河道适宜生态流量研究

(辽宁省朝阳水文局，辽宁 朝阳 122000)

人类对水资源的不合理开发会改变河道的天然水文情势，使水生生物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[1]。河流的水文情势亦称为流量情势，表现为河道流量的年内变化和年际变化情况[2]，对河流生态系统的平衡和生物多样性、完整性具有决定性作用，因此，科学、合理地确定河道生态流量是保护河流生态系统的根本性措施[3-4]。

大伙房水库位于辽河的大支流浑河中上游，是浑河上一个重要的控制站，坐落在辽宁省抚顺市境内，控制流域面积5437km2。本文基于大伙房水库站实测逐日流量资料，运用逐月频率计算法和改进FDC法，对河道适宜生态流量进行计算，并结合Tennant法的评价准则对2种方法的计算结果进行评价优选，以此确定大伙房水库上游河道适宜生态流量，为保护大伙房水库上游河道生态系统健康稳定发展和水资源的优化配置提供参考。

1 研究方法

本文采用逐月频率计算法和改进FDC计算浑河大伙房水库上游河道适宜生态流量，并运用Tennant评价准则对2种方法的计算结果进行评价优选，得到最终的河道适宜生态流量。

1.1 逐月频率计算法

逐月频率计算法是根据历史流量资料,采用距平百分率法将研究年份分为丰、平、枯水年组，再根据各个年组内各月的多年平均流量将一年划分为丰水期、平水期、枯水期3个时期,对各个时期拟定不同的保证率(枯水期90%保证率,平水期70%保证率,丰水期50%保证率[5]),最后分别计算各个年组内各丰、平、枯水期在不同保证率下的生态流量,即为河道不同来水年份年内的适宜生态径流过程。

1.2 改进FDC法

改进的FDC法[6]基于年均径流量系列的特定保证率将所有年份进行丰、平、枯水年分组，在不同来水年组内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组(月均流量的保证率P<25%) 、平水组 ( 25%≤P≤75%) 和枯水组(P>75%)，然后基于各年组、各月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，最终确定适宜生态流量。

1.3 Tennant法评价准则

Tennant 法或称蒙大拿法[7]：该方法属于非现场测定类型的标准设定法，取预先确定的年天然径流的百分比作为河流生态需水的推荐值。将河道内生态环境状况分为极差、差、一般、良好、很好、极好、最佳范围、最大允许极限8个级别，依据水生生物生育期分为一般用水期(10月至次年 3月) 和鱼类产卵育幼期(4—9月) 两个时段(见表1)。

表1 Tennant法中河道内不同生态环境状况对应流量百分比

2 计算及结果分析

本文选取大伙房水库1959—2016年实测逐日平均流量和年径流数据，运用逐月频率计算法和改进FDC法计算大伙房水库上游河道适宜生态流量。

2.1 适宜生态流量计算

2.1.1 逐月频率计算法

根据年径流资料，对所取研究年份采用距平百分率法划分为丰水年组、平水年组、枯水年组，在各个年组内根据大伙房站多年平均径流过程(见图1)将一年划分为丰水期、平水期、枯水期3个时期(见表2)。

图1 大伙房站多年平均径流过程

年 份丰水期/月平水期/月枯水期/月丰水年7,891—6,10—12平水年6—941—3,5,10—12枯水年4,7—95,61—3,10—12

在丰水期、平水期、枯水期划分的基础上，对各个时期拟定不同的保证率(枯水期90%保证率,平水期70%保证率,丰水期50%保证率),分别计算各个年组内各丰、平、枯水期在不同保证率下的适宜生态流量，确定不同来水年份年内的河道适宜生态径流，得到丰、平、枯水年组适适宜生态径流过程(见图2)。

图2 丰、平、枯水年组适宜生态流量过程

由图2可看出，平水年份和枯水年份的适宜生态流量过程趋势基本一致，均呈“双峰”形态，即1—8月适宜生态流量总体呈现增加上升趋势，9—12月呈下降趋势；丰水年份的适宜生态流量过程总体上呈“单峰”形态，4月的适宜生态流量略大于5月。

2.1.2 改进FDC法

根据实测逐日平均流量，运用改进FDC法，计算大伙房站丰水年、平水年、枯水年组各月的适宜生态流量，确定的适宜生态流量过程(见图3)。

图3 丰、平、枯水年组适宜生态流量过程

由图3可看出，不同来水年份的适宜生态流量过程趋势一致，适宜生态流量过程中8月生态流量值最大；丰水年份和平水年份的适宜生态流量过程总体上呈“单峰”，1—8月各级生态流量总体呈上升趋势，4月份各级生态流量与5、6月相差不大,9—12月呈下降趋势；枯水年份的适宜生态流量过程呈“双峰”，由于4月河道冰雪消融，生态流量明显大于5、6月份的生态流量。

2.2 结果分析

采用Tennant法的评价准则对以上2种方法的计算结果进行比较,计算的适宜生态流量过程及评价等级(见表3)。

表3 适宜生态流量过程对比及Tennant评价结果 单位：m3/s

续表

由表3可以看出，总体上，在汛期逐月频率计算法的计算结果较改进FDC法的结果大，评价等级较高，非汛期改进FDC法计算结果较逐月频率计算法的结果大，评价等级较高，能够更好地保障河道正常生态功能。在丰水年份，逐月频率计算法计算结果在7、8月较改进FDC法计算结果大，评价等级较高，改进FDC法计算结果在9月至次年6月较逐月频率计算法计算结果大，评价等级较高；平水年份，逐月频率计算法计算结果在6—9月较改进FDC法计算结果大，评价等级较高，改进FDC法计算结果在10月至次年5月较逐月频率计算法计算结果大，评价等级较高；枯水年份，逐月频率计算法计算结果在4—9月较改进FDC法计算结果大，评价等级较高，改进FDC法计算结果在10月至次年3月较逐月频率计算法计算结果大，评价等级较高，故结合逐月频率计算法和改进FDC法的计算结果，选取2者之间评价等级较高、流量较大者作为河道适宜生态流量，结果见表4，从而得到最终的河道适宜生态流量。

表4 河道适宜生态流量过程 单位：m3/s

3 结 语

本文运用的逐月频率计算法和改进FDC法充分考虑了河流的丰、平、枯天然水文情势, 强调了生态径流的过程性，具有同天然河川径流过程一样的逐月和年际丰枯变化特性，按照历史历时情况将适宜生态流量精确到月尺度，并运用Tennant评价准则对2种方法的计算结果进行评价优选，得到最终的河道适宜生态流量，计算结果在不同来水年份的不同时期保证了河流的不同水量,更有利于维持河流的生态健康，便于在水资源配置管理中参考和应用。

本文通过对浑河大伙房水库流域生态流量的研究，计算了丰、平、枯水年组适宜生态流量过程(表4)，计算的结果合理、符合河道不同生态需水流量过程对径流的年内动态需求。