两种方法下的河道内生态流量对比分析

安徽省城建设计研究总院股份有限公司 周蜜

卞小河属季节性自然河流，河道坡降较大，受时空降水分布不均影响，枯水期河道生态流量保障不足，河道滞蓄水量少，基本干涸。为保证卞小河河道生态流量，可通过上游水库调节、水量减供限供等水量调度措施实现卞小河生态流量能够达到其最小生态流量的要求。因此通过不同方法计算对比分析卞小河生态流量，为水量调度提供数据支持具有重要的意义。

一、生态流量含义及计算方法

（一）生态流量的含义

河流的生态流量是指维持河道基本功能和河道生态需水的最小流量。在水资源配置中，生态流量是维持江河湖泊生态系统健康所需要保证的流量，包括河道内生态环境需水和河道外生态环境需水。研究河流生态流量的目的就是针对具体某一条河流提出保护其可持续发展所需的流量以及一定水质要求。河道内生态需水是为维系河流生态环境目标需要保留在河道内的水量。

（二）生态流量计算方法

河流生态流量计算方法主要有水文学法、水力学法、生物模拟法、整体分析法等方法。水文学法主要有Tennant法、枯水频率法(7Q10)、Texas法、流量历时曲线等；水力学法主要包括湿周法、R2CROSS法；生境模拟法主要包含IFIM/PHABSIM法和CASIMIR法；在整体分析法中，河流的天然特征用逐月流量来描述[1]，河道内流量的重要成分包括枯季流量、泛滥流量和中小洪水。

本文以肥西县卞小河流域为研究对象，选取湿周法及Tennant法分别计算河道内生态流量，根据计算结果进行合理分析，最终确定卞小河的合理生态流量。

二、研究区概况

卞小河为派河主要支流之一，位于派河中下游右岸，发源于肥西县中部紫蓬山脉延伸段，大团山-英山一线，集水沿英山北5条山涧沟，北流入谢高塘、宣湾水库，出水库后，两泄洪沟于宣大塘处合流，经卞大郢、倪大堰，穿合九铁路、翡翠路，再经大颜湾，右纳童洼小河支流来水，穿上小路桥，于城西排涝站东入派河。

卞小河干流自谢高塘水库坝下至入派河河口，全长10km，流域面积37.31km2，河底高程24.5-8.0m，河底宽度3-15m。童洼小河属于卞小河的一条南支流，发源于童洼水库，自水库坝下、偏东西向穿合九铁路，再穿越站前路、仙霞路、县交警大队后与卞小河汇合。全长3.44km，流域面积6.59km2。河底高程25.93-10.27m， 河 底 宽 度5m。卞小河上游从谢高塘坝下设计纵坡1/685，到中游段设计纵坡3/1000，到下游入派河河口段设计纵坡平底，水力坡降急剧变化；童洼小河设计纵坡从上游童洼水库坝下的5/1000到入卞小河河口段的1/1000，由陡变缓。

三、河道内生态流量计算

（一）湿周法

湿周法计算河道生态流量要基于一个假设，即浅滩是临界的河流栖息地。通过河道断面和流量资料建立湿周-流量关系曲线，在曲线中用斜率1法和曲率最大法确立变化点，该点对应的流量即为最小生态流量。该方法适用于河床形状稳定的宽浅型河流，河道的形状是影响其分析结果的因素。

根据水力学中计算明渠均匀流的谢齐公式(式1)以及曼宁公式(式2)可推出流量-湿周(Q-P)关系式(式3)：

式中：Q—流量，m3/s；A—过水断面面积，m2；P—湿周，m；R—水力半径，m；J—水力坡降；n—粗糙系数。

根据上式，并对河道断面进行倒梯形概化，由不同的水深h可以确定A、P、R等参数，并最终求出相应Q值，而通过斜率1法和曲率最大法确定湿周-流量曲线变化点需知道湿周-流量之间的函数关系。根据国内外对湿周法的研究，梯形断面通常使用对数函数，对数函数形式如下：

