待解决的问题。因此,研究一种具有逐月变异性、年际变异性和空间移植性的分级FDC法,具有十分重要的理论意义和实践价值。

2 研究方法

2.1 改进FDC的原理

为了反映更多的流量变异细节,本文基于日均流量构建逐时段的FDC,具体构建方法包括总历时法(Total-period method)、多年平均法(Calendar-year method)和多年中值法(Median-annual method)3种。总历时法构建的FDC较为真实地描述了径流的历史变化,缺点是不能反映径流的年际变化；多年平均法构建的FDC考虑了径流的平均年际变化,但易受年际极端流量事件的影响；多年中值法构建的FDC同时考虑了径流的年际变化和极端流量事件的影响。综上所述,多年中值法是最合理的,但为了描述生态流量的逐月变化特性,需要构建逐月FDC,如果采用多年中值法,则每年每月的日均流量系列太短,反而会增加FDC的不确定性,故采用总历时法构建逐月FDC。为了能同时反映生态流量的年际变化和逐月变化特征,基于天然月均流量的保证率分别将各月的日流量系列划分为丰水年组(月均流量的保证率GR＜25%)、平水年组(25%≤GR≤75%)和枯水年组(GR＞75%),然后基于各年组、各月的日均流量系列构建FDC[8],超过频率的计算公式为

式中:pij为第j年组、第i月、第rij个日均流量的超过率(%)；rij为日均流量系列从大到小排序后的编号；mi为第i月的天数(i=1,2,…,12,分别代表1—12月)；nj为第j年组的年份数(j=1,2,3,分别代表丰水年组、平水年组和枯水年组)。

2.2 基于改进FDC的生态流量分级标准

Tennant基于水文学家和生物学家在美国南北分界线100多条河流17 a的研究经验以及自身在蒙大拿州、怀俄明州和内布拉斯加州11条河流11 a的野外观测、水力学分析和统计分析,研究发现:最优生态流量的上限等于多年平均流量(average annual flow,AAF),最优范围(占5级)、很好、好、良好、一般和最小相邻各级生态流量的差值相同,都等于10%AAF[9]。Tennant法促成了生态流量科学的成形和快速发展,成为了全球应用最广和最有效的方法[4],其设计者也因此被誉为生态流量政策及科学之父。为了减少生态流量标准人为的主观分级,本文采用Tennant法的等差数列分级思想计算生态流量,具体步骤如下:确定具有逐月变异性、年际变异性和空间移植性的最优和最小生态流量标准；基于等差数列分级思想确定最优和最小生态流量之间的适宜分级数；根据分级数计算各级生态流量。

2.2.1 最优和最小生态流量标准

现有研究表明,AAF易受年际极端流量事件及年内分配不均的影响,而不能较好地反映流量系列的集中分布趋势；相反,多年中值流量受径流系列总体分布偏斜度的失真影响很小,更能体现河流的实际来水过程[10]。基于此,本文采用逐年组、逐月份FDC上的中值流量来代替AAF作为最优生态流量的上限值。

Tennant法的最小生态流量等于10%AAF,该值既可能远小于天然最小月流量,甚至远小于天然最小日流量,又可能远大于天然最小月流量(尤其在枯水季节)[8]。因此,10%AAF不能作为最小生态流量的普适性标准使用。为了提高最小生态流量标准的移植性,根据现有研究成果[6,8],选取各个年组逐月FDC上的90%历时点流量作为最小生态流量。

Tennant法的生态流量分为10级,其中第6—10级为生态流量的最佳范围,常合并为1级,即总共6级。Tennant法的最优生态流量下限值等于60%AAF,为了避免60%的区域局限性,本文进行如下改进:将最小至最优上限的生态流量初步等分为10级,第6级为最优生态流量的下限值,公式为

