基于濕周法的濟南山區中小河流生態流量研究

張葉 魏俊 黃森軍 王琦 付意成 張晶 趙進勇

摘 要：為探討濕周法在山區中小河流的適用性，以濟南市西南部創新谷為例，基于濕周法中的斜率法，計算研究區河流干支流的生態流量，研究分析斜率法的適用性，并探討在計算過程中典型斷面的選取依據。經計算確定，北大沙河干流、大彥河干流、皇姑井村河干流和小劉河的生態流量依次為4.9、3.7、3.9、2.1m3/s。建議在利用濕周法進行山區中小河流生態流量的計算時，在結合當地水文資料的基礎上，選擇寬深比相對較小、橫斷面為拋物線形的河道斷面作為典型斷面。

關鍵詞：生態流量；濕周法；河道斷面；中小河流

中圖分類號：X143；TV211.1+1 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.019

引用格式：張葉，魏俊，黃森軍，等.基于濕周法的濟南山區中小河流生態流量研究[J].人民黃河，2022，44（1）：89-93.

ResearchonEcologicalFlowofSmallandMedium SizedRiversinJinanMountainAreaBasedonWetCycle

ZHANGYe1，2，WEIJun3，HUANGSenjun3，WANGQi2，FUYicheng2，ZHANGJing2，ZHAOJinyong2（1.HebeiAgriculturalUniversity，Baoding071001，China；2.ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch，Beijing100038，China；3.PowerChinaHuadongEngineeringCorporationLimited，Hangzhou311122，China）

Abstract：Inordertodiscusstheapplicabilityofthewet periodmethodtosmallandmedium sizedriversinmountainareas，thisarticletook theinnovationvalleyinsouthwesternJinanasanexampleandbasedontheslopemethodinthewet periodmethod，calculatedtheecological flowofeachmainstreamtributaryinthearea，studiedandanalyzedtheapplicabilityoftheslopemethodanddiscussedtheselectionbasisof thetypicalsectioninthecalculationprocess.Throughcalculation，theecologicalflowsofthemainstreamofBeidashaRiver，themainstream ofDayanRiver，themainstreamofHuanggujingcunRiverandtheXiaoliuRiverweredeterminedtobe4.9，3.7，3.9and2.1m3/srespec tively.Itissuggestedthatwhenusingthewetcyclemethodtostudytheecologicalflowofsmallandmedium sizedriversinmountainousare as，basedonthecombinationoflocalhydrologicaldata，achannelsectionwitharelativelysmallwidth to depthratioandaparaboliccross sectionisselectedasthetypicalsection.

Keywords：ecologicalflow；wetweekmethod；channelsection；medium sizedrivers

1 引 言

近年來，隨著水資源的大規模開發利用，河流自然水文情勢發生了巨大變化[1]。水文情勢的變化引起河流生態系統結構與功能的變化，甚至導致淡水生態系統嚴重退化[2]。為實現水生態環境的保護與修復，維持河流正常的自然與社會功能，滿足生態服務需求，需要研究何種水文情勢才能維系河流生態健康，從而引出生態流量的科學確定問題[3-5]。國內外學者在生態流量的推求和計算方面進行了許多研究，生態流量的計算方法大致可以分為4類：生態水文學法、水力學法、生境模擬法和整體分析法[2]，每種方法各有特點和適用范圍[6]。生態水文學法僅需歷史水文數據，但過于概化河流情況，適用于野外監測較困難的河流；水力學法所需數據的獲取相對簡單，適用于較為穩定的河流；生境模擬法充分考慮了生物生存的適宜條件，適用于敏感期生態流量要求較高的河流；整體分析法系統考慮了河流生態系統的流量需求，但成本較高[7]。

我國先后出臺了一些生態需水相關的導則、規范，對生態流量的概念與計算等進行了規定。2010年水利部發布《河湖生態需水評估導則（試行）》（SL/Z 479—2010），對Tennant法、90%保證率最枯月平均流量法、流量歷時曲線法等水文學方法和濕周法、R2CROSS等水力學法進行了總結。2013年水利部發布《水資源保護規劃編制規程》（SL613—2013），對生態需水滿足程度評價及問題分析，生態需水對象及目標要求，生態需水保障的內容、技術方法和要求等進行了規定。2014年水利部發布《河湖生態環境需水計算規范》（SL/Z712—2014），澄清了河道湖泊生態環境需水的概念，給出了生態需水計算過程中應考慮的因素，建議河道內生態環境需水量采用水文綜合法、分項功能法等方法計算。2015年水利部發布《河湖生態保護與修復規劃導則》（SL709—2015），對生態需水保障、生態基流和敏感生態需水控制斷面的擬定、生態需水量的確定、湖泊濕地生態水位的確定及分析方法、生態需水保障措施等進行了規定和建議。

