河流最小生態(tài)基礎(chǔ)流量分析計算

1、河流最小生態(tài)基礎(chǔ)流量計算方法研究（張新華 李紅霞 肖玉成 趙少華）摘要：為了能夠計算幾何斷面復(fù)雜、泥沙淤積、河寬大、水深淺的河道生態(tài)基礎(chǔ)流量，本文以渭河關(guān)中地區(qū)的生態(tài)基礎(chǔ)流量計算為例，通過綜合水力學中的濕周法和R2CROSS法建立了一套簡單、適合管理的最小生態(tài)基礎(chǔ)流量方法綜合法。該方法計算出的5個站的生態(tài)基礎(chǔ)流量占多年平均流量的比值都在10.8%14.9%之間，滿足生態(tài)基流的合理要求。通過與Tennant方法比較，結(jié)果表明：綜合法計算確定的生態(tài)基礎(chǔ)流量更為合理、是一種在管理上更值得推廣應(yīng)用的方法。關(guān)鍵詞：生態(tài)需水量；濕周法；斜率法；曲率最大法；R2CROSS法中圖分類號：X171文獻標識碼：A

2、文章編號：1672-3031（2011）01-0066-08Study on computational methods for minimum environmental flowsZHANG Xin-hua，LI Hong-xia，XIAO Yu-cheng，ZHAO Shao-huaAbstract：In order to determine the minimum ecological flow（MEF）for a river system with special characteristics of complicated river reach profiles，sediment

3、 problems，very large width and shallow water depth，an integrated method was proposed to overcome some of limits in using wetted perimeter method and R2CROSS method. A case study was conducted in the Wei River，a tributary of the Yellow River. Results calculated by this integrated method indicate that

4、 the MEFs at the five hydrological stations are at a range of 10.8%14.9% of the multi-year mean flows，respectively. In comparison with Tennant method，therefore，we can get a conclusion that the integrated method is more suitable and reasonable for the determination of MEFs.Key words：ecological water

5、demand；wetted perimeter method；slope method；curvature method and R2CROSS1研究背景河流系統(tǒng)包括河流、湖泊及其相鄰洪泛區(qū)。河流系統(tǒng)功能通常包括生態(tài)功能、環(huán)境功能和資源功能1。然而，在開發(fā)水資源的時候主要考慮到滿足工業(yè)、農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)生活用水等需求，忽視了河流系統(tǒng)功能得以正常發(fā)揮并維持其基本功能時其自身對水量的要求，從而導(dǎo)致河段內(nèi)的天然流量逐漸減少、甚至出現(xiàn)斷流的情況。另外，經(jīng)濟社會的高速發(fā)展導(dǎo)致大量的污水排放，使得有些河流雖然水量上沒問題，但水質(zhì)污染十分嚴重導(dǎo)致水生生物種群及其數(shù)量急劇下降，水體嚴重富營養(yǎng)化，出現(xiàn)藻類或水華暴發(fā)等

6、現(xiàn)象。為了維持河流系統(tǒng)健康，保障其基本功能能正常發(fā)揮，國內(nèi)外學者為此開展了大量的研究工作，主要集中在河流生態(tài)環(huán)境需水上并取得了一定的研究成果。河流生態(tài)環(huán)境需水量計算內(nèi)容主要包括：（1）生態(tài)基礎(chǔ)流量；（2）輸沙需水量；（3）自凈需水量；（4）蒸發(fā)需水量；（5）防海水入侵的河道最小水量等2。其中的河流生態(tài)基礎(chǔ)流量是維持河道功能不退化、特征水生生物物種能正常繁衍生息所必須維持的河道最小流量，本文重點分析討論這一河道最小生態(tài)基礎(chǔ)流量。然而，國內(nèi)外針對這一流量的研究還未形成統(tǒng)一認識，基本理論和方法都還有待進一步完善。隨著近幾年的研究深入，國內(nèi)外學者提出了多種計算方法，概括起來主要包括4類方法：（1）水文

