基于改進(jìn)濕周法的賈魯河河道內(nèi)生態(tài)需水量計(jì)算

于魯冀,陳慧敏,王 莉,呂曉燕,范鵬宇（.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,河南鄭州 45000；.鄭州大學(xué)環(huán)境政策規(guī)劃評(píng)價(jià)研究中心,河南鄭州 45000）

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基于改進(jìn)濕周法的賈魯河河道內(nèi)生態(tài)需水量計(jì)算

于魯冀1,2,陳慧敏1,王 莉1,2,呂曉燕2,范鵬宇2
（1.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,河南鄭州 450001；2.鄭州大學(xué)環(huán)境政策規(guī)劃評(píng)價(jià)研究中心,河南鄭州 450002）

摘要:針對(duì)賈魯河實(shí)際情況,選取中牟和扶溝水文站作為控制斷面,利用斜率法、曲率法和多目標(biāo)評(píng)價(jià)法3種改進(jìn)濕周法計(jì)算分析賈魯河不同頻率年河道內(nèi)生態(tài)需水量。結(jié)果表明,采用多目標(biāo)評(píng)價(jià)法（r=2）計(jì)算結(jié)果最大,曲率法最小,中牟斷面用多目標(biāo)評(píng)價(jià)法（r=2）計(jì)算生態(tài)需水量較為合理,扶溝斷面用斜率法計(jì)算生態(tài)需水量較為合理。

關(guān)鍵詞:生態(tài)需水量;濕周法;斜率法;曲率法;多目標(biāo)評(píng)價(jià)法;賈魯河

隨著人口的增加和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,人類對(duì)水資源的需求與日俱增,長(zhǎng)期擠占生態(tài)用水造成了河道生態(tài)系統(tǒng)的破壞,因此,生態(tài)需水量研究成為河流生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的重要研究方向。Covich[1]提出了生態(tài)需水量的概念,即保證恢復(fù)和維持生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展所需要的水量。濕周法計(jì)算生態(tài)需水量的基本假設(shè)是,保護(hù)好臨界區(qū)的水生生物棲息地的濕周的同時(shí),也將對(duì)非臨界區(qū)的棲息地提供足夠的保護(hù)[2]。該方法是通過(guò)建立流量與濕周的關(guān)系曲線,由曲線上的臨界點(diǎn)確定河道內(nèi)生態(tài)需水量。Gippel 等[3]提出用斜率法和曲率法確定濕周-流量關(guān)系曲線上的臨界點(diǎn),但到底曲率法合理還是斜率法合理,目前還沒(méi)有定論[4]；Shang[5]建立了以河道流量最小和河道濕周最大為目標(biāo)的多目標(biāo)評(píng)價(jià)模型來(lái)求解生態(tài)需水量。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者采用濕周法對(duì)生態(tài)需水量進(jìn)行了計(jì)算研究。王占興[6]用濕周法確定了西南岔河3個(gè)河段的生態(tài)需水量；郭文獻(xiàn)等[7-10]用改進(jìn)濕周法計(jì)算了生態(tài)需水量,并且計(jì)算所得結(jié)果都能滿足河道內(nèi)最小生態(tài)需水量要求；王慶國(guó)等[11]對(duì)濕周法拐點(diǎn)斜率取值進(jìn)行了改進(jìn)研究；彭濤等[12]采用基于濕周法的多目標(biāo)評(píng)價(jià)模型對(duì)增江生態(tài)需水量進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果可行。

賈魯河是一條千年古河,發(fā)揮著灌溉、發(fā)電和旅游等多重作用,對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的作用不可忽視,但過(guò)量的用水會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)受到破壞,因此,研究賈魯河生態(tài)需水量對(duì)于合理利用水資源、保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義。本文基于賈魯河的實(shí)際情況,采用濕周法的3種改進(jìn)方法——斜率法、曲率法和多目標(biāo)評(píng)價(jià)法計(jì)算其生態(tài)需水量,對(duì)比3種方法的計(jì)算結(jié)果,并對(duì)生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果的合理性進(jìn)行實(shí)證研究,可為賈魯河生態(tài)保護(hù)和水資源配置提供參考。

