改进的年内展布法在河流生态需水计算中的应用

朱晔; 方红远; 王铖洁; 宋文献; Ye ZHU; Hong-yuan FANG; Cheng-jie WANG; Wen-xian SONG

中国农村水利水电 ›› 2021 ›› (10) : 105-109.

水环境与水生态

改进的年内展布法在河流生态需水计算中的应用

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Application of Improved Dynamic Calculation Method to Ecological Water Demands

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摘要

为更合理地适应我国季节性河流的径流分布特征，对原有的年内展布法进行改进。在计算河流的生态需水量之前，先对天然径流资料进行三性审查，并依据丰平枯的划分标准划分计算时段，以各时段90%保证率下的多年平均月径流量与该时段多年平均月径流量的比值计算各时段同期均值比，最后结合各月多年平均流量计算生态需水量。以松花江干流上游段的下岱吉断面为例，运用改进后的年内展布法计算该断面的生态需水量，将其计算结果与原年内展布法、最小月平均流量法、流量历时曲线法以及90%保证率法作对比，并用Tennant评价标准评价其计算结果。对比分析后发现，改进的年内展布法计算得出的生态需水量较好地反映了河流径流年内分布特征，符合河流丰平枯的变化规律，且在枯水期能更好满足河道内水生生物的生存需求，整体上更利于河流的生境。

Abstract

In order to adapt to the runoff distribution characteristics of seasonal rivers in China more reasonably， the original dynamic calculation method is improved. Before calculating the ecological water demand of the river， the reliability， representativity and consistency analysis of the natural runoff data is done， and the calculation period is divided according to the division standard of wet， normal and dry period. Meanwhile， based on the ratio of annual average monthly runoff with 90% guarantee rate and annual average monthly runoff， the ratios of the same periods are calculated， and the ecological water demand can be determined combined with the monthly average runoff. Taking Xiadaiji station in the Songhua River basin as an example， the ecological water demand of the station is calculated by using the improved annual dynamic calculation method. The calculation results are compared with those of the original annual dynamic calculation method， the monthly minimum value method， the flow duration curve method and the 90% guarantee rate method. The Tennant evaluation standard is used to evaluate the calculation results. After comparative analysis， it is found that the ecological water demand calculated by the improved annual distribution method better reflects the annual distribution characteristics of river runoff， which conforms to the changeable rule of river flood. It can also better meet the survival needs of aquatic organisms in the river in the dry period， which is more conducive to the river habitat as a whole.

关键词

改进的年内展布法 / 河流生态需水 / 水文资料审查 / 季节性河流 / 松花江干流上游段

Key words

improved dynamic calculation method / ecological water demand / analysis of the hydrologic data / seasonal river / upper reaches of Songhua River

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国家自然科学基金项目(51379181)

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朱晔 , 方红远 , 王铖洁 , 宋文献. 改进的年内展布法在河流生态需水计算中的应用[J].中国农村水利水电, 2021(10): 105-109

Ye ZHU , Hong-yuan FANG , Cheng-jie WANG , Wen-xian SONG. Application of Improved Dynamic Calculation Method to Ecological Water Demands[J].China Rural Water and Hydropower, 2021(10): 105-109

天然河流与河道本身并不存在过于严重的生态问题，水生动植物依水而生，自然地生长繁衍。而随着文明的发展与进步，有了人类的介入，在发展与利益的驱使下，我们对水资源的需求日益增大，对天然河流的开发利用强度日益增大，伴随而来的是各种水环境问题，以及随之引发的社会经济问题，这也就有了人们对生态需水的思考与研究。

目前，国内外学者已对生态需水的计算进行了广泛的研究，常用的计算方法分为水文学法、水力学法、栖息地模拟法以及整体法^［1-3］。计算简单、对数据要求不高的水文学法是国内使用最广泛的方法，其中，由潘扎荣等人提出的年内展布法弥补了传统水文学法以多年平均径流量的特定百分率或者天然径流量频率曲线上的特定保证率作为水文指标进行生态需水量计算造成的主观性与经验性较强的不足，较好地体现了河流天然径流的年内丰枯变化过程，将其运用于淮河干流生态需水量的计算结果也表明该方法能够满足河流生态功能目标对径流的实际需求^［4］。但是该方法仅用单一的同期均值比计算全年的生态需水量，并不适用于径流量随季节变化较大的河流，且将最小年均径流量与多年年均径流量的比值作为同期均值比无法避免极端值对计算结果造成影响。范肖予等^［5］提出的年内同频率展布计算法与雷付春等^［6］改进的年内展布法将计算时段划分为丰、平、枯三个时期以考虑河流的季节变化，但仍未改善原方法易受极端值影响的不足。赵然杭等^［7］在计算时选用90%保证率下的年径流量与多年年均径流量的比值作为同期均值比，但该方法仍用单一均值比来计算全年生态需水量。范博伟等^［8］为避免极丰、极枯年带来的影响，在计算时剔除保证率在5%以下及95%以上年份的径流资料；邓晓等^［9］在改进原年内展布法时也对极值进行了剔除，但这两种方法仍以选择性径流资料为分析基础。

