兩種方法下的河道內生態流量對比分析

安徽省城建設計研究總院股份有限公司 周蜜

卞小河屬季節性自然河流，河道坡降較大，受時空降水分布不均影響，枯水期河道生態流量保障不足，河道滯蓄水量少，基本干涸。為保證卞小河河道生態流量，可通過上游水庫調節、水量減供限供等水量調度措施實現卞小河生態流量能夠達到其最小生態流量的要求。因此通過不同方法計算對比分析卞小河生態流量，為水量調度提供數據支持具有重要的意義。

一、生態流量含義及計算方法

（一）生態流量的含義

河流的生態流量是指維持河道基本功能和河道生態需水的最小流量。在水資源配置中，生態流量是維持江河湖泊生態系統健康所需要保證的流量，包括河道內生態環境需水和河道外生態環境需水。研究河流生態流量的目的就是針對具體某一條河流提出保護其可持續發展所需的流量以及一定水質要求。河道內生態需水是為維系河流生態環境目標需要保留在河道內的水量。

（二）生態流量計算方法

河流生態流量計算方法主要有水文學法、水力學法、生物模擬法、整體分析法等方法。水文學法主要有Tennant法、枯水頻率法(7Q10)、Texas法、流量歷時曲線等；水力學法主要包括濕周法、R2CROSS法；生境模擬法主要包含IFIM/PHABSIM法和CASIMIR法；在整體分析法中，河流的天然特征用逐月流量來描述[1]，河道內流量的重要成分包括枯季流量、泛濫流量和中小洪水。

本文以肥西縣卞小河流域為研究對象，選取濕周法及Tennant法分別計算河道內生態流量，根據計算結果進行合理分析，最終確定卞小河的合理生態流量。

二、研究區概況

卞小河為派河主要支流之一，位于派河中下游右岸，發源于肥西縣中部紫蓬山脈延伸段，大團山-英山一線，集水沿英山北5條山澗溝，北流入謝高塘、宣灣水庫，出水庫后，兩泄洪溝于宣大塘處合流，經卞大郢、倪大堰，穿合九鐵路、翡翠路，再經大顏灣，右納童洼小河支流來水，穿上小路橋，于城西排澇站東入派河。

卞小河干流自謝高塘水庫壩下至入派河河口，全長10km，流域面積37.31km2，河底高程24.5-8.0m，河底寬度3-15m。童洼小河屬于卞小河的一條南支流，發源于童洼水庫，自水庫壩下、偏東西向穿合九鐵路，再穿越站前路、仙霞路、縣交警大隊后與卞小河匯合。全長3.44km，流域面積6.59km2。河底高程25.93-10.27m， 河 底 寬 度5m。卞小河上游從謝高塘壩下設計縱坡1/685，到中游段設計縱坡3/1000，到下游入派河河口段設計縱坡平底，水力坡降急劇變化；童洼小河設計縱坡從上游童洼水庫壩下的5/1000到入卞小河河口段的1/1000，由陡變緩。

三、河道內生態流量計算

（一）濕周法

濕周法計算河道生態流量要基于一個假設，即淺灘是臨界的河流棲息地。通過河道斷面和流量資料建立濕周-流量關系曲線，在曲線中用斜率1法和曲率最大法確立變化點，該點對應的流量即為最小生態流量。該方法適用于河床形狀穩定的寬淺型河流，河道的形狀是影響其分析結果的因素。

根據水力學中計算明渠均勻流的謝齊公式(式1)以及曼寧公式(式2)可推出流量-濕周(Q-P)關系式(式3)：

式中：Q—流量，m3/s；A—過水斷面面積，m2；P—濕周，m；R—水力半徑，m；J—水力坡降；n—粗糙系數。

根據上式，并對河道斷面進行倒梯形概化，由不同的水深h可以確定A、P、R等參數，并最終求出相應Q值，而通過斜率1法和曲率最大法確定濕周-流量曲線變化點需知道濕周-流量之間的函數關系。根據國內外對濕周法的研究，梯形斷面通常使用對數函數，對數函數形式如下：

