基于濕周法的濟(jì)南山區(qū)中小河流生態(tài)流量研究

張葉 魏俊 黃森軍 王琦 付意成 張晶 趙進(jìn)勇

摘 要：為探討濕周法在山區(qū)中小河流的適用性，以濟(jì)南市西南部創(chuàng)新谷為例，基于濕周法中的斜率法，計(jì)算研究區(qū)河流干支流的生態(tài)流量，研究分析斜率法的適用性，并探討在計(jì)算過(guò)程中典型斷面的選取依據(jù)。經(jīng)計(jì)算確定，北大沙河干流、大彥河干流、皇姑井村河干流和小劉河的生態(tài)流量依次為4.9、3.7、3.9、2.1m3/s。建議在利用濕周法進(jìn)行山區(qū)中小河流生態(tài)流量的計(jì)算時(shí)，在結(jié)合當(dāng)?shù)厮馁Y料的基礎(chǔ)上，選擇寬深比相對(duì)較小、橫斷面為拋物線形的河道斷面作為典型斷面。

關(guān)鍵詞：生態(tài)流量；濕周法；河道斷面；中小河流

中圖分類號(hào)：X143；TV211.1+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.019

引用格式：張葉，魏俊，黃森軍，等.基于濕周法的濟(jì)南山區(qū)中小河流生態(tài)流量研究[J].人民黃河，2022，44（1）：89-93.

ResearchonEcologicalFlowofSmallandMedium SizedRiversinJinanMountainAreaBasedonWetCycle

ZHANGYe1，2，WEIJun3，HUANGSenjun3，WANGQi2，F(xiàn)UYicheng2，ZHANGJing2，ZHAOJinyong2（1.HebeiAgriculturalUniversity，Baoding071001，China；2.ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch，Beijing100038，China；3.PowerChinaHuadongEngineeringCorporationLimited，Hangzhou311122，China）

Abstract：Inordertodiscusstheapplicabilityofthewet periodmethodtosmallandmedium sizedriversinmountainareas，thisarticletook theinnovationvalleyinsouthwesternJinanasanexampleandbasedontheslopemethodinthewet periodmethod，calculatedtheecological flowofeachmainstreamtributaryinthearea，studiedandanalyzedtheapplicabilityoftheslopemethodanddiscussedtheselectionbasisof thetypicalsectioninthecalculationprocess.Throughcalculation，theecologicalflowsofthemainstreamofBeidashaRiver，themainstream ofDayanRiver，themainstreamofHuanggujingcunRiverandtheXiaoliuRiverweredeterminedtobe4.9，3.7，3.9and2.1m3/srespec tively.Itissuggestedthatwhenusingthewetcyclemethodtostudytheecologicalflowofsmallandmedium sizedriversinmountainousare as，basedonthecombinationoflocalhydrologicaldata，achannelsectionwitharelativelysmallwidth to depthratioandaparaboliccross sectionisselectedasthetypicalsection.

Keywords：ecologicalflow；wetweekmethod；channelsection；medium sizedrivers

1 引 言

近年來(lái)，隨著水資源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用，河流自然水文情勢(shì)發(fā)生了巨大變化[1]。水文情勢(shì)的變化引起河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的變化，甚至導(dǎo)致淡水生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化[2]。為實(shí)現(xiàn)水生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與修復(fù)，維持河流正常的自然與社會(huì)功能，滿足生態(tài)服務(wù)需求，需要研究何種水文情勢(shì)才能維系河流生態(tài)健康，從而引出生態(tài)流量的科學(xué)確定問(wèn)題[3-5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在生態(tài)流量的推求和計(jì)算方面進(jìn)行了許多研究，生態(tài)流量的計(jì)算方法大致可以分為4類：生態(tài)水文學(xué)法、水力學(xué)法、生境模擬法和整體分析法[2]，每種方法各有特點(diǎn)和適用范圍[6]。生態(tài)水文學(xué)法僅需歷史水文數(shù)據(jù)，但過(guò)于概化河流情況，適用于野外監(jiān)測(cè)較困難的河流；水力學(xué)法所需數(shù)據(jù)的獲取相對(duì)簡(jiǎn)單，適用于較為穩(wěn)定的河流；生境模擬法充分考慮了生物生存的適宜條件，適用于敏感期生態(tài)流量要求較高的河流；整體分析法系統(tǒng)考慮了河流生態(tài)系統(tǒng)的流量需求，但成本較高[7]。

