基于逐月径流频率法的挠力河流域生态流量计算

董淑华，吴京晏，张玉国，邢贞相

(1.黑龙江省水文局，黑龙江 哈尔滨 1500001;2.东北农业大学 水利与土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

基于逐月径流频率法的挠力河流域生态流量计算

董淑华1，吴京晏2，张玉国1，邢贞相2

(1.黑龙江省水文局，黑龙江 哈尔滨 1500001;2.东北农业大学 水利与土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

本文以挠力河为例，基于菜嘴子、保安、宝清、红旗岭四个水文站1956—2012年的月径流数据，运用逐月频率法、改进Tennant法计算年内适宜生态径流及生态需水过程，得到其年内适宜生态需水阈值，最终获得四站完整的生态径流及生态需水过程。研究结果表明，各站所在河道内的生态需水量计算方案结果均较为理想，各月生态需水量平均保证率为60.2%，河道内生态状态很好。

挠力河流域；逐月径流频率法；Tennant法；生态需水量

河道内生态需水量是流域生态环境需水的重要组成部分，是流域生态水权分配和生态环境保护的依据，一般指维持水生生物和陆生生物生存的最低需水量，连通的湖泊、洪泛区范围内的陆地和湿地都在其研究范围之内[1]。保证水生生物的生存[2]，满足部分排盐、入渗补给及污染自净等方面的需水量是河流生态环境需水量的主要用途，因此不能将其二次调控[3]。为使河流的基本生态环境功能不出现异常，常流河要保证其年内各时段的径流量满足一定大小，使河流生态环境不会出现断流等现象[4]。河道内生态需水量主要由保证生态功能的河道主流生态需水量、河流流动过程中消耗的渗漏需水量和水面蒸发需水量三部分组成。目前河流生态系统保护的主要方向是研究河流生态径流量[5],河流生态径流过程及其变化特征对保护河流生态系统的健康及稳定起到重要作用。本文主要研究河流生态径流的计算[6]。

1 研究流域概况

1.1 研究流域

挠力河流域是乌苏里江的一级支流，位于黑龙江省东部地区。东经131°～134°，北纬46°～48°[7]。总面积为24 863 km2，挠力河起于完达山脉勃利县境内的七里嘎山，自西南向东北，长条形。流域平均长度、宽度约为270 km和90 km，比率为3∶1，支流分布成羽毛状[8]。流域属于中温带大陆性季风气候，半湿润地带，夏季高温多雨，冬季干冷而漫长。根据本流域历年气象资料，7月份出现全年最高气温36.6 ℃，平均气温为21.9 ℃，1月份出现全年最低气温-37.2 ℃，月平均气温为-18.1°C。6—9月份的降水量占到全年的70%以上，平均为545 mm，其中雨量最为丰富的7、8月份占到全年降水量的44%以上； 5、6月份降水量较少，仅占全年降水量的23%，因此春季易发生干旱，秋季易出现洪涝灾害[9]。

1.2 数据来源

本文选取位于挠力河流域干流上的4个主要水文站点(宝清站、保安站、红旗岭和菜嘴子)的月径流量观测数据。挠力河地区4个主要水文站点的月均径流量数据摘自《黑龙江省水文年鉴》，由于各站统计年限不完全相同，宝清站、菜嘴子站的径流序列长度为1956—2010年水文数据，保安站序列长为1958—2010年水文数据，红旗岭站序列长度为1977—2010年水文数据。

2 研究方法

2.1 逐月频率计算法

首先需要建立天然月径流量序列，将全年12个月的径流量划分为丰水序列、平水序列和枯水序列，依次采用50%保证率、75%保证率以及90%保证率[10]。该月河流最小生态流量即为保证率所对应的流量[11]。再由每个月的生态流量组成全年的生态流量过程。在确定径流频率最大处之前，要先选择合适的概率分布函数[12]，常用的概率分布有P-Ⅲ型分布、GEV分布。利用检验概率平均值对比分析P-Ⅲ型分布和GEV分布对于月径流的拟合效果，发现GEV分布更加符合月径流的分布特点。因此，本文选择GEV分布作为月径流的分布函数。

GEV概率密度分布函数如式(1)，式(2)所示：

(1)

(2)

式中：ζ、σ、μ分别为GEV分布的形状参数、尺度参数、位置参数，其中ζ<0、ζ=0、ζ>0分别对应着Frechet分布、Gumbel分布和Weibull分布。

利用线性矩法对GEV概率分布函数进行参数估计，利用下列公式算线性矩l1、l2、l3及GEV参数值。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：n代表月径流序列的长度；xj代表第j年某月的径流量，m3。

生态流量x即GEV分布中出现频率最大的流量为：

(10)

2.2 Tennant评价方法

Tennant 法也可以称作蒙大拿法，在1976年由田纳特(Tennant，D. L)提出来的[13]。田纳特等人为确保Tennant 法的有效性，1964—1974年期间对美国内布拉斯加等11条河流进行了详细的野外研究。现在Tennant法在我国更普遍应用于计算河流生态径流量和对河流生态用水的评价等方面的研究[14-15]。表1是Tennant法对河道内生态质量和河道流量关系的描述。

