基于生態水力半徑法的賈魯河生態需水量計算

劉 丹， 邢瓊瓊， 郭欣欣， 馬萌萌， 范鵬宇

(1.中原環保股份有限公司， 河南 鄭州 450000； 2.鄭州大學環境技術咨詢工程有限公司， 河南 鄭州 450002)

1 研究背景

近年來，隨著工業化和城鎮化進程的加快，我國北方地區工農業及生活用水量劇增，水資源供需失衡，導致許多河流生態用水無法得到保證，水生態系統遭到破壞。為實現經濟與水環境之間的協調發展，推動水資源的合理開發和可持續利用，對生態需水理論和實踐的研究越來越得到重視。目前，據不完全統計，生態需水量已有200余種計算方法，主要包括水文法、水力法、棲息地法和綜合法[1-4]。水文學法計算相對簡便，對水文資料要求較少，但準確性較差，一般作為其他方法的檢驗方法；水文學法中使用最多的方法為Tennant法[5]及其各種改進方法；棲息地法同時考慮了河流的水文特點和生物需求，但相關生物資料的獲取較為困難，其代表方法為IFIM法[6]；綜合法綜合考慮專家意見和生態功能的整體性，但需要實測數據和大量資料并消耗大量人力物力，開展起來較為困難、耗時較長，其代表方法為BBM法[6]。水力學法利用水位、流速、水力半徑、濕周等河流水力學參數來估算生態需水量，該方法考慮了河道生態功能對流量的需求，常用的方法為濕周法[7-8]，濕周法的主要假設是流量-濕周曲線上的突變點處對應的流量能為水生生物提供合適的生存環境[9]。生態水力半徑法是劉昌明等[10]提出的一種計算河道內生態需水量的水力學方法，該方法同時利用水力半徑、水力坡度、糙率等河道參數和維持某一河流生態功能所需的河流流速來計算河道內生態需水量。

本文根據賈魯河流域的特點，使用生態水力半徑法分別計算豐水年(水文頻率P=25%)、平水年(P=50%)和枯水年(P=75%)河道內最小生態需水量，并使用修正后的Tennant法對計算結果進行檢驗和修正。

2 生態水力半徑法

生態水力半徑法既考慮了水力條件(水力半徑、糙率、水力坡度)又考慮了維持水生生物生存、繁殖所需河流流速，是一種具有生態意義的水力學方法[10-11]。

生態水力半徑法中，生態流速v生態是指水生生物及魚類生存、繁殖所需的最小流速；生態水力半徑R生態是指生態流速v生態對應的水力半徑。

生態水力半徑法主要是針對保護魚類所需要的生態需水量而提出的[10]。水力半徑R與過水斷面平均水流流速v、水力坡降J以及河道糙率n之間的關系為：

R=n3/2v-2/3J-3/4

(1)

根據魚類的生活、繁殖習性確定的過水斷面生態流速v生態作為過水斷面的平均流速，利用糙率和水力坡降計算出河道過水斷面的生態水力半徑R生態；再用R生態來計算過水斷面面積A；然后由水力半徑-流量關系：

Q=n-1R3/2AJ1/2

(2)

計算流量，估算生態需水量Q生態。

天然河道的斷面形狀是不規則的，但可以用矩形、三角形及拋物線形等形狀作為斷面的近似形狀。根據不同河流斷面形態，過水斷面面積及水力半徑關系如表1所示。

表1 不同斷面形狀過水斷面面積及水力半徑關系

生態水力半徑法是通過曼寧公式來確定生態流速所對應的生態水力半徑，然后利用水力半徑與流量的關系(圖1)估算滿足魚類生存需求的河道內生態需水量。

目前賈魯河流域受人類活動影響大，且沒有需要特別保護的瀕危魚類或洄游魚類，因此，在進行生態需水量計算時不采用生境模擬法和整體法。

本研究從保護水生生物棲息地的角度出發，生態需水量計算主要側重于河流生態系統，因此采用生態水力半徑法來計算賈魯河的最小生態需水量，并用Tennant法對得到的結果進行驗證。