1 改進(jìn)濕周法

1.1 選擇控制斷面及典型計(jì)算時(shí)期

濕周法斷面的選取應(yīng)遵循以下3個(gè)原則:①典型性,選取能夠代表所在河道特性的斷面；②穩(wěn)定性,包括河道形態(tài)的穩(wěn)定性以及水文情況的穩(wěn)定性；③實(shí)用性,選取能夠突出反映河道流量與河道斷面形態(tài)特性關(guān)系的斷面。水文站點(diǎn)一般符合這樣的原則。

計(jì)算時(shí)期的選擇主要考慮河床演變相對(duì)平衡,一般對(duì)水文站歷年流量進(jìn)行排序分析,選取頻率P=25％（豐水年）、P=50％（平水年）、P=75％（枯水年）、P=95％（特枯水年）所對(duì)應(yīng)的年份作為典型年。

1.2建立濕周-流量關(guān)系

對(duì)于明渠均勻流,河道的濕周與流量關(guān)系可用曼寧公式表達(dá)[13-14]:

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

天然河道斷面的幾何形狀不規(guī)則,可以用梯形、矩形、三角形及拋物線形等來(lái)近似。矩形、梯形、三角形、拋物線形河流斷面形態(tài)的濕周-流量關(guān)系分別為

式中:B為水面寬度；m為邊坡系數(shù)；b為河底寬度；θ為斷面夾角。

式中a和b為與斷面形狀有關(guān)的參數(shù)。

1.3濕周-流量關(guān)系曲線臨界點(diǎn)的確定

a.斜率法[4]:取濕周-流量關(guān)系曲線上斜率為1的點(diǎn)為臨界點(diǎn),可根據(jù)dp/dq=1計(jì)算得到。

b.曲率法[4]:取濕周-流量關(guān)系曲線上曲率最大點(diǎn)為臨界點(diǎn),即曲率對(duì)流量的導(dǎo)數(shù)為零的點(diǎn),曲率k的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

c.多目標(biāo)評(píng)價(jià)法[5]:以水資源利用率1-q最高作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水目標(biāo)（z1）,以濕周p最大作為生態(tài)保護(hù)目標(biāo)（z2）,建立模型為該模型可以采用評(píng)價(jià)函數(shù)法求解,如理想點(diǎn)位法、線性加權(quán)法等[15],這里以理想點(diǎn)位法進(jìn)行計(jì)算。以河道濕周p=1（棲息地最大）和河道流量q=0（河道流量最小）為理想點(diǎn),以目標(biāo)點(diǎn)（p,q）與理想點(diǎn)（1,0）之間的距離d作為評(píng)價(jià)函數(shù),d可以表示為

式中:ω1、ω2為權(quán)重；r為尺度系數(shù)?？紤]到棲息地保護(hù)和經(jīng)濟(jì)用水同等重要,可取等權(quán)重；r可取1和2,對(duì)應(yīng)的d分別為Hamming距離和Euclidean距離。d最小時(shí)對(duì)應(yīng)的流量即為生態(tài)需水量。

3種臨界點(diǎn)確定方法得到的生態(tài)需水量計(jì)算公式如表1所示。

表1 生態(tài)需水量計(jì)算公式比較

2 賈魯河生態(tài)需水量計(jì)算

賈魯河位于河南省境內(nèi),發(fā)源于新密市,向東北流經(jīng)鄭州市,至市區(qū)北郊折向東流,經(jīng)中牟,入開(kāi)封,過(guò)尉氏縣,后至周口市入沙潁河,最后流入淮河,全長(zhǎng)255.8 km,河道平均比降約為0.058％。

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)選取

根據(jù)賈魯河實(shí)際情況,遵循典型性、穩(wěn)定性和實(shí)用性原則,選取中牟和扶溝水文站作為控制斷面。對(duì)中牟站和扶溝站1982—2012年流量作頻率分析,分別以頻率P=25％（豐水年）、P=50％（平水年）、P=75％（枯水年）、P=95％（特枯水年）的年份為典型年,畫出斷面形狀圖,利用實(shí)測(cè)流量和水位計(jì)算生態(tài)需水量。扶溝站和中牟站選取的典型年如表2所示。

