赵然杭

摘要：为了拓宽年内展布计算法的适用范围，针对我国北方河道季节性明显的特点，对该方法进行改进。在原方法的基础上，将同期均值比修改为特枯年（P=90%）河道年径流量与多年平均径流量的比值，结合多年月均径流量进行河道内基本生态需水量计算。以弥河谭家坊水文断面为例，计算河道内基本生态需水量，并与Tennant法标准及我国常用的水文学方法以及改进前的年内展布计算法作对比。结果表明，在一般用水期和鱼类产卵育幼期，改进的年内展布计算法结果都能够满足维持河道基本生态功能的要求，更为合理，证实该方法既继承了原方法能够体现河道年内径流总体过程和变化特征的特点，又能够适用于季节性明显的河道，适用于河道内基本生态需水量的计算。

关键词：年内展布计算法；改进；基本生态需水量；河道内；弥河

中图分类号：TV213.9文献标志码：A文章编号：

16721683（2018）04011406

Study on instream basic ecological water demand based on the improved dynamic calculation method

ZHAO Ranhang1，PENG Tao1，WANG Haofang1，GAO Feng2，QI Zhen1

（

1.School of Civil Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China；2.Water Resources Research Institute of Shandong Province，Jinan 250013，China）

Abstract：Key words：

dynamic calculation method；improvement；basic ecological water demand；instream；Mi River

近年来，随着我国经济的快速发展，水资源开发过度，各部门用水分布不合理，生活和生产用水严重挤占了生态用水，造成了河道断流、生态系统退化等问题[1]。为了修复和改善河道的生态系统，实现水资源的合理开发、配置，需科学合理地确定河道内基本生态需水量[2]。

国外对河道内基本生态需水量的计算方法进行了广泛研究，当前较为常用的方法主要分为四类：水文学法、水力学法、栖息地法以及综合法[3]。水文学法是根据河道的径流资料计算基本生态需水量，属于统计学方法[46]，常用方法有Tennant法[7]、Texas法[8]、NGPRP法[9]等；水力学法根据河道断面形状、比降、水深等水力参数，确定基本生态需水量，代表方法有湿周法[10]、R2CROSS法[11]、CASMIR法[1213]等；栖息地法是在水力学法的基础上，考虑水质、水生物等因素，建立物理实验模型计算基本生态需水量，代表方法有IFIM/PHABSIM法[1415]、RCHARC法[16]、Basque法[17]等；综合法综合考虑了专家意见和生态整体功能，有南非的BBM法[18]和澳大利亚的HEA法[19]。我国在该领域的研究时间较晚，缺乏大量的现场观测数据，水力学法、栖息地法和综合法的应用受到很大的限制[20]，因而，当前我国主要采用水文学法计算河道内基本生态需水量，常用方法主要有Tennant法、最小月平均流量法[21]、枯年天然径流估算法[22]、7Q10法[23]等。2013年，潘扎荣等[24]提出了计算河道内基本生态需水量的年内展布计算法。年内展布计算法的特点是计算结果能够体现河道年内径流总体过程和变化特征，弥补了传统水文学法经验性和主观性较强的缺点。但是，该方法只适用于有连续径流过程的大中型河道，对于季节性明显的河道，计算结果误差较大。鉴于此，本文在年内展布法的基础上进行改进，使其能够适用于季节性明显的河道生态基本需水量计算。

1年内展布法改进

1.1年内展布法及其局限性

依据文献[24]，年内展布计算法是根据河道长序列的天然径流资料，以年内各月最小月均径流量的年均值与多年年均径流量的比值作为同期均值比，结合多年月均径流过程进行河道基本生态需水量的计算。计算公式如下：

[AKQ-]=[SX（]1[]12[SX）]∑[DD（]12[]i=1[DD）][AKq-D]i[JY]（1）

[AKq-D]i=[SX（]1[]n[SX）]∑[DD（]n[]j=1[DD）]qij[JY]（2）

[AKQ-]min=[SX（]1[]12[SX）]∑[DD（]12[]i=1[DD）]qmin（i）；qmin（i）=min（qij），j=1，2，…，n[JY]（3）

η=[AKQ-]min/[AKQ-][JY]（4）

Qi=[AKq-D]i×η[JY]（5）

式中：[AKQ-]为多年平均径流量（m3/s）；[AKq-D]i为第i个月的多年月均径流量（m3/s）；n为统计年数；qij为第j年第i个月的径流量（m3/s）；[AKQ-]min为最小年均径流量（m3/s）；qmin（i）为第i个月的多年最小月径流量（m3/s）；η为同期均值比；Qi为各月的河道基本生态需水量。

多年最小月径流量qmin（i），在理论上会随着河道径流量资料时间序列的增加而降低，导致同期均值比减小，计算结果不稳定。对于季节性明显的河道，受极端水文事件的影响，部分月份径流量会很小，甚至为0，导致计算结果偏小，误差较大。

1.2改进的年内展布法

1.2.1改進思路

河道内基本生态需水量是指维系河道基本生态功能的水资源量[25]，能够维持河道生态系统不会恶化，确保河道基本生态功能不严重退化。河道内基本生态需水量的目标是在一般用水期，为水生生物提供最小的生存空间，在水生生物产卵育幼等关键时期满足其最低需求[7]。由于气候、水生物、下垫面以及人类活动的影响，导致河道内基本生态需水量年内分布不同，因此需根据年内河道不同月份的用水需求，确定河道内基本生态月需水量。

年内展布计算法计算结果受河道多年月均径流量和同期均值比共同影响。其中，河道多年月均径流量能够有效削弱极端水文事件影响，较好地反映河道径流的年内变化过程。因此，为了科学合理地确定季节性明显的河道基本生态需水量，需确定一个更加合理、稳定的同期均值比。