7、學法；（2）水力學法；（3）棲息地法；（4）地形結(jié)構(gòu)法等。在這幾種方法中，以水文學法與水力學法最為常用。因此，本研究方法的重點在分析討論水力學法中的濕周法并結(jié)合R2CROSS法和Tennat法，提出一套簡單、實用、便于管理部門操作的方法綜合法。2計算方法2.1濕周方法濕周法計算河道的最小生態(tài)需水量時要基于一個假設(shè)，即淺灘是臨界的河流棲息地，而保護淺灘棲息地也能保護到其他的水生生物棲息地。通過河道的實測大斷面和實測流量資料建立濕周流量關(guān)系曲線，在曲線中用斜率1法和曲率最大法確立變化點，該點對應(yīng)的流量即為最小生態(tài)流量，這就是濕周法確立河道最小生態(tài)流量的基本原理3-5。根據(jù)水力學中計算明渠均勻流的謝

8、齊公式：Q = ACRJ以及曼寧公式：C = 1/nR1/6可以推出濕周流量關(guān)系式：式中：Q為流量，m3/s；A為過水斷面面積，m2；P為濕周，m；J為水力坡度；n為粗糙系數(shù)。在上式中，由于流量Q、濕周P以及斷面面積A都是未知的，因此直接推出流量和濕周的關(guān)系比較困難，而通過斜率1法和曲率最大法確定PQ關(guān)系曲線變化點需要知道PQ之間的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)國內(nèi)外對濕周法的研究，通常使用冪函數(shù)和對數(shù)函數(shù)。兩種常用函數(shù)的形式如下。對數(shù)函數(shù)：P = alnQ + b（2）冪函數(shù)：P = cQd + e（3）式中：a、b、c、d、e均為常數(shù)；Q取相對流量；P取相對濕周（為消除坐標軸比例的影響，對濕周和流量無量綱

9、化）。分別對式（2）和式（3）中的Q進行求導(dǎo)，即可得到兩式的斜率方程表達式：對數(shù)函數(shù)：P= a/Q（4）冪函數(shù)：P= cdQ d -1（5）再利用微積分中計算曲率的公式可得到兩式的曲率方程表達式：對數(shù)函數(shù)：冪函數(shù)：斜率1法是取PQ關(guān)系曲線上斜率為1的一點，即P= 1時，對應(yīng)的流量值作為河道內(nèi)的最小生態(tài)流量。斜率1法求得的最小生態(tài)流量公式為：對數(shù)函數(shù)：Q = a（8）冪函數(shù)：Q = (cd )1/ (1-d )（9）曲率法是選取曲線上曲率最大的一點對應(yīng)的流量值作為河道內(nèi)的最小生態(tài)流量。為求得曲率最大的一點，需對式（6）和（7）中的Q求一階導(dǎo)數(shù)，一階導(dǎo)數(shù)值等于0的一點即為曲率最大的一點。該點對應(yīng)的

10、流量值就作為河道內(nèi)的最小生態(tài)流量。曲率最大法求得的最小生態(tài)流量公式為：對數(shù)函數(shù)：Q = a/2（10）冪函數(shù)：2.2 Tennant方法Tennant法是Tennant，D.L等人于1976年提出的河流生態(tài)需水量評估方法6。該方法是一種歷史流量法，按照Tennant方法的標準，河道內(nèi)的最小生態(tài)流量不能小于多年平均流量的10%。多年平均流量1 0是防止河道退化的臨界條件；多年平均流量的20是保護水生棲息地的適宜標準；在較小河流中，多年平均流量的30為最佳棲息地標準。2.3 R2CROSS方法R2CROSS方法最初是由美國森林委員會提出的，其目的是為了美國高原山區(qū)河流的水資源與水環(huán)境保護，維持生物

11、多樣性而確定山區(qū)河流環(huán)境流量的方法。該方法首先根據(jù)研究河段控制斷面的河頂寬度，查表1得到環(huán)境流量所需的水力學參數(shù)：平均水深、濕周率和平均流速。然后再根據(jù)該斷面建立的水深、濕周率和平均流速與流量的關(guān)系分別得到3個流量Q1、Q2和Q3，最后在3個流量中選出所需要的環(huán)境流量。方法是按季節(jié)要求：（1）如果是在夏季和秋季，那么平均水深、平均流速及濕周率必須全部滿足，即生態(tài)流量為Q1、Q2和Q3中的最大值；（2）如果是在冬季和春季，3個水力參數(shù)滿足兩個即可，即為Q1、Q2和Q33個流量中的第二大值。表1 R2CROSS法確定生態(tài)流量的標準3應(yīng)用及存在的問題分析3.1渭河關(guān)中段河道概況近十幾年來，由于渭河上

