濕周法計(jì)算淮河流域主要河流斷面生態(tài)流量

水 艷 劉 建 婁 云

濕周法計(jì)算淮河流域主要河流斷面生態(tài)流量

水 艷 劉 建 婁 云

一、引言

2015年4月2日，國(guó)務(wù)院印發(fā)《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（國(guó)發(fā)〔2015〕17號(hào)），提出要“科學(xué)確定生態(tài)流量”，“在黃河、淮河等流域進(jìn)行試點(diǎn)，分期分批確定生態(tài)流量（水位），作為流域水量調(diào)度的重要參考”。為落實(shí)國(guó)務(wù)院的部署，《水利部關(guān)于印發(fā)水利部落實(shí)水污染防治行動(dòng)計(jì)劃主要任務(wù)實(shí)施方案的通知》（水資源〔2015〕325號(hào)）明確要求“編制黃河、淮河流域生態(tài)流量試點(diǎn)工作方案。科學(xué)確定生態(tài)流量，根據(jù)各河流斷面生態(tài)流量（水位），統(tǒng)籌做好黃河調(diào)水調(diào)沙，淮河流域閘壩調(diào)度等工作”。

淮河流域生態(tài)用水被擠占，河湖水生態(tài)問題突出。淮河流域內(nèi)支流眾多，分布有大量湖泊、洼地，是河湖并存的典型流域水生態(tài)系統(tǒng)。由于淮河流域水資源開發(fā)利用率較高，導(dǎo)致了河流生態(tài)用水被擠占，水生態(tài)問題突出。隨著水利改革與發(fā)展的不斷深入，水生態(tài)文明建設(shè)已經(jīng)成為水利管理工作的重要內(nèi)容，開展淮河流域生態(tài)流量（水位）試點(diǎn)工作，科學(xué)確定生態(tài)流量是非常必要的。

淮河流域在各項(xiàng)規(guī)劃和科研工作中已采用Tennant法、“淮河法”、棲息地模擬法等多種方法開展生態(tài)流量計(jì)算研究，在淮河流域生態(tài)流量試點(diǎn)工作期間，為了更科學(xué)地確定生態(tài)流量，選擇濕周法對(duì)淮河水系的淮河干流、洪汝河、沙潁河、渦河、史灌河和沂沭泗河水系的沂河、沭河共7條河流共14個(gè)斷面進(jìn)行生態(tài)流量計(jì)算。

二、濕周法的適用性分析

目前生態(tài)流量的計(jì)算方法多達(dá)200多種，總體可歸納為水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地模擬（或評(píng)價(jià)）法和整體法四大類。《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范》（SL/Z 712-2014）中對(duì)河流控制斷面年內(nèi)不同時(shí)段值的計(jì)算推薦了Tennant法、頻率曲線法、河床形態(tài)分析法、濕周法、生物空間法、生物需求法等幾種方法。

濕周法是計(jì)算生態(tài)流量的水力學(xué)法中最常用的方法，以濕周作為衡量棲息地質(zhì)量的指標(biāo)來估算河道內(nèi)流量的最小值。該法的基本假設(shè)是濕周和水生生物棲息地的有效性有直接的聯(lián)系，保證好一定水生生物棲息地的濕周，就能滿足水生生物正常生存的要求。

濕周法通過收集水生生物棲息地的河道尺寸及對(duì)應(yīng)的流量數(shù)據(jù)，分析濕周與流量之間的關(guān)系，建立濕周—流量的關(guān)系曲線。該方法針對(duì)的生態(tài)環(huán)境功能保護(hù)要求為水生生物棲息地基本的環(huán)境需水，在淮河流域生態(tài)流量試點(diǎn)工作中，濕周法計(jì)算成果可以與其他方法的成果相互補(bǔ)充。

濕周法主要適用于河床形狀穩(wěn)定的寬淺矩形和拋物線型河道。由于史灌河的葉集、蔣家集、沂河的臨沂均為寬淺型，但是很不規(guī)則，沭河的大官莊斷面形態(tài)不規(guī)則，不適合濕周法計(jì)算，因此采用濕周法計(jì)算王家壩、蚌埠、小柳巷、周口、界首、亳州、蒙城、班臺(tái)、沂河蘇魯省界（港上）、沭河蘇魯省界10個(gè)斷面的生態(tài)流量。

