用改進(jìn)濕周法計(jì)算河道內(nèi)最小生態(tài)流量

史方方，黃 薇

用改進(jìn)濕周法計(jì)算河道內(nèi)最小生態(tài)流量

史方方，黃 薇

（長(zhǎng)江科學(xué)院 水資源綜合利用研究所，武漢 430010）

在探討總結(jié)國(guó)內(nèi)外計(jì)算河道內(nèi)最小生態(tài)流量（minimuminstream ecological flow）方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)漢江流域的實(shí)際情況，選用改進(jìn)濕周法對(duì)漢江上游石泉、安康和白河3個(gè)水文斷面的最小生態(tài)流量進(jìn)行定量估算。與Tennant法相比較，表明采用曲率濕周法計(jì)算的漢江上游河道內(nèi)最小生態(tài)流量是比較合理的。計(jì)算結(jié)果為：石泉、安康、白河3個(gè)斷面的最小生態(tài)流量依次為40，70，100 m3／s，分別占各斷面多年平均天然流量的11.23%，11.08%，12.55%。

河道內(nèi)最小生態(tài)流量；改進(jìn)濕周法；漢江

1 概述

河道內(nèi)最小生態(tài)流量是目前研究的熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于其計(jì)算方法很多［1］，總結(jié)起來(lái)可以分為：水文學(xué)法、水力學(xué)法、生境模擬法和綜合分析法等，但均存在著局限性，必須根據(jù)具體河流及其生態(tài)系統(tǒng)特性進(jìn)行專(zhuān)門(mén)和系統(tǒng)的研究［2］。水文學(xué)法［3］應(yīng)用廣泛，但是精度不高，一般只用于河流系統(tǒng)優(yōu)先度不高的河段流量計(jì)算，或者作為其它方法的一種檢驗(yàn)；生境模擬法［4］需要用到大量詳細(xì)的流量、河道水力學(xué)和生物特征等信息，且方法本身比較復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中常受到限制；綜合法［5］由于某些原因在我國(guó)也很難實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)水力學(xué)法尤其是濕周法（wetted perimeter method［6］）估算生態(tài)需水量的探討是一次有意義的嘗試，一般只要斷面穩(wěn)定，濕周法基本不受人們活動(dòng)的影響。該法適用于濕潤(rùn)河網(wǎng)區(qū)，通過(guò)建立濕周與流量的關(guān)系曲線，由曲線上的臨界點(diǎn)確定河道內(nèi)最小生態(tài)流量；而且Gippel［6］等人于1998年提出通過(guò)數(shù)學(xué)方法克服確定濕周流量關(guān)系曲線上臨界點(diǎn)的主觀性，對(duì)濕周法進(jìn)行了改進(jìn)。

本文根據(jù)漢江流域的實(shí)際情況，通過(guò)對(duì)各種計(jì)算方法的研究比較，選用改進(jìn)后的濕周法［6］對(duì)漢江上游河道內(nèi)最小生態(tài)流量進(jìn)行定量研究，結(jié)果表明在漢江上游河道采用該法計(jì)算最小生態(tài)流量是合理可行的。

2 改進(jìn)濕周法

2.1 改進(jìn)濕周法原理

濕周法基本假設(shè)是：保護(hù)好臨界區(qū)的水生生物棲息地的濕周，也將對(duì)非臨界區(qū)的棲息地提供足夠的保護(hù)［6］。通常濕周隨著河流流量的增大而增加，然而當(dāng)濕周超過(guò)某一臨界值后，河流流量的迅速增加也只能引起濕周的微小變化，這一河流濕周臨界點(diǎn)具有特殊意義，從生態(tài)學(xué)角度看，即當(dāng)流量大于該臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量（高水）時(shí)，濕周，即生物生境，對(duì)流量的變化不敏感；當(dāng)流量小于該臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量（低水）時(shí)，生物生境對(duì)流量的變化非常敏感。因此，從一定意義上說(shuō)，為了保證河流的正常生態(tài)功能的實(shí)現(xiàn)，需要河流至少維持該臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量值。然而該法以往在確定濕周流量關(guān)系曲線上的臨界點(diǎn)時(shí)，主要靠觀測(cè)者的眼力，存在主觀性，且曲線的坡度變化明顯依賴(lài)于坐標(biāo)軸的比例。1998年Gippel和Stewardson（1998）［6］通過(guò)理論分析和實(shí)例驗(yàn)證，給出了2種確定濕周流量關(guān)系曲線臨界點(diǎn)的數(shù)學(xué)方法，分別是斜率為1法和曲率最大法。

