河流最小生态基础流量计算方法研究

表 １ Ｒ Ｃ Ｏ Ｓ 确 定 生 态 流 量 的 标 准 ２Ｒ Ｓ法
３ 应用及存在 的问题分析
３１ 渭 河关 中段 河 道概 况 近十 几年 来 ，由于渭 河 上游 过 渡开 发 ，维 持河 流基 本 生态 功 能所 需 的最 ．
小 流 量 即生 态基 流 得不 到 保证 ，一 系列 河 流生 态 问题 已经 日益 突 显 ，为 此 ，本研 究 以渭河关 中段 为
第９ 第１ 卷 期
２ １ 年３ ０ １ 月
中 国 水 利 水 电科 学 研 究 院学 报
Ｊ ｕ ｌｏ ｈｎ ｎｔｕｅ ｏ ａｅ ｓｕｃ ｓ ａ ｄｏ ｏ ｅ ｓａｃ ｏ ｍａ ｆＣ ｉａ Ｉ ｓｔｔ ｆＷ ｔｒＲｅｏ ｒｅ ｍｄ Ｈｙ ｒｐ ｗ ｒＲｅｅ ｒｈ ｉ
—
２ 计 算 方 法
２１ 湿 周 方 法 ． 湿 周 法 计 算 河 道 的最 小 生 态需 水 量 时要 基 于 一 个 假设 ，即浅 滩 是 临界 的河 流 栖 息
地 ，而 保 护浅 滩 栖息 地 也能 保 护 到其 他 的水 生生 物 栖 息地 。通过 河道 的实 测大 断 面和 实测 流 量 资料
方 法是 一 种历 史流 量 法 ，按 照 Ｔ ｎ ａ ｔ 法 的标 准 ，河道 内的最小 生 态流 量不 能小 于 多年平 均 流量 的 ｅｎ ｎ 方 １％。多 年平 均 流量 １ ％是 防止 河道 退 化 的临界 条 件 ；多 年平 均 流量 的 ２ ％是 保护 水 生栖 息地 的适 ０ ０ ０ 宜标准 ；在 较小 河流 中 ，多年 平均 流量 的 ３ ％为最佳 栖 息地标 准 。 ０
季 和秋 季 ，那 么 平均 水 深 、平 均 流 速 及湿 周 率 必 须 全 部满 足 ，即生 态 流 量 为 Ｑ 、Ｑ 和 Ｑ 中 的最 大 ． ， 值 ；（ ） 果是 在冬 季和春 季 ，３ 水 力参数 满 足两个 即可 ，即为 Ｑ 、Ｑ 和 Ｑ ３ ２如 个 个流 量 中的第二 大值 。
深 、湿 周率 和 平均 流速 。然 后再 根据 该 断 面建 立 的水 深 、湿周 率 和平均 流速 与流 量 的关系 分别 得到 ３
个 流 量 Ｑ 、Ｑ 和 Ｑ ，最 后在 ３ ． ， 个流 量 中选 出所 需要 的环 境 流量 。方 法是 按季 节要 求 ：（ ） １ 如果 是在 夏
２３ Ｒ Ｃ ． ２ ＲＯＳ Ｓ方法
Ｒ Ｃ Ｏ Ｓ 法最 初 是 由美 国森林 委 员会 提 出的 ，其 目的是为 了美 国高 原 山 区 ２Ｒ Ｓ方
河 流 的水 资源 与水环 境保 护 ，维持 生物 多样 性而 确定 山 区河流 环境 流量 的方法 。
该 方 法首 先根 据研究 河 段控 制断 面 的河顶 宽度 ，查 表 １ 到环境 流量 所需 的水 力学 参数 ：平 均水 得
在管理上更值得推广应用的方法。
关 键 词 ：生 态 需 水 量 ；湿 周法 ；斜 率 法 ； 曲率 最 大 法 ；Ｒ Ｃ Ｏ Ｓ ２ Ｒ Ｓ 法
中图分类号 ：Ｘ１ １ ７
文献标识码 ：Ａ
ｌ 研 究 背 景