12、游過渡開發(fā)，維持河流基本生態(tài)功能所需的最小流量即生態(tài)基流得不到保證，一系列河流生態(tài)問題已經(jīng)日益突顯，為此，本研究以渭河關(guān)中段為研究對象。渭河關(guān)中段全長504.2km，流域面積為6.17104km2。渭河關(guān)中段有5個主要的水文站，分別為林家村水文站、魏家堡水文站、咸陽水文站、臨潼水文站以及華縣水文站（見圖1）。5個水文站的多年平均流量分別為84.8m3/s、117m3/s、156m3/s、236m3/s以及251m3/s。渭河關(guān)中段河道的水面寬普遍較大，正常情況下都能達到150300m之間，而水深比較小，因此渭河關(guān)中段河道屬于寬淺型河道。圖1研究區(qū)域與水文站3.2計算中的問題及分析討論本文對建立

13、濕周與流量關(guān)系中的問題以及R2CROSS法應(yīng)用中出現(xiàn)問題進行討論。（1）是否需要建立控制站點完整的濕周流量關(guān)系。由渭河關(guān)中段河道特征可知，河道非常寬，溝槽、灘地較多，很不規(guī)整，如下圖2所示。是選擇整個大斷面來建立完整的濕周流量關(guān)系，還是以枯水期的主河槽來建立濕周與流量關(guān)系。圖2咸陽站的大斷面根據(jù)澳大利亞學者Gippel的研究4，濕周流量關(guān)系的變化點（Breakpoint，該點對應(yīng)的流量即為生態(tài)基礎(chǔ)流量）常發(fā)生在河道斷面有較大變化的地方。如圖2所示咸陽站的大斷面為典型的復(fù)式斷面，若建立整個斷面的濕周流量關(guān)系，則會出現(xiàn)變化點對應(yīng)的基礎(chǔ)流量非常大（圖2中河道幾何形態(tài)變化最大發(fā)生在左側(cè)灘地處，河道水位

14、要很高時才會出現(xiàn)），只有汛期漫灘時才能滿足要求。因此，在建立計算生態(tài)基礎(chǔ)流量的濕周流量關(guān)系時只能選擇枯期有水的主河槽部分。（2）河道是否需要概化。在建立濕周與流量關(guān)系時，是直接根據(jù)實測大斷面資料按均勻流計算濕周和流量的關(guān)系，還是需要將實測大斷面繪出后將其概化成某一規(guī)則斷面再計算濕周與斷面的關(guān)系。為此，以林家村站為例（實測資料繪制的圖形如圖3所示，類似拋物線）進行了相關(guān)計算分析。圖3 林家村水文站實測斷面概化為拋物線。根據(jù)實測大斷面資料（如圖3所示），計算得到林家村水文站的拋物線方程為：y =1.8910-4x2（12）其中y為河底高程，x為起點距。濕周按如下公式計算其中a為拋物線系數(shù)，對于林家

15、村水文站a=1.8910-4，c為水面寬。根據(jù)公式（13）可計算出濕周與流量關(guān)系（如圖4所示）。從圖4可知濕周與流量之間的關(guān)系為對數(shù)關(guān)系。直接根據(jù)大斷面實測資料計算。然而，根據(jù)實測大斷面資料直接計算出的實際濕周與流量的關(guān)系則為冪函數(shù)關(guān)系，如圖5所示。圖4林家村站概化后計算得到的P-Q關(guān)系圖5根據(jù)林家村站實測資料計算出的P-Q關(guān)系從圖4和圖5對比可以發(fā)現(xiàn)：沒有概化處理的濕周流量關(guān)系包涵的河道信息更完整、豐富，擬合出的關(guān)系更能代表實際情況，由此得到的生態(tài)基礎(chǔ)流量應(yīng)該更為合理。（3）R2CROSS法應(yīng)用中出現(xiàn)問題。從前面的介紹可知R2CROSS方法只適用于河頂寬度為0.3m31m的山區(qū)性河流，不適用

