基于改进年内展布法的河流生态流量研究

田肖冉，姜 宁，施 巧，李德良，倪 鹏，刘 岩，王鑫鑫

（1.黑龙江大学水利电力学院，哈尔滨 150080；2.黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080）

0 引言

水在生态系统中扮演着重要的角色，它对于植物生长、动物繁衍生存都起着尤为重要的作用。因此，科学合理的确定河流的生态流量，不仅有利于水资源的合理利用，而且更能有效的保护水资源。

近年来，对于河流生态流量的研究已成为水利行业研究的热点问题[1]，常用的计算方法分为水文学法、综合法、栖息地模拟法和水力学法四大类[2-4]，其中，水文学法是我国最为常用的方法，它以历史水文数据为基础，较其他方法计算简单方便，年内展布法就是其中的一种。生态流量的年内展布法是潘扎荣、阮晓红等在2013 年河道基本生态需水的年内展布计算法[5]一文中提出的，年内展布法能够体现河流的年内径流量分布特点，但是由于该方法在12 个月份始终选取同一同期均值比来计算生态流量，故导致对季节性河流的计算中会产生较大偏差。因此，需要对年内展布法进行改进，国内目前主流的改进方案主要从替换多年平均月径流量和分时段计算同期均值比两个方面入手。其中，范肖予等提出的年内频率展布法，将一年划分为丰平枯3 个时期计算同期均值比[6]，但对于原年内展布法易受极端值的影响未得到改善；赵然杭等提出了将河道内90%保证率下的年径流量代替各月最小径流量的年均值的方法[7]，但该方法仍为采用单一同期均值比来计算全年生态流量；范博伟等根据径流的季节性变化特点计算同期均值比[8]，取平均流量在5%～95%保证率之间的年份作为计算年份；邓晓将各月分为汛期和非汛期，去除各月径流系列中的极值后计算时段同期均值比[9]，以上两种方法虽然避免了极端值的影响，但是计算中没有涵盖河流的所有径流量资料；朱晔等也是采用分时段计算同期均值比的方法对原年内展布法进行了改进[10]，但改进后的年内展布法在7-9月的计算结果较原年内展布法得到较好的改善。

基于此，本文以90%保证率下各月的径流量代替各月最小径流量，避免极端情况下径流量值对计算结果带来的影响；并对原年内展布法依据季节、丰枯月份、径流量3种标准划分时段进行不同的改进，从中选择合适的改进方法，使其计算结果的误差变小，更符合河流的实际情况。

1 年内展布法及其改进

1.1 基本原理

年内展布计算方法根据流域水文站断面获取的长系列天然径流量资料，从而计算长系列资料下各月最小径流量的年均值-Qmin和多年平均月径流量-Q，进而求得两者之间的比值获得同期均值比η，并以同期均值比系数结合各月多年平均径流量-qj（j=1～12）进行计算，得到最终生态流量Qj=η qˉj。[11]其方法最核心的内容就是同期均值比的计算。

1.2 局限性

大部分的河流都有各自的流域特点和区域性特征，不同流域、区域的河流径流量差异较大，因此，在对河流进行分析时，需要针对不同河流的水文特征进行因地制宜的研究。

年内展布法以天然径流量为基础，但由于河流本身的特点，有可能产生部分月断流的情况，各月最小径流量会受到极端径流的影响，而在计算过程中未考虑多年径流随季节的变化特征，对于强季节性河流来说，该方法计算的结果可能存在较大偏差。

1.3 改进思路

针对原年内展布法的局限性，本文进行改进：

（1）以90%保证率下各月的径流量代替各月最小径流量。在一般气候条件下，90%保证率下的河流径流量能够维持河流基本生态功能，以90%保证率下各月的径流量代替各月最小径流量还可以避免极端值的影响。

（2）选择不同的同期均值比。本文通过对年内12 个月的径流量按照表1进行不同划分，进而分时段计算得出各时段的同期均值比。其中，根据北方河流的季节性按改进方法一将一年划分为春夏秋冬四季4个时段[12]；根据黑龙江省丰枯月份判定方法按改进方法二将一年划分为非汛期、汛期和冰冻期3个时段；根据河流径流量特征按改进方法三划分为丰平枯3个时段。