式中:Eo(ij)为第j年组第i月的最优生态流量下限值；Q50(ij),Q90(ij)分别为第j年组第i月FDC上的中值流量50%和90%历时点流量。

2.2.2 生态流量标准的分级数量

为避免极端高、低流量事件对AAF的影响,各级生态流量的等差改进为10%Q50[8]。分级数量的计算公式为

式中:nij为第j年组第i月的生态流量分级数；Round为四舍五入函数。

为便于管理,各年组、各月份的生态流量分级数量取恒定值,具体根据nij系列的众数得到,如果返回了几个不同的级数,则取其平均值,即

式中:N为最终的生态流量分级数；Mode,Average分别为求众数函数、求平均值函数。

2.2.3 各级生态流量标准的确定

基于Tennant法的等差数列分级思想,确定各级生态流量标准,即

式中:Em为第m级生态流量,其中E1为最小生态流量；最优生态流量具有上、下阈值,其中EN为最优生态流量的下限值；Q50为最优生态流量的上限值。

3 实例研究

3.1 研究区域概况

本文选取汉江为研究对象。汉江是长江最长的支流,全长1 577 km,流域面积15.9万km2。汉江中游于1973年建成了控制性大型骨干工程——丹江口水库,1968年蓄水运用后,下游襄阳水文站年内流量分配趋于均匀,中水流量持续时间增加,枯水流量加大,主汛期7—9月的径流量占全年百分数比建库前减少11.5%,多年月均流量的最大与最小值的比为建库前的26%。天然水文情势的剧烈改变,引起了汉江中下游的一系列生态问题,主要表现为“四大家鱼”等天然产漂流性渔业资源的衰退和“水华”的频繁爆发。

3.2 计算结果

基于丹江口水库蓄水前襄阳水文站的天然日均流量系列(1930—1967年),采用改进FC法计算汉江的各级生态流量。丰水年、平水年、枯水年的最小生态流量过程见图1,枯水年份的各级生态流量过程见图2。

图1 最小生态流量过程Fig.1 The minimum ecological flow duration curves

图2 枯水年份的各级生态流量过程Fig.2 Multi-level ecological flow duration curves in dry year

由图1可知,改进FDC法计算的生态流量具有逐月和年际丰枯变化特性,平水年1—12月的计算值分别占多年平均流量的21%,23%,26%,36%, 43%,33%,68%,51%,57%,55%,39%,30%,对逐月最小生态流量取平均值,得到丰、平、枯水年的最小年均生态流量分别占多年平均流量的62%,40%和21%。由图2可知,汉江襄阳断面的生态流量可分为最小、适宜和最优3个等级,枯水年的年均生态流量分别占多年平均流量的21%,26%,30%～38%。

4 讨论与分析

为了评估改进FDC法的合理性,与常用的Tennant法、改进Tennant法(生态流量的等差为逐月平均流量的10%)、7Q10法、90%保证率最枯月流量法、近10 a最枯月平均流量法、逐月最小生态径流法、最小月平均法、基于FDC的Q90法和Q97,10法[11](最小生态流量等于90%保证率的枯水年FDC上超过97%频率的流量)进行对比,并结合生态环境监测研究成果进行论证。

4.1 多种方法的对比分析

4.1.1 具有多级标准的方法比较

以上各方法中,仅Tennant系列方法的生态流量标准具有多个等级,以对应于不同的水生栖息地条件,其余方法只能计算最小生态流量。由改进FDC法和Tennant方法确定的汉江生态流量标准分别包含3级和6级,分级越细,实际的水库调度和水资源配置难度越大。因此,就生态流量标准分级数而言,改进FDC法相对更合适。

考虑到Tennant法的生态流量标准不具有逐月变异特性,仅对改进Tennant法和改进FDC法进行比较。考虑到改进Tennant法的生态流量标准不具有年际的丰枯变异特性,为了对等比较,改进Tennant法和改进FDC法均基于所有年的流量系列计算生态流量,而不必划分丰、平、枯水年组。2种方法的最小和最优生态流量比较结果分别如图3、图4所示。

图3 改进FDC法和改进Tennant法的最小生态流量标准比较Fig.3 Comparison of minimum ecological flow criteria between modified FDC method and modified Tennant method

由图3可知,改进FDC法的最小生态流量总体在最小和第二小月均流量之间,7月份的最小月均流量(1932年)和第二小月均流量(1948年)远大于改进FDC法的最小生态流量。通过分析发现,该月的均值流量受到了月内极端大流量的影响而偏高(图5),因此,改进FDC法的最小生态流量是合理的。相反,改进Tennant法的最小生态流量远低于逐月最小月流量,极不利于河流的健康维持。图5也同样说明了改进FDC法优于逐月最小生态径流法。