圖1 流量Q與水力半徑R的關系

3 實 例

3.1 研究區域

賈魯河是淮河的二級支流，全長276km，流域面積5 896km2，是淮河流域污染最為嚴重的支流之一。賈魯河流域一方面集中反映了淮河污染的嚴重性，同時作為淮河上游經濟最發達地區，經濟發展與環境保護的矛盾日益突出。為協調社會發展與生態環境之間的關系，維護生態平衡，實現水資源的合理開發、配置，促進水資源的可持續利用，對該流域生態需水的研究已勢在必行。

3.2 Tennant法計算標準修訂及生態需水量計算

使用Tennant法計算生態需水量，需要根據河流的所在區域的氣候條件，河流的需水類型和保護對象對Tennant法的計算標準進行調整[12]。

賈魯河流域屬暖溫帶氣候，魚類區系與長江中下游魚類區系相似，主要分布有：四大家魚、唇鲴、鯉魚、泥鰍、鯽魚及麥穗魚等，其中以四大家魚為主。四大家魚產卵育幼期為5-8月[13]，據此對Tennant法進行計算標準的修正[14]。

最小生態需水量的修正標準為： 9月至次年4月取多年平均月流量的10%作為河道內最小生態需水量，5至8月(魚類產卵期)取多年平均流量的20%作為河道內最小生態需水量；河道內適宜生態需水量的修正標準為： 9月至次年4月取多年平均月流量的20%作為河道內適宜需水量，5至8月(魚類產卵期)取多年平均流量的30%作為河道內適宜需水量。

3.3 生態水力半徑法計算結果

根據賈魯河中牟站和扶溝站1982-2012年歷年流量數據進行水文頻率計算，選取頻率P=25%、P=50%和P=75%所對應的年份作為豐水年、平水年和枯水年的典型年。中牟站、扶溝站水文頻率典型年計算結果和生態水力學法所需水文數據見表2，中牟站和扶溝站各典型年實測斷面形狀如圖2、3所示。

表2 中牟站和扶溝站典型年及所需水文資料

圖2 中牟站各典型年實測斷面形狀

圖3 扶溝站各典型年實測斷面形狀

四大家魚產卵期適宜流速為0.2～0.6m/s[15]。本研究取適宜流速的平均值0.4m/s作為生態流速進行計算。

利用實測斷面水位資料，可求得中牟站、扶溝站各典型年月平均水位條件下的河道過水斷面的水力半徑，如圖4、5所示。

圖4 中牟站各典型年水力半徑月過程

圖5 扶溝站各典型年水力半徑月過程

根據1996年、2003年和1999年中牟站、扶溝站實測流量序列和上述計算的水力半徑，即可求得流量Q與水力半徑R的關系曲線，如圖6、7所示。

圖6 中牟站各典型年R-Q關系曲線

圖7 扶溝站各典型年R-Q關系曲線

根據曼寧公式，計算得到中牟站R生態=0.221m，扶溝站R生態=0.415m。由中牟站和扶溝站各典型年R-Q關系曲線圖6、7可得中牟站各典型年R生態對應的生態需水量。1996年中牟站生態需水量Q=2.61m3/s，2003年生態需水量Q=2.22m3/s，1999年生態需水量Q=1.67m3/s；扶溝站2005年生態需水量Q=3.28m3/s，1992年生態需水量Q=3.57m3/s，1991年生態需水量Q=2.27m3/s。

