耿昭克，陸　丹

（青海省水文水資源勘測(cè)局，青海西寧810000）

?

濕周法估算巴音河河道內(nèi)最小生態(tài)需水量

耿昭克，陸丹

（青海省水文水資源勘測(cè)局，青海西寧810000）

［摘 要］文中采用濕周法估算巴音河最小生態(tài)需水量。選用巴音河德令哈水文站作為控制斷面，用對(duì)數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)關(guān)系對(duì)濕周～流量關(guān)系進(jìn)行擬合。通過(guò)建立河道斷面濕周與流量的關(guān)系曲線，依據(jù)該曲線確定變化點(diǎn)的位置，估算最小需水量的推薦值。分別用斜率為1法和曲率最大法對(duì)巴音河的德令哈斷面的最小生態(tài)需水量進(jìn)行定量估算。

［關(guān)鍵詞］濕周法；巴音河；最小生態(tài)需水量；斜率為1法；曲率最大法

0　引　言

生態(tài)需水量是限制水資源最大開(kāi)發(fā)利用量的基本依據(jù)，也是實(shí)現(xiàn)水資源合理規(guī)劃配置的技術(shù)支撐［1］。目前，生態(tài)需水量還沒(méi)有明確的定義和系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，缺乏完善的定量計(jì)算方法［2-3］。用于計(jì)算河道內(nèi)生態(tài)需水量的方法有數(shù)百種［4］，這些方法可以分為水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地法、整體法、組合法、其他方法等六大類(lèi)。每類(lèi)中都包含一系列方法，而每種方法又各有特點(diǎn)和適用范圍［5-6］，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)實(shí)際情況選出一種或幾種合適的方法。以濕周法為代表的水力學(xué)方法，優(yōu)點(diǎn)是對(duì)數(shù)據(jù)量要求不大，數(shù)據(jù)容易獲得，而且不受人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河道徑流影響的限制。

巴音河，位于青海省柴達(dá)木盆地東北部，發(fā)源于祁連山支脈野牛脊山，縱貫德令哈市，源頭海拔5 000 m左右，流域總面積10 800 km2，是柴達(dá)木盆地第四大內(nèi)陸河。由于巴音河地處干旱缺水的柴達(dá)木盆地，河流生態(tài)系統(tǒng)脆弱，生態(tài)需水量能否得到保障是水資源開(kāi)發(fā)利用與保護(hù)的關(guān)鍵問(wèn)題，本文采用濕周法對(duì)巴音河河道內(nèi)最小生態(tài)需水量進(jìn)行估算，相關(guān)數(shù)據(jù)可以作為流域水資源開(kāi)發(fā)利用與保護(hù)的技術(shù)支撐。

1　濕周法的理論基礎(chǔ)

1.1基本原理

濕周法的基本假設(shè)是濕周和水生生物棲息地的有效性有直接的聯(lián)系，保證一定水生生物棲息地的濕周，就能滿(mǎn)足水生生物正常生存的要求。該法是以濕周作為衡量棲息地質(zhì)量的指標(biāo)來(lái)估算河道內(nèi)流量的最小值，通過(guò)建立河道斷面濕周與流量的關(guān)系曲線，依據(jù)曲線確定變化點(diǎn)的位置，估算最小需水量。

濕周～流量關(guān)系主要取決于河流斷面的形狀，可利用實(shí)測(cè)流量斷面資料得到。在沒(méi)有實(shí)測(cè)流量資料時(shí)，可采用明渠均勻流方法，利用曼寧公式計(jì)算得到：

式中：Q為流量；n為曼寧糙率系數(shù)；A，x分別為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e和濕周；S為水面坡降。

一般的天然河床斷面，都不是規(guī)則的斷面形式，多為寬淺的近似矩形或近似梯形斷面，不好確定流量與濕周間直接關(guān)系。根據(jù)Gippel對(duì)濕周法的研究［7］，可以采用對(duì)數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)對(duì)濕周～流量關(guān)系進(jìn)行擬合。擬合形式分別為：

式中：a，b，c，d為常數(shù)。

1.2濕周—流量關(guān)系曲線變化點(diǎn)的確定

由于生態(tài)基流即是滿(mǎn)足河道內(nèi)需求的最小生態(tài)需水量，因此要確定濕周～流量關(guān)系曲線的變化點(diǎn)就成為核心問(wèn)題。從理論上來(lái)講，變化點(diǎn)就是曲線上斜率最大的點(diǎn)，Gippel認(rèn)為，從關(guān)系圖上直接判斷變化點(diǎn)容易產(chǎn)生錯(cuò)誤，于是從數(shù)學(xué)上提出了變化點(diǎn)位置應(yīng)該在曲線的最大曲率處或者斜率為1處。

1.2.1斜率為1法

采用斜率為1法確定變化點(diǎn)，得到對(duì)數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)關(guān)系各自變化點(diǎn)流量，即最小生態(tài)需水量Qmin分別為

1.2.2曲率最大法

采用曲率最大法確定變化點(diǎn)，也就是分別將（4）（5）的一階導(dǎo)數(shù)為0的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量即為最小生態(tài)需水量。

