改進(jìn)的水力半徑法計(jì)算拒馬河生態(tài)基流的研究

趙本龍，寇利卿，趙建永

（河北省保定水文勘測研究中心，河北 保定 071000）

河流生態(tài)基流問題是近年來學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)問題，它涉及水利、生態(tài)、環(huán)境、農(nóng)業(yè)等多個(gè)研究領(lǐng)域。當(dāng)前有關(guān)河流生態(tài)基流的概念、內(nèi)涵及研究內(nèi)容等都未達(dá)成統(tǒng)一的共識(shí)，各方面都亟需開展更深入的研究工作，尤其是對于我國北方具有季節(jié)性、缺水型、重污染等特點(diǎn)的河流生態(tài)基流的確定方法仍較單一[1]。目前水利行業(yè)普遍認(rèn)定的生態(tài)基流是指一定時(shí)段內(nèi)河流維持基本生態(tài)功能應(yīng)保持的基本流量，強(qiáng)調(diào)流量年內(nèi)變化的過程。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展和人口不斷增加，拒馬河水資源開發(fā)利用程度逐步加劇，為實(shí)現(xiàn)流域水資源優(yōu)化配置和保證河流生態(tài)用水需求，需要確定拒馬河生態(tài)基流量。

關(guān)于生態(tài)基流的計(jì)算方法有很多，大致可分為水文學(xué)方法、水力學(xué)方法、生境模擬法和綜合分析法4 類[2]。本文采用生態(tài)水力半徑法（結(jié)合水文學(xué)和水力學(xué)）計(jì)算河道生態(tài)基流。生態(tài)水力半徑法是劉昌明院士[3]等于2007 年提出的，主要是針對天然河道某一過水?dāng)嗝妫⑺Π霃脚c河流生態(tài)流量的聯(lián)系，賦予水力半徑一定的生態(tài)意義，從而計(jì)算生態(tài)流量。中國科學(xué)院趙長森等[4]、北京師范大學(xué)馬育軍等[5]、長江水利委員會(huì)水文局張歐陽等[6]都對水力半徑法計(jì)算生態(tài)基流進(jìn)行了改進(jìn)，均認(rèn)為采用水力半徑法計(jì)算河道生態(tài)流量是可行的。

本文引入拒馬河生態(tài)水位的概念，生態(tài)水力半徑是指生態(tài)水位所對應(yīng)的水力半徑，直接由水位計(jì)算水力半徑推求生態(tài)基流量，省去選取河床糙率和水面比降資料以及計(jì)算流速過程，為采用水力半徑方法計(jì)算河道生態(tài)基流提供了新的研究思路。

1 基本情況

1.1 流域概況

拒馬河是海河流域大清河北支主要河流之一，發(fā)源于河北省淶源縣西北太行山麓的淶源泉群，流經(jīng)河北省淶源縣、易縣、淶水縣和北京市房山區(qū)等縣區(qū)，在淶水縣滿金峪村分為南北拒馬河兩支；北拒馬河在承接胡良河、琉璃河與小清河河水后稱白溝河，南拒馬河承接中易水和北易水等河流，南拒馬河與白溝河在保定白溝新城匯合后稱大清河，最后入天津海河干流。拒馬河全長238 km，流域面積4 938 km2。拒馬河有較大支流十余條，大部分在干流左岸。拒馬河山區(qū)河道比降為3.11‰，而支溝坡度均大于4%，故在各支流匯入干流河口處均有沖積區(qū)。拒馬河石門以上為淶源盆地，石門至紫荊關(guān)之間為開闊谷地，紫荊關(guān)以下流經(jīng)山峽，至張坊始出山區(qū)，出口下游為沖洪積平原[7]。

