濱州市典型河流斷面生態基流量計算

李永華，陳學群，管清花

（1.濱州市水利局，山東濱州256600；2.山東省水利科學研究院，山東省水資源與水環境重點實驗室，山東濟南250014）

濱州市典型河流斷面生態基流量計算

李永華1，陳學群2，管清花2

（1.濱州市水利局，山東濱州256600；2.山東省水利科學研究院，山東省水資源與水環境重點實驗室，山東濟南250014）

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

濱州市；濕周法；生態基流量；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%。年日照時數2 609.4～2 761.1 h，年平均氣溫在12.1～13.0℃；主導風向為西南風和南風，全年風向多為西南，頻率30～40%，多發生春、夏、秋三季；次為北西風，頻率為10～19%，多發生冬季。

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系曲線臨界點，對小清河、徒駭河、馬頰河河流斷面的生態基流量進行計算，為濱州市水資源合理利用以及河流生態系統的保護提供理論基礎。

1　計算原理及方法

目前，國內外關于河流生態基流量的計算方法較多，常用的方法主要有：水文學法（Tennant法、90%保證率法、近10年最枯月流量法、NGPRP法等），水力學法（濕周法），整體分析法等。水文學法應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現，因此應用水力學法特別是濕周法計算河流生態基流量具有重要的意義。

1.1濕周法原理

濕周即過水斷面上，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系曲線確定生態基流量的一種方法。該方法是水力學方法中的一種，應用范圍較廣，對于河道斷面的形態要求不高。該方法利用濕周作為衡量棲息地指標的質量來估算河道流量的最小值。該方法基于如下假設：濕周與水生生物棲息地的有效性有直接聯系，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系曲線，依據該曲線確定臨界變化點的位置，估算最小生態需水的推薦值，濕周——流量關系可以通過單一河道斷面的流量數據計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，因此選取恰當的糙率系數是推算洪水位的關鍵。本次糙率系數n值的選取，查閱了相關文獻并結合河道的實際情況，選定主河槽糙率為0.025。

1.2濕周法計算步驟

1）濕周——流量關系曲線的數學表達式為：

式中：A為過水斷面面積，V為過水斷面的平均流速。

過水斷面面積A為：A=（b+mh）h（2）

式中：b為底寬，h為水深，m為邊坡系數。

假設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。

由曼寧公式：C＝1/nR1/6（4）

式中：n為粗糙系數（根據經驗值，取0.025），J為水面比降。水力半徑R為過水斷面A與濕周X的比值，即：

聯立方程（1），（2），（3），（4），（5）可得：

為消除確定臨界點時坐標軸比例的影響，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。目測法確定臨界點具有很大的主觀性，本次研究取濕周——流量關系曲線上曲率最大的點作為臨界點，確定生態基流量，即曲率最大法，使得計算結果更加合理可信。

2　生態基流計算

根據濱州市氣候和水文特點，每個計算單元可選擇一個或多個斷面，作為生態基流及敏感生態需水控制斷面?？刂茢嗝孢x取依據下述原則：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，為便于監控，所選擇的控制斷面應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，根據其斷面濕周流量關系，各河流選取斷面及其參數，以及采用改進濕周法計算河道內最小生態需水量結果見表1。

表1　生態基流河流斷面選取、參數及最小生態需水量計算表

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

3　結論

1）研究和確定河流生態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環境惡化。本文在研究濕周法的基本理論的基礎上，采用曲率最大法確定濕周——流量關系曲線上的臨界點，相比目估法的不確定性，曲率法計算結果更加真實可信。

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

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（TG1407）。

（責任編輯趙其芬）

TV85

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1009-6159（2016）-10-0015-02

2016-03-28

李永華（1980—），男，工程師

水利部公益項目（201401003）；濱州市2015年度科技發展計劃項目（編號：2015ZC0112）；水利部公益推廣項目