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基于分季节生态基流的辽河干流生态需水量计算研究

2024-11-07 10 上传者：管理员

摘要：为提高辽河干流生态调度管控措施的科学性，结合分季节生态基流计算方法对辽河干流通江口和铁岭站生态需水量进行计算，并对比传统IAH生态需水计算方法。结果表明：分季节生态基流方法更适合于北方丰枯季节变化较大河流生态需水计算，生态需水计算结果合理性好于传统IAH方法。研究成果对于东北地区季节性河流生态需水的科学确定具有参考价值。

关键词：
分季节
生态基流
生态需水
辽宁省
辽河干流
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辽河作为辽宁省第一大河流，其河流生态环境保护对于流经的沿线城市社会经济影响较大。为加大辽河水生态保护措施，辽宁省组织对辽河沿程重要控制断面进行生态流量监测，通过设定各监测断面生态流量预警指标，对河流水质监测断面进行生态监测[1]。科学确定河流各监测断面生态流量预警指标是实现河流水生态预警的关键。这需要分析河流的生态需水量，并据此设定生态流量预警指标，从而有效预警河流的来水量[2]。近些年来，国内对于河流生态需水计算取得较多的研究成果[3- 11],但这些生态需水计算方法大都不能考虑河流季节性变化，尤其是北方地区河流其径流量存在明显的丰枯季节性变化，丰水期河流径流量占全年径流总量的比重超过70%,枯水期河流径流量占全年径流量的比值低于30%,对于北方地区季节性河流，需要结合其不同季节来水特点进行生态需水的计算，从而提高生态径流预警的精准性[12]。当前，分季节生态基流计算方法在北方地区河流生态需水计算中得到应用[13- 15],应用效果要好于传统生态需水计算方法，但在辽宁地区还未得到相关应用，为提高辽河干流生态调度管控措施的科学性，结合分季节生态基流计算方法，对辽河干流通江口和铁岭站生态需水量进行计算，并对比传统IAH生态需水计算方法。研究成果对于东北地区季节性河流生态需水的科学确定具有参考价值。

1、分季节生态基流计算

分季节生态基流计算方法通过建立生态需水计算临界值来对不同时期生态流量来进行计算，生态基流计算公式为：

式中，z—断面水深，m;l—河宽，m;q—生态基流，m3/s。

对于丰水期以生态基流为基准值，当：

式中，E—生态基流阈值，m3/s。

对生态基流进行转换计算，计算公式为：

结合河流水文监测断面连续观测资料建立差分方程：

对不同年份进行加权求和计算，计算公式为：

式中，n—计算年份时长。

以丰、枯水时期断面最低水位和最小流量作为初始计算值，对公式(5)进行简化计算：

式中，i—计算断面数。

生态基流阈值对应的河流宽度计算公式为：

通过对生态基流阈值进行计算可以对不同季节下河流的生态基流进行转换计算。

2、研究实例

2.1 河流概况

以辽河干流铁岭和通江口水文站为研究站点，结合铁岭站和通江口站1980—2020年水位、流量观测数据系列，并结合铁岭站和通江口站大断面测量数据，以丰水期(48月)和枯水期(9—12月，1—3月)为统计时间节点，对丰水期和枯水期最低水位和最小流量进行统计，确定不同月份的生态基流阈值，对于铁岭站，其丰水期最低水位为53.92m、枯水期最低水位为51.25m, 以该水位站作为生态基流水位阈值进行不同季节生态基流的计算，其中对于丰水期生态基流阈值为10.5m3/s, 枯水期以最小流量最为阈值，阈值为2.55m3/s。通江口水文站位于铁岭水文站的上游，同样按照丰水期(4—8月)和枯水期(9—12月，1—3月)进行通江口水位和流量阈值的分析，通江口水文站丰水期和枯水期最低水位分别为71.98、69.88m, 丰水期和枯水期的最小流量分别为5.21、1.59m3/s作为通江口水文站流量阈值。

2.2 分季节低流量

结合辽河干流铁岭水文站和通江口水文站近20年水位和流量观测数据，结合各站点水位和流量阈值作为生态基流计算的初始值，对各站点分季节低流量值进行统计，统计结果见表1—2。

