滨州市典型河流断面生态基流量计算

李永华，陈学群，管清花

（1.滨州市水利局，山东滨州256600；2.山东省水利科学研究院，山东省水资源与水环境重点实验室，山东济南250014）

滨州市典型河流断面生态基流量计算

李永华1，陈学群2，管清花2

（1.滨州市水利局，山东滨州256600；2.山东省水利科学研究院，山东省水资源与水环境重点实验室，山东济南250014）

以滨州市徒骇河、马颊河和小清河为例，利用改进湿周法对生态基流量进行了计算。要进行最小生态流量的估算，关键是确定关系曲线上的临界点，本次研究中临界点的确定采用曲率最大法，并用Tennant法对计算结果进行了合理性分析。结果表明，改进湿周法计算河道最小生态需水量是合理可行的。

滨州市；湿周法；生态基流量；曲率最大法。

滨州市总面积9 453 km2，多年平均降水量575.4 mm，降水量年际变化大，年内分配不均匀，6～9月份多年平均降水量436.3 mm，约占全年降水量的76.8%。年日照时数2 609.4～2 761.1 h，年平均气温在12.1～13.0℃；主导风向为西南风和南风，全年风向多为西南，频率30～40%，多发生春、夏、秋三季；次为北西风，频率为10～19%，多发生冬季。

本文以滨州市典型河流断面为研究对象，采用曲率最大法确定湿周流量关系曲线临界点，对小清河、徒骇河、马颊河河流断面的生态基流量进行计算，为滨州市水资源合理利用以及河流生态系统的保护提供理论基础。

1　计算原理及方法

目前，国内外关于河流生态基流量的计算方法较多，常用的方法主要有：水文学法（Tennant法、90%保证率法、近10年最枯月流量法、NGPRP法等），水力学法（湿周法），整体分析法等。水文学法应用广泛但是精度不高；整体分析法由于某些原因在我国很难实现，因此应用水力学法特别是湿周法计算河流生态基流量具有重要的意义。

1.1湿周法原理

湿周即过水断面上，河槽被水流浸湿部分的周长。湿周法就是通过湿周与流量的关系曲线确定生态基流量的一种方法。该方法是水力学方法中的一种，应用范围较广，对于河道断面的形态要求不高。该方法利用湿周作为衡量栖息地指标的质量来估算河道流量的最小值。该方法基于如下假设：湿周与水生生物栖息地的有效性有直接联系，保证好一定水生生物栖息地的湿周，也就满足了水生生物正常生存的要求。通过建立河道断面湿周和流量的关系曲线，依据该曲线确定临界变化点的位置，估算最小生态需水的推荐值，湿周——流量关系可以通过单一河道断面的流量数据计算或通过曼宁公式求得。

河道的粗糙程度对河道行洪影响较大，因此选取恰当的糙率系数是推算洪水位的关键。本次糙率系数n值的选取，查阅了相关文献并结合河道的实际情况，选定主河槽糙率为0.025。

1.2湿周法计算步骤

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，V为过水断面的平均流速。

过水断面面积A为：A=（b+mh）h（2）

式中：b为底宽，h为水深，m为边坡系数。

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，J为水面坡降，C为谢才系数。

由曼宁公式：C＝1/nR1/6（4）

式中：n为粗糙系数（根据经验值，取0.025），J为水面比降。水力半径R为过水断面A与湿周X的比值，即：

联立方程（1），（2），（3），（4），（5）可得：

为消除确定临界点时坐标轴比例的影响，本文将流量Q和湿周X无量纲化，分别取相对值q、p，即：

2）确定临界点。目测法确定临界点具有很大的主观性，本次研究取湿周——流量关系曲线上曲率最大的点作为临界点，确定生态基流量，即曲率最大法，使得计算结果更加合理可信。

2　生态基流计算

根据滨州市气候和水文特点，每个计算单元可选择一个或多个断面，作为生态基流及敏感生态需水控制断面。控制断面选取依据下述原则：主要河流的重要控制断面；重要大中型水利枢纽的控制断面；重要水生生物栖息地及湿地等敏感水域控制断面；此外，为便于监控，所选择的控制断面应尽可能与水文测站相一致。本次研究选取较大的小清河、徒骇河、马颊河为研究对象，根据其断面湿周流量关系，各河流选取断面及其参数，以及采用改进湿周法计算河道内最小生态需水量结果见表1。

表1　生态基流河流断面选取、参数及最小生态需水量计算表

由表1可知，徒骇河、马颊河和小清河的生态基流量分别是1.82 m3/s，0.97 m3/s，1.13 m3/s。采用Tennant法对上述计算结果的合理性进行比较分析，Tennant法是将多年平均流量的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%。以廿里堡闸断面为例，采用曲率最大法计算的廿里堡闸断面最小生态流量为1.82 m3/s，占多年平均流量的9.5%，计算结果与Tennant法计算结果接近。

3　结论

1）研究和确定河流生态基流量是为了防止因河道断流等流量问题造成一系列生态环境恶化。本文在研究湿周法的基本理论的基础上，采用曲率最大法确定湿周——流量关系曲线上的临界点，相比目估法的不确定性，曲率法计算结果更加真实可信。

2）将改进湿周法应用于计算滨州市徒骇河、马颊河和小清河的生态基流，得到相应控制断面的最小生态需水量，结果表明，徒骇河、马颊河和小清河的生态基流量分别是1.82 m3/s，0.97 m3/s，1.13 m3/s。采用Tennant法对上述计算结果的合理性进行比较分析，两种方法计算结果接近，表明改进湿周法计算河道最小生态需水量是合理可行的。

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（TG1407）。

（责任编辑赵其芬）

TV85

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1009-6159（2016）-10-0015-02

2016-03-28

李永华（1980—），男，工程师

水利部公益项目（201401003）；滨州市2015年度科技发展计划项目（编号：2015ZC0112）；水利部公益推广项目