表1 3种改进方法的时段划分Tab.1 Time division of three improved methods

同期均值比计算方法如下：

1.4 计算步骤

步骤一，对径流资料进行可靠性、代表性和一致性的审查[12,13]。水文资料是水文分析计算的依据，它直接影响着工程设计的精度。因此，对于所使用的水文资料必须慎重的审查，即鉴定年径流量资料的可靠性、一致性和代表性。

（1）资料可靠性的审查。检查水文站获取的资料是否真实可靠。

（2）资料代表性的审查。计算成果的精度取决于样本对总体的代表性，代表性越高，抽样误差就越小。因此，资料的代表性审查对衡量频率计算结果的精度具有重要意义。

（3）资料一致性的审查。资料的一致性要求组成系列的每个资料都具有同一成因，不同成因的资料不得作为一个统计系列。对于年径流量系列而言，它的一致性是建立在气候条件和下垫面条件的稳定性上的。

步骤二，根据获取的多年径流量资料，分别计算历年来12个月的各月多年平均径流量。

步骤三，确定90%保证率下各月的径流量。根据已有的天然径流资料，采用皮尔逊-Ⅲ型曲线分别对12 个月各月多年径流量进行配线，首先通过61 年的径流资料确定12 个月各月多年平均径流量值、取Cs∕Cv=2，然后对曲线进行多次拟合，得到最好拟合效果下90% 保证率下各月的径流量q90%,j。

步骤四，根据改进方法中时段的划分，分别计算3种改进方法下各时段i的平均月径流量和90%保证率下各时段i的平均月径流量，从而计算各时段的同期均值比ηi。

2.1.1 流域概况

西北河是松花江下游左岸一级支流，发源于通河县东南部祥顺镇北部山区，自西北向东南汇入松花江。河道全长74 km，流域面积880 km2。西北河流域位于中温带大陆性季风气候区，流域四季分明：春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季降温急剧，冬季严寒漫长。此流域降水主要受季风影响，降水多集中在夏季，年内分配不均，6-9月降水量占年降水量的75%，其中7、8 两月降水量占年降水总量的54%左右，降水的年际变化较大。

2.1.2 资料数据审查

（1）可靠性审查。西北河水文站设立于1958 年5 月，集水面积531 km2，具有长期监测资料，且持续观测至今，资料可靠性较高。

（2）代表性审查。本次选取西北河水文站1956-2016年径流量资料，进而绘制该站1-12 月各月径流量累计均值模比系数年际变化曲线图。由图1 可知，自2010 年起，各月的径流量累计均值模比系数大致稳定在数值1.0 左右[14]，说明西北河水文站1956-2016年61年的径流量资料具有较好的代表性。

图1 西北河水文站各月径流累计均值模比系数曲线图Fig.1 Curve of modulus ratio coefficient of cumulative mean value of monthly runoff of Northwest River Wen station

2 实例计算与分析

2.1 实例计算

以松花江支流西北河流域为例，选取西北河水文站断面

（3）一致性审查。松花江支流西北河流域气候条件稳定，且流域内无拦河坝、水电站、渠道、泵站等水利工程的影响。因此，西北河水文站径流量资料一致性较好。

2.1.3 计算结果

根据西北河水文站1956-2016 年61 年的径流量资料，按照前文所述计算步骤进行计算，得到3种改进方法下各月的生态流量，结果如表2所示。

表2 改进年内展布法的西北河水文站生态流量计算结果Tab.2 Calculation results of ecological flow of Northwest River Cultural Station Based on improved intra year distribution method

2.1.4 结果分析

3种改进后的年内展布法与原年内展布法计算的生态流量结果如图2所示。

图2 改进的年内展布法与原方法的西北河水文站生态流量对比Fig.2 Comparison of ecological flow of Northwest River cultural station between the improved intra year distribution method and the original method

由图2 可知，除改进方法二在6 月计算得到的生态流量值较高外，3种改进方法计算得出的生态流量与原年内展布法计算得出的生态流量年内变化趋势基本一致。

通过比较上述4种计算方法可知，计算得到的生态流量总体趋势为：改进方法一＞改进方法三＞原年内展布法＞改进方法二。采用改进方法二计算得到的结果在非汛期（4-5 月、10-11 月）与原年内展布法计算得到的结果相同，在7-8 月计算得到的结果低于原年内展布法计算得到的结果，总体来看生态流量值较原年内展布法计算得到的结果低，其改进方法在此不适用，不予采用；采用改进方法三改进的年内展布法计算得到的生态流量值同原年内展布法相比各月之间均有所提高，予以采用；采用改进方法一计算得到的生态流量结果均高于原年内展布法计算得到的结果，其中，除在12-翌年3月之间改进效果稍低一些外，在其他月份之间改进效果均较高，尤其在7-8 月其计算结果较原年内展布法有了较大的提高，符合7-8月水量较多的特点，予以采用。综合来看，运用改进方法一改进的年内展布法效果更好，更适用于西北河生态流量的计算，且计算结果符合北方河流季节性变化特征，本文选取改进方法一为改进的年内展布法。