表1 Tennant法对河道内生态质量和河道流量关系的描述

由表1可知，可以将河道流量大体分成三个等级，当河道径流量是多年平均流量的60%～100%时，河宽、水深等因素会提供给水生生物以优良的生长环境，河道两边的滩地也将成为鱼类良好的生存条件，植物也会有充足的水量，可以满足捕鱼、划船等各种需求；当河道径流量是多年平均流量的30%～60%时，河道两边的部分滩地会显现出来，鱼类，无脊椎动物数量有所下降，但对于捕鱼，划船等旅游项目基本没有影响，还算令人满意；当河道径流量是多年平均流量的5%～10%时，对于大型河流而言基本可以满足鱼类生存，是保持生物短时间生存的最低流量。

Tennant 法的优点是应用简单、操作方便，依据多年流量数据就可以评价生态水量，容易与水生生态系统之间建立关系，且不需要进行大量的野外工作。

3 挠力河流域生态流量计算

3.1 生态需水量的计算

本研究所选取的研究区域挠力河位于纬度较高的中国东北部，其中12月—次年3月属于寒冬季节，温度较低，多处河流处于冰冻期，所以本文选取4—11月的平均水量数据为基础数据。本次采用逐月最小生态径流计算法来计算最小生态径流。根据本文之前的步骤,对挠力河流域宝清、保安、红旗岭和菜嘴子共四站的生态需水量的计算结果如表2所示。

3.2 检验与分析

通过Tennant法来检验“逐月径流频率法”进而得到挠力河流域各水文站生态需水量评价的结果见表3。

表2 挠力河流域四站生态需水量 104 m3

由表3可知，宝清站、保安站、红旗岭和菜嘴子的生态需水量占多年平均径流量的比例分别为20%～60%、45%～80%、50%～80%和30%～70%。宝清站7、8、9、10月份的生态需水保证率均在50%以下，其中10月份是 27.74%，通过查看1956—2012年的月径流数据可知，1957、1959、1963年10月份径流量明显偏大，使该月多年平均径流量增大，生态需水量比例降低；7、8、9月份由于我国东部的锋面雨转移到此地从而形成大量的降雨，使河道内的流量剧增，所以计算方案结果较差。其他三个站的比值相对平稳，只有11月份的较低，是由于冬季天气寒冷干燥，不适宜动植物的生长，导致生态需水量下降，尽管冬季严寒大面积积雪，冰冻河面，但影响作用没有前者大，因此比值较小；4、5、6月份由于上一年冬季降雪的融化，河道内流量丰富，使河道内的径流量能够满足生态需水。所以结果较为理想，生态需水量平均保证率为60.2%，河道内生态状态维持很好。

4 结论与建议

本文选取挠力河流域的保安、宝清、菜嘴子、红旗岭四个水文站1956—2012年的月径流数据作为研究对象，分别计算各月份河道内生态流量，观察各月份生态流量的变化规律并找到其中的影响因素。

(1)本文采用逐月径流频率法来计算最小生态流量，在计算过程中要确定保证率是计算的重要环节，能够反映年内河流丰枯的变化过程。通过计算生态需水量与多年平均径流量之间的比值，可以判断河内的生态状态。宝清的生态需水量保证率在20%～60%，差距较大，通过对数据的观察发现数年的10月份径流量明显偏大，导致比值降低。保安、菜嘴子、红旗岭三站的生态需水量保证率均在60%以上，结果非常理想。

(2)对不同频率下生态流量分别应用Tennant 生态环境状况评价等级标准做对比，将枯水期最小生态流量阈值提升。从整体观察可以看出4—6月份的河道生态状态非常好，这是由于冬季刚过，天气渐渐转暖，大量的冰雪融化，使河道内径流量增多，完全能够满足生态流量的需求；7—10月份天气变热，为水生生物提供了良好的生存环境，大量的动植物进行繁殖和生长，导致生态需水的增加，所以河道生态流量基本能够满足生态流量的需求；而11月份天气变冷，水面冰冻，生态需求减少，所以河道内径流量能够提供良好的生态环境。

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Calculation of ecological flow based on monthly runoff frequencymethod in Naolihe Basin

DONG Shuhua1，WU Jingyan2，ZHANG Yuguo1，XING Zhenxiang2

(1.HeilongjiangHydrologyBureau,HeilongjiangHarbin150001,China;2.SchoolofWaterConservancyandCivilEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,HeilongjiangHarbin150030,China)

In this paper, Naolihe River was selected as an example. Based on the monthly runoff data of the 1956—2012 in four hydrological stations of Caizuizi, Baoan, Baoqing and Hongqiling, this paper uses the monthly frequency method and the improved Tennant method to calculate the annual suitable ecological runoff and ecological water demand process to get the threshold of the annual ecological water demand, and finally get complete ecological runoff and ecological water demand process of the four hydrological stations. The results show that the calculation scheme of ecological water demands in each river that hydrological station in is ideal, the average guarantee rate of the monthly ecological water demand is 60.2%, and the ecology in the river is pretty good.

Naolihe Basin; monthly runoff frequency analysis; Tennant method; ecological water demand

黑龙江省水利厅科技开发项目(201402；201318)；国家自然科学基金项目(51109036；51179032)；黑龙省自然科学基金(E2015024)；教育部高等学校博士学科点专项科研基金(20112325120009)；水利部公益性行业科研专项经费项目(201301096)；黑龙江省级领军人才梯队后备事头人资助项目(500001)

董淑华(1960-)，女，黑龙江望奎人，教高，主要从事水文水资源分析与管理工作。E-mail:54570917@qq.com。

邢贞相(1976-)，男，山东胶南人，副教授，主要从事水资源分析与评价方面的研究。E-mail：xingzhenxiang01@163.com。

TV121

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2096-0506(2017)04-0015-05