2.2 改進(jìn)濕周法計(jì)算步驟

2.2.1 控制斷面及計(jì)算時(shí)段的選取

水文控制斷面是聯(lián)系河流形態(tài)因子和水文因子的載體。斷面分析在河道流量和河道斷面形態(tài)特點(diǎn)之間起到了橋梁樞紐的作用，為了確定在天然狀態(tài)下河流生態(tài)流量，斷面的選取應(yīng)該遵循以下3個(gè)原則：①典型性；②穩(wěn)定性；③實(shí)用性。計(jì)算時(shí)期的選擇主要考慮河床演變相對(duì)平衡、人類(lèi)活動(dòng)干擾較少的時(shí)期。

2.2.2 確定河道內(nèi)最小生態(tài)流量

（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(guò)水?dāng)嗝婷娣e（m2），V為過(guò)水?dāng)嗝娴钠骄魉伲╩／s）。

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（m），J為水面坡降，C為謝才系數(shù)。

由曼寧公式

式中n為粗糙系數(shù)。將（3）式代入（2）式得到

根據(jù)水力半徑為過(guò)水?dāng)嗝婷娣eA與濕周P的比值的定義，（4）式可寫(xiě)成

為消除確定臨界點(diǎn)時(shí)坐標(biāo)軸比例的影響，本文將流量和濕周無(wú)量綱化，分別取相對(duì)值Q′，P′，即

根據(jù)不同河槽斷面的濕周-流量關(guān)系的分析，可知三角形斷面以及拋物線形斷面的濕周與流量呈現(xiàn)出冪函數(shù)關(guān)系；而矩形和梯形斷面的濕周與流量呈現(xiàn)出對(duì)數(shù)關(guān)系，濕周流量關(guān)系可以按照這2種關(guān)系進(jìn)行擬合。

（2）確定臨界點(diǎn)。

斜率為1法：取濕周-流量關(guān)系曲線上斜率為1的點(diǎn)為臨界點(diǎn)，根據(jù)數(shù)學(xué)表達(dá)式d P′／d Q′=1，可求得最小生態(tài)流量。

最大曲率法：數(shù)學(xué)上曲率最大的點(diǎn)對(duì)應(yīng)于曲率對(duì)流量的導(dǎo)數(shù)為零的點(diǎn)。濕周流量關(guān)系曲線曲率公式為

對(duì)該公式等號(hào)右邊求導(dǎo)，可求得濕周-流量關(guān)系曲線上的最大曲率，進(jìn)而可計(jì)算最小生態(tài)流量。

3 漢江上游河道內(nèi)最小生態(tài)流量計(jì)算

漢江屬亞熱帶季風(fēng)區(qū)，氣候濕潤(rùn)，水量豐沛。丹江口以上為上游，山高谷深，水流湍急，河床穩(wěn)定。近些年來(lái)隨著漢江上游干支流水能的梯級(jí)開(kāi)發(fā)，流域在枯水季節(jié)出現(xiàn)水質(zhì)突變、水環(huán)境容量驟降等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題［7］，河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況受到各種各樣的損害。本文用改進(jìn)濕周法，即斜率為1法和最大曲率法定量估算漢江上游河道內(nèi)最小生態(tài)流量，以期為維護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)健康提供參考。

3.1 控制性河道斷面的選取

根據(jù)漢江上游的實(shí)際情況，遵循典型性、穩(wěn)定性、實(shí)用性原則，選取石泉、安康、白河水文站作為控制性水文斷面。本研究選取2005年實(shí)測(cè)大斷面和實(shí)測(cè)水位流量資料作為分析的基礎(chǔ)，計(jì)算漢江上游河道最小生態(tài)流量。石泉、安康、白河水文站典型斷面如下面圖1、圖2、圖3所示。