式中：a、b均为常数；P1、Q1—分别为相对湿周、相对流量(为消除坐标轴比例的影响，对湿周和流量无量纲化)。

利用微积分中计算曲率的公式可得到(1)的曲率方程表达式：

曲率法是选取曲线的曲率最大的一点对应的流量值作为河道内最小生态流量。为求得曲率最大的一点，需对(2)中的Q1求一阶导数，一阶导数值等于0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：

在卞小河、童洼小河上、中、下游各取一个代表断面作为计算节点，用湿周法分别计算各河段节点处的生态流量。现选取卞小河下游(人派河河口)断面和流量资料为例，河道断面参数根据《肥西县潭冲小河、卞小河防洪规划》《肥西县潭冲小河、卞小河河道综合治理规划》中河道规划断面成果确定，建立湿周-流量关系曲线，计算过程如表1、表2、图1所示。

表1 卞小河下游(入派河河口)概化断面不同水深流量计算表

表2 卞小河下游(入派河河口)生态流量计算表

图1 卞小河下游(入派河河口)概化断面相对湿周-流量曲线拟合图

卞小河的沿河湿地呈带状，经河道整治后断面形状可概化为梯形，采用同样方法计算，卞小河、童洼小河其余断面计算结果见表3。

表3 生态流量计算成果表(单位：m3/s)

(2)Tennant法

Tennant法是依据流量和河流生态环境状况之间的经验关系来确定河流生态需水量。按照Tennant方法的标准，河道内的最小生态流量不能小于多年平均流量的10%，应在10-30%之间。根据安徽省多年平均年径流深等值线图，查得肥西县径流深约为300mm。由河流集水面积乘以径流深，可估算该段河流的多年平均径流量。本次分别计算了各河流年平均流量的10%、20%、30%的流量值，考虑到卞小河流经肥西县城，河道最小水深有景观要求不宜过小，本次以30%的年天然径流量作为河流生态环境需水量，计算得卞小河、童洼小河的生态流量分别为0.106m3/s、0.019 m3/s。各河流多年平均径流量、生态流量计算结果见表4。

表4 生态流量计算表

四、结论

根据表3可以看出，采用湿周法计算的卞小河、童洼小河上、中、下游各河段生态流量相差较大，且下游河道断面的生态流量均小于上、中游河道断面；卞小河的支流童洼小河入卞小河河口处的生态流量比卞小河下游生态流量大，这与实际情况不符。分析其原因为，水力学湿周法通过概化河流断面，并根据不同水深的过水断面面积、湿周以及河流水力坡降等参数，建立湿周与流量的关系曲线来确定河流生态流量。经过试算，对河流最小生态流量影响最大的是河道的水力坡降。小河经综合治理后，河道设计坡降从上游到下游差异较大，水力坡降较自然情况有较大变化。卞小河上游从谢高塘坝下设计纵坡1/685，到中游段设计纵坡3/1000，到下游入派河河口段设计纵坡平底，水力坡降急剧变化；童洼小河设计纵坡从上游童洼水库坝下的5/1000到入卞小河河口段的1/1000，也是由陡变缓。根据湿周法的计算公式，在河道断面相差不大的情况下，河道断面流量随河道坡降增大而急剧增大。当曲线拐点不明显，或选取适线参数不同时，计算出的最小生态流量也存在差异。现状河道由于河道坡降较陡，为了河道蓄水，河道上多处设有堰坝。卞小河上设有上小路湿地上游滚水坝和上小路湿地下游滚水坝，童洼小河上设有窖厂滚水坝、造纸厂滚水坝、仙霞路滚水坝。由于河道拦蓄建筑物的影响，河流流动性差，而采用湿周法计算的成果没能反映出河道拦蓄建筑物对流量的影响，生态流量计算结果偏大很多。

Tennant法是根据当地的年天然径流量来计算河流生态环境需水量，是综合性算法，计算结果比较稳定，在缺乏河流实测流量资料或没有特定保护对象的情况下可以用Tennant法来估算河流最小生态流量。在其他地区的河流中也已证实，在小河流中，年平均流量30%的流量接近最佳栖息地标准[2]。因此，采用卞小河、童洼小河年平均流量的30%作为河流生态流量，计算结果较为合理。卞小河、童洼小河河道内生态流量取值分别为0.106m3/s、0.019 m3/s。