用Tennant法的评价标准检验原年内展布法以及以上几种改进方法的计算结果，显示有半数以上的计算结果在一般用水期与鱼类产卵期仅达到中差等级，河流生态需水满足程度不佳。鉴于此，本文对现有的年内展布法进行改进，在计算前对流域的水文资料进行三性审查以保证计算结果的可靠，计算时对年内径流进行丰、平、枯的时段划分以适用于季节性河流，并用90%保证率下的多年平均月径流取代原方法中的最小平均径流量，减弱极端情况下的径流值对计算结果造成的影响，以期能够更好地满足河流的基本生态需水。

1 改进的年内展布法

1.1 改进思路

生态需水是在流域自然资源，特别是水土资源开发利用条件下，为了维护河流为核心的流域生态系统动态平衡的临界水分条件，生态环境需水量是维系生态系统平衡最基本的用水量，是生态系统安全的一种基本阈值^［10］。我国大部分河流存在显著的流域性以及区域性特征，不同流域、区域的河流水文节律差异较大，为了更好地维持河流基本形态和基本生态功能，我们需要针对不同流域、区域河流的生态需水进行因地制宜的研究。

水文资料，尤其是径流资料是我们进行生态需水量计算的基础，也是决定我们计算结果精度的关键，所以必须充分重视对资料的审查与分析，以保证计算结果的可靠性与实用性。审查和分析的内容包括资料的可靠性、代表性和一致性。对于季节变化显著的河流，根据特定的保证率，结合流域历年长系列径流资料将计算时段划分为丰水期、平水期、枯水期可以较好地反映径流的年内变化过程，从而更适用于部分季节性河流^［11］。在非极端气候条件下，90%保证率的河道径流量能够维系河道基本生态功能，满足水生生物对径流量的基本需求^{［12，13］}，同时也避免了原年内展布法选用最小年均径流量所造成的极端值的影响，所以本文决定以90%保证率下的多年平均月径流量与多年平均月径流量的比值计算同期均值比。

1.2 计算步骤

第一，对径流资料进行可靠性、代表性和一致性的审查。

（1）可靠性审查主要是考察资料来源的水文站是否符合国家标准，以及该站点是否具备长期观测的资料系列。

（2）资料的代表性是指样本特征接近总体特征的程度，通过对历史径流资料的调查考证来判断资料系列中是否包含了大、中、小径流及极丰、极枯年份径流^［14］。同时绘制河流各月径流累积均值模比系数年际过程曲线，观察径流年际变化趋势以判断资料系列是否具有较好的代表性^［15］。模比系数是水文系列中的个体值与该系列平均值的比值，以逐年的各月累积径流量除以该月多年平均径流量就得到了了该月径流累积模比系数。

（3）资料的一致性审查的目的是为了检验计算样本在统计上是否满足“同分布”前提，是判断流域在人类活动影响明显或流域天然下垫面环境有较大改变时资料系列的年际间是否存在系统偏差^［16］。通常借助Mann-Kendall检验法^［17］，该法并不要求样本数据符合正态分布，也不易受少数异常值的干扰，是世界气象组织推荐并已广泛使用的非参数检验方法，同样也适用于水文资料的一致性检验。

计算对应时间序列的统计量

Z

，输入特定的置信水平

α

，若

|Z| \geq Z_{1 - α / 2}

则表示变量

x

随时间序列变化趋势显著，否则变化趋势不显著。置信水平95%、99%对应的

Z_{1 - α / 2}

值分别为1.96、2.58，若计算值

|Z| < 1.96

、

|Z| < 2.58

，则表示所审查的径流资料无显著变化趋势，一致性较好。

第二，整理测站历年径流资料，根据《水文基本术语和符号标准》（GB/T50096-98）中丰、平、枯级别的划分标准P≤37.5%、<37.5%P≤62.5%、P>62.%，对径流资料按月份进行年内划分，划分为丰水期、枯水期、平水期三个计算时段。

