梁中華

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

河流流量最下閾值即為其生態(tài)基流，在流域水資源調(diào)配和河流生態(tài)健康維持方面具有重要的作用[1]。河道生態(tài)需水即要保證其水量又要對(duì)其水質(zhì)進(jìn)行保障。由于需要對(duì)人類活動(dòng)和區(qū)域河流水生態(tài)進(jìn)行有效平衡，需對(duì)河流生態(tài)最低目標(biāo)進(jìn)行設(shè)定，生態(tài)基流即為滿足河流生態(tài)最低目標(biāo)的河道水量[2]。北方地區(qū)河流大都呈現(xiàn)季節(jié)性缺水，進(jìn)入枯水期后，其水量很難得到有效保證。近些年來，有些研究成果表明[3-6]，通過生態(tài)基流的配置可以有效接近北方河流由于季節(jié)性缺水引起的眾多水生態(tài)問題。當(dāng)前對(duì)于河道生態(tài)基流的研究成果較多[7-12]，但對(duì)于季節(jié)性缺水河流水生態(tài)流量研究成果還較少。高玉琴[13]等針對(duì)南方季節(jié)性缺水河流的特點(diǎn)，提出改進(jìn)的逐月保證率方法對(duì)南方季節(jié)性缺水河流的生態(tài)流量進(jìn)行研究。但由于南方和北方地區(qū)河流特點(diǎn)差異較大，而北方地區(qū)季節(jié)性缺水河流的水生態(tài)流量對(duì)于河流水生態(tài)保護(hù)意義更為重大，為此本文結(jié)合逐月保證率方法，以大連地區(qū)季節(jié)性缺水河流為實(shí)例，基于逐月生態(tài)保障率評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以河流水功能區(qū)劃、水生態(tài)保護(hù)、生境條件以及河流時(shí)態(tài)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)大連地區(qū)季節(jié)性缺水河流進(jìn)行逐月生態(tài)保障率的設(shè)定。研究成果可為北方缺水型河流水生態(tài)調(diào)控提高更為科學(xué)的參考依據(jù)。

1 逐月保證率設(shè)定方法

在流量歷時(shí)曲線基礎(chǔ)上對(duì)河流逐月生態(tài)保證率進(jìn)行設(shè)定，其主要計(jì)算步驟為：

步驟1：建立分析的徑流數(shù)據(jù)序列，序列長(zhǎng)度高于20年，需要對(duì)資料數(shù)據(jù)序列的可靠性進(jìn)行審查。

步驟2：對(duì)各月徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，并利用P-III曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)頻率下的流量推求，對(duì)流量月歷時(shí)曲線進(jìn)行繪制。頻率的計(jì)算方程為：

(1)

式中，p—流量頻率；n—樣本總年數(shù)；m—所在排位。

步驟3：對(duì)應(yīng)流量從流量歷時(shí)曲線進(jìn)行推求，生態(tài)基流設(shè)計(jì)過程為月尺度，一般按照四季定性較為簡(jiǎn)單的方式進(jìn)行保證率的設(shè)定，或者不同保證率按汛期和非汛期進(jìn)行設(shè)定，對(duì)于北方地區(qū)河流其保證率在汛期一般設(shè)定為65%～75%之間，保證率汛期一般低于50%。針對(duì)傳統(tǒng)保證率設(shè)置較為簡(jiǎn)單的局限，為充分考慮河道不同月份水環(huán)境狀況、水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)，通過建立評(píng)估指標(biāo)體系建立逐月生態(tài)保證率設(shè)定模型。評(píng)估模型主要包括河流水功能區(qū)水質(zhì)保障目標(biāo)，一般而言V類水質(zhì)很難保證河流水生態(tài)健康。第二類是河流水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)，一般對(duì)于缺水性河流一般都以水功能區(qū)作為其主要水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)，其次為棲息水生生物。第三類為河流生態(tài)環(huán)境條件，一般認(rèn)為4—6月為主要魚類產(chǎn)卵期，1—3月及11—12月為魚類生長(zhǎng)和成熟期。第四類為河流時(shí)態(tài)，主要表征為汛期水量較為充沛可以維持河流生態(tài)健康穩(wěn)定。各類目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見表1。

表1 逐月生態(tài)保證率設(shè)定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

步驟4：北方季節(jié)性河流不同月份對(duì)其生態(tài)系統(tǒng)維持程度有所區(qū)別，因此在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建的基礎(chǔ)上，采用逐月生態(tài)保證率模型對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)方程為：

(2)

式中，E—不同月份生態(tài)保證率評(píng)估值；wi—各指標(biāo)評(píng)估權(quán)重值；ri—評(píng)估指標(biāo)值；m—評(píng)估指標(biāo)的總數(shù)。