在實際計算過程中，由于不同河流的水文資料、地形數據等不盡相同，因此不同河流、水系要根據實際情況選擇合適的計算方法。根據河流所處區域位置、現場實際情況和水文資料，遵循科學性、代表性和實際可操作性原則，依據我國生態環境需水相關導則或指南[8-9]，確定研究河段的生態流量。濕周法是水力學法中常用的一種方法，該方法以濕周為生態系統棲息地指標，建立濕周與流量的關系曲線，選取臨界點所對應的流量作為生態流量[10]。確定臨界點的方法有曲率法（曲率絕對值最大）和斜率法（斜率為1或其他設定值）。濕周與流量的關系主要有冪函數和對數函數關系[11]，當符合冪函數關系時，相比曲率法，斜率法進行臨界點的確定更適宜[12]。

肖玉成等[13]利用濕周法中的斜率法和曲率法對灃河的生態流量進行了研究。于魯冀等[14]利用斜率法、曲率法和多目標評價法3種改進的濕周法計算了賈魯河不同頻率年河道內的生態需水量。吉小盼等[15]以西南山區岷江和大渡河為研究對象，利用斜率法、曲率法和經驗法分析確定各斷面最小生態需水量，從而研究了濕周法的適用條件及轉折點的確定方法。筆者以濟南創新谷為例，根據河道的實際情況，選用濕周法中的斜率法對區域內河流的生態流量進行計算與驗證，并給出典型斷面選取的建議。

2 研究區概況與方法

2.1 研究區概況

濟南市西南部山區創新谷總體規劃面積70km2，其中產業核心區20km2。創新谷屬北大沙河流域，地勢東南高西北低。北大沙河自東南向西北貫穿創新谷片區東北角，全長4.25km，自崮云湖水庫下游進入創新谷，北流至長清湖，沿途有皇姑井村河、小劉河匯入。大彥河及其支流位于創新谷北部，往北流入長清湖，總長度2.705km。

北大沙河是創新谷的骨干河道，但崮云湖水庫截斷其上游來水，導致研究區內河段水量不足，呈間斷干涸狀態。河岸兩側存在較寬河岸帶，綠化程度較高，但是植被結構單一，景觀性較差。大彥河現狀河內無水，溝槽內雜草叢生，河槽邊緣不明顯。皇姑井村河干流發源于創新谷池子村西南部的山谷內，于大彥村東邊匯入北大沙河，皇姑井村河及其支流為典型的山區季節性河流，枯水期河道斷流、河床裸露，雨季流量明顯增大。小劉河位于創新谷東南角，發源于鐘莊村和小劉村南部山谷內，現狀河道兩岸高低起伏較大，溝道沖刷嚴重。為改善區域內河流現狀，實現人水和諧，應科學確定其生態流量，滿足其基本生態需水。本文依據收集的相關資料和現場實際踏勘結果，依次選取各河流典型斷面，采用濕周法計算研究區河流生態流量。部分河流典型斷面見圖1，其中典型斷面1位于北大沙河干流中游，典型斷面2、斷面3位于大彥河干流中游。經實地調研，斷面1、斷面2、斷面3水流均勻、人類活動干擾較小，可以代表所在河流的實際狀況。

2.2 研究方法

根據斷面情況，通過以上公式計算相關參數，繪制濕周與流量關系曲線。

3 結果與討論

3.1 計算結果

（1）北大沙河干流。依據地形數據繪制創新谷內北大沙河干流斷面，考慮區域位置、水文資料等限制因素，選取研究河段中部斷面進行計算。該斷面形狀為拋物線形，基于此斷面建立濕周—流量關系曲線，選取關系曲線上斜率為1的點所對應的流量作為河道的基本生態流量，并且選取關系曲線的轉折點所對應的流量進行對比、校核。北大沙河典型斷面及Q—P關系曲線見圖2。

