基于生态水力半径法的贾鲁河生态需水量计算

刘 丹， 邢琼琼， 郭欣欣， 马萌萌， 范鹏宇

(1.中原环保股份有限公司， 河南 郑州 450000； 2.郑州大学环境技术咨询工程有限公司， 河南 郑州 450002)

1 研究背景

近年来，随着工业化和城镇化进程的加快，我国北方地区工农业及生活用水量剧增，水资源供需失衡，导致许多河流生态用水无法得到保证，水生态系统遭到破坏。为实现经济与水环境之间的协调发展，推动水资源的合理开发和可持续利用，对生态需水理论和实践的研究越来越得到重视。目前，据不完全统计，生态需水量已有200余种计算方法，主要包括水文法、水力法、栖息地法和综合法[1-4]。水文学法计算相对简便，对水文资料要求较少，但准确性较差，一般作为其他方法的检验方法；水文学法中使用最多的方法为Tennant法[5]及其各种改进方法；栖息地法同时考虑了河流的水文特点和生物需求，但相关生物资料的获取较为困难，其代表方法为IFIM法[6]；综合法综合考虑专家意见和生态功能的整体性，但需要实测数据和大量资料并消耗大量人力物力，开展起来较为困难、耗时较长，其代表方法为BBM法[6]。水力学法利用水位、流速、水力半径、湿周等河流水力学参数来估算生态需水量，该方法考虑了河道生态功能对流量的需求，常用的方法为湿周法[7-8]，湿周法的主要假设是流量-湿周曲线上的突变点处对应的流量能为水生生物提供合适的生存环境[9]。生态水力半径法是刘昌明等[10]提出的一种计算河道内生态需水量的水力学方法，该方法同时利用水力半径、水力坡度、糙率等河道参数和维持某一河流生态功能所需的河流流速来计算河道内生态需水量。

本文根据贾鲁河流域的特点，使用生态水力半径法分别计算丰水年(水文频率P=25%)、平水年(P=50%)和枯水年(P=75%)河道内最小生态需水量，并使用修正后的Tennant法对计算结果进行检验和修正。

2 生态水力半径法

生态水力半径法既考虑了水力条件(水力半径、糙率、水力坡度)又考虑了维持水生生物生存、繁殖所需河流流速，是一种具有生态意义的水力学方法[10-11]。

生态水力半径法中，生态流速v生态是指水生生物及鱼类生存、繁殖所需的最小流速；生态水力半径R生态是指生态流速v生态对应的水力半径。

生态水力半径法主要是针对保护鱼类所需要的生态需水量而提出的[10]。水力半径R与过水断面平均水流流速v、水力坡降J以及河道糙率n之间的关系为：

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

(1)

根据鱼类的生活、繁殖习性确定的过水断面生态流速v生态作为过水断面的平均流速，利用糙率和水力坡降计算出河道过水断面的生态水力半径R生态；再用R生态来计算过水断面面积A；然后由水力半径-流量关系：

Q=n-1R3/2AJ1/2

(2)

计算流量，估算生态需水量Q生态。

天然河道的断面形状是不规则的，但可以用矩形、三角形及抛物线形等形状作为断面的近似形状。根据不同河流断面形态，过水断面面积及水力半径关系如表1所示。

表1 不同断面形状过水断面面积及水力半径关系

生态水力半径法是通过曼宁公式来确定生态流速所对应的生态水力半径，然后利用水力半径与流量的关系(图1)估算满足鱼类生存需求的河道内生态需水量。

目前贾鲁河流域受人类活动影响大，且没有需要特别保护的濒危鱼类或洄游鱼类，因此，在进行生态需水量计算时不采用生境模拟法和整体法。

本研究从保护水生生物栖息地的角度出发，生态需水量计算主要侧重于河流生态系统，因此采用生态水力半径法来计算贾鲁河的最小生态需水量，并用Tennant法对得到的结果进行验证。

图1 流量Q与水力半径R的关系

3 实 例

3.1 研究区域

贾鲁河是淮河的二级支流，全长276km，流域面积5 896km2，是淮河流域污染最为严重的支流之一。贾鲁河流域一方面集中反映了淮河污染的严重性，同时作为淮河上游经济最发达地区，经济发展与环境保护的矛盾日益突出。为协调社会发展与生态环境之间的关系，维护生态平衡，实现水资源的合理开发、配置，促进水资源的可持续利用，对该流域生态需水的研究已势在必行。

3.2 Tennant法计算标准修订及生态需水量计算

使用Tennant法计算生态需水量，需要根据河流的所在区域的气候条件，河流的需水类型和保护对象对Tennant法的计算标准进行调整[12]。

贾鲁河流域属暖温带气候，鱼类区系与长江中下游鱼类区系相似，主要分布有：四大家鱼、唇鲴、鲤鱼、泥鳅、鲫鱼及麦穗鱼等，其中以四大家鱼为主。四大家鱼产卵育幼期为5-8月[13]，据此对Tennant法进行计算标准的修正[14]。

最小生态需水量的修正标准为： 9月至次年4月取多年平均月流量的10%作为河道内最小生态需水量，5至8月(鱼类产卵期)取多年平均流量的20%作为河道内最小生态需水量；河道内适宜生态需水量的修正标准为： 9月至次年4月取多年平均月流量的20%作为河道内适宜需水量，5至8月(鱼类产卵期)取多年平均流量的30%作为河道内适宜需水量。

3.3 生态水力半径法计算结果

根据贾鲁河中牟站和扶沟站1982-2012年历年流量数据进行水文频率计算，选取频率P=25%、P=50%和P=75%所对应的年份作为丰水年、平水年和枯水年的典型年。中牟站、扶沟站水文频率典型年计算结果和生态水力学法所需水文数据见表2，中牟站和扶沟站各典型年实测断面形状如图2、3所示。