表2 賈魯河不同頻率下的典型年

2.2 生態(tài)需水量計(jì)算

中牟和扶溝水文站實(shí)測(cè)斷面分別如圖1和圖2所示。

圖1 中牟水文站實(shí)測(cè)斷面形狀

圖2 扶溝水文站實(shí)測(cè)斷面形狀

根據(jù)對(duì)中牟、扶溝實(shí)測(cè)斷面圖以及歷年水位情況的分析,中牟斷面近似梯形斷面,扶溝斷面歷年水位一般不超過(guò)56m,所以將扶溝斷面近似于三角形斷面,分別計(jì)算不同流量下對(duì)應(yīng)的濕周,選取1998—2012年年平均流量中的最大值作為Qm計(jì)算相對(duì)流量,建立斷面濕周-流量關(guān)系圖,并分別用對(duì)數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)進(jìn)行擬合（圖3和圖4）,由圖3和圖4可知擬合相關(guān)系數(shù)非常接近于1,擬合效果較好。

圖3 中牟斷面濕周-流量關(guān)系

根據(jù)中牟和扶溝斷面濕周-流量關(guān)系,分別采用斜率法、曲率法和多目標(biāo)評(píng)價(jià)法計(jì)算河道內(nèi)生態(tài)需水量,結(jié)果如圖5和圖6所示,圖中水平實(shí)線為多年平均流量的10％,水平虛線為多年平均流量的30％,中牟斷面和扶溝斷面的多年平均流量分別為14m3/s和14.2m3/s。

2.3 分析與討論

河流生態(tài)需水量應(yīng)該按照一定的原則來(lái)確定,主要包括功能性需求原則、分時(shí)段考慮原則、分河段考慮原則、效率最大化原則和多功能協(xié)調(diào)原則等[16-17]。

由圖5和圖6可知,曲率法計(jì)算結(jié)果比斜率法和多目標(biāo)評(píng)價(jià)法小,多目標(biāo)評(píng)價(jià)法（r=1）計(jì)算結(jié)果與斜率法相同,多目標(biāo)評(píng)價(jià)法（r=2）計(jì)算結(jié)果大于斜率法和曲率法。

根據(jù)實(shí)測(cè)水質(zhì)資料以及實(shí)地調(diào)查,賈魯河中牟斷面存在嚴(yán)重的水污染現(xiàn)象,按照功能性需求原則,對(duì)于污染嚴(yán)重區(qū)域,一般采用較大的值較為合理[18],然而對(duì)于中牟斷面,曲率法4個(gè)典型年的計(jì)算結(jié)果都小于多年平均流量的10％,其中特枯水年的計(jì)算結(jié)果僅占多年平均流量的4％,計(jì)算結(jié)果不符合Tennant法最小生態(tài)需水量要求（多年平均流量的10％）[19-20],無(wú)法提供河流生態(tài)系統(tǒng)所需的基本流量。根據(jù)枯水年對(duì)生態(tài)環(huán)境需水要求更加突出的原則,斜率法和多目標(biāo)評(píng)價(jià)法（r=1）特枯水年計(jì)算結(jié)果僅占多年平均流量的5.8％,不能保障河流生態(tài)系統(tǒng)安全,多目標(biāo)評(píng)價(jià)法（r=2）計(jì)算結(jié)果都在多年平均流量的10％～30％之間,能夠提供當(dāng)?shù)佤~類生存所需要生境,綜合考慮,選取多目標(biāo)評(píng)價(jià)法（r=2）的計(jì)算結(jié)果作為中牟斷面生態(tài)需水量。

