湿周法估算巴音河河道内最小生态需水量

耿昭克，陆　丹

（青海省水文水资源勘测局，青海西宁810000）



湿周法估算巴音河河道内最小生态需水量

耿昭克，陆丹

（青海省水文水资源勘测局，青海西宁810000）

［摘 要］文中采用湿周法估算巴音河最小生态需水量。选用巴音河德令哈水文站作为控制断面，用对数函数和幂函数关系对湿周～流量关系进行拟合。通过建立河道断面湿周与流量的关系曲线，依据该曲线确定变化点的位置，估算最小需水量的推荐值。分别用斜率为1法和曲率最大法对巴音河的德令哈断面的最小生态需水量进行定量估算。

［关键词］湿周法；巴音河；最小生态需水量；斜率为1法；曲率最大法

0　引　言

生态需水量是限制水资源最大开发利用量的基本依据，也是实现水资源合理规划配置的技术支撑［1］。目前，生态需水量还没有明确的定义和系统评价指标体系，缺乏完善的定量计算方法［2-3］。用于计算河道内生态需水量的方法有数百种［4］，这些方法可以分为水文学法、水力学法、栖息地法、整体法、组合法、其他方法等六大类。每类中都包含一系列方法，而每种方法又各有特点和适用范围［5-6］，在实际应用中，需要根据实际情况选出一种或几种合适的方法。以湿周法为代表的水力学方法，优点是对数据量要求不大，数据容易获得，而且不受人类活动对河道径流影响的限制。

巴音河，位于青海省柴达木盆地东北部，发源于祁连山支脉野牛脊山，纵贯德令哈市，源头海拔5 000 m左右，流域总面积10 800 km2，是柴达木盆地第四大内陆河。由于巴音河地处干旱缺水的柴达木盆地，河流生态系统脆弱，生态需水量能否得到保障是水资源开发利用与保护的关键问题，本文采用湿周法对巴音河河道内最小生态需水量进行估算，相关数据可以作为流域水资源开发利用与保护的技术支撑。

1　湿周法的理论基础

1.1基本原理

湿周法的基本假设是湿周和水生生物栖息地的有效性有直接的联系，保证一定水生生物栖息地的湿周，就能满足水生生物正常生存的要求。该法是以湿周作为衡量栖息地质量的指标来估算河道内流量的最小值，通过建立河道断面湿周与流量的关系曲线，依据曲线确定变化点的位置，估算最小需水量。

湿周～流量关系主要取决于河流断面的形状，可利用实测流量断面资料得到。在没有实测流量资料时，可采用明渠均匀流方法，利用曼宁公式计算得到：

式中：Q为流量；n为曼宁糙率系数；A，x分别为过水断面面积和湿周；S为水面坡降。

一般的天然河床断面，都不是规则的断面形式，多为宽浅的近似矩形或近似梯形断面，不好确定流量与湿周间直接关系。根据Gippel对湿周法的研究［7］，可以采用对数函数和幂函数对湿周～流量关系进行拟合。拟合形式分别为：

式中：a，b，c，d为常数。

1.2湿周—流量关系曲线变化点的确定

由于生态基流即是满足河道内需求的最小生态需水量，因此要确定湿周～流量关系曲线的变化点就成为核心问题。从理论上来讲，变化点就是曲线上斜率最大的点，Gippel认为，从关系图上直接判断变化点容易产生错误，于是从数学上提出了变化点位置应该在曲线的最大曲率处或者斜率为1处。