图4 改进FDC法和改进Tennant法的最优生态流量标准比较Fig.4 Comparison of optimum ecological flow criteria between modified FDC method and modified Tennant method

图5 月均流量与日流量比较Fig.5 Comparison between monthly mean flow and daily flow in a month

由图4可知,2种方法的最优生态流量在枯水期相近,但在主汛期7—9月,改进Tennant法的计算结果远高于改进FDC法。通过分析发现,在枯水期和主汛期,汉江襄阳断面月流量系列的变差系数分别为0.37～0.46和0.62～0.70,剧烈的年际变化(尤其是年际极端高流量)使得主汛期月均流量偏离总体分布(图6),而多年中值流量避免了该影响,使得改进FDC法较改进Tennant法更为科学合理。

4.1.2 仅具有最小标准的方法比较

根据改进FDC法与所选水文学法的最小生态流量比较结果(图7),可知:除了逐月最小生态径流法和改进Tennant法的计算结果具有逐月变化特点外,其余所选方法的最小生态流量在年内和年际上为一恒定值,计算结果从大到小排序为:Q97,10法、最小月平均法、Q90法、近10 a最枯月平均流量法、90%保证率最枯月流量法、7Q10法和Tennant法。

图6 多年平均月流量与月流量系列比较Fig.6 Comparison between average monthly flow and monthly flow series

图7 多种方法计算的最小生态流量比较Fig.7 Comparison of minimum ecological flows calculated by modified FDC method and traditional hydrological methods

Q97,10法的计算结果一般偏小,接近于7Q10法[11],但在汉江襄阳断面的应用却比较反常,其结果远大于改进FDC法在平水年份枯水季节的最小生态流量。分析其原因,传统水文学法的径流年际划分是基于年均流量系列,没有考虑径流的年内分配情况,对于年内径流分配不均的河流,一旦出现年内分配较均匀且各月流量相对较小但其总和在90%保证率左右的所谓“枯水”年份(汉江襄阳断面为1966年,图8),就会出现上述现象。

图8 Q97，10法易受径流年内分配的影响Fig.8 Influence of runoff of intra-annual distribution on Q97，10method

最小月平均法、Q90法、近10 a最枯月平均流量法的计算结果接近于改进FDC法在平水年份枯水季节的最小生态流量。最小月平均法计算结果偏大的原因在于:最小月平均流量受到最小月流量系列中的年际极端高流量影响(图9)。Q90法计算结果偏大的原因在于:没有对天然径流系列进行年际丰、平、枯划分,基于所有年的日均流量系列得到的最小生态流量更能反映平水年份枯水季节的生态需求。近10年最枯月平均流量法计算结果偏大的原因在于:在近10年,自然水文情势受到丹江口水库“削峰补枯”的干扰较强烈,径流的年内分配趋于均匀化,枯水季节流量增大。

图9 最小月平均法易受流量年际极端变化的影响Fig.9 Influence of extremely inter-annual flow on minimum monthly average method

90%保证率最枯月流量法、7Q10法的计算结果接近于改进FDC法在枯水年份枯水季节的最小生态流量,证明了改进FDC法的合理性。

图10 基于逐月和年际变异性的改进Q90法Fig.10 Modified Q90method based on monthly and inter-annual variability

为了进一步说明改进FDC法生态流量标准的年际变异性优点,以Q90法为例,根据传统水文学方法对年均流量进行排频计算,得到丰水年组、平水年组和枯水年组,然后对Q90法进行改进,得到各年组、各月的最小生态流量(图10)。图10(a)展示的是各年组的Q90值,图10(b)展示的是逐年组逐月份的Q90值。显然,传统的径流年际划分方法易导致年生态流量呈现不出年际的丰、平、枯变化规律,且使逐月份的生态流量同时具有年际的丰、平、枯变异特点,而改进FDC法则冲破了这一束缚。

4.2 生态监测成果的论证

汉江中游是“四大家鱼”的天然产卵场,每年5—8月,当水温达到18℃以上时,家鱼便集中在产卵场进行繁殖,产卵规模与涨水的流量增加量和洪水持续时间有关。“四大家鱼”在产卵期的适宜流速为0.3～0.6 m/s,根据襄阳水文断面在1973—1997年的流速-流量关系曲线,得到汉江的最优生态流量[12],并将其与改进FDC法在平水年和枯水年的最优生态流量进行比较(表1)。