河 流 系统 包 括河 流 、湖 泊 及其 相 邻 洪泛 区。河 流 系统 功 能 通常 包 括生 态 功能 、环境 功 能 和资 源 功能 …。然 而 ，在开 发水 资源 的时候 主要考 虑 到满 足工业 、农 业 和城镇 生活 用水 等需 求 ，忽视 了河 流 系 统功 能 得 以正 常 发挥 并 维持 其 基本 功 能 时其 自身对 水 量 的要 求 ，从 而导 致 河段 内的天 然 流量 逐 渐 减 少 、甚 至 出现 断 流 的情 况 。另 外 ，经 济 社会 的高 速发 展导 致 大量 的污 水排 放 ，使 得有 些 河 流虽 然 水 量上 没 问题 ，但 水质 污染 十分 严重 导 致 水生 生 物种 群 及其 数 量 急剧 下 降 ，水体 严 重 富营 养化 ，出 现藻 类或 水华 暴发 等现 象 。 为 了维 持 河 流 系 统 健 康 ，保 障 其 基 本 功 能 能 正 常 发挥 ，国 内外 学 者 为 此 开 展 了大 量 的 研 究 工 作 ，主要 集 中在 河 流生 态 环境 需 水上 并 取 得 了一 定 的研 究成 果 。河 流 生 态环 境需 水 量计 算 内容 主 要 包 括 ：（ ） 态 基础 流量 ；（ ） 沙 需水 量 ；（ ） １生 ２输 ３ 自净 需水 量 ；（ ） ４ 蒸发 需水 量 ；（ ） ５ 防海 水入 侵 的河道 最小 水量 等 。其 中 的河 流生 态基 础 流量是 维持 河 道功 能不退 化 、特 征水生 生物 物种 能正 常繁 衍生 息 所必 须 维 持 的河 道最 小 流量 ，本 文重 点 分析 讨论 这一 河道 最 小 生态 基 础流 量 。然 而 ，国 内外 针 对这
收稿 日期 ：２ １ － １ １ ０１Ｏ—２ 基金项 目：国家科技重大水专项（ ０ ８ Ｘ ７ ２ — ０ 一 Ｏ ７；２ ０ Ｚ ０ ２ ２ ０ ２ ０ ３ ０ ９ Ｘ０ １４ ０ １ ；四川大学水力学与 ２０ Ｚ ０ ５ ６ ０４ Ｔ ０ ０ ９ Ｘ ７ １— ０ — ０ ；２ ０ Ｚ ７ ０ — ０ ）
摘 要 ：为 了能 够 计 算 几何 断 面 复杂 、泥 沙 淤 积 、河 宽 大 、水 深 浅 的 河 道 生 态基 础 流 量 ，本 文 以渭 河关 中地 区 的生 态 基 础 流量 计 算 为 例 ，通 过 综 合 水 力 学 中 的 湿 周 法 和 Ｒ Ｃ Ｏ Ｓ 建 立 了一 套 简单 、适 合 管 理 的 最 小 生 态 基 础 流 ２Ｒ Ｓ法 量 方 法 — — 综 合 法 。该 方 法计 算 出 的 ５ 站 的 生 态 基 础 流 量 占多 年 平 均 流 量 的 比值 都 在 １ ．％－ ４９ 个 ０８ １． ％之 间 ，满 足 生 态基 流 的 合理 要求 。通 过 与 Ｔ ｎ ａｔ 法 比较 ，结 果 表 明 ：综 合 法 计 算 确 定 的 生 态 基 础 流 量 更 为 合 理 、是 一 种 ｅｎ ｎ方
对数 函数 ：
Ｐ ＝ ／ ｏＱ
幂 函数 ：
Ｐ，ｃＱ 一 ： ｄ
源自文库