1.2 水文氣象情況

本流域處于溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū)內(nèi)，山地特點(diǎn)比較明顯，季節(jié)性差別較大。多年平均降水量為565.4 mm，且降水多集中在6—9 月，占全年總降水量的70%~80%以上。汛期降水集中，洪水暴漲暴落。每次洪水歷時(shí)3~5 d，枯季徑流較少。多年平均徑流深為108.2 mm，徑流年內(nèi)分配不均勻，年徑流的年際變化也較大。泥沙主要發(fā)生在洪水期，多年平均輸沙量為112 萬t，除洪水期外，全年沙量很小，河道清澈見底，水質(zhì)較好[8]。

1.3 水文站簡況

紫荊關(guān)水文站始建于1949 年9 月，位于河北省易縣紫荊關(guān)鎮(zhèn)，地處東經(jīng)115°10′02.3″、北緯39°25′35.4″，系海河流域大清河水系拒馬河控制站、國家基本水文站。紫荊關(guān)水文站以上拒馬河流域面積1 760 km2，主河道長81.5 km，流域平均寬度25.4 km。水文監(jiān)測斷面位于紫荊關(guān)北城外，順直段長約700 m，最大河面寬約160 m，右岸為城墻，左岸在起點(diǎn)距100 m 以后為灘地，現(xiàn)被村民種植樹木、莊稼。該站洪水產(chǎn)自汛期降水，洪水暴漲暴落，斷面沖淤變化較大，雨洪時(shí)含沙量較大，水位流量關(guān)系不穩(wěn)定。

2 計(jì)算研究實(shí)例

2.1 資料選取

由于利用水力半徑法計(jì)算河道生態(tài)基流量，需要計(jì)算河道的過水?dāng)嗝婷娣e、濕周等基本參數(shù)，所以只有同時(shí)擁有河道水位、流量和實(shí)測大斷面資料，方能應(yīng)用該方法計(jì)算河道生態(tài)基流量[9]。本文從《中華人民共和國水文年鑒-海河流域水文資料》收集紫荊關(guān)站2012—2019 年相關(guān)資料，主要包括逐月平均水位、逐月平均流量、實(shí)測大斷面和實(shí)測流量成果等資料。

2.2 水力半徑計(jì)算

根據(jù)測站實(shí)測大斷面和流量成果資料，借助河道大斷面水利要素計(jì)算程序，計(jì)算不同水位級(jí)情況下的過水面積、濕周、水力半徑和水面寬等參數(shù)，抄錄水位及相應(yīng)水力半徑，建立水位與水力半徑的相關(guān)關(guān)系。以2012 年拒馬河紫荊關(guān)站為例，選取當(dāng)年實(shí)測大斷面成果資料，將斷面成果按照給定的格式錄入程序中，根據(jù)實(shí)測流量成果中的水位計(jì)算不同水位級(jí)下的水力半徑等參數(shù)；同時(shí)，抄錄當(dāng)年該站實(shí)測流量成果中流量資料，建立水位與流量的相關(guān)關(guān)系。其他年份水力半徑計(jì)算和流量資料選取方法與此相同。拒馬河紫荊關(guān)站2012 年河道水力半徑計(jì)算過程，如圖1所示。

圖1 拒馬河紫荊關(guān)站水力半徑計(jì)算過程

2.3 水力半徑與流量相關(guān)關(guān)系建立

根據(jù)計(jì)算出的水力半徑和選取的同一水位的相應(yīng)流量，建立水力半徑與流量關(guān)系曲線（Q-R關(guān)系曲線），采用冪函數(shù)對關(guān)系線進(jìn)行擬合。以2012 年紫荊關(guān)站為例，建立當(dāng)年水力半徑與流量關(guān)系曲線，曲線擬合相關(guān)系數(shù)為0.967。拒馬河紫荊關(guān)站水力半徑與流量關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 拒馬河紫荊關(guān)站水力半徑與流量關(guān)系曲線

