兩種方法下的河道內(nèi)生態(tài)流量對比分析

安徽省城建設(shè)計研究總院股份有限公司 周蜜

卞小河屬季節(jié)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(tài)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(tài)流量，可通過上游水庫調(diào)節(jié)、水量減供限供等水量調(diào)度措施實現(xiàn)卞小河生態(tài)流量能夠達到其最小生態(tài)流量的要求。因此通過不同方法計算對比分析卞小河生態(tài)流量，為水量調(diào)度提供數(shù)據(jù)支持具有重要的意義。

一、生態(tài)流量含義及計算方法

（一）生態(tài)流量的含義

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

（二）生態(tài)流量計算方法

河流生態(tài)流量計算方法主要有水文學(xué)法、水力學(xué)法、生物模擬法、整體分析法等方法。水文學(xué)法主要有Tennant法、枯水頻率法(7Q10)、Texas法、流量歷時曲線等；水力學(xué)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(nèi)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(nèi)生態(tài)流量，根據(jù)計算結(jié)果進行合理分析，最終確定卞小河的合理生態(tài)流量。

二、研究區(qū)概況

卞小河為派河主要支流之一，位于派河中下游右岸，發(fā)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(jīng)卞大郢、倪大堰，穿合九鐵路、翡翠路，再經(jīng)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(fā)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(shè)計縱坡1/685，到中游段設(shè)計縱坡3/1000，到下游入派河河口段設(shè)計縱坡平底，水力坡降急劇變化；童洼小河設(shè)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(nèi)生態(tài)流量計算

（一）濕周法

濕周法計算河道生態(tài)流量要基于一個假設(shè)，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(guān)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(yīng)的流量即為最小生態(tài)流量。該方法適用于河床形狀穩(wěn)定的寬淺型河流，河道的形狀是影響其分析結(jié)果的因素。

根據(jù)水力學(xué)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(guān)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(shù)。

根據(jù)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(shù)，并最終求出相應(yīng)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(shù)關(guān)系。根據(jù)國內(nèi)外對濕周法的研究，梯形斷面通常使用對數(shù)函數(shù)，對數(shù)函數(shù)形式如下：

式中：a、b均為常數(shù)；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(yīng)的流量值作為河道內(nèi)最小生態(tài)流量。為求得曲率最大的一點，需對(2)中的Q1求一階導(dǎo)數(shù)，一階導(dǎo)數(shù)值等于0的一點即為曲率最大的一點。該點對應(yīng)的流量值就作為河道內(nèi)的最小生態(tài)流量。曲率最大法求得的最小生態(tài)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(jié)點，用濕周法分別計算各河段節(jié)點處的生態(tài)流量。現(xiàn)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(shù)根據(jù)《肥西縣潭沖小河、卞小河防洪規(guī)劃》《肥西縣潭沖小河、卞小河河道綜合治理規(guī)劃》中河道規(guī)劃斷面成果確定，建立濕周-流量關(guān)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(tài)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(jīng)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(jié)果見表3。

表3 生態(tài)流量計算成果表(單位：m3/s)

(2)Tennant法

Tennant法是依據(jù)流量和河流生態(tài)環(huán)境狀況之間的經(jīng)驗關(guān)系來確定河流生態(tài)需水量。按照Tennant方法的標準，河道內(nèi)的最小生態(tài)流量不能小于多年平均流量的10%，應(yīng)在10-30%之間。根據(jù)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(jīng)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(tài)環(huán)境需水量，計算得卞小河、童洼小河的生態(tài)流量分別為0.106m3/s、0.019 m3/s。各河流多年平均徑流量、生態(tài)流量計算結(jié)果見表4。

表4 生態(tài)流量計算表

四、結(jié)論

根據(jù)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(tài)流量相差較大，且下游河道斷面的生態(tài)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(tài)流量比卞小河下游生態(tài)流量大，這與實際情況不符。分析其原因為，水力學(xué)濕周法通過概化河流斷面，并根據(jù)不同水深的過水斷面面積、濕周以及河流水力坡降等參數(shù)，建立濕周與流量的關(guān)系曲線來確定河流生態(tài)流量。經(jīng)過試算，對河流最小生態(tài)流量影響最大的是河道的水力坡降。小河經(jīng)綜合治理后，河道設(shè)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(shè)計縱坡1/685，到中游段設(shè)計縱坡3/1000，到下游入派河河口段設(shè)計縱坡平底，水力坡降急劇變化；童洼小河設(shè)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(jù)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(shù)不同時，計算出的最小生態(tài)流量也存在差異。現(xiàn)狀河道由于河道坡降較陡，為了河道蓄水，河道上多處設(shè)有堰壩。卞小河上設(shè)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(shè)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(tài)流量計算結(jié)果偏大很多。

Tennant法是根據(jù)當?shù)氐哪晏烊粡搅髁縼碛嬎愫恿魃鷳B(tài)環(huán)境需水量，是綜合性算法，計算結(jié)果比較穩(wěn)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(tài)流量。在其他地區(qū)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(tài)流量，計算結(jié)果較為合理。卞小河、童洼小河河道內(nèi)生態(tài)流量取值分別為0.106m3/s、0.019 m3/s。