式中：a、b均為常數；P1、Q1—分別為相對濕周、相對流量(為消除坐標軸比例的影響，對濕周和流量無量綱化)。

利用微積分中計算曲率的公式可得到(1)的曲率方程表達式：

曲率法是選取曲線的曲率最大的一點對應的流量值作為河道內最小生態流量。為求得曲率最大的一點，需對(2)中的Q1求一階導數，一階導數值等于0的一點即為曲率最大的一點。該點對應的流量值就作為河道內的最小生態流量。曲率最大法求得的最小生態流量公式為：

在卞小河、童洼小河上、中、下游各取一個代表斷面作為計算節點，用濕周法分別計算各河段節點處的生態流量?，F選取卞小河下游(人派河河口)斷面和流量資料為例，河道斷面參數根據《肥西縣潭沖小河、卞小河防洪規劃》《肥西縣潭沖小河、卞小河河道綜合治理規劃》中河道規劃斷面成果確定，建立濕周-流量關系曲線，計算過程如表1、表2、圖1所示。

表1 卞小河下游(入派河河口)概化斷面不同水深流量計算表

表2 卞小河下游(入派河河口)生態流量計算表

圖1 卞小河下游(入派河河口)概化斷面相對濕周-流量曲線擬合圖

卞小河的沿河濕地呈帶狀，經河道整治后斷面形狀可概化為梯形，采用同樣方法計算，卞小河、童洼小河其余斷面計算結果見表3。

表3 生態流量計算成果表(單位：m3/s)

(2)Tennant法

Tennant法是依據流量和河流生態環境狀況之間的經驗關系來確定河流生態需水量。按照Tennant方法的標準，河道內的最小生態流量不能小于多年平均流量的10%，應在10-30%之間。根據安徽省多年平均年徑流深等值線圖，查得肥西縣徑流深約為300mm。由河流集水面積乘以徑流深，可估算該段河流的多年平均徑流量。本次分別計算了各河流年平均流量的10%、20%、30%的流量值，考慮到卞小河流經肥西縣城，河道最小水深有景觀要求不宜過小，本次以30%的年天然徑流量作為河流生態環境需水量，計算得卞小河、童洼小河的生態流量分別為0.106m3/s、0.019 m3/s。各河流多年平均徑流量、生態流量計算結果見表4。

表4 生態流量計算表

四、結論

根據表3可以看出，采用濕周法計算的卞小河、童洼小河上、中、下游各河段生態流量相差較大，且下游河道斷面的生態流量均小于上、中游河道斷面；卞小河的支流童洼小河入卞小河河口處的生態流量比卞小河下游生態流量大，這與實際情況不符。分析其原因為，水力學濕周法通過概化河流斷面，并根據不同水深的過水斷面面積、濕周以及河流水力坡降等參數，建立濕周與流量的關系曲線來確定河流生態流量。經過試算，對河流最小生態流量影響最大的是河道的水力坡降。小河經綜合治理后，河道設計坡降從上游到下游差異較大，水力坡降較自然情況有較大變化。卞小河上游從謝高塘壩下設計縱坡1/685，到中游段設計縱坡3/1000，到下游入派河河口段設計縱坡平底，水力坡降急劇變化；童洼小河設計縱坡從上游童洼水庫壩下的5/1000到入卞小河河口段的1/1000，也是由陡變緩。根據濕周法的計算公式，在河道斷面相差不大的情況下，河道斷面流量隨河道坡降增大而急劇增大。當曲線拐點不明顯，或選取適線參數不同時，計算出的最小生態流量也存在差異?，F狀河道由于河道坡降較陡，為了河道蓄水，河道上多處設有堰壩。卞小河上設有上小路濕地上游滾水壩和上小路濕地下游滾水壩，童洼小河上設有窖廠滾水壩、造紙廠滾水壩、仙霞路滾水壩。由于河道攔蓄建筑物的影響，河流流動性差，而采用濕周法計算的成果沒能反映出河道攔蓄建筑物對流量的影響，生態流量計算結果偏大很多。

Tennant法是根據當地的年天然徑流量來計算河流生態環境需水量，是綜合性算法，計算結果比較穩定，在缺乏河流實測流量資料或沒有特定保護對象的情況下可以用Tennant法來估算河流最小生態流量。在其他地區的河流中也已證實，在小河流中，年平均流量30%的流量接近最佳棲息地標準[2]。因此，采用卞小河、童洼小河年平均流量的30%作為河流生態流量，計算結果較為合理。卞小河、童洼小河河道內生態流量取值分別為0.106m3/s、0.019 m3/s。