（） ４
（） ５
再 利用 微积分 中计 算 曲率 的公 式 可得 到两式 的 曲率 方程 表达 式 ：
对 数 函数 ：
一
ａ Ｑ
丽
幂 函数 ：
（ ６）
， ｃ＝ —————————————
ｃ （ 一 ） ｄｄ １ Ｑ
对数 函数 ：
Ｐ＝ ｌＱ＋ｂ ａｎ （） ２
幂 函数 ： Ｐ＝ Ｑ ｃ ＋ｅ （） ３
式 中 ：ｔ 、ｃ 、ｅ ／ ， 、ｂ 、ｄ 均为 常数 ；Ｑ取 相 对流 量 ；Ｐ取相 对湿 周 （ 消除 坐标 轴 比例 的影 响 ，对湿 周 和 为
流量 无量 纲化 ） 。
分别 对式 （ ） ２ 和式 （ ） ３ 中的 Ｑ进 行求 导 ，即可得 到两 式 的斜率方 程 表达式 ：
（） ８
Ｑ ｄｌ ：ｃ、卜 ／ ‘
（） ９
曲率 法 是选 取 曲线 上 曲率 最 大 的一 点对 应 的流 量值 作 为 河道 内的最 小 生态 流 量 。为求 得 曲率最 大 的一点 ，需 对式 （ ） ７ 中的 Ｑ求 一 阶导数 ，一 阶导 数值 等 于 ０ ６ 和（ ） 的一 点 即为 曲率 最 大 的一 点 。该 点 对应 的流 量值 就作 为河道 内的最小 生态 流量 。 曲率 最大 法求得 的最 小生 态 流量公 式为 ：
建立 湿 周一 流量 关 系 曲线 ，在 曲线 中用 斜率 １ 和 曲率最 大法 确立 变化 点 ，该 点 对应 的流 量 即为最 小 法 生态 流量 ，这 就是湿 周法 确立河 道最 小生 态流量 的基 本原 理 。
根据水力学中计算 明渠均匀流的谢齐公式 ： Ｑ＝ Ｃ、 以及曼宁公式 ：Ｃ ・ 可以推 出 Ａ ｆ ＝ 尽
通讯 作者 ：李红霞 （９ １ ） １８ 一 ，女 ，山东烟 台人 ，讲师 ，主要从事水文模拟及水文预报研 究。Ｅ ｍａｌ ｘｌ ０ ＠１ ６ｃｒ － ｉ ：ｈ ｉ ６ ２ ． ｎ ４ ｏ
一
６ — ６
河 流 最小 生态 基 础 流 量计 算 方 法 研 究 张 新 华
李 红霞 肖玉 成 赵 少 华
Ｖ１ Ｎ ． ｏ９ ｏ ． １
Ｍａ ｃ ２ １ ｒ ｈ， ０ １
文章编号 ：６２ ３ ３ （０ ） １０ ６ — ８ １７ — ０ １２ １ ０ — ０ ６ ０ １
河流最小 生态基础流量计算方法研究
张新华，李红霞，肖玉成，赵少华
（ 川 大 学 水 力学 与 山 区河 流 开 发保 护 国家 重 点 实 验 室 ，四 川 成 都 四 ６０６ ） １０ ５
湿周 ～ 流量关 系式 ：
Ｑ：
ｎ
５ ｐ一 Ｊ１ ／ 。 ／ ３ ２
（） １
式 中 ：Ｑ为流量 ， ，；Ａ为过 水断 面面积 ，ｍ ；Ｐ为湿 周 ，ｍ；． ｓ ， 为水力 坡度 ；ｎ 为粗糙 系数 。
在上 式 中 ，由于流 量 Ｑ、湿 周 Ｐ以及 断面 面积 Ａ都是 未 知 的 ，因此直 接 推 出流量 和湿 周 的关 系 比 较 困难 ，而 通过 斜率 １ 和 曲率最 大法 确定 Ｐ Ｑ关 系曲线 变化 点需要 知 道 Ｐ Ｑ之 间 的函数 关系 。根 法 — — 据 国内外对 湿周 法 的研 究 ，通 常使用 幂 函数和对 数 函数 。两种 常用 函数 的形 式如下 。
