改进的年内展布方法在干旱区河流生态基流量计算的适用性研究

雷付春

(辽宁省铁岭水文局，辽宁 铁岭 112000)

生态基流是河流生态要求的最基本水文流量，近些年来，随着流域用水矛盾的日益突出，生态基流特别是对于干旱地区的河流而言已成为科学研究的热点问题，水文学方法为常用的河流生态基流计算方法。进入20世纪以来，年内展布方法由于采用同一个时期的径流均值来计算年内生态径流的需水过程，解决了传统水文学方法采用径流百分率作为生态基流指标的主观性和经验性的局限。但是年内展布方法存在不能反映旱区季节性河流不同时期径流变化特性的局限，存在明显的局限性。对于北方干旱区河流而言，分析不同时期的生态基流有利于区域河流水资源的优化配置和高效利用，鉴于此，本文建立一种改进的年内展布方法，以同频率月平均径流为计算基础，计算旱区季节性河流丰、平、枯三个时期的生态基流的变化过程。研究成果对于北方旱区季节性河流生态基流确定具有重要的参考价值。

1 改进的年内展布方法计算原理

改进的年内展布方法根据区域河流天然径流过程，将12个月份分别划分成丰水期、枯水期以及平水期，在同一时期各频率下，先确定同一个时期下均值比，即为同期多年月最小径流量与多年同期的比值，其主要计算步骤为：

(1)结合区域实测的天然径流数据确定各个月份最小流量值，其计算方程为：

(1)

(2)计算三个频率下的月平均径流量和最小月均流量，计算方程为：

(2)

(3)

(3)计算不同频率下月均流同期均值和多年平均径流的比值，其计算方程为：

(4)

式中，η枯水期、η丰水期、η平水期—各频率下同一时期下的径流比值。

(4)以多年月平均径流量为计算基础，对各月份生态基流进行计算，计算方程为：

(5)

式中，Qi—各月份下的生态基流，m3/s；ηi—各频率下的径流比值。

2 实例应用

2.1 站点概况

结合辽宁北部旱区4个典型站点作为研究实例，各站点的年径流深均在100mm以下，且各站点的年降水量均在600mm左右，属于典型旱区季节性变化河流。近些年来，由于流域用水矛盾日益突出，各站点所在河流的生态需水得不到有效满足，河流生态环境状况呈现一定程度的破坏。当前，随着辽河流域生态治理措施的加大，需要对这些河流的生态基流进行计算，以满足河流最基本的生态需水要求。采用各站点1960—2018年天然径流数据，统计计算各站点生态基流的变化过程。

2.2 各站点同期均值比计算结果

结合各站点1960—2018年天然径流数据，统计分析各站点同期均值比，计算结果见表1。

从表1中可看出，选取的4个典型站点月最小流量年内变化过程较小，这主要是因为这4个站点都位于径流较小的区域，流域多年径流变幅较小。从各站点的同期均值比结果可看出，各站点的同期均值比在15%～37%之间变化，丰水期的同期均值比较高，而在枯水和平水期其同期均值比在15%～23%之间变化。从各站点月最小径流和月平

表1 各站点计算结果

表2 各站点生态基流计算结果

图1 各水文站点改进方法传统方法下生态基流年内计算过程对比

均径流可以看出，各站点所在的河流属于旱区典型的季节性变化河流，河流径流特性呈现明显的季节性变化。

2.3 各站点生态基流计算结果

结合改进年内展布方法对各站点的生态基流进行了计算，计算结果见表2，并对比改进前后方法下生态基流的年内过程，对比结果如图1所示。

从对比结果可看出，改进前后方法下生态基流在年内分配的变化趋势较为一致，在平水期两种方法下其生态基流差异性较小。而在丰水期和枯水期，传统算法下其生态基流偏小，均小于改进方法下的两个频率下的生态基流值，特别是在枯水期，由于旱区河流枯时期来水量较少，若不能满足河流最基本的生态基流的要求，枯水期河流生态环境破坏程度将加剧。在丰水期采用改进方法下计算的生态基流要大于传统方法下的生态基流，因此采用同频率方法下计算的各月生态基流和实际天然径流贴近度更高，更能反映旱区季节性河流径流的变化特点，计算更为精准，更适用于北方旱区季节性河流的生态基流计算。

2.4 各站点生态基流评价结果

为对不同生态基流下河道生态环境状况进行评价，结合Tenanat法对各站点各时期下的生态环境状况进行评价，评价结果见表3。

表3 各站点生态基流评价对比结果

Tenanat法将丰水期多年径流量的30%作为生态最小径流过程，而在枯时期将多年平均径流量的10%作为生态系统短期内所需要的最下水量。从评价对比结果可看出，相比于传统算法，采用改进算法下河道生态环境状况评价结果得到明显好转，在丰水期，对于干旱区河流而言，总体可以保持在好到极好的状态，改善程度好于传统算法。而在枯水期和平水期，改进方法下河道生态环境状况也好于传统算法，在年均值对比结果中，各站点生态环境也总体在中～好的状况，好于传统算法下中或差的生态环境状况。这主要是因为改进算法下其生态径流过程可以考虑不同时期不同频率下的径流季节变化特点，和天然径流的吻合度好于传统算法，因此其计算的生态基流过程更符合河道的天然生态环境特征。

3 主要结论

(1)改进的年内展布方法采用同频率方法将各时期内的最小径流与多年平均径流进行同期平均值的确定，结合站点各月天然径流确定生态基流，该方法可以改善河流断流及其他洪水对其他时期径流计算的干扰程度，在北方季节性较强河流生态基流计算具有重要推广价值。

(2)较传统算法，采用改进的年内展布方法下计算的生态基流不仅可满足Tenanat方法下生态环境状况评价的目标，且对河流各时期天然径流变化过程得到更为精细的划分。