2.2 改进方法验证

通过3种改进的年内展布法与原年内展布法对比分析，以及改进的3种方法之间进行对比，选取改进效果最好的改进方法一作为本文改进的年内展布法，对其进行验证。

2.2.1 改进后的年内展布法与Tennant法对比

Tennant 法又称蒙大拿法，该法把生态流量划分为8 个等级，又因为水生生物对环境的要求存在季节性差异，将情况分作10-翌年3 月（一般用水期）和4-9 月（用水高峰期）两类讨论，评价标准如表3所示[15,16]。

表3 Tennant法的生态流量评价标准 %Tab.3 Ecological flow evaluation criteria of Tennant method

依据Tennant 法评价标准，对改进后的年内展布法的计算结果进行评价，结果如表4所示。

由表4可知，在一般用水期，生态流量与多年平均月径流量的比值由原年内展布法的0.49%～6.01%通过采用改进的年内展布法变为了1.91%～14.83%，Tennant法的评价结果由极差改进为极差～好；在用水高峰期，生态流量与多年平均月径流量的比值由原年内展布法的5.51%～20.30%通过采用改进的年内展布法变为了11.95%～52.56%，Tennant 法的评价结果由原来的极差～中范围变为了差～极好范围。总体来看，相比较于原年内展布法对生态流量计算的结果，在这两个时期均有了较好的改善，因此对年内展布法的改进是合理可行的。

表4 改进后的年内展布法及原年内展布法与Tennant评价标准对比Tab.4 Comparison between the improved intra year distribution method and the original intra year distribution method and Tennant evaluation standard

2.2.2 改进后的年内展布法与其他的计算结果对比

将改进方法一改进后的年内展布法得到的生态流量与逐月最小径流法[16-18]及90%保证率法[19]比较，其结果如图3 和表5所示。

图3 多种方法计算的西北河水文站生态流量对比Fig.3 Comparison of ecological flow of Northwest River cultural station calculated by various methods

表5 改进的年内展布法与其他方法对比 m3/s Tab.5 Comparison between improved intra year distribution method and other methods

由图3 和表5 可知，逐月最小径流法的计算结果整体流量值较改进方法一过低，且在7-8月相差最大，不符合西北河在夏季径流量大的特点，且无法满足鱼类繁衍生存的要求；90%保证率法在5-8 月之间的流量变化趋势不符合图4 西北河流域年内径流量的变化特征，且5月生态流量过低，不能满足生态用水的需求。综合上述情况，本文选用改进方法一改进的年内展布法，其既符合西北河流域季节性变化的特点，又能够满足鱼类繁衍生存的需求和河流生物生长的需要，能够保障河流的基本生态功能。

图4 西北河水文站径流年内分配Fig.4 Annual distribution of runoff of Northwest River Wenhe station

3 结 论

本文通过划分年内时段选取不同的同期均值比，对年内展布法进行了改进，主要得出以下结论：

（1）本文按不同方法划分，运用3种方法对年内展布法进行了改进，将计算结果与原年内展布法对比可知，按丰枯月份判定方法划分计算得到的结果与原年内展布法相比较差。因此，对于此划分方法还需进一步验证其适用性。

（2）本文以松花江支流西北河为例对改进的年内展布法进行计算，并对基础资料进行了三性审查确保了资料的可靠性、一致性和代表性，同时，采用90%保证率下各月的径流量代替各月最小径流量，避免了极端值的影响，使其计算结果与实际情况更相符。

（3）本文选取河流季节性改进的年内展布法，对西北河流域进行生态流量计算。将改进的年内展布法与其他水文学方法（逐月最小径流法、90%保证率法）进行对比，并结合Tennant 法进行了评价，结果表明，改进后的年内展布法更能体现河流的变化特征，更适用于北方河流生态流量的计算。