表2 中牟站和扶沟站典型年及所需水文资料

图2 中牟站各典型年实测断面形状

图3 扶沟站各典型年实测断面形状

四大家鱼产卵期适宜流速为0.2～0.6m/s[15]。本研究取适宜流速的平均值0.4m/s作为生态流速进行计算。

利用实测断面水位资料，可求得中牟站、扶沟站各典型年月平均水位条件下的河道过水断面的水力半径，如图4、5所示。

图4 中牟站各典型年水力半径月过程

图5 扶沟站各典型年水力半径月过程

根据1996年、2003年和1999年中牟站、扶沟站实测流量序列和上述计算的水力半径，即可求得流量Q与水力半径R的关系曲线，如图6、7所示。

图6 中牟站各典型年R-Q关系曲线

图7 扶沟站各典型年R-Q关系曲线

根据曼宁公式，计算得到中牟站R生态=0.221m，扶沟站R生态=0.415m。由中牟站和扶沟站各典型年R-Q关系曲线图6、7可得中牟站各典型年R生态对应的生态需水量。1996年中牟站生态需水量Q=2.61m3/s，2003年生态需水量Q=2.22m3/s，1999年生态需水量Q=1.67m3/s；扶沟站2005年生态需水量Q=3.28m3/s，1992年生态需水量Q=3.57m3/s，1991年生态需水量Q=2.27m3/s。

生态水力半径法与Tennant法计算的生态需水量计算结果对比见表3。

由表3可知，生态水力半径法计算中牟站各典型年生态需水量都处于Tennant法所设定一般用水期中最小生态需水量与适宜生态需水量之间，其中丰水年(1996年)生态水力半径法计算生态需水量结果比Tennant法设定的鱼类产卵育幼期最小生态需水量小0.18m3/s，平水年(2003年)生态需水量结果比Tennant法设定的鱼类产卵育幼期最小生态需水量小0.57m3/s，枯水年(1999年)生态需水量结果比Tennant法设定的鱼类产卵育幼期最小生态需水量小1.12m3/s；扶沟站丰水年和平水年生态需水量都处于Tennant法所设定鱼类产卵育幼期中最小生态需水量与适宜生态需水量之间，枯水年生态需水量处于Tennant法所设定一般用水期中最小生态需水量与适宜生态需水量之间，比Tennant法设定的鱼类产卵育幼期最小生态需水量小0.57m3/s。

为进一步验证计算结果，对中牟站和扶沟站采用“同比缩减”法对照各典型年月平均流量进行Q生态的年内展布，通过推算的月流量过程来验证生态水力半径法计算结果的合理性，各典型年生态需水量月过程见表4。

表3 生态水力半径法与Tennant法生态需水量计算结果对比 %， m3/s

由表4可以看出，除1996年1月生态需水量为1.38<1.40外，中牟站各水文频率典型年一般用水期均能满足Tennant法设定的最小生态需水量，产卵育幼期5、6月生态需水量计算结果一般无法满足，7、8月生态需水量计算结果基本可以满足；扶沟站丰水年和平水年(除2月外)一般用水期均能满足Tennant法设定的最小生态需水量，枯水年大部分月份无法满足，鱼类产卵育幼期丰、平水年均有2个月无法满足，枯水年有3个月无法满足。由此可见，对于中牟站，生态水力半径法计算结果在大多数月份是满足要求的；对于扶沟站，丰、平水年生态水力半径法计算结果在大多数月份满足要求，枯水年多数月份无法满足要求，因此，扶沟站枯水年生态需水量取Tennant法计算结果，中牟站各水文频率年以及扶沟站丰、平水年生态需水量取生态水力半径法计算结果。因而确定贾鲁河中牟站丰、平和枯水年对应的最小生态需水量分别为2.61、2.22和1.67m3/s；扶沟站丰、平、枯水年对应的最小生态需水量分别为3.28、3.57和2.84m3/s。

表4 贾鲁河各典型年生态需水量年内分配推算 m3/s

4 结 论

河流生态需水是河流退化评价和生态修复研究的重要内容，生态需水量的满足是开展河流生态修复的前提。开展生态需水量研究，可以为水资源的合理开发及调配提供数据支持，是建立生态需水保障机制的理论基础。

本研究根据贾鲁河流域中牟和扶沟两个水文站1982-2012年历年流量数据进行水文频率的计算，选取1996、2003和1999年为中牟站丰、平、枯水年的典型年；2005、1992和1991年为扶沟站丰、平、枯水年的典型年。

使用生态水力半径法对两个水文站不同水文频率年的最小生态需水量进行计算，并用修正标准后的Tennant法对计算结果进行验证，得出以下结论：

(1)根据研究区域的气候、地理特征和流域范围内鱼类对流速的要求对Tennant法的计算标准进行修正是较为合理的。

(2)生态水力半径法综合考虑了河流水文特征和河流生态系统中水生生物对栖息地的要求，计算比Tennant法更具有针对性，具有较高的科学性和适用性。

(3)在进行生态需水量逐月年内分配推算时，若多数月份计算结果小于Tennant法设的最低标准，可取Tennant法计算结果作为最小生态需水量。

(4)本研究与前期研究中[16]使用改进湿周法计算得到的贾鲁河中牟站生态需水量计算结果相近，与扶沟站生态需水量计算结果(Q2005=5.86m3/s、Q1992=5.41m3/s、Q1991=5.53m3/s)相比偏小，这是两种方法计算结果选取标准不同造成的，对计算结果的合理性的判定还需开展深入研究。

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