16、于大中型河流。而渭河的河頂寬度都在100m以上，因此直接利用R2CROSS方法有較大的難度。3.3方法改進因渭河關(guān)中段的河道寬闊，為典型的溝槽、灘多的復(fù)式河道。考慮到生態(tài)基礎(chǔ)流量為河道健康和河道功能不退化的最小流量，因此，選擇枯期有水的主河槽來建立濕周流量關(guān)系。對選擇的主河槽，根據(jù)實測大斷面資料直接計算不同水位對應(yīng)的濕周和流量，然后建立濕周流量關(guān)系。根據(jù)擬合好的線型，結(jié)合濕周法確定生態(tài)基礎(chǔ)流量的方法計算生態(tài)基礎(chǔ)流量。針對渭河河道特寬、多沙、缺水等特點，結(jié)合濕周法和R2CROSS法，考慮管理機構(gòu)要根據(jù)不同季節(jié)河流健康要求、或不同河段中對水環(huán)境比較敏感的水生生物物種（包括魚類或其它指示物種）在不同

17、生長階段對水動力學條件的要求而提出的一套方法綜合法。在該方法中將生態(tài)基礎(chǔ)流量對應(yīng)的水深、流速和濕周率分別定義為生態(tài)水深、生態(tài)流速和生態(tài)濕周率。該方法的具體分析步驟如下。（1）根據(jù)研究河段控制點的大斷面實測資料，分析計算出水深與流量，流速與流量，濕周與流量等相關(guān)關(guān)系；（2）確定生態(tài)流速?？梢愿鶕?jù)河道特性從泥沙（河道泥沙問題突出的河流）或保護物種生長繁衍最適宜的流速考慮。渭河關(guān)中段河道的泥沙濃度很高并且主要為很細的懸沙，可根據(jù)實驗或經(jīng)驗公式確定不沖不淤流速7：vm = h00.64（14）式中：h0為平均水深（m）；為與河道泥沙特性有關(guān)的系數(shù)，當沙比較粗時=0.600.70；當泥沙顆粒中等時=0.

18、540.57；當沙比較細時=0.390.41。也可以根據(jù)研究河段保護的特征生物物種生長最適宜的流速選定。（3）確定生態(tài)水深?？梢詮目刂普军c枯水期多年平均水深的變化范圍來確定。若有研究河段保護物種或指示物種生長繁殖對水深的要求，也可以根據(jù)其要求來確定。（4）確定生態(tài)濕周率。該指標可以根據(jù)生態(tài)水深結(jié)合研究河段的大斷面綜合確定，一般選大斷面的50%左右為宜。（5）確定生態(tài)基礎(chǔ)流量。根據(jù)確定的生態(tài)流速、生態(tài)水深和生態(tài)濕周率，在對應(yīng)的水深與流量，流速與流量和濕周與流量關(guān)系曲線上查出3個對應(yīng)流量，然后綜合確定生態(tài)基礎(chǔ)流量。4計算結(jié)果與分析4.1濕周法計算結(jié)果根據(jù)實測大斷面資料，假定不同的水深，計算出各控制

19、站點相應(yīng)的水力學參數(shù)（如表2所示）。表2計算渭河林家村站的水力參數(shù)根據(jù)表2建立各控制站的濕周和流量關(guān)系（如圖5所示）。按照斜率1法和曲率最大法得到各控制點（水文站）的最小生態(tài)基礎(chǔ)流量。渭河關(guān)中段各水文站計算得到的最小生態(tài)流量成果見表3所示。表3渭河關(guān)中段各水文站最小生態(tài)需水量計算結(jié)果按照Tennant方法的標準，河道內(nèi)的最小生態(tài)流量不能小于多年平均流量的10%，應(yīng)在10%30%之間。渭河關(guān)中段的前4個水文站，即林家村水文站、魏家堡水文站、咸陽水文站和臨潼水文站的最小生態(tài)流量占多年平均流量都在10%20%之間，滿足河道不退化的條件。華縣水文站的最小生態(tài)流量占多年平均流量的20%30%之間，在適宜

20、值與最佳標準值之間。由此可見上述濕周法計算渭河關(guān)中段最小生態(tài)流量結(jié)果都滿足最小生態(tài)需水要求，而且最小生態(tài)流量呈現(xiàn)出從上游到下游增大的合理趨勢。綜合斜率1法和曲率最大法計算結(jié)果，再結(jié)合渭河關(guān)中地區(qū)水資源短缺的現(xiàn)實，濕周法確定渭河關(guān)中段各水文站的最小生態(tài)基礎(chǔ)流量及其對應(yīng)水力參數(shù)如表4所示。表4渭河關(guān)中段最小生態(tài)流量成果（濕周法）從表4中可看出，渭河關(guān)中段各水文站最小生態(tài)流量占多年平均流量的10%20%時，平均水深在0.20.7m之間，斷面流速在0.40.65m/s之間。4.2綜合法計算結(jié)果分別對渭河關(guān)中段的平均生態(tài)流速、平均生態(tài)水深、平均生態(tài)濕周率進行計算，計算結(jié)果如下。（1）平均生態(tài)流速。根據(jù)濕

