用改进湿周法计算河道内最小生态流量

史方方，黄 薇

用改进湿周法计算河道内最小生态流量

史方方，黄 薇

（长江科学院 水资源综合利用研究所，武汉 430010）

在探讨总结国内外计算河道内最小生态流量（minimuminstream ecological flow）方法的基础上，针对汉江流域的实际情况，选用改进湿周法对汉江上游石泉、安康和白河3个水文断面的最小生态流量进行定量估算。与Tennant法相比较，表明采用曲率湿周法计算的汉江上游河道内最小生态流量是比较合理的。计算结果为：石泉、安康、白河3个断面的最小生态流量依次为40，70，100 m3／s，分别占各断面多年平均天然流量的11.23%，11.08%，12.55%。

河道内最小生态流量；改进湿周法；汉江

1 概述

河道内最小生态流量是目前研究的热点，国内外关于其计算方法很多［1］，总结起来可以分为：水文学法、水力学法、生境模拟法和综合分析法等，但均存在着局限性，必须根据具体河流及其生态系统特性进行专门和系统的研究［2］。水文学法［3］应用广泛，但是精度不高，一般只用于河流系统优先度不高的河段流量计算，或者作为其它方法的一种检验；生境模拟法［4］需要用到大量详细的流量、河道水力学和生物特征等信息，且方法本身比较复杂，在实际应用中常受到限制；综合法［5］由于某些原因在我国也很难实现。因此，对水力学法尤其是湿周法（wetted perimeter method［6］）估算生态需水量的探讨是一次有意义的尝试，一般只要断面稳定，湿周法基本不受人们活动的影响。该法适用于湿润河网区，通过建立湿周与流量的关系曲线，由曲线上的临界点确定河道内最小生态流量；而且Gippel［6］等人于1998年提出通过数学方法克服确定湿周流量关系曲线上临界点的主观性，对湿周法进行了改进。

本文根据汉江流域的实际情况，通过对各种计算方法的研究比较，选用改进后的湿周法［6］对汉江上游河道内最小生态流量进行定量研究，结果表明在汉江上游河道采用该法计算最小生态流量是合理可行的。

2 改进湿周法

2.1 改进湿周法原理

湿周法基本假设是：保护好临界区的水生生物栖息地的湿周，也将对非临界区的栖息地提供足够的保护［6］。通常湿周随着河流流量的增大而增加，然而当湿周超过某一临界值后，河流流量的迅速增加也只能引起湿周的微小变化，这一河流湿周临界点具有特殊意义，从生态学角度看，即当流量大于该临界点对应的流量（高水）时，湿周，即生物生境，对流量的变化不敏感；当流量小于该临界点对应的流量（低水）时，生物生境对流量的变化非常敏感。因此，从一定意义上说，为了保证河流的正常生态功能的实现，需要河流至少维持该临界点对应的流量值。然而该法以往在确定湿周流量关系曲线上的临界点时，主要靠观测者的眼力，存在主观性，且曲线的坡度变化明显依赖于坐标轴的比例。1998年Gippel和Stewardson（1998）［6］通过理论分析和实例验证，给出了2种确定湿周流量关系曲线临界点的数学方法，分别是斜率为1法和曲率最大法。

2.2 改进湿周法计算步骤

2.2.1 控制断面及计算时段的选取

水文控制断面是联系河流形态因子和水文因子的载体。断面分析在河道流量和河道断面形态特点之间起到了桥梁枢纽的作用，为了确定在天然状态下河流生态流量，断面的选取应该遵循以下3个原则：①典型性；②稳定性；③实用性。计算时期的选择主要考虑河床演变相对平衡、人类活动干扰较少的时期。

2.2.2 确定河道内最小生态流量

（1）湿周-流量关系曲线的数学表达式为

式中：A为过水断面面积（m2），V为过水断面的平均流速（m／s）。

假设河流为明渠恒定均匀流，由谢才公式

式中：R为水力半径（m），J为水面坡降，C为谢才系数。

由曼宁公式

式中n为粗糙系数。将（3）式代入（2）式得到

根据水力半径为过水断面面积A与湿周P的比值的定义，（4）式可写成

为消除确定临界点时坐标轴比例的影响，本文将流量和湿周无量纲化，分别取相对值Q′，P′，即

根据不同河槽断面的湿周-流量关系的分析，可知三角形断面以及抛物线形断面的湿周与流量呈现出幂函数关系；而矩形和梯形断面的湿周与流量呈现出对数关系，湿周流量关系可以按照这2种关系进行拟合。

