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        濱州市典型河流斷面生態(tài)基流量計(jì)算

        2016-11-11 02:15:18李永華陳學(xué)群管清花
        山東水利 2016年10期
        關(guān)鍵詞:生態(tài)

        李永華,陳學(xué)群,管清花

        (1.濱州市水利局,山東濱州256600;2.山東省水利科學(xué)研究院,山東省水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東濟(jì)南250014)

        濱州市典型河流斷面生態(tài)基流量計(jì)算

        李永華1,陳學(xué)群2,管清花2

        (1.濱州市水利局,山東濱州256600;2.山東省水利科學(xué)研究院,山東省水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東濟(jì)南250014)

        以濱州市徒駭河、馬頰河和小清河為例,利用改進(jìn)濕周法對生態(tài)基流量進(jìn)行了計(jì)算。要進(jìn)行最小生態(tài)流量的估算,關(guān)鍵是確定關(guān)系曲線上的臨界點(diǎn),本次研究中臨界點(diǎn)的確定采用曲率最大法,并用Tennant法對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了合理性分析。結(jié)果表明,改進(jìn)濕周法計(jì)算河道最小生態(tài)需水量是合理可行的。

        濱州市;濕周法;生態(tài)基流量;曲率最大法。

        濱州市總面積9 453 km2,多年平均降水量575.4 mm,降水量年際變化大,年內(nèi)分配不均勻,6~9月份多年平均降水量436.3 mm,約占全年降水量的76.8%。年日照時(shí)數(shù)2 609.4~2 761.1 h,年平均氣溫在12.1~13.0℃;主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)和南風(fēng),全年風(fēng)向多為西南,頻率30~40%,多發(fā)生春、夏、秋三季;次為北西風(fēng),頻率為10~19%,多發(fā)生冬季。

        本文以濱州市典型河流斷面為研究對象,采用曲率最大法確定濕周流量關(guān)系曲線臨界點(diǎn),對小清河、徒駭河、馬頰河河流斷面的生態(tài)基流量進(jìn)行計(jì)算,為濱州市水資源合理利用以及河流生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)提供理論基礎(chǔ)。

        1 計(jì)算原理及方法

        目前,國內(nèi)外關(guān)于河流生態(tài)基流量的計(jì)算方法較多,常用的方法主要有:水文學(xué)法(Tennant法、90%保證率法、近10年最枯月流量法、NGPRP法等),水力學(xué)法(濕周法),整體分析法等。水文學(xué)法應(yīng)用廣泛但是精度不高;整體分析法由于某些原因在我國很難實(shí)現(xiàn),因此應(yīng)用水力學(xué)法特別是濕周法計(jì)算河流生態(tài)基流量具有重要的意義。

        1.1濕周法原理

        濕周即過水?dāng)嗝嫔?,河槽被水流浸濕部分的周長。濕周法就是通過濕周與流量的關(guān)系曲線確定生態(tài)基流量的一種方法。該方法是水力學(xué)方法中的一種,應(yīng)用范圍較廣,對于河道斷面的形態(tài)要求不高。該方法利用濕周作為衡量棲息地指標(biāo)的質(zhì)量來估算河道流量的最小值。該方法基于如下假設(shè):濕周與水生生物棲息地的有效性有直接聯(lián)系,保證好一定水生生物棲息地的濕周,也就滿足了水生生物正常生存的要求。通過建立河道斷面濕周和流量的關(guān)系曲線,依據(jù)該曲線確定臨界變化點(diǎn)的位置,估算最小生態(tài)需水的推薦值,濕周——流量關(guān)系可以通過單一河道斷面的流量數(shù)據(jù)計(jì)算或通過曼寧公式求得。

        河道的粗糙程度對河道行洪影響較大,因此選取恰當(dāng)?shù)牟诼氏禂?shù)是推算洪水位的關(guān)鍵。本次糙率系數(shù)n值的選取,查閱了相關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合河道的實(shí)際情況,選定主河槽糙率為0.025。

        1.2濕周法計(jì)算步驟

        1)濕周——流量關(guān)系曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

        式中:A為過水?dāng)嗝婷娣e,V為過水?dāng)嗝娴钠骄魉佟?/p>

        過水?dāng)嗝婷娣eA為:A=(b+mh)h(2)

        式中:b為底寬,h為水深,m為邊坡系數(shù)。

        假設(shè)河流為明渠恒定均勻流,由謝才公式:

        式中:R為水力半徑,J為水面坡降,C為謝才系數(shù)。

        由曼寧公式:C=1/nR1/6(4)