生態水力半徑法與Tennant法計算的生態需水量計算結果對比見表3。

由表3可知，生態水力半徑法計算中牟站各典型年生態需水量都處于Tennant法所設定一般用水期中最小生態需水量與適宜生態需水量之間，其中豐水年(1996年)生態水力半徑法計算生態需水量結果比Tennant法設定的魚類產卵育幼期最小生態需水量小0.18m3/s，平水年(2003年)生態需水量結果比Tennant法設定的魚類產卵育幼期最小生態需水量小0.57m3/s，枯水年(1999年)生態需水量結果比Tennant法設定的魚類產卵育幼期最小生態需水量小1.12m3/s；扶溝站豐水年和平水年生態需水量都處于Tennant法所設定魚類產卵育幼期中最小生態需水量與適宜生態需水量之間，枯水年生態需水量處于Tennant法所設定一般用水期中最小生態需水量與適宜生態需水量之間，比Tennant法設定的魚類產卵育幼期最小生態需水量小0.57m3/s。

為進一步驗證計算結果，對中牟站和扶溝站采用“同比縮減”法對照各典型年月平均流量進行Q生態的年內展布，通過推算的月流量過程來驗證生態水力半徑法計算結果的合理性，各典型年生態需水量月過程見表4。

表3 生態水力半徑法與Tennant法生態需水量計算結果對比 %， m3/s

由表4可以看出，除1996年1月生態需水量為1.38<1.40外，中牟站各水文頻率典型年一般用水期均能滿足Tennant法設定的最小生態需水量，產卵育幼期5、6月生態需水量計算結果一般無法滿足，7、8月生態需水量計算結果基本可以滿足；扶溝站豐水年和平水年(除2月外)一般用水期均能滿足Tennant法設定的最小生態需水量，枯水年大部分月份無法滿足，魚類產卵育幼期豐、平水年均有2個月無法滿足，枯水年有3個月無法滿足。由此可見，對于中牟站，生態水力半徑法計算結果在大多數月份是滿足要求的；對于扶溝站，豐、平水年生態水力半徑法計算結果在大多數月份滿足要求，枯水年多數月份無法滿足要求，因此，扶溝站枯水年生態需水量取Tennant法計算結果，中牟站各水文頻率年以及扶溝站豐、平水年生態需水量取生態水力半徑法計算結果。因而確定賈魯河中牟站豐、平和枯水年對應的最小生態需水量分別為2.61、2.22和1.67m3/s；扶溝站豐、平、枯水年對應的最小生態需水量分別為3.28、3.57和2.84m3/s。

表4 賈魯河各典型年生態需水量年內分配推算 m3/s

4 結 論

河流生態需水是河流退化評價和生態修復研究的重要內容，生態需水量的滿足是開展河流生態修復的前提。開展生態需水量研究，可以為水資源的合理開發及調配提供數據支持，是建立生態需水保障機制的理論基礎。

本研究根據賈魯河流域中牟和扶溝兩個水文站1982-2012年歷年流量數據進行水文頻率的計算，選取1996、2003和1999年為中牟站豐、平、枯水年的典型年；2005、1992和1991年為扶溝站豐、平、枯水年的典型年。

使用生態水力半徑法對兩個水文站不同水文頻率年的最小生態需水量進行計算，并用修正標準后的Tennant法對計算結果進行驗證，得出以下結論：

(1)根據研究區域的氣候、地理特征和流域范圍內魚類對流速的要求對Tennant法的計算標準進行修正是較為合理的。

(2)生態水力半徑法綜合考慮了河流水文特征和河流生態系統中水生生物對棲息地的要求，計算比Tennant法更具有針對性，具有較高的科學性和適用性。

(3)在進行生態需水量逐月年內分配推算時，若多數月份計算結果小于Tennant法設的最低標準，可取Tennant法計算結果作為最小生態需水量。

(4)本研究與前期研究中[16]使用改進濕周法計算得到的賈魯河中牟站生態需水量計算結果相近，與扶溝站生態需水量計算結果(Q2005=5.86m3/s、Q1992=5.41m3/s、Q1991=5.53m3/s)相比偏小，這是兩種方法計算結果選取標準不同造成的，對計算結果的合理性的判定還需開展深入研究。

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