（2）确定临界点。

斜率为1法：取湿周-流量关系曲线上斜率为1的点为临界点，根据数学表达式d P′／d Q′=1，可求得最小生态流量。

最大曲率法：数学上曲率最大的点对应于曲率对流量的导数为零的点。湿周流量关系曲线曲率公式为

对该公式等号右边求导，可求得湿周-流量关系曲线上的最大曲率，进而可计算最小生态流量。

3 汉江上游河道内最小生态流量计算

汉江属亚热带季风区，气候湿润，水量丰沛。丹江口以上为上游，山高谷深，水流湍急，河床稳定。近些年来随着汉江上游干支流水能的梯级开发，流域在枯水季节出现水质突变、水环境容量骤降等生态环境问题［7］，河流生态系统健康状况受到各种各样的损害。本文用改进湿周法，即斜率为1法和最大曲率法定量估算汉江上游河道内最小生态流量，以期为维护河流生态系统健康提供参考。

3.1 控制性河道断面的选取

根据汉江上游的实际情况，遵循典型性、稳定性、实用性原则，选取石泉、安康、白河水文站作为控制性水文断面。本研究选取2005年实测大断面和实测水位流量资料作为分析的基础，计算汉江上游河道最小生态流量。石泉、安康、白河水文站典型断面如下面图1、图2、图3所示。

3.2 最小生态流量计算

3.2.1 湿周-流量关系建立

根据对石泉、安康、白河水文站实测大断面图进行分析，可知石泉、安康为矩形断面，白河为梯形断面。由湿周法确定河道最小生态流量的基本理论可知：矩形和梯形断面的湿周与流量呈现出对数关系。经拟合计算，石泉、安康、白河水文站断面湿周-流量关系依次为P′=0.055 2 ln（Q′）+0.827，相关系数R2=0.929 4；P′=0.067 1 ln（Q′）+0.810 7，相关系数R2=0.955 1；P′=0.076 8 ln（Q′）+0.734 8，相关系数R2=0.980 1。各拟合曲线见图4、图5、图6。

图1 2005年11月2日石泉水文站实测断面图Fig.1 The section of Shiquan Hydrologic Station measured on Nov.2，2005

图2 2005年11月1日安康水文站实测断面图Fig.2 The section of Ankang Hydrologic Station measured on Nov.1，2005

图3 2005年11月2日白河水文站实测断面图Fig.3 The section of Baihe Hydrologic Station measured on Nov.2，2005

3.2.2 临界点确定

根据石泉、安康、白河水文站断面湿周流量关系，分别采用斜率为1法和曲率法来计算河道内最小生态流量。

（1）斜率为1法。石泉水文站断面计算河道内最小生态流量为231.84 m3／s，占多年平均流量356 m3／s的65%；安康水文站断面计算河道内最小生态流量为258.34 m3／s，占多年平均流量632 m3／s的41%；白河水文站断面计算河道内最小生态流量为368.64 m3／s，占多年平均流量797 m3／s的46%。

图5 安康断面湿周-流量关系拟合曲线Fig.5 The fitting curve of wet perimeter and discharge at An'kang Section

图6 白河断面湿周-流量关系拟合曲线Fig.6 The fitting curve of wet perimeter and discharge at Baihe Section

（2）最大曲率法。石泉水文站断面计算河道内最小生态流量为40 m3／s，占多年平均流量356 m3／s的11.23%；安康水文站断面计算河道内最小生态流量为70 m3／s，占多年平均流量632 m3／s的11.08%；白河水文站断面计算河道内最小生态流量为100 m3／s，占多年平均流量797 m3／s的12.55%。

3.2.3 最小生态流量的确定

根据斜率为1法和曲率最大法分别求取的最小生态流量存在较大差异，斜率为1法计算所得结果比曲率最大法计算结果偏大。为了最终确定最小生态流量，本研究采用Tennant法计算结果作为参照，进行比较分析，Tennant法将多年平均流量的10%作为最小生态流量，可以提供当地鱼类生存所需生境的50%［3］。比较结果见表1，从中可以看出，采用曲率最大法计算所得的河流最小生态流量比较合理，采用斜率为1法计算结果偏大。