3.2 最小生態(tài)流量計(jì)算

3.2.1 濕周-流量關(guān)系建立

根據(jù)對(duì)石泉、安康、白河水文站實(shí)測(cè)大斷面圖進(jìn)行分析，可知石泉、安康為矩形斷面，白河為梯形斷面。由濕周法確定河道最小生態(tài)流量的基本理論可知：矩形和梯形斷面的濕周與流量呈現(xiàn)出對(duì)數(shù)關(guān)系。經(jīng)擬合計(jì)算，石泉、安康、白河水文站斷面濕周-流量關(guān)系依次為P′=0.055 2 ln（Q′）+0.827，相關(guān)系數(shù)R2=0.929 4；P′=0.067 1 ln（Q′）+0.810 7，相關(guān)系數(shù)R2=0.955 1；P′=0.076 8 ln（Q′）+0.734 8，相關(guān)系數(shù)R2=0.980 1。各擬合曲線見(jiàn)圖4、圖5、圖6。

圖1 2005年11月2日石泉水文站實(shí)測(cè)斷面圖Fig.1 The section of Shiquan Hydrologic Station measured on Nov.2，2005

圖2 2005年11月1日安康水文站實(shí)測(cè)斷面圖Fig.2 The section of Ankang Hydrologic Station measured on Nov.1，2005

圖3 2005年11月2日白河水文站實(shí)測(cè)斷面圖Fig.3 The section of Baihe Hydrologic Station measured on Nov.2，2005

3.2.2 臨界點(diǎn)確定

根據(jù)石泉、安康、白河水文站斷面濕周流量關(guān)系，分別采用斜率為1法和曲率法來(lái)計(jì)算河道內(nèi)最小生態(tài)流量。

（1）斜率為1法。石泉水文站斷面計(jì)算河道內(nèi)最小生態(tài)流量為231.84 m3／s，占多年平均流量356 m3／s的65%；安康水文站斷面計(jì)算河道內(nèi)最小生態(tài)流量為258.34 m3／s，占多年平均流量632 m3／s的41%；白河水文站斷面計(jì)算河道內(nèi)最小生態(tài)流量為368.64 m3／s，占多年平均流量797 m3／s的46%。

圖5 安康斷面濕周-流量關(guān)系擬合曲線Fig.5 The fitting curve of wet perimeter and discharge at An'kang Section

圖6 白河斷面濕周-流量關(guān)系擬合曲線Fig.6 The fitting curve of wet perimeter and discharge at Baihe Section

（2）最大曲率法。石泉水文站斷面計(jì)算河道內(nèi)最小生態(tài)流量為40 m3／s，占多年平均流量356 m3／s的11.23%；安康水文站斷面計(jì)算河道內(nèi)最小生態(tài)流量為70 m3／s，占多年平均流量632 m3／s的11.08%；白河水文站斷面計(jì)算河道內(nèi)最小生態(tài)流量為100 m3／s，占多年平均流量797 m3／s的12.55%。

3.2.3 最小生態(tài)流量的確定

根據(jù)斜率為1法和曲率最大法分別求取的最小生態(tài)流量存在較大差異，斜率為1法計(jì)算所得結(jié)果比曲率最大法計(jì)算結(jié)果偏大。為了最終確定最小生態(tài)流量，本研究采用Tennant法計(jì)算結(jié)果作為參照，進(jìn)行比較分析，Tennant法將多年平均流量的10%作為最小生態(tài)流量，可以提供當(dāng)?shù)佤~(yú)類(lèi)生存所需生境的50%［3］。比較結(jié)果見(jiàn)表1，從中可以看出，采用曲率最大法計(jì)算所得的河流最小生態(tài)流量比較合理，采用斜率為1法計(jì)算結(jié)果偏大。

根據(jù)曲率濕周法確定的漢江上游石泉、安康、白河水文站斷面最小生態(tài)流量，分別計(jì)算該流量下對(duì)應(yīng)的各水力參數(shù)，計(jì)算結(jié)果匯總于表2。

表1 最小生態(tài)流量不同方法計(jì)算結(jié)果比較Table 1 The comparison of different calculated results about minimum channel ecological flow for the upper reaches of HanjiangRiver

表2 曲率濕周法計(jì)算結(jié)果Table 2 The results obtained by using flexurewetted perimeter method

