張新華，李紅霞，肖玉成，趙少華

（四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065）

1 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］。

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P—Q關(guān)系曲線變化點需要知道P—Q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)：

冪函數(shù)：

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化）。

分別對式（2）和式（3）中的Q進行求導，即可得到兩式的斜率方程表達式：

對數(shù)函數(shù)：

冪函數(shù)：

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P—Q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)：

冪函數(shù)：

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求一階導數(shù)，一階導數(shù)值等于0的一點即為曲率最大的一點。該點對應(yīng)的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)：

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10%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6.17×104km2。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150～300m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。

3.2 計算中的問題及分析討論 本文對建立濕周與流量關(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。

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 所示，類似拋物線）進行了相關(guān)計算分析。

①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：

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)，對于林家村水文站a=1.89×10-4，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。

②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。

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0.3m～31m的山區(qū)性河流，不適用于大中型河流。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］：

式中：h0為平均水深（m）；β為與河道泥沙特性有關(guān)的系數(shù)，當沙比較粗時β=0.60～0.70；當泥沙顆粒中等時β=0.54～0.57；當沙比較細時β=0.39～0.41。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0.2～0.7m之間，斷面流速在0.4～0.65m/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0.21～0.32m/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。

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