根据曲率湿周法确定的汉江上游石泉、安康、白河水文站断面最小生态流量，分别计算该流量下对应的各水力参数，计算结果汇总于表2。

表1 最小生态流量不同方法计算结果比较Table 1 The comparison of different calculated results about minimum channel ecological flow for the upper reaches of HanjiangRiver

表2 曲率湿周法计算结果Table 2 The results obtained by using flexurewetted perimeter method

3.3 计算结果的分析

根据曲率湿周法计算最小生态流量所得结果，石泉水文站断面河道内最小生态流量为40 m3／s，占多年平均流量11.23%，该流量对应的湿周占最大湿周率的65.7%；安康水文站断面河道内最小生态流量为70 m3／s，占多年平均流量11.08%，该流量对应的湿周占最大湿周率的64.4%；白河水文站断面河道内最小生态流量为100 m3／s，占多年平均流量12.55%，该流量对应的湿周占最大湿周率的67.2%。这些计算结果与Tennant法计算结果相近，同时该计算结果显示出上游小、下游大的特性，集水面积与流量呈正相关关系，因此可说明根据曲率湿周法计算最小生态流量是合理的。

4 结语

本文采用改进湿周法对汉江上游河道内最小生态流量进行了初步研究，计算结果通过与Tennant法成果相比较，表明曲率湿周法研究结果是比较合理的。汉江河道生态流量研究是一项很重要的研究，该研究涉及许多学科，今后需要从多角度出发，采用多种方法对此进行深入探讨，为汉江上游河道生态环境保护及水资源科学配置提供参考。

［1］ 杨志峰，张 远.河道生态环境流量研究方法比较［J］.水动力学研究与进展，2003，18（3）：294-301.

［2］ 陈 进，黄 薇.长江的生态流量问题［J］.长江科学院院报，2007，24（6）：1-5.

［3］ TENNAT D L.Instream Flow Regimes for Fish，Wildlife，Recreation，and Related Environmental Resources［C］.Maryland：American Fisheries Society，1976，359-373.

［4］ STALNAKER C B，LAMB B L，HENRIKSEN J，et al.The Instream Flow Incremental Methodology，a Primer for IFIM［R］.Colorado：National Ecology Research Center，1994，99.

［5］ ARTHINGTON A H，KINGJ.Development of a Holistic Approach for Assessing Environmental Flow Requirements of Riverine Ecosystems［C］∥In：Pigram J J，Hooper B P，Proceedings of an International Seminar and Workshop on Water Allocation for the Environment.Armidale：The Center for Water Police Research.University of New England，1992.282-295.

［6］ Gippel CJ，Stewardson M J.Use of the Wetted Perimeter in Defining Minimum Environmental Flows［J］.Regulated Rivers：Research and Management，1998，14（1）：53-67.

［7］ 阳书敏，邵东国，沈新平.南方季节性缺水河流生态环境需水量计算方法［J］.水利学报，2005，36（11）1341-1346.

Minimum Instreaming Ecological Discharge by Using Improved Wetted Perimeter Method

SHI Fang-fang，HUANG Wei
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

On the basis of summarizing the calculating methods of minimum instreaming ecological flow at home and abroad，the improved wetted perimeter method is adopted to determine minimum instreaming ecological flow of upper reaches of Hangjiang River.According to its practical condition，Shiquan，Ankang and Baihe three hydrological station as the control cross sections are chosen.By means of comparison of the calculated results and the data obtained by Tennant method，the result shows that adopting the flexure-wetted perimeter method is a reasonable choice，and that minimum ecological flows of Shiquan，Ankang and Baihe three hydrologic stations are 40 m3／s，70 m3／s，100 m3／s respectively，and the ratios represented by percentages of these discharges to long-term average annual flows are 11.23%，11.08%，12.55%respectively.

minimum instreaming ecological flow；improved wetted perimeter method；Hanjiang River

TV214

A

1001-5485（2009）04-0009-04

2008-05-19；

2008-08-27

水利部公益性行业科研专项（200701010）；中央级公益性科研院所基金项目（YWF0714／ZY06）

史方方（1983-），女，河南济源人，硕士研究生，主要从事水资源与水生态的研究，（电话）027-82926433（电子信箱）shifangfang2002＠yahoo.com.cn。

（编辑：赵卫兵）