2.4 生態(tài)流量推求

采用月平均水位計(jì)算相應(yīng)的水力半徑，再根據(jù)關(guān)系曲線確定相應(yīng)流量。此時(shí)如定義月平均水位為河道生態(tài)水位，則計(jì)算出的水力半徑即為生態(tài)水力半徑，其相應(yīng)流量即為生態(tài)流量。分別建立各年水力半徑與流量關(guān)系曲線，計(jì)算生態(tài)水位下不同年份的逐月生態(tài)流量值。將水力半徑法計(jì)算的逐月平均生態(tài)流量值與水文學(xué)方法計(jì)算的生態(tài)流量值和逐月平均流量值進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證此方法的可行性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。拒馬河紫荊關(guān)站生態(tài)流量對比見表1，生態(tài)流量對比關(guān)系如圖3所示。

圖3 拒馬河紫荊關(guān)站生態(tài)流量對比關(guān)系

表1 拒馬河紫荊關(guān)站生態(tài)流量對比

2.5 滿足程度分析

根據(jù)計(jì)算的生態(tài)流量值，確定生態(tài)基流滿足程度。本文引入滿足率的概念，基于計(jì)算的生態(tài)流量并結(jié)合年月實(shí)測流量，構(gòu)建了滿足率評價(jià)關(guān)系模型，即滿足率=年均流量/生態(tài)基流量。若滿足率大于或等于1，則說明不缺水；若滿足率小于1，則說明缺水[10]。生態(tài)流量月、年滿足程度，詳見表1—2。

表2 生態(tài)基流年保證程度

2.6 結(jié)果分析

（1）生態(tài)水力半徑法綜合考慮了河流水文特性、河道特性和水生生物棲息環(huán)境，同時(shí)是集合水文學(xué)和水力學(xué)兩種方法進(jìn)行河道生態(tài)基流量的分析計(jì)算，避免了采用濕周法確定突變點(diǎn)引起的不確定性。

（2）采用水力半徑法推求生態(tài)基流量，其計(jì)算結(jié)果與采用水文學(xué)方法計(jì)算的生態(tài)基流量值相差不大，尤其是枯季其二者差值更??；且采用水力半徑法推求的生態(tài)流量與實(shí)測流量相比較，其變化過程基本上與天然來水趨勢一致。

（3）從生態(tài)基流的滿足程度來看，年際間除了2014年外，天然河道流量小于生態(tài)流量，另有3個(gè)年份天然流量與生態(tài)流量基本持平，其他年份天然河道流量均大于生態(tài)流量，即天然來水除了個(gè)別枯水年份基本能滿足生態(tài)流量要求。年內(nèi)由于4—6 月正值農(nóng)業(yè)灌溉期，河道引水量較大，導(dǎo)致河道天然流量小于生態(tài)基流量，其余月份天然流量均能滿足河道生態(tài)基流量的需求。

拒馬河紫荊關(guān)段關(guān)于魚類方面的資料較少，本文未從河流生態(tài)系統(tǒng)水生物學(xué)方面考慮河道生態(tài)基流。本文也曾嘗試用月最低水位和連續(xù)7 d 最枯水位計(jì)算水力半徑進(jìn)而推求流量，但計(jì)算結(jié)果不符合河道特性和來用水變化過程；將測站月平均水位定義為生態(tài)水位，進(jìn)而推求生態(tài)流量，在拒馬河紫荊關(guān)段較為適用。

3 結(jié)論

基于改進(jìn)的水力半徑法計(jì)算生態(tài)流量，由生態(tài)水位直接推求水力半徑，進(jìn)而推求生態(tài)流量。傳統(tǒng)水力半徑法計(jì)算生態(tài)流量需要確定生態(tài)流速，要求已知河床糙率和水面比降資料，而這兩項(xiàng)參數(shù)只有在測站高水期才能獲取。本文采用的方法不涉及流速的確定和河床糙率、水面比降選取問題，避免了因河床糙率選取不當(dāng)導(dǎo)致流量出現(xiàn)明顯差異的問題，計(jì)算結(jié)果在拒馬河紫荊關(guān)段比較合理，但在其他河段是否適用仍需要進(jìn)一步研究。