第三，根据测站历年径流资料，计算各月多年平均流量

{\bar{q}}_{i} (i = 1,2, \dots, 12)

，并得出丰水期多年平均流量

{\bar{Q}}_{1}

，平水期多年平均流量

{\bar{Q}}_{2}

，枯水期多年平均流量

{\bar{Q}}_{3}

。

第四，根据测站历年径流资料，绘制各月皮尔逊-Ⅲ型频率曲线，输入频率

P = 90 %

，查询90%保证率下的各月多年平均月径流

{\bar{q}}_{90 %, i}

，并计算90%保证率下的丰水期多年平均月径流

{\bar{Q}}_{90 %, 1}

，90%保证率下的平水期多年平均月径流

{\bar{Q}}_{90 %, 2}

，90%保证率下的枯水期多年平均月径流

{\bar{Q}}_{90 %, 3}

。

第五，利用该时段90%保证率下的多年平均月径流与该时段多年平均流量的比值计算同期均值比

η_{1}, η_{2}, η_{3}

。

第六，计算河流各月生态需水量

Q_{i} = η_{i} \times {\bar{q}}_{i}

。

2 应用实例

2.1 流域概况

松花江是中国七大河之一，它也是黑龙江在我国境内的最大支流。河流流经吉林、黑龙江两大省，发源地分为南北两源，北源为发源于大兴安岭支脉伊勒呼里山的嫩江，南源为发源于长白山天池的第二松花江，南北两源于吉林省的三岔河段处汇合后并入松花江干流。松花江干流上游段为三岔河至哈尔滨水文站一段，全长240 km，流域集水面积17 869 km²。上游段设有水文站点下岱吉站，于1939年5月设站，为国家长期积累基础信息，为松花江流域防洪调度提供水文情报预报，为松花江干流区域提供水资源监测信息和考核评价依据等。

图1 松花江干流流域概况图

Fig.1 The geographical map of Songhua River basin

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2.2 资料审查

（1）可靠性审查。下岱吉水文站测站编号10700040，现属吉林省水文水资源局松原分局，具有长期监测水位、流量、泥沙、降水、蒸发、水（岸）温、冰情的历史，且监测与资料整编方式均符合国家标准，因此资料可靠性较高。

（2）代表性审查。整理下岱吉水文站1988-2017年的流量资料，通过绘制该站1-12月径流累计均值模比系数年际变化曲线如图2所示，自2005年起，各月的径流累计均值模比系数大致稳定在数值1.0左右，说明下岱吉水文站1988-2017年的流量资料具有较好的代表性。

图2 下岱吉水文站各月径流累计均值模比系数曲线图

Fig.2 The cumulative average MoBi coefficient curve of Xiadaiji Station’s monthly runoff

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（3）一致性审查。经计算，下岱吉水文站1988-2017年的流量资料的统计量Z为-1.89，没有通过置信水平为95%和99%的显著性检验，说明该站径流资料一致性较好。

2.3 计算结果

根据松花江干流下岱吉水文站1988-2017年的逐月径流资料，按照前文所述计算步骤，计算得下岱吉水文站逐月同期均值比以及生态需水量，结果如表1所示。

表1 基于改进年内展布法的下岱吉水文站生态需水量计算结果

Tab.1 The ecological water demand of Xiadaiji Station based on the improved dynamic calculation method

变量	1月	2月	3月	4月	5月	6月	7月	8月	9月	10月	11月	12月
时期	枯水期	枯水期	枯水期	平水期	平水期	平水期	丰水期	丰水期	丰水期	丰水期	平水期	枯水期
${\bar{q}}_{i}$ /（m³·s^-1）	401	380	461	773	886	1 086	1 643	2 773	1 976	1 238	778	476
${\bar{Q}}_{i}$ /（m³·s^-1）	430	430	430	881	881	881	1 907	1 907	1 907	1 907	881	430
${\bar{q}}_{90 %, i}$ /（m³·s^-1）	291	258	334	527	428	453	533	718	656	537	475	336
${\bar{Q}}_{90 %, i}$ /（m³·s^-1）	305	305	305	471	471	471	611	611	611	611	471	305
同期均值比	0.709	0.709	0.709	0.535	0.535	0.535	0.320	0.320	0.320	0.320	0.535	0.709
生态需水量/（m³·s^-1）	284	270	327	413	473	581	526	888	633	397	416	338