1.2.1斜率为1法

采用斜率为1法确定变化点，得到对数函数和幂函数关系各自变化点流量，即最小生态需水量Qmin分别为

1.2.2曲率最大法

采用曲率最大法确定变化点，也就是分别将（4）（5）的一阶导数为0的点对应的流量即为最小生态需水量。

2　湿周法估算巴音河生态需水量

2.1代表断面选取

湿周法对断面的要求比较严格，所以在选择站点时，应遵循以下原则：1）断面较为稳定，冲淤变化不大且为单一断面。2）选取的站点，须包含实测大断面、实测流量、逐日水位等数据，且数据系列应为10年及以上。3）控制断面要能够代表所在河道的一般特征，能基本反映流域面积大小、河床底质组成、断面过水特征、河道断面类型、河道弯曲、河流水沙特征等诸多要素。4）尽量避开水利工程，以减少对断面的人为影响因素，体现河道在天然状况下的变化。根据以上选取断面的原则，在巴音河选择德令哈水文站作为典型断面进行河道内最小生态需水量的估算。

德令哈站：设于1954年，位于德令哈市宗务隆乡，系巴音河代表站，集水面积7 281 km2。

2.2斜率为1法和曲率最大法估算最小生态需水量

选取16次德令哈站2001—2010年实测流量资料，绘制湿周～流量关系曲线，如图1。通过拟合得出，德令哈站对数函数和幂函数的拟合形式分别为：P=15.562ln Q+13.770（R2=0.891 8），P=18.278 Q0.4261（R2=0.916 1）。

通过公式（4）—（7）计算得出德令哈站的最小生态需水量见表1。

图1　德令哈水文站流量～湿周关系

表1　德令哈站最小生态需水量估算结果表

图1和表1表明：1）幂函数拟合效果优于对数函数拟合效果，因此幂函数拟合更适用于德令哈站U形断面。2）斜率为1法的点表示在该点单位流量的增加会引起单位湿周的增加，但这样的点突变性不明显，曲率最大的点相对来讲更能体现突变点的意义。3）无论是用对数函数还是幂函数拟合，采用用斜率为1法确定变化点得到的最小生态需水量均大于用曲率最大法的估算结果，这与相关学者的研究成果一致［8］。因此，4.55 m3/s作为巴音河最小生态需水量较为合理。

3　结　语

本文采用湿周法对巴音河德令哈站进行分析计算，通过对比分析得出：较优的德令哈站湿周～流量关系拟合关系为P=18.278Q0.4261，以曲率最大法的幂函数拟合计算的生态需水量4.55 m3/s，占德令哈站多年平均流量的40.22%。参考Tennant法的标准，一般河道内最小生态需水量不能小于多年平均流量的10%，因此，此次用湿周法估算的巴音河的生态需水量是可行的。

［参考文献］

［1］张远，杨志峰，王西琴.河道生态环境分区需水量的计算方法与实例分析［J］.环境科学学报，2005，25（4）：429—435.

［2］杨志峰，崔保山，刘静玲，等.生态环境需水量理论方法与实践［M］.北京：科学出版社，2003.

［3］钟华平，刘恒，耿雷华，等.河道内生态需水估算方法及其评述［J］.水科学进展，2006，17（3）：430—434.

［4］Tharme R E A global perspective on environmental flow

assessment；emerging trendsin thedevelopmentandapplication of environmental flow methodologies for rivers［J］.River Research and Applications，2003，19（5/6）：397—441.

［5］JOW ETT I G.Instream flow methods：a comparison of approache［s J］.Regulated R ivers：Research and M anagement，1997，13（2）：115—127.

［6］徐志侠，陈敏建，董增川.河流生态需水计算方法评述［J］.河海大学学报：自然科学版，2004，32（1）：5—9.

［7］Gippel G J，Stewardson M J.Use of w etted perimeter in defining m inimum environmental flow s［J］.Regulated rivers：Research and Management，1998，14（1）：53—67.

［8］吉利娜，刘苏峡，吕宏兴，等.湿周法估算河道内最小生态需水量的理论分析［J］.西北农林科技大学学报：自然科学版，2006，34（2）：124—130.

［中图分类号］TV213.4

［文献标识码］A

［文章编号］1002—0624（2016）07—0033—02

［收稿日期］2016-04-23