相对于年内展布计算法同期均值比中的多年最小月径流量，特定频率下的年径流量大小更为稳定。河道径流量变化具有周期性特征，河道中水生生物已完全适应了河道径流量的变化过程。根据文献[9]，在非极端气候（90%保证率以下）情况下，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。因此，可将90%保证率下（即特枯年）的河道年径流量作为河道基本生态年需水量；把河道多年月均径流量进行标准化，作为比例系数，将河道基本生态年需水量进行年内分配，作为河道基本生态月需水量。

基于以上思路，提出改进的计算方法。

1.2.2改进方法[HJ1.96mm]

（1）多年月均径流量的确定。

根据河道内长序列径流资料，确定多年月均径流量[AKq-D]i，即

[AKq-D]i=[SX（]1[]n[SX）]∑[DD（]n[]j=1[DD）]qij[JY]（1）

（2）90%保证率年径流量的确定。

根据河道内长序列年径流资料，采用PⅢ型曲线进行配线，计算90%保证率下的河道年径流量q90%。

（3）确定同期均值比。

90%保证率下的年径流量q90%与多年平均径流量的比值作为同期均值比，计算公式如下

η=q90%/∑[DD（]12[]i=1[DD）][AKq-D]i[JY]（2）

（4）結合多年月均径流量，计算河道内基本生态需水量qi，即

qi=[AKq-D]i×η[JY]（3）

式中：[AKq-D]i为第i月的多年月均径流量（m3/s）；n为统计年数；qij为第j年第i月的径流量（m3/s）；η为均值比例系数；q90%为90%保证率下的年径流量（m3/s）；qi为各月的河道基本生态需水量（m3/s）。

1.3方法特点

改进的年内展布计算法将河道内90%保证率下的年径流量与多年平均径流量的比值作为比例系数，结合多年月均径流量，计算河道内基本生态需水量，继承了年内展布计算法能够反映河道内的全年径流过程和变化特征的优点。在下垫面不变的情况下，90%保证率的年径流量不随水文资料序列的增加而发生较大变化，计算结果较为稳定，弥补了年内展布计算法计算结果不稳定、对于季节性明显的河道误差较大的不足。

2实例应用

弥河发源于临朐，过青州、经寿光入渤海，干流全长177 km，总流域面积3 863 km2。在青州市境内，弥河在谭坊镇入寿光处有一处水文站——谭家坊站，具有从1976-2010年的长序列水文资料，见图1。本文以弥河谭家坊水文断面为例，采用改进的年内展布计算法计算该断面处河道内基本生态需水量。

2.2讨论与分析

2.2.1与Tennant法标准对比

Tennant法是将河道多年平均年径流量的百分比流量作为河道生态需水量[7]。在实际应用过程中，需结合河道所在地气候特征、水生生物组成等，对Tennant法在本地区的适用性进行检验。本文根据弥河河道内主要鱼类（鲫鱼、鲤鱼、白条鱼等）的产卵育幼期，对Tennant法的标准进行修正，鱼类产卵育幼期修正为7月-9月，一般用水期修正为10月-翌年6月，详见表4。

根据表3和表4，将弥河谭家坊水文断面的基本生态需水量与Tennant法的评价标准进行对比分析，详见表5。结果表明，在一般用水期（10月-翌年6月），各月生态需水量占年径流量的34%～

[CM（22]161%，根据Tennant法对流量标准的描述[7]，河[CM）]

道径流能够维持一定的宽度、深度和流速，为水生物提供基本生存空间，满足鱼类洄游、景观等一般要求。在鱼类的产卵育幼期（7月-9月），各月生态需水量占年径流量的128%～281%，处于差中（10%～30%）之间，河道径流的河宽、水深和流速令人满意，能够满足鱼类产卵育幼的最低需求。Tennant法的流量标准考虑了当地气候和水生生物的生活习性，符合当地实际条件，因此，改进的年内展布计算法结果能够满足维持河道基本生态功能的要求，结果较为合理。

2.2.2与其他水文学方法对比

本文将改进的年内展布计算法与我国常用的水文学方法——最小月平均流量法、枯年天然径流估算法、7Q10法以及改进前的年内展布计算法计算结果作对比，详见表6。其中，最小月平均流量法采用河道最小月均径流量的多年平均值作为河道内基本生态需水量；枯年天然径流估算法采用最枯年的天然径流量作为河道内基本生态需水量；7Q10法采用近10年最小月平均径流量或90%保证率最小月平均径流量作为河道内基本生态需水量。

表6计算成果表明，最小月平均流量法虽与改进的年内展布计算法计算的年均值较为接近，但无法计算各月河道内基本生态需水量；枯年天然径流估算法计算结果偏小，且受到特殊水文事件影响，4月-11月径流量均为0，径流过程不能有效反映河道历史径流过程和总体特征；7Q10法和年内展布计算法计算结果均为0，不符合弥河的实际情况，结果不合理。因此，改进的年内展布计算法相较于其他水文学方法，计算结果更为合理。

3结论

对年内展布计算法进行的改进，既继承了该方法能够体现河道年内径流总体过程和变化特征的特点，又能够适用于季节性明显的河道，拓宽了该方法的适用范围。

对弥河谭家坊水文断面进行验证计算，与Tennant法标准对比，计算结果在一般用水期和鱼类产卵育幼期都能够满足维持河道基本生态功能的要求；与其他水文学法相对比，改进的年内展布计算法计算结果较为合理，与实际情况更加相符。

改进的年内展布计算法是一种计算河道内基本生态需水量的较为简单准确的水文学方法，具有较强的实用性，可对我国水资源高效利用与管理提供参考与借鉴。

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