三、濕周法計(jì)算步驟

根據(jù)各控制斷面的大斷面資料及長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)逐日流量、水位資料分析，各個(gè)斷面分別建立濕周—流量關(guān)系曲線。按照曲率最大法確定濕周—流量關(guān)系曲線變化的最大拐點(diǎn)處，該處對(duì)應(yīng)的流量即為生態(tài)流量。

1.大斷面及水文資料調(diào)查

收集各控制斷面前后10km范圍內(nèi)的1～10個(gè)大斷面形態(tài)數(shù)據(jù)。

收集各控制斷面水文站點(diǎn)1956～2010年實(shí)測(cè)逐日流量、水位資料。

2.濕周—流量關(guān)系建立

根據(jù)實(shí)測(cè)大斷面資料逐段累加不同水位對(duì)應(yīng)的濕周值，結(jié)合實(shí)測(cè)流量值或查相應(yīng)水位對(duì)應(yīng)的流量值，確定濕周—流量關(guān)系。

當(dāng)資料收集不充分時(shí)，可假設(shè)河流為明渠均勻流，則任意河道的濕周和流量可以借助曼寧公式表示為：

式中：Q為流量，m3/s；S為水力坡度；n為糙率；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；X為濕周，m。

分別采用冪函數(shù)和對(duì)數(shù)函數(shù)對(duì)濕周—流量關(guān)系進(jìn)行擬合。視擬合情況選取合適的擬合形式。冪函數(shù)和對(duì)數(shù)函數(shù)的擬合形式分別為：

式中：a、b、c、d 為常數(shù)。

3.濕周—流量關(guān)系曲線變化點(diǎn)、最小生態(tài)流量的確定

圖1 王家壩濕周流量關(guān)系圖

圖2 蚌埠斷面濕周流量關(guān)系圖

圖3 小柳巷濕周流量關(guān)系圖

圖4 周口濕周流量關(guān)系圖

圖5 界首濕周流量關(guān)系圖

圖6 亳州濕周流量關(guān)系圖

圖7 蒙城濕周流量關(guān)系圖

圖8 班臺(tái)濕周流量關(guān)系圖

圖9 港上濕周流量關(guān)系圖

圖10 新安濕周流量關(guān)系圖

濕周—流量關(guān)系曲線變化點(diǎn)的確定是估算河道內(nèi)最小生態(tài)流量的核心。按照曲率最大法確定濕周—流量關(guān)系曲線變化的最大拐點(diǎn)處。最大拐點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的流量即為最小生態(tài)流量，計(jì)算公式如下：

表1 濕周法生態(tài)流量計(jì)算成果表

各控制斷面共有1～10個(gè)大斷面濕周—流量關(guān)系計(jì)算成果，分別確定濕周—流量關(guān)系線，各斷面各取一個(gè)濕周—流量關(guān)系曲線圖見圖1～10。

按照曲率最大法確定各個(gè)斷面每一個(gè)濕周—流量關(guān)系曲線變化的最大拐點(diǎn)處。將各控制斷面多條關(guān)系線拐點(diǎn)處流量平均后作為斷面的最小生態(tài)流量。計(jì)算成果見表1。

四、小結(jié)

在淮河流域生態(tài)流量試點(diǎn)工作中，將濕周法的計(jì)算成果與其他方法計(jì)算生態(tài)流量的成果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在大部分情況下濕周法計(jì)算成果較Tennant法、“淮河法”最小生態(tài)流量過程、棲息地模擬法成果偏小。在科學(xué)確定生態(tài)流量的過程中，結(jié)合河道的生態(tài)保護(hù)目標(biāo)，在淮河流域河流開發(fā)利用現(xiàn)狀、用水矛盾及生態(tài)流量調(diào)度實(shí)施條件等基礎(chǔ)上，將濕周法的計(jì)算結(jié)果作為一組成果與其他生態(tài)流量成果統(tǒng)籌考慮，綜合確定生態(tài)流量

（作者單位：淮河流域水資源保護(hù)局淮河水資源保護(hù)科學(xué)研究所 233001）