表1 监测成果与改进FDC法的最优生态流量比较Table 1 Comparison of optimum ecological flowbetween monitoring data and calculated data bymodified FDC method

由表1可知,丹江口水库蓄水后的最优生态流量监测成果与基于丹江口水库蓄水前天然流量系列和改进FDC法的平、枯水年最优生态流量范围相比,总体存在较大交叉区域,说明改进FDC法的计算成果具有一定的合理性；同时,改进FDC法在平水年的最优生态流量上限值稍大于监测成果,其原因在于生态监测资料为丹江口水库蓄水后的1973-1997年,丹江口水库的削峰作用极大地减缓了汉江中游的流速。此外,改进FDC法在枯水年的最优生态流量下限值要稍低于监测成果,其原因在于枯水年份的天然来流量较小,考虑到生产和生活用水,很难维持家鱼所需的生态洪水。综上所述,改进FDC法的生态流量标准是合理的。

5 结 论

改进FDC法的生态流量标准具有较好的逐月和年际丰枯变化特性、空间移植性以及水生栖息地条件分级性。在汉江襄阳水文站的实例研究中,通过与常用的Tennant法、改进Tennant法、7Q10法、90%保证率最枯月流量法、近10年最枯月平均流量法、逐月最小生态径流法、最小月平均法、基于FDC的Q90法、改进Q90法、Q97,10法和生态监测数据的对比分析,表明改进FDC法的生态流量标准是十分合理的,同时也揭露了传统水文学法最根本的共性问题。此外,最小和最优生态流量的设计使得其避免了年际、年内、月内极端高流量事件和年内径流分配不均的影响,最小至最优的各级生态流量基于改进的Tennant等差数列分级思想,在最小和最优生态流量设置合理的情况下,中间各级生态流量也相对合理,减少了分级的主观性和随意性。改进FDC法不要求每年的日流量是连续的,当部分数据缺失时可避免插补所带来的误差,极大地提高了该方法的应用范围。

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(编辑:赵卫兵)

A Modified FDC Method with Multi-level Ecological Flow Criteria

LI Chang-wen1,2,KANG Ling1,ZHANG Song1,ZHOU Li-wei1
(1.School of Hydropower&Information Engineering,Huazhong University of Science&Technology,Wuhan 430074,China；2.Water Conservancy Planning Institute,Yangtze River Changjiang Institute of Survey, Planning,Design and Research,Wuhan 430010,China)

To solve four key problems existed in the current ecological flow criteria(EFC):spatial transferability,monthly variability,inter-annual variability and scalability,a modified flow-duration curve method is proposed. Based on specific guaranteed rates of average monthly flow series,this approach divides all the years into wet,normal and dry year groups for every month；and then monthly flow-duration curves for every water year group are established based on total-period method and daily flow series,the discharges at the 50-percent-duration and 90-percent-duration points are respectively taken as the optimum and minimum EFC.Finally,multi-level EFC from minimum to optimum are established with progression idea of modified Tennant arithmetic.The new approach is tested in the Hanjiang River and compared with Tennant method,modified Tennant method,7Q10 method,minimum monthly runoff at 90%guaranteed rate method,minimum monthly runoff for recent ten years method,month-bymonth minimum ecological runoff method,minimum monthly average discharge method,Q90method,modified Q90method,Q97,10method and ecological monitoring data.The results show that the new approach is reasonable and superior to traditional hydrological methods for excellent spatial transferability,temporal variability,gradability of perch condition,meanwhile,by the new approach,we can avoids the influence of extreme flow events and uneven intra-annual distribution.

ecological flow；flow-duration curve；spatial transferability；temporal variability；gradability；extreme flow events

X171.1

A

1001-5485(2015)11-0001-06

10.11988/ckyyb.20140814

2014-09-18；

2014-10-16

高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20110142110064)

李昌文(1986-),男,重庆梁平人,博士研究生,主要从事生态水文研究,(电话)13517254948(电子信箱)lichangwen@hust.edu.cn。

康 玲(1965-),女,湖北武汉人,教授,博士生导师,主要从事水资源优化配置和生态调度研究,(电话)13971585580(电子信箱) kling@hust.edu.cn。