圖4 扶溝斷面濕周流量關(guān)系

圖5 中牟斷面生態(tài)需水量不同方法計(jì)算結(jié)果

圖6 扶溝斷面生態(tài)需水量不同方法計(jì)算結(jié)果

對(duì)于扶溝水文站斷面,濕周-流量關(guān)系采用冪函數(shù)關(guān)系擬合。根據(jù)尚松浩[21]研究結(jié)果,濕周-流量關(guān)系符合冪函數(shù)關(guān)系時(shí)曲率法不宜用于確定河流生態(tài)需水量。扶溝斷面水質(zhì)良好,生態(tài)需水量的確定不需要考慮水質(zhì)的影響,按照Tennant法標(biāo)準(zhǔn),斜率法、多目標(biāo)評(píng)價(jià)法計(jì)算結(jié)果均大于多年平均流量的10％,都能夠滿足生態(tài)系統(tǒng)的要求。然而根據(jù)確定生態(tài)需水量的效率最大化原則,即在考慮河流生態(tài)功能最小需水量的同時(shí),還應(yīng)該注意水資源利用效率最大化[17],對(duì)比曲率法和多目標(biāo)評(píng)價(jià)法（r=1）的計(jì)算結(jié)果,在均能滿足生態(tài)需求條件下,多目標(biāo)評(píng)價(jià)法（r=2）的生態(tài)需水量太大,會(huì)使河道內(nèi)可支配的經(jīng)濟(jì)用水量相對(duì)變小,一定程度上會(huì)影響流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,而斜率法和多目標(biāo)評(píng)價(jià)法（r=1）計(jì)算結(jié)果在多年平均流量的30％附近,能較好地反映扶溝斷面的生態(tài)需水量,綜合考慮,選取斜率法和多目標(biāo)評(píng)價(jià)法（r=1）的計(jì)算結(jié)果較為合適,這也印證了尚松浩[21]對(duì)濕周-流量關(guān)系符合冪函數(shù)關(guān)系時(shí)確定生態(tài)需水量的研究成果,即在濕周-流量關(guān)系符合冪函數(shù)關(guān)系時(shí),斜率法和多目標(biāo)評(píng)價(jià)法（r=1）確定河流生態(tài)需水量的方法是適宜的。

綜上所述,中牟斷面生態(tài)需水量采用多目標(biāo)評(píng)價(jià)法（r=2）的計(jì)算結(jié)果,扶溝斷面生態(tài)需水量采用斜率法和多目標(biāo)評(píng)價(jià)法（r=1）的計(jì)算結(jié)果。具體如表3所示。

表3 中牟和扶溝斷面各典型年的生態(tài)需水量

3 結(jié) 論

a.對(duì)于中牟斷面,綜合考慮Tennant法、污染嚴(yán)重區(qū)域取其大以及枯水年生態(tài)需水問(wèn)題更加突出等,其生態(tài)需水量采用多目標(biāo)評(píng)價(jià)法（r=2）來(lái)計(jì)算較為合理；而扶溝斷面,根據(jù)水資源利用效率最大化原則,選用斜率法和多目標(biāo)評(píng)價(jià)法（r=1）計(jì)算較為合適。

b.中牟斷面豐水年（2005年）、平水年（2003年）、枯水年（1991）和特枯水年（2002年）的生態(tài)需水量分別為2.42m3/s、2.14m3/s、2.43m3/s和1.45m3/s；扶溝斷面豐水年（2005年）、平水年（1992年）、枯水年（1991年）和特枯水年（2002年）的生態(tài)需水量分別為5.86m3/s、5.41m3/s、5.53m3/s和2.31m3/s。

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中圖分類號(hào):X171.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1006- 7647（2016）03- 0005- 05

DOI:10.3880/j.issn.1006- 7647.2016.03.002

基金項(xiàng)目:“十二五”國(guó)家水體污染控制與治理重大專項(xiàng)（2012ZX07204-004-001）

作者簡(jiǎn)介:于魯冀（1962—）,男,教授,主要從事環(huán)境政策、環(huán)境規(guī)劃等研究。E-mail:yuluji@126.com

收稿日期:（2015- 04 14 編輯:鄭孝宇）

Study of ecological instream flow requirement of Jialu River based on improved wetted perimetermethod

YULuji1,2, CHEN Huimin1, WANG Li1,2, L¨U Xiaoyan2, FAN Pengyu2（1.School of Water Conservancy and Environment, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China；2 Research Center for Environmental Policy Planning and Assessment of Zhengzhou University, Zhengzhou 450002, China）

Abstract:According to the actual conditions along the Jialu River, we selected the Zhongmou and Fugou Hydrological Stations as the control sections, and calculated the ecological instream flow requirements of the Jialu River in different frequency years using three kinds of improved wetted perimetermethods, including the slopemethod, the curvaturemethod, and themulti-objective evaluationmethod.The results show that the calculated ecological flow requirement isgreatest when using themulti-objective evaluationmethod（r=2）, and least when using the curvaturemethod.It ismore reasonable to use themulti-objective evaluationmethod（r=2）to calculate the ecological flow requirement of the Zhongmou section, and to use the slopemethod to calculate the ecological water requirement of the Fugou section.

Key words:ecological flow requirement；wetted perimetermethod；slopemethod；curvaturemethod；multi-objective evaluationmethod；Jialu River