2.4 结果分析

2.4.1 改进后的年内展布法与原方法的计算结果对比

改进后的年内展布法与原方法计算的生态需水量结果如表2、图3所示。

表2 基于改进的年内展布法与原方法的下岱吉水文站生态需水量计算结果

Tab.2 T he ecological water demands of Xiadaiji station based on the improved dynamic calculation method and dynamic calculation method

计算方法	1月	2月	3月	4月	5月	6月	7月	8月	9月	10月	11月	12月
改进后的年内展布法/（m³·s^-1）	284	270	327	413	473	581	526	888	633	397	416	338
原年内展布法/（m³·s^-1）	134	127	154	258	295	362	547	924	658	149	129	103

图3 基于改进的年内展布法与原方法的下岱吉水文站生态需水量对比

Fig.3 Comparison of ecological water demands between the improved dynamic calculation method and dynamic calculation method

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由图3可知，两种方法计算得出的生态需水量年内变化趋势基本一致，除7-9月，其他月的生态需水量原方法的计算结果均低于改进后的年内展布法，尤其冬季流量过低，这并不利于河道内生物在北方极端气候条件下生存，且河流的流量偏小将直接影响到河流的流动性与连通性，不利于河流自身的生态健康。7-9月，改进后的年内展布法的计算结果低于原方法，但差别较小。原因在于原方法用最小年均径流量

{\bar{Q}}_{m i n}

和多年年均径流量

\bar{Q}

的比值计算同期均值比，而7-9月为夏季，降水多集中于该时期，导致该时期年内径流分配占比较大，如图4所示。因而这几个月的最小年均径流量也偏高，导致同期均值比偏大，使得最终计算结果也稍有偏大。总体看来，改进后的年内展布法能较好地反映径流的年内分布特征，且尤其适用于北方河流季节性变化特征明显这一情况，其计算结果在北方地区极端气候条件下更能满足河道内水生生物生存的需求，更利于河流保持其基本的生态功能。

图4 下岱吉水文站径流年内分配

Fig.4 Annual distribution of runoff at Xiadaji Station

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2.4.2 改进后的年内展布法与Tennant法对比

Tennant法又称Montana法，该法以事先可知的多年平均流量百分数为基础，将生态流量分为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月-次年3月份（一般用水期）和4-9月（鱼类产卵育幼期）两类讨论，评价标准如表3 ^［18］。

表3 Tennant法对栖息地质量和流量关系的描述

Tab.3 A description of the relationship between habitat quality and flow by Tennant

级别	推荐的基流标准（多年平均流量百分数）/%
级别	10-次年3月（一般用水期）	4-9月（鱼类产卵育幼期）
极限或最大	200	200
最佳范围	60～100	60～100
极好	40	60
很好	30	50
良好	20	40
一般或较差	10	30
差或最小	10	10
极差	0～10	0～10

依据Tennant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。

表4 改进的年内展布法及原方法与Tennant评价标准对比

Tab.4 Comparison of results between the improved dynamic calculation method and Tennant method

月份	改进后的年内展布法		原年内展布法
月份	年均值比/%	评价结果	年均值比/%	评价结果
1	26.5	良好-很好	12.5	一般-良好
2	25.2	良好-很好	11.8	一般-良好
3	30.5	很好-极好	14.4	一般-良好
4	38.5	一般-良好	24.0	差-一般
5	44.1	良好-很好	27.5	差-一般
6	54.1	很好-极好	33.7	一般-良好
7	49.1	良好-很好	51.0	很好-极好
8	82.8	最佳范围	86.1	最佳范围
9	59.0	很好-极好	61.3	最佳范围
10	37.0	很好-极好	13.9	一般-良好
11	38.8	很好-极好	12.0	一般-良好
12	31.5	很好-极好	9.60	极差

由表4可知，改进后的年内展布法的计算结果，一般用水期的生态需水量占多年平均径流量的25.2%～38.8%，Tennant法的评价结果为良好～极好，此时河流的河宽、水深及流速是较好的，可以满足捕鱼、筏船等基本的要求。而原年内展布法的计算的生态需水量在该时期占多年平均径流量的9.6%～14.4%，Tennant法的评价结果为极差～良好，评价结果相比改进后的方法较差；改进后的年内展布法计算的生态需水量在鱼类产卵育幼期占多年平均径流量的38.5%～82.8%，Tennant法的评价结果为一般～最佳范围，此时河流的河宽、水深及流速可以较好地满足水生生物的生存需求，并且捕鱼、船只通航均可以实现^［19］。而原年内展布法的计算的生态需水量在该时期占多年平均径流量的24.0%～86.1%，Tennant法的评价结果为差～最佳范围，评价结果相比改进后的方法稍差。总体来看，改进后的年内展布法计算的生态需水量相较前文所提原方法及其他改进方法有所优化，能更好地满足水生生物的生存需求，因此本文方法的改进是合理可行的。