步驟5：在評(píng)估模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，按照河流季節(jié)性水量變化特點(diǎn)結(jié)合其水功能區(qū)生態(tài)目標(biāo)，對(duì)其不同保證率進(jìn)行細(xì)化，本文劃分為6個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)，其等級(jí)對(duì)應(yīng)的生態(tài)保證率分別為85%、75%、65%、55%、45%、30%。12個(gè)月份中最小評(píng)估值作為其評(píng)價(jià)最小值。

步驟6：對(duì)各評(píng)估指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，為降低評(píng)估指標(biāo)設(shè)置的主觀性，本文采用AHP耦合熵權(quán)值方法對(duì)其指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方程為：

(3)

式中，wi1，wi2—評(píng)估指標(biāo)的主觀和客觀權(quán)重。

步驟7：對(duì)各因子的隸屬度進(jìn)行評(píng)價(jià)，若河流時(shí)態(tài)屬于汛期月份，則該月份不能為非汛期時(shí)態(tài)，若屬于魚類成熟期，則不屬于產(chǎn)卵期和育幼期，河道生態(tài)目標(biāo)按照最高級(jí)來進(jìn)行設(shè)定?？梢缘玫礁髟u(píng)估指標(biāo)的隸屬度矩陣R=rpq，若評(píng)估月份屬于對(duì)應(yīng)的類別項(xiàng)，則rpq=1，否則等于0。其中p和q分別表示為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)、已評(píng)價(jià)月份。

步驟8：按照主觀和客觀權(quán)重進(jìn)行組合賦值，對(duì)其權(quán)重向量U進(jìn)行確定，按照加權(quán)平均算法對(duì)其進(jìn)行全部指標(biāo)的綜合評(píng)估，評(píng)估方程為：

E=UR

(4)

式中，E—各月生態(tài)保證率評(píng)估值。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 研究區(qū)域概況

本文以大連地區(qū)碧流河流域?yàn)檠芯繉?shí)例，碧流河是遼寧省大連、營(yíng)口地區(qū)最大河流，地理位置為北緯39°24′～40°20′，東經(jīng)122°10′～122°53′。碧流河流域降水的年內(nèi)分配極不均勻，降水主要集中在6—9月，尤其集中在7—8月。流域內(nèi)有一座大型水庫為碧流河水庫，為流域內(nèi)主要控制水利工程。流域地表水資源量較為充沛，但是存在明顯的季節(jié)變化特點(diǎn)，汛期水量占全年總水量的比重高達(dá)70%以上，進(jìn)入非汛期后水量銳減。碧流河冬季較為寒冷，季節(jié)性氣候具有明顯的差異，冬季時(shí)間較長(zhǎng)，夏季是雨季較為集中的季節(jié)，5—7月份是碧流河流域魚類產(chǎn)卵的最佳時(shí)期，魚類活躍期主要為8月，河道冰凍期主要集中在每年12月到次年3月。為對(duì)碧流河天然條件下的徑流量進(jìn)行還原，采用同倍比方法對(duì)碧流河水庫以及水庫下游到碧流河出?？跀嗝媪髁窟M(jìn)行還原處理，從而使得碧流河生態(tài)需水更為準(zhǔn)確及合理。碧流河流域不同月份天然條件下的徑流量和流量月平均值見表2。

表2 碧流河流域不同月份天然條件下的徑流量和流量月平均值

2.2 碧流河生態(tài)保證率評(píng)估指標(biāo)權(quán)重分析

按照大連地區(qū)水功能劃分結(jié)構(gòu)，碧流河水質(zhì)目標(biāo)主要為III類水質(zhì)，因此選這III類水質(zhì)x13作為水功能評(píng)估指標(biāo)，由于碧流河流域沒有任何珍稀國家級(jí)保護(hù)魚類和水生生物，因此水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)本文未予考慮。5—7月是碧流河流域是魚類產(chǎn)卵的最佳時(shí)期，魚類活躍期主要為8月。碧流河汛期主要為6—9月，非汛期為10月到次年5月。按照前面所述組合權(quán)重計(jì)算方法對(duì)碧流河流域不同生態(tài)保證率條件下的權(quán)重組合值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 不同生態(tài)保證率下權(quán)重組合值計(jì)算結(jié)果

2.3 不同保證率下生態(tài)基流初擬過程

各月生態(tài)保證率按照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)定，不同月份的評(píng)估值采用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行計(jì)算后，預(yù)先處理碧流河流域的不同月份的徑流數(shù)據(jù)，極端月流量按照保證率為10%以下以及90%以上進(jìn)行剔除后，得到不同月份的流量時(shí)間變化曲線，不同保證率下的流量即為其流量設(shè)計(jì)值，可以得到不同月份各生態(tài)保證率條件下的基流過程，見表4。