21、周法計算的成果，5個站的生態(tài)基礎(chǔ)流量對應(yīng)的平均水深約為0.50m，由公式（14）計算得到的不淤最小流速約為0.25 m/s，又據(jù)水力學等8，河道中的不沖不淤的允許流速范圍為0.210.32m/s。因此，確定渭河關(guān)中段的平均生態(tài)流速為0.3m/s。（2）平均生態(tài)水深。由前面的濕周法算出的各站的生態(tài)流量值，可知生態(tài)流量所對應(yīng)的平均水深變化范圍較大，但最大值不會超過1m，因此，確定平均水深的標準范圍為0.2 0.9m。（3）平均生態(tài)濕周率。由于渭河的斷面較大，河頂寬度較長，濕周率定得太大后并沒有足夠的水量來滿足要求，綜合考慮取濕周率為研究主河道（河槽）濕周的50%。根據(jù)以上標準，由各站建立的水深流量

22、關(guān)系，流速流量關(guān)系和濕周率流量的關(guān)系，就可以得到相應(yīng)的3個流量，最后再結(jié)合渭河關(guān)中段的實際情況確定各站的生態(tài)基礎(chǔ)流量，最終結(jié)果如表5所示。表5渭河關(guān)中段最小生態(tài)流量成果（綜合法）從表5可知，利用綜合法計算的生態(tài)基礎(chǔ)流量：林家村水文站為12.4m3/s，占多年平均流量14.6 %；魏家堡水文站為17.2m3/s，占多年平均流量14.7 %，咸陽水文站為23. 3m3/s，占多年平均流量14.9%；臨潼水文站為25.5/s，占多年平均流量10.8%；華縣水文站為30.1mm3/s，占多年平均流量12.0 %。綜合法計算的結(jié)果與濕周方法的計算結(jié)果在林家村、魏家堡、咸陽三站的結(jié)果基本一致，但是臨潼和華

23、縣兩站的結(jié)果比濕周法小。但是，從5個站的生態(tài)基礎(chǔ)流量占多年平均流量的比值來看都在10.8%14.9%之間。根據(jù)Tennant方法可知，綜合法計算確定的生態(tài)基礎(chǔ)流量能夠保證河道功能不退化、水生生物的生存不會受到威脅，并且在水資源短缺的關(guān)中地區(qū)更能得到保障。5結(jié)論針對濕周法和R2CROSS法在渭河關(guān)中段計算最小生態(tài)流量中遇到的問題提出了一套相對簡單、實用的綜合法。該方法以平均生態(tài)流速-平均生態(tài)水深和平均生態(tài)濕周率為基礎(chǔ)進行生態(tài)基礎(chǔ)流量計算，與其他方法對比該方法的優(yōu)點主要表現(xiàn)在：（1）能夠充分考慮維持河道特征及其形態(tài)穩(wěn)定需要（從不沖不淤生態(tài)流速上反映）；（2）可以最大限度的保障生物棲息地信息（根據(jù)實

24、測斷面資料建立各種關(guān)系）；（3）方便、靈活便于管理部分調(diào)控：可以根據(jù)研究河段需保護的水生生物物種的生活習性來確定生態(tài)基流。但是，該方法在應(yīng)用也可能受到研究河段的基礎(chǔ)資料、水生態(tài)和水生生物多樣性調(diào)查資料等限制。計算結(jié)果表明：該方法計算結(jié)果比濕周法的結(jié)果更合理，適合在水資源缺乏地區(qū)推廣應(yīng)用。參考文獻：1李麗娟，鄭紅星.海灤河流域河流系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境需水量計算J.地理學報，2000，55（4）：496-500 .2宋進喜，李懷恩，王伯鐸.河流生態(tài)環(huán)境需水量研究綜述J.水土保持學報，2003，17（6）：95-97 .3吉利娜，劉蘇峽，王新春.濕周法估算河道內(nèi)最小生態(tài)需水量-以灤河為例J.地理科學進展，2010，29（3）：287-291 .4Gippel C J，Stewardson M J . Use of wetted perimeter in d