2.4.3 改进后的年内展布法与其他方法对比

将基于改进后的年内展布法得到的生态需水量与最小月平均流量法、流量历时曲线法以及90%保证率法比较，其结果如表5、图5所示。

表5 改进的年内展布法与其他方法对比

Tab.5 Comparison between the improved dynamic calculation method and other methods

计算方法	1月	2月	3月	4月	5月	6月	7月	8月	9月	10月	11月	12月
改进后的年内展布法/（m³·s^-1）	284	270	327	413	473	581	526	888	633	397	416	338
最小月平均流量法/（m³·s^-1）	245	214	290	436	231	256	364	600	509	446	388	310
流量历时曲线法/（m³·s^-1）	291	258	334	527	428	453	533	718	656	537	475	336
90%保证率法/（m³·s^-1）	252	213	252	395	240	300	380	480	550	450	320	283

图5 多种方法计算的下岱吉断面的生态需水量对比

Fig.5 Comparison of Xiadaiji Station’s ecological water demands by different methods

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由表5、图5可知，最小月平均流量法、流量历时曲线法以及90%保证率法三者计算得出的生态需水量年内变化趋势基本一致，其中最小月平均流量法与90%保证率法的计算结果在丰水期7-9月相较本文改进后的年内展布法过低，不符合河流随季节变化在夏季流量较大的特点，在鱼类的产卵育幼期也无法满足物种的生长需求。而流量历史曲线法在枯水期与本次改进后的年内展布法的结果较为接近，但是在平水期其结果偏高，丰水期其结果又偏低，不符合河流年内丰平枯变化的实际特征，同样地也无法很好地满足鱼类产卵育幼的基本需求。因此综合上述情况，本文采用的改进后的年内展布法既符合河流季节性变化的特点，又能较好地满足河道内生物生存生长的需要，且在极端天气条件下也可保持河流的基本生态功能，可维持相对良好的河道环境。

3 结论

（1）本文所提出的改进的年内展布法，对测站的径流资料进行三性审查以确保资料的可信度，并结合流域的丰平枯划分，以90%保证率下的多年平均月径流量与多年平均月径流量的比值计算同期均值比，对原方法进行了改进。改进后的年内展布法在有可靠的长期径流资料的条件下，是一种计算简单、原理科学的生态需水量计算方法。

（2）本文利用改进后的年内展布法，对松花江干流上游段的下岱吉水文站的河流断面进行生态需水量的计算。通过与原方法的对比发现，改进后的年内展布法在保有原方法能够体现河流年内径流变化特点的基础上，更符合河流随季节变化带来的丰平枯的变化过程，且极大程度上避免了流域极端水文情况的影响，因而适用于北方河流冬季的极端气候条件。

（3）用Tennant评价标准对改进后的年内展布法的计算结果进行评价，并将该法与其他生态需水量计算方法进行对比，结果表明改进后的方法能更好地满足河道内水生生物在不同生长时期的生存需求，且有利于河流的生态健康。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

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1 改进的年内展布法
1.1 改进思路
1.2 计算步骤
2 应用实例
2.1 流域概况
图1 松花江干流流域概况图
2.2 资料审查
图2 下岱吉水文站各月径流累计均值模比系数曲线图
2.3 计算结果
表1 基于改进年内展布法的下岱吉水文站生态需水量计算结果
2.4 结果分析
2.4.1 改进后的年内展布法与原方法的计算结果对比
表2 基于改进的年内展布法与原方法的下岱吉水文站生态需水量计算结果
图3 基于改进的年内展布法与原方法的下岱吉水文站生态需水量对比
图4 下岱吉水文站径流年内分配
2.4.2 改进后的年内展布法与Tennant法对比
表3 Tennant法对栖息地质量和流量关系的描述
表4 改进的年内展布法及原方法与Tennant评价标准对比
2.4.3 改进后的年内展布法与其他方法对比
表5 改进的年内展布法与其他方法对比
图5 多种方法计算的下岱吉断面的生态需水量对比
3 结论
参考文献

收稿日期	出版日期
2021-01-06	2021-10-15
发布日期
2021-11-09

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