利用濕周法計算的北大沙河生態流量為4.9m3/s，流速為0.65m/s，水深為0.55m。經查詢相關資料[16-20]和現場調研，北大沙河魚類多為鯉科，尤以鯽魚分布較為廣泛，并在水深0.50m左右的位置觀察到鯽魚有較長時間的停留，因此認為北大沙河干流生態流量為4.9m3/s是合理的。

（2）大彥河干流。依據地形數據繪制大彥河干流各現狀斷面，在現狀斷面中選擇位于大彥河干流中游拐彎處的典型斷面2、斷面3以及支流匯入口附近的典型斷面4進行計算，3個斷面為不規則斷面，主河槽橫斷面分別為梯形、拋物線形和梯形，斷面4上開口比前兩個斷面窄，見圖3（k=1為斜率為1的直線）。基于以上斷面建立濕周—流量關系曲線，將關系曲線上斜率為1的點所對應的流量作為河道基本生態流量，并且選取關系曲線上轉折點所對應的流量進行對比、校核。大彥河干流Q—P關系曲線見圖3，大彥河干流典型斷面計算結果見表1。

由計算結果可知，典型斷面4流量為0.7m3/s，與其余兩個斷面相差較大，結合當地實際水文資料和研究河段魚類情況，認為該結果不具有代表性，不可作為此河段的生態流量；另外兩個斷面進行對比，水深0.450m接近0.50m，故認為大彥河干流生態流量應為3.7m3/s。

（3）皇姑井村河干流。皇姑井村河干流長4.952km，基于地形數據和現場踏勘，將中游和下游的典型斷面5～斷面8作為計算斷面，其斷面形狀可分別概化為復式梯形斷面、復式梯形斷面、梯形斷面、梯形斷面，見圖4。

皇姑井村河干流典型斷面計算結果見表2，各斷面流量計算結果相差不大，但水深相差較大。水深為0.300m的情況接近鯽魚的最小生存水深0.50m，故認為皇姑井村河干流的生態流量應為3.9m3/s。

（4）小劉河。選擇典型斷面9～斷面11進行計算，其均為不規則斷面，主河槽斷面形狀分別可以概化為拋物線形、梯形、拋物線形，見圖5。小劉河典型斷面計算結果見表3，結合研究區域的代表魚類，確定小劉河的生態流量為2.1m3/s。

3.2 討 論

吉利娜等[10]以西南山區河流為研究對象，得出濕周法適用于近似拋物線形或矩形的斷面，不建議用于近似三角形或梯形的斷面。肖玉成等[13]以北方河道灃河為研究對象，得出直接利用濕周法計算生態流量對于水淺、寬深比特別大的河道，其結果會存在一定問題，即建立的濕周—流量關系曲線難以找到對應的臨界點。對比北大沙河干流的典型斷面1、大彥河干流典型斷面3、皇姑井村河典型斷面6和小劉河典型斷面9，這4個斷面為各自河道生態流量確定的典型斷面，其相似之處為河道水流寬深比（水面寬與最大水深之比）相對較小，且斷面形狀主要為拋物線形和復式梯形，具體情況見表4。

基于上述分析，針對研究區的4條山區河流，其最終確定生態流量所依據斷面形狀依次為拋物線形、拋物線形、復式梯形和拋物線形。因此建議在利用濕周法進行山區中小河流生態流量推求時，在結合當地水文資料數據的基礎上，綜合考慮所選斷面的穩定性，遵循代表性、易操作性、全面性、可行性、可靠性等原則，盡量選擇拋物線形和復式梯形河道斷面，且寬深比越小，斷面越穩定，其結果越具有代表性。

4 結 論

依據計算結果，確定北大沙河干流、大彥河干流、皇姑井村河干流和小劉河的生態流量依次為4.9、3.7、3.9、2.1m3/s。根據已有研究結果，當濕周—流量關系符合冪函數關系時利用斜率法更適宜。經過對研究區域4條河流的計算分析，最終確定生態流量所依據的典型斷面依次為斷面1、斷面3、斷面6、斷面9，分析其在推求生態流量過程中所得到的濕周—流量關系曲線，發現均符合和較符合冪函數關系。結合所選斷面的寬深比，建議在利用濕周法進行山區中小河流生態流量的推求時，應考慮河道斷面的穩定性，選擇寬深比相對較小、斷面形狀為拋物線形的河道斷面作為典型斷面。

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【責任編輯 呂艷梅】