我國(guó)先后出臺(tái)了一些生態(tài)需水相關(guān)的導(dǎo)則、規(guī)范，對(duì)生態(tài)流量的概念與計(jì)算等進(jìn)行了規(guī)定。2010年水利部發(fā)布《河湖生態(tài)需水評(píng)估導(dǎo)則（試行）》（SL/Z 479—2010），對(duì)Tennant法、90%保證率最枯月平均流量法、流量歷時(shí)曲線法等水文學(xué)方法和濕周法、R2CROSS等水力學(xué)法進(jìn)行了總結(jié)。2013年水利部發(fā)布《水資源保護(hù)規(guī)劃編制規(guī)程》（SL613—2013），對(duì)生態(tài)需水滿足程度評(píng)價(jià)及問(wèn)題分析，生態(tài)需水對(duì)象及目標(biāo)要求，生態(tài)需水保障的內(nèi)容、技術(shù)方法和要求等進(jìn)行了規(guī)定。2014年水利部發(fā)布《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范》（SL/Z712—2014），澄清了河道湖泊生態(tài)環(huán)境需水的概念，給出了生態(tài)需水計(jì)算過(guò)程中應(yīng)考慮的因素，建議河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量采用水文綜合法、分項(xiàng)功能法等方法計(jì)算。2015年水利部發(fā)布《河湖生態(tài)保護(hù)與修復(fù)規(guī)劃導(dǎo)則》（SL709—2015），對(duì)生態(tài)需水保障、生態(tài)基流和敏感生態(tài)需水控制斷面的擬定、生態(tài)需水量的確定、湖泊濕地生態(tài)水位的確定及分析方法、生態(tài)需水保障措施等進(jìn)行了規(guī)定和建議。

在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，由于不同河流的水文資料、地形數(shù)據(jù)等不盡相同，因此不同河流、水系要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的計(jì)算方法。根據(jù)河流所處區(qū)域位置、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和水文資料，遵循科學(xué)性、代表性和實(shí)際可操作性原則，依據(jù)我國(guó)生態(tài)環(huán)境需水相關(guān)導(dǎo)則或指南[8-9]，確定研究河段的生態(tài)流量。濕周法是水力學(xué)法中常用的一種方法，該方法以濕周為生態(tài)系統(tǒng)棲息地指標(biāo)，建立濕周與流量的關(guān)系曲線，選取臨界點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的流量作為生態(tài)流量[10]。確定臨界點(diǎn)的方法有曲率法（曲率絕對(duì)值最大）和斜率法（斜率為1或其他設(shè)定值）。濕周與流量的關(guān)系主要有冪函數(shù)和對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系[11]，當(dāng)符合冪函數(shù)關(guān)系時(shí)，相比曲率法，斜率法進(jìn)行臨界點(diǎn)的確定更適宜[12]。

肖玉成等[13]利用濕周法中的斜率法和曲率法對(duì)灃河的生態(tài)流量進(jìn)行了研究。于魯冀等[14]利用斜率法、曲率法和多目標(biāo)評(píng)價(jià)法3種改進(jìn)的濕周法計(jì)算了賈魯河不同頻率年河道內(nèi)的生態(tài)需水量。吉小盼等[15]以西南山區(qū)岷江和大渡河為研究對(duì)象，利用斜率法、曲率法和經(jīng)驗(yàn)法分析確定各斷面最小生態(tài)需水量，從而研究了濕周法的適用條件及轉(zhuǎn)折點(diǎn)的確定方法。筆者以濟(jì)南創(chuàng)新谷為例，根據(jù)河道的實(shí)際情況，選用濕周法中的斜率法對(duì)區(qū)域內(nèi)河流的生態(tài)流量進(jìn)行計(jì)算與驗(yàn)證，并給出典型斷面選取的建議。

2 研究區(qū)概況與方法

2.1 研究區(qū)概況

濟(jì)南市西南部山區(qū)創(chuàng)新谷總體規(guī)劃面積70km2，其中產(chǎn)業(yè)核心區(qū)20km2。創(chuàng)新谷屬北大沙河流域，地勢(shì)東南高西北低。北大沙河自東南向西北貫穿創(chuàng)新谷片區(qū)東北角，全長(zhǎng)4.25km，自崮云湖水庫(kù)下游進(jìn)入創(chuàng)新谷，北流至長(zhǎng)清湖，沿途有皇姑井村河、小劉河匯入。大彥河及其支流位于創(chuàng)新谷北部，往北流入長(zhǎng)清湖，總長(zhǎng)度2.705km。