2　濕周法估算巴音河生態(tài)需水量

2.1代表斷面選取

濕周法對(duì)斷面的要求比較嚴(yán)格，所以在選擇站點(diǎn)時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：1）斷面較為穩(wěn)定，沖淤變化不大且為單一斷面。2）選取的站點(diǎn)，須包含實(shí)測(cè)大斷面、實(shí)測(cè)流量、逐日水位等數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)系列應(yīng)為10年及以上。3）控制斷面要能夠代表所在河道的一般特征，能基本反映流域面積大小、河床底質(zhì)組成、斷面過(guò)水特征、河道斷面類(lèi)型、河道彎曲、河流水沙特征等諸多要素。4）盡量避開(kāi)水利工程，以減少對(duì)斷面的人為影響因素，體現(xiàn)河道在天然狀況下的變化。根據(jù)以上選取斷面的原則，在巴音河選擇德令哈水文站作為典型斷面進(jìn)行河道內(nèi)最小生態(tài)需水量的估算。

德令哈站：設(shè)于1954年，位于德令哈市宗務(wù)隆鄉(xiāng)，系巴音河代表站，集水面積7 281 km2。

2.2斜率為1法和曲率最大法估算最小生態(tài)需水量

選取16次德令哈站2001—2010年實(shí)測(cè)流量資料，繪制濕周～流量關(guān)系曲線，如圖1。通過(guò)擬合得出，德令哈站對(duì)數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)的擬合形式分別為：P=15.562ln Q+13.770（R2=0.891 8），P=18.278 Q0.4261（R2=0.916 1）。

通過(guò)公式（4）—（7）計(jì)算得出德令哈站的最小生態(tài)需水量見(jiàn)表1。

圖1　德令哈水文站流量～濕周關(guān)系

表1　德令哈站最小生態(tài)需水量估算結(jié)果表

圖1和表1表明：1）冪函數(shù)擬合效果優(yōu)于對(duì)數(shù)函數(shù)擬合效果，因此冪函數(shù)擬合更適用于德令哈站U形斷面。2）斜率為1法的點(diǎn)表示在該點(diǎn)單位流量的增加會(huì)引起單位濕周的增加，但這樣的點(diǎn)突變性不明顯，曲率最大的點(diǎn)相對(duì)來(lái)講更能體現(xiàn)突變點(diǎn)的意義。3）無(wú)論是用對(duì)數(shù)函數(shù)還是冪函數(shù)擬合，采用用斜率為1法確定變化點(diǎn)得到的最小生態(tài)需水量均大于用曲率最大法的估算結(jié)果，這與相關(guān)學(xué)者的研究成果一致［8］。因此，4.55 m3/s作為巴音河最小生態(tài)需水量較為合理。

3　結(jié)　語(yǔ)

本文采用濕周法對(duì)巴音河德令哈站進(jìn)行分析計(jì)算，通過(guò)對(duì)比分析得出：較優(yōu)的德令哈站濕周～流量關(guān)系擬合關(guān)系為P=18.278Q0.4261，以曲率最大法的冪函數(shù)擬合計(jì)算的生態(tài)需水量4.55 m3/s，占德令哈站多年平均流量的40.22%。參考Tennant法的標(biāo)準(zhǔn)，一般河道內(nèi)最小生態(tài)需水量不能小于多年平均流量的10%，因此，此次用濕周法估算的巴音河的生態(tài)需水量是可行的。

［參考文獻(xiàn)］

［1］張遠(yuǎn)，楊志峰，王西琴.河道生態(tài)環(huán)境分區(qū)需水量的計(jì)算方法與實(shí)例分析［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25（4）：429—435.

［2］楊志峰，崔保山，劉靜玲，等.生態(tài)環(huán)境需水量理論方法與實(shí)踐［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.

［3］鐘華平，劉恒，耿雷華，等.河道內(nèi)生態(tài)需水估算方法及其評(píng)述［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2006，17（3）：430—434.

［4］Tharme R E A global perspective on environmental flow

assessment；emerging trendsin thedevelopmentandapplication of environmental flow methodologies for rivers［J］.River Research and Applications，2003，19（5/6）：397—441.

［5］JOW ETT I G.Instream flow methods：a comparison of approache［s J］.Regulated R ivers：Research and M anagement，1997，13（2）：115—127.

［6］徐志俠，陳敏建，董增川.河流生態(tài)需水計(jì)算方法評(píng)述［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，32（1）：5—9.

［7］Gippel G J，Stewardson M J.Use of w etted perimeter in defining m inimum environmental flow s［J］.Regulated rivers：Research and Management，1998，14（1）：53—67.

［8］吉利娜，劉蘇峽，呂宏興，等.濕周法估算河道內(nèi)最小生態(tài)需水量的理論分析［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，34（2）：124—130.

［中圖分類(lèi)號(hào)］TV213.4

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A

［文章編號(hào)］1002—0624（2016）07—0033—02

［收稿日期］2016-04-23