        式中:n為粗糙系數(shù)(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值,取0.025),J為水面比降。水力半徑R為過水?dāng)嗝鍭與濕周X的比值,即:

        聯(lián)立方程(1),(2),(3),(4),(5)可得:

        為消除確定臨界點(diǎn)時(shí)坐標(biāo)軸比例的影響,本文將流量Q和濕周X無量綱化,分別取相對值q、p,即:

        2)確定臨界點(diǎn)。目測法確定臨界點(diǎn)具有很大的主觀性,本次研究取濕周——流量關(guān)系曲線上曲率最大的點(diǎn)作為臨界點(diǎn),確定生態(tài)基流量,即曲率最大法,使得計(jì)算結(jié)果更加合理可信。

        2 生態(tài)基流計(jì)算

        根據(jù)濱州市氣候和水文特點(diǎn),每個(gè)計(jì)算單元可選擇一個(gè)或多個(gè)斷面,作為生態(tài)基流及敏感生態(tài)需水控制斷面??刂茢嗝孢x取依據(jù)下述原則:主要河流的重要控制斷面;重要大中型水利樞紐的控制斷面;重要水生生物棲息地及濕地等敏感水域控制斷面;此外,為便于監(jiān)控,所選擇的控制斷面應(yīng)盡可能與水文測站相一致。本次研究選取較大的小清河、徒駭河、馬頰河為研究對象,根據(jù)其斷面濕周流量關(guān)系,各河流選取斷面及其參數(shù),以及采用改進(jìn)濕周法計(jì)算河道內(nèi)最小生態(tài)需水量結(jié)果見表1。

        表1 生態(tài)基流河流斷面選取、參數(shù)及最小生態(tài)需水量計(jì)算表

        由表1可知,徒駭河、馬頰河和小清河的生態(tài)基流量分別是1.82 m3/s,0.97 m3/s,1.13 m3/s。采用Tennant法對上述計(jì)算結(jié)果的合理性進(jìn)行比較分析,Tennant法是將多年平均流量的10%作為最小生態(tài)流量,可以提供當(dāng)?shù)佤~類生存所需生境的50%。以廿里堡閘斷面為例,采用曲率最大法計(jì)算的廿里堡閘斷面最小生態(tài)流量為1.82 m3/s,占多年平均流量的9.5%,計(jì)算結(jié)果與Tennant法計(jì)算結(jié)果接近。

        3 結(jié)論

        1)研究和確定河流生態(tài)基流量是為了防止因河道斷流等流量問題造成一系列生態(tài)環(huán)境惡化。本文在研究濕周法的基本理論的基礎(chǔ)上,采用曲率最大法確定濕周——流量關(guān)系曲線上的臨界點(diǎn),相比目估法的不確定性,曲率法計(jì)算結(jié)果更加真實(shí)可信。

        2)將改進(jìn)濕周法應(yīng)用于計(jì)算濱州市徒駭河、馬頰河和小清河的生態(tài)基流,得到相應(yīng)控制斷面的最小生態(tài)需水量,結(jié)果表明,徒駭河、馬頰河和小清河的生態(tài)基流量分別是1.82 m3/s,0.97 m3/s,1.13 m3/s。采用Tennant法對上述計(jì)算結(jié)果的合理性進(jìn)行比較分析,兩種方法計(jì)算結(jié)果接近,表明改進(jìn)濕周法計(jì)算河道最小生態(tài)需水量是合理可行的。

        [1]黃強(qiáng),李群,張澤中,等.計(jì)算黃河干流生態(tài)環(huán)境需水Tennant法的改進(jìn)及應(yīng)用[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展,2007,22(6):774-781.

        [2]馬育軍,李小雁,張思毅,等.基于改進(jìn)月保證率設(shè)定法的青海湖流域河流生態(tài)需水研究[J].資源科學(xué),2011,33(2):265-272.

        [3]韋雨婷,逄勇,羅縉.清河干流生態(tài)基流計(jì)算分析[J].水資源與水工程學(xué)報(bào),2014(6):151-155.

        [4]劉蘇峽,莫興國,夏軍,等.用斜率和曲率濕周法推求河道最小生態(tài)需水量的比較[J].地理學(xué)報(bào),2006,61(3):273-281.

        (TG1407)。

        (責(zé)任編輯趙其芬)

        TV85

        B

        1009-6159(2016)-10-0015-02

        2016-03-28

        李永華(1980—),男,工程師

        水利部公益項(xiàng)目(201401003);濱州市2015年度科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(編號:2015ZC0112);水利部公益推廣項(xiàng)目

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