3.3 計(jì)算結(jié)果的分析

根據(jù)曲率濕周法計(jì)算最小生態(tài)流量所得結(jié)果，石泉水文站斷面河道內(nèi)最小生態(tài)流量為40 m3／s，占多年平均流量11.23%，該流量對(duì)應(yīng)的濕周占最大濕周率的65.7%；安康水文站斷面河道內(nèi)最小生態(tài)流量為70 m3／s，占多年平均流量11.08%，該流量對(duì)應(yīng)的濕周占最大濕周率的64.4%；白河水文站斷面河道內(nèi)最小生態(tài)流量為100 m3／s，占多年平均流量12.55%，該流量對(duì)應(yīng)的濕周占最大濕周率的67.2%。這些計(jì)算結(jié)果與Tennant法計(jì)算結(jié)果相近，同時(shí)該計(jì)算結(jié)果顯示出上游小、下游大的特性，集水面積與流量呈正相關(guān)關(guān)系，因此可說(shuō)明根據(jù)曲率濕周法計(jì)算最小生態(tài)流量是合理的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用改進(jìn)濕周法對(duì)漢江上游河道內(nèi)最小生態(tài)流量進(jìn)行了初步研究，計(jì)算結(jié)果通過(guò)與Tennant法成果相比較，表明曲率濕周法研究結(jié)果是比較合理的。漢江河道生態(tài)流量研究是一項(xiàng)很重要的研究，該研究涉及許多學(xué)科，今后需要從多角度出發(fā)，采用多種方法對(duì)此進(jìn)行深入探討，為漢江上游河道生態(tài)環(huán)境保護(hù)及水資源科學(xué)配置提供參考。

［1］ 楊志峰，張 遠(yuǎn).河道生態(tài)環(huán)境流量研究方法比較［J］.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，2003，18（3）：294-301.

［2］ 陳 進(jìn)，黃 薇.長(zhǎng)江的生態(tài)流量問(wèn)題［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2007，24（6）：1-5.

［3］ TENNAT D L.Instream Flow Regimes for Fish，Wildlife，Recreation，and Related Environmental Resources［C］.Maryland：American Fisheries Society，1976，359-373.

［4］ STALNAKER C B，LAMB B L，HENRIKSEN J，et al.The Instream Flow Incremental Methodology，a Primer for IFIM［R］.Colorado：National Ecology Research Center，1994，99.

［5］ ARTHINGTON A H，KINGJ.Development of a Holistic Approach for Assessing Environmental Flow Requirements of Riverine Ecosystems［C］∥In：Pigram J J，Hooper B P，Proceedings of an International Seminar and Workshop on Water Allocation for the Environment.Armidale：The Center for Water Police Research.University of New England，1992.282-295.

［6］ Gippel CJ，Stewardson M J.Use of the Wetted Perimeter in Defining Minimum Environmental Flows［J］.Regulated Rivers：Research and Management，1998，14（1）：53-67.

［7］ 陽(yáng)書(shū)敏，邵東國(guó)，沈新平.南方季節(jié)性缺水河流生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算方法［J］.水利學(xué)報(bào)，2005，36（11）1341-1346.

Minimum Instreaming Ecological Discharge by Using Improved Wetted Perimeter Method

SHI Fang-fang，HUANG Wei
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

On the basis of summarizing the calculating methods of minimum instreaming ecological flow at home and abroad，the improved wetted perimeter method is adopted to determine minimum instreaming ecological flow of upper reaches of Hangjiang River.According to its practical condition，Shiquan，Ankang and Baihe three hydrological station as the control cross sections are chosen.By means of comparison of the calculated results and the data obtained by Tennant method，the result shows that adopting the flexure-wetted perimeter method is a reasonable choice，and that minimum ecological flows of Shiquan，Ankang and Baihe three hydrologic stations are 40 m3／s，70 m3／s，100 m3／s respectively，and the ratios represented by percentages of these discharges to long-term average annual flows are 11.23%，11.08%，12.55%respectively.

minimum instreaming ecological flow；improved wetted perimeter method；Hanjiang River

TV214

A

1001-5485（2009）04-0009-04

2008-05-19；

2008-08-27

水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)（200701010）；中央級(jí)公益性科研院所基金項(xiàng)目（YWF0714／ZY06）

史方方（1983-），女，河南濟(jì)源人，碩士研究生，主要從事水資源與水生態(tài)的研究，（電話）027-82926433（電子信箱）shifangfang2002＠yahoo.com.cn。

（編輯：趙衛(wèi)兵）