从辽河干流铁岭水位站和通江口水文站不同季节低流量统计结果可看出，铁岭站汛前期、主汛期、汛后期的低流量存在明显的丰枯变化过程，满足辽河干流径流分季节变化较为明显的特点，汛前期偏枯期低流量在14.1～25.2m3/s, 通过分析铁岭站汛前期流量频率曲线，其保证率为40%,而中等期低流量在29.1～32.3m3/s, 保证率为50%～60%。偏丰水期低流量的保证率总体可达到75%。主汛期辽河来水量较大，尤其是东辽河和重要支流来水影响，主汛期低流量满足率可达到80%,接近常年均值流量。进入汛后期，后铁岭站受上游水库蓄水影响，铁岭站偏枯期低流量满足率低于20%,中等期和偏丰水期低流量满足率在40%～50%之间，考虑到分期径流影响，对于铁岭站汛后期，在满足低流量的基础上需加大对水库生态补水的影响。通江口水文站位于铁岭站上游，其不同分季节生态基流要低于铁岭站，汛前期通江口水文站偏枯、中等、偏丰水期低流量的满足率可分别达到30%、45%、60%。进入主汛期后通江口水文站低流量的满足率可大都90%,主要因为通江口水文站上游控制区域内无大型水库，因此对于通江口水文站主汛期的低流量的满足率较高。进入汛后期后，通江口水文站偏枯、中等、偏丰水期生态基流总体在20m3/s以内，低流量满足率在30%～60%之间。

表1 辽河干流铁岭水文站分季节低流量值

表2 辽河干流通江口水文站分季节低流量值

2.3 不同生态基流计算方法对比

在辽河干流铁岭站和通江口水文站分季节低流量统计结果的基础上，以各月份低流量值作为生态基流计算的初始值，对铁岭站和通江口水文站不同季节的生态基流进行计算，并对比分析传统IHA在各站点生态基流的计算值。各站点不同方法生态基流计算结果见表3—4。

从辽河干流铁岭和通江口水文站不同方法下的生态基流计算结果可看出，本文所用方法计算的各分季节的生态基流值总体要高于IHA方法，这主要因为本文分季节生态基流计算方法对于基流初始值设置相对较大，而IHA方法综合考虑河流各项水情要素均值，取最低值作为生态基流，因此IHA方法计算的生态基流总体偏小。为对比分析不同方法计算结果的合理性，采用Tenannt方法对不同方法计算下的生态基流进行评估，从综合评估结果看，按照铁岭站和通江口水文站各分季节实际径流情况，对比分析本文所用方法的各分季节生态基流下铁岭站和通江口水文站断面生态状况为一般-良好，而IHA方法下各断面生态状况为较差-一般状况，表明本文方法计算的各断面生态基流的合理性总体要好于IHA方法。结合辽河干流铁岭和通江口实际径流情况分析，本文方法计算各分季节生态基流的满足率可达到50%～70%之间，主汛期和汛前期的生态基流满足率要高于汛后期。结合铁岭和通江口水文站各分季生态基流值可作为其断面生态预警指标值。

表3 铁岭站不同方法下生态基流计算结果

表4 通江口站不同方法下生态基流计算结果

3、结论

(1)生态基流阈值对于分季节生态基流的合理计算十分关键，可采用各站点长系列水位和径流观测数据进行频率分析，一般而言，对于汛后期可采用40%频率对应的水位和流量作为阈值，而主汛期和汛前期对应频率可分别为80%、60%。

(2)分季节生态基流可作为各站点生态流量预警指标，在汛前起和汛后期可分别以最低生态基流值作为预警指标，主汛期生态基流值变化区间可作为其预警指标变幅区间，但不能低于最低生态基流值。

分季节生态基流计算受水库放水影响较为明显，本文未对各计算站点进行天然径流还原计算，存在不足，在后续研究中还应对计算站点的径流资料进行还原，进一步提高各季节生态基流计算的准确性。

参考文献:

[1]宋佳阳.基于改进TENNANT模型的大洋河干流生态需水评估[J].水利技术监督,2023(10):189- 191.

[2]杨芙荣.基于RVA法的河道生态需水阈值预测方法研究[J].水利技术监督,2022(10):178- 181.

[3]何京涛.辽河干流河道内生态需水量研究[J].水利技术监督,2019(4):183- 186,231.

[4]易燃,谈广鸣,常剑波,等.基于分布流量法的长江宜昌段生态需水研究[J].中国农村水利水电,2023(12):94- 102.

[5]赵冬.大凌河干流生态需水量确定及保障措施探析[J].水土保持应用技术,2023(5):8- 10.