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）

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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