北大沙河是創(chuàng)新谷的骨干河道，但崮云湖水庫(kù)截?cái)嗥渖嫌蝸?lái)水，導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)河段水量不足，呈間斷干涸狀態(tài)。河岸兩側(cè)存在較寬河岸帶，綠化程度較高，但是植被結(jié)構(gòu)單一，景觀性較差。大彥河現(xiàn)狀河內(nèi)無(wú)水，溝槽內(nèi)雜草叢生，河槽邊緣不明顯。皇姑井村河干流發(fā)源于創(chuàng)新谷池子村西南部的山谷內(nèi)，于大彥村東邊匯入北大沙河，皇姑井村河及其支流為典型的山區(qū)季節(jié)性河流，枯水期河道斷流、河床裸露，雨季流量明顯增大。小劉河位于創(chuàng)新谷東南角，發(fā)源于鐘莊村和小劉村南部山谷內(nèi)，現(xiàn)狀河道兩岸高低起伏較大，溝道沖刷嚴(yán)重。為改善區(qū)域內(nèi)河流現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)人水和諧，應(yīng)科學(xué)確定其生態(tài)流量，滿足其基本生態(tài)需水。本文依據(jù)收集的相關(guān)資料和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際踏勘結(jié)果，依次選取各河流典型斷面，采用濕周法計(jì)算研究區(qū)河流生態(tài)流量。部分河流典型斷面見(jiàn)圖1，其中典型斷面1位于北大沙河干流中游，典型斷面2、斷面3位于大彥河干流中游。經(jīng)實(shí)地調(diào)研，斷面1、斷面2、斷面3水流均勻、人類活動(dòng)干擾較小，可以代表所在河流的實(shí)際狀況。

2.2 研究方法

根據(jù)斷面情況，通過(guò)以上公式計(jì)算相關(guān)參數(shù)，繪制濕周與流量關(guān)系曲線。

3 結(jié)果與討論

3.1 計(jì)算結(jié)果

（1）北大沙河干流。依據(jù)地形數(shù)據(jù)繪制創(chuàng)新谷內(nèi)北大沙河干流斷面，考慮區(qū)域位置、水文資料等限制因素，選取研究河段中部斷面進(jìn)行計(jì)算。該斷面形狀為拋物線形，基于此斷面建立濕周—流量關(guān)系曲線，選取關(guān)系曲線上斜率為1的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的流量作為河道的基本生態(tài)流量，并且選取關(guān)系曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的流量進(jìn)行對(duì)比、校核。北大沙河典型斷面及Q—P關(guān)系曲線見(jiàn)圖2。

利用濕周法計(jì)算的北大沙河生態(tài)流量為4.9m3/s，流速為0.65m/s，水深為0.55m。經(jīng)查詢相關(guān)資料[16-20]和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，北大沙河魚類多為鯉科，尤以鯽魚分布較為廣泛，并在水深0.50m左右的位置觀察到鯽魚有較長(zhǎng)時(shí)間的停留，因此認(rèn)為北大沙河干流生態(tài)流量為4.9m3/s是合理的。

（2）大彥河干流。依據(jù)地形數(shù)據(jù)繪制大彥河干流各現(xiàn)狀斷面，在現(xiàn)狀斷面中選擇位于大彥河干流中游拐彎處的典型斷面2、斷面3以及支流匯入口附近的典型斷面4進(jìn)行計(jì)算，3個(gè)斷面為不規(guī)則斷面，主河槽橫斷面分別為梯形、拋物線形和梯形，斷面4上開(kāi)口比前兩個(gè)斷面窄，見(jiàn)圖3（k=1為斜率為1的直線）。基于以上斷面建立濕周—流量關(guān)系曲線，將關(guān)系曲線上斜率為1的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的流量作為河道基本生態(tài)流量，并且選取關(guān)系曲線上轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的流量進(jìn)行對(duì)比、校核。大彥河干流Q—P關(guān)系曲線見(jiàn)圖3，大彥河干流典型斷面計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