（） ７
ｆ＋。 Ｑ １ ｃ ｄ
斜 率 １ 是 取 Ｐ Ｑ关 系 曲线 上 斜 率为 １ 法 — 的一 点 ，即 Ｐ ＝１ ，对 应 的 流量 值 作为 河 道 内 的最 小 时 生 态流量 。斜 率 １ 法求 得 的最小 生态 流量公 式为 ： 对 数 函数 ：
ｐ＝口 幂 函数 ：
对数 函数 ：
Ｑ＝ ／ ｏ
幂 函数 ：
（０ １）
ｌ ｒ
］１ Ｉ） １ ／ ２ （ ｄ 一
～
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河 流 最 小 生 态 基 础 流 量计 算 方 法 研 究 张 新 华
李 红 霞 肖玉成
赵 少 华
２２ ． Ｔｅ ｎ ｎ 方 法 ｎ ａｔ
Ｔ ｎａｔ ｅ ｎ ｎ 法是 Ｔ ｎ ａｔ ． 等 人 于 １７ 年提 出的河 流生 态需 水量评 估 方法 。该 ｅｎ ｎ ，Ｄ Ｌ ９６
息地 法 ；（ ） ４ 地形 结 构法 等 。在这 几 种方 法 中 ，以水 文学 法与 水力 学法 最 为常 用 。因此 ，本 研究 方法
的重 点在 分 析讨 论 水力 学 法 中的湿 周 法并 结 合 Ｒ Ｃ Ｏ Ｓ 和 Ｔ ｎａ法 ，提 出一套 简 单 、实用 、便于 ２Ｒ Ｓ法 ｅｎｔ
管理 部 门操 作 的方法 一综 合法 。
一
流 量 的研 究 还 未形 成 统 一 认 识 ，基 本 理 论 和 方法 都 还 有待 进 一 步 完善 。随 着 近几 年 的 研究 深 入 ，
国内外 学 者提 出 了多 种计 算 方法 ，概 括 起来 主 要包 括 ４ 方 法 ：（ ） 文学 法 ；（ ） 类 １水 ２ 水力 学法 ；（ ） ３ 栖
山 区河 流 开 发 保 护 重 点 实 验 室 小 团 队 研究 基 金 ； Ｉ）Ｉ 学 青 年 教 师 科 研 启 动 基 金 （ｏ ９ Ｃ １７ ） ￣Ｉ Ｉ大 ２ ｏ Ｓ Ｕ１０ ９ 作者 简介 ： 张新 华 （９ ５ ） １６ 一 ，男 ， 副教 授 ， 主要 从 事 水 力 学 与 河 流 动 力 学 及 水 环 境 研究 。Ｅ ｍａｌ ｈｈ ｎ＠ｓｕｅ ｕ ／ — ｉ：ｘｚａ ｇ ｃ ． ．Ｉ ｄ Ｃ
研究 对 象 。渭河 关 中段 全长 ５ ４２ ｍ，流域 面积 为 ６１ ｘ ０ｋ ０ ．ｋ ． １ ｍ 。渭河 关 中段 有 ５ 主要 的水 文 站 ，分 ７ 个 别 为林 家 村水 文 站 、魏 家堡 水文 站 、咸 阳水 文 站 、临 潼水 文 站 以及华 县水 文 站 （ 图 １ 。５ 水文 站 见 ） 个 的多年 平 均 流量 分别 为 ８ ． ／、１７ 、 １６ ／、２ ６ 以及 ２ １ 。 。渭 河关 中段河 道 的水 面 宽 ４８ ｓ １ ｍ ／ ５ ｍ ｍ。 ｓ ｓ ３ｍ／ ｓ ５ｍ／ ｓ 普遍 较 大 ，正 常情 况下 都能 达 到 １０ ３ ０ ５ － ０ ｍ之 间 ，而 水深 比较小 ，因此渭 河关 中段 河 道属 于宽 浅型 河