表4 不同月份碧流河流域生態(tài)保證率下的生態(tài)基流

從不同月份碧流河流域生態(tài)保證率下的生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果可看出，不同月份下其各保證率設(shè)定值下的生態(tài)基流具有較為明顯的豐枯變化過程，與碧流河流域月平均徑流變化過程具有相似性，具有較為明顯的河流季節(jié)變化特點(diǎn)?？傮w而言，對(duì)于碧流河而言，5—7月由于保證率設(shè)定值相對(duì)較高，因此其生態(tài)基流總體偏高，這主要是因?yàn)?—7月是碧流河流域魚類產(chǎn)卵的最佳時(shí)期，因此其保證率相對(duì)較高。非汛期為10月到次年5月由于來水量較小，且無特定的水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)，因此其生態(tài)保證率設(shè)置相對(duì)較低。

2.4 不同生態(tài)需水計(jì)算方法對(duì)比

分別采用4種不同生態(tài)需水方法對(duì)碧流河流域生態(tài)基流進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比不同方法下的生態(tài)基流量，分析結(jié)果見表5。

表5 不同生態(tài)需水方法下碧流河流域生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果

從不同生態(tài)需水方法下碧流河流域生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果可看出，采用逐月保證率方法下計(jì)算的部分非汛期河流生態(tài)基流未能達(dá)到Tennant法10%多年平均流量的生態(tài)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)流量，其他月份計(jì)算結(jié)果均高于此生態(tài)基流計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，汛期均可以高于Tennant法30%多年平均流量的生態(tài)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)流量。本文采用年內(nèi)展布法和逐月生態(tài)保證率計(jì)算的生態(tài)基流過程外包線作為其耦合的最終生態(tài)基流過程，從而更好地反映季節(jié)性河流水量變化特點(diǎn)。通過計(jì)算碧流河全年生態(tài)需水量約為2945萬m3，占區(qū)域徑流量多年平均值的比值高于30%，逐月生態(tài)保證率方法可以有效解決傳統(tǒng)生態(tài)需水計(jì)算方法相對(duì)較為保守的局限。

2.5 碧流河水庫不同生態(tài)調(diào)水方案分析

在采用逐月生態(tài)保證率方法計(jì)算碧流河流域生態(tài)基流過程后，針對(duì)碧流河水庫調(diào)度方案，對(duì)不同生態(tài)調(diào)度方案下碧流河水庫下游河道的生態(tài)需水進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表6。

表6 不同生態(tài)調(diào)度方案下碧流河水庫下游河道的生態(tài)需水計(jì)算結(jié)果

在10%流量生態(tài)調(diào)度方案下，碧流河水庫生態(tài)方式調(diào)節(jié)下，其下游河道生態(tài)狀況一般較差，尤其是枯水季節(jié)生態(tài)需水很難得到有效滿足，從表中可看出，采用10%徑流方案下，其年生態(tài)需水量和生態(tài)供水量分別可達(dá)到2945萬m3和2832萬m3，年生態(tài)缺水量為185萬m3，缺水主要集中非汛期。碧流河水庫主要興利目標(biāo)為工業(yè)及生活供水，其次為生態(tài)用水，因此按照10%的徑流調(diào)節(jié)而言，其生態(tài)供水量很難得到滿足。碧流河水庫在滿足其供水目標(biāo)的基礎(chǔ)上，可以用于下游河道生態(tài)水量為2832萬m3，如果把生態(tài)供水從10%提高到30%，則水庫每年需要向下游河道增加1492萬m3的水量用來維持下游河道的生態(tài)健康。

3 結(jié)論

(1)逐月保證率方法適合于北方缺水型河流水生態(tài)需水量的計(jì)算，在具體計(jì)算時(shí)，建議結(jié)合年內(nèi)展布法和逐月生態(tài)保證率計(jì)算的生態(tài)基流過程外包線作為其耦合的最終生態(tài)基流過程，可使生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確，更好地反映北方季節(jié)性河流水量變化特點(diǎn)。

(2)碧流河水庫在滿足其供水目標(biāo)的基礎(chǔ)上，可以用于下游河道生態(tài)水量為2832萬m3，如果把生態(tài)供水從10%提高到30%，則水庫每年可向下游河道增加1492萬m3的水量用來維持其下游河道的生態(tài)健康。

(3)本文對(duì)碧流河水生態(tài)水量調(diào)控措施研究還較少，在后期研究還應(yīng)結(jié)合生態(tài)需水計(jì)算成果重點(diǎn)對(duì)區(qū)域生態(tài)水量調(diào)控措施進(jìn)行分析。