由計(jì)算結(jié)果可知，典型斷面4流量為0.7m3/s，與其余兩個(gè)斷面相差較大，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際水文資料和研究河段魚類情況，認(rèn)為該結(jié)果不具有代表性，不可作為此河段的生態(tài)流量；另外兩個(gè)斷面進(jìn)行對(duì)比，水深0.450m接近0.50m，故認(rèn)為大彥河干流生態(tài)流量應(yīng)為3.7m3/s。

（3）皇姑井村河干流?；使镁搴痈闪鏖L(zhǎng)4.952km，基于地形數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)踏勘，將中游和下游的典型斷面5～斷面8作為計(jì)算斷面，其斷面形狀可分別概化為復(fù)式梯形斷面、復(fù)式梯形斷面、梯形斷面、梯形斷面，見(jiàn)圖4。

皇姑井村河干流典型斷面計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，各斷面流量計(jì)算結(jié)果相差不大，但水深相差較大。水深為0.300m的情況接近鯽魚的最小生存水深0.50m，故認(rèn)為皇姑井村河干流的生態(tài)流量應(yīng)為3.9m3/s。

（4）小劉河。選擇典型斷面9～斷面11進(jìn)行計(jì)算，其均為不規(guī)則斷面，主河槽斷面形狀分別可以概化為拋物線形、梯形、拋物線形，見(jiàn)圖5。小劉河典型斷面計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，結(jié)合研究區(qū)域的代表魚類，確定小劉河的生態(tài)流量為2.1m3/s。

3.2 討 論

吉利娜等[10]以西南山區(qū)河流為研究對(duì)象，得出濕周法適用于近似拋物線形或矩形的斷面，不建議用于近似三角形或梯形的斷面。肖玉成等[13]以北方河道灃河為研究對(duì)象，得出直接利用濕周法計(jì)算生態(tài)流量對(duì)于水淺、寬深比特別大的河道，其結(jié)果會(huì)存在一定問(wèn)題，即建立的濕周—流量關(guān)系曲線難以找到對(duì)應(yīng)的臨界點(diǎn)。對(duì)比北大沙河干流的典型斷面1、大彥河干流典型斷面3、皇姑井村河典型斷面6和小劉河典型斷面9，這4個(gè)斷面為各自河道生態(tài)流量確定的典型斷面，其相似之處為河道水流寬深比（水面寬與最大水深之比）相對(duì)較小，且斷面形狀主要為拋物線形和復(fù)式梯形，具體情況見(jiàn)表4。

基于上述分析，針對(duì)研究區(qū)的4條山區(qū)河流，其最終確定生態(tài)流量所依據(jù)斷面形狀依次為拋物線形、拋物線形、復(fù)式梯形和拋物線形。因此建議在利用濕周法進(jìn)行山區(qū)中小河流生態(tài)流量推求時(shí)，在結(jié)合當(dāng)?shù)厮馁Y料數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，綜合考慮所選斷面的穩(wěn)定性，遵循代表性、易操作性、全面性、可行性、可靠性等原則，盡量選擇拋物線形和復(fù)式梯形河道斷面，且寬深比越小，斷面越穩(wěn)定，其結(jié)果越具有代表性。

4 結(jié) 論

依據(jù)計(jì)算結(jié)果，確定北大沙河干流、大彥河干流、皇姑井村河干流和小劉河的生態(tài)流量依次為4.9、3.7、3.9、2.1m3/s。根據(jù)已有研究結(jié)果，當(dāng)濕周—流量關(guān)系符合冪函數(shù)關(guān)系時(shí)利用斜率法更適宜。經(jīng)過(guò)對(duì)研究區(qū)域4條河流的計(jì)算分析，最終確定生態(tài)流量所依據(jù)的典型斷面依次為斷面1、斷面3、斷面6、斷面9，分析其在推求生態(tài)流量過(guò)程中所得到的濕周—流量關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)均符合和較符合冪函數(shù)關(guān)系。結(jié)合所選斷面的寬深比，建議在利用濕周法進(jìn)行山區(qū)中小河流生態(tài)流量的推求時(shí)，應(yīng)考慮河道斷面的穩(wěn)定性，選擇寬深比相對(duì)較小、斷面形狀為拋物線形的河道斷面作為典型斷面。

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【責(zé)任編輯 呂艷梅】