于鲁冀,陈慧敏,王 莉,吕晓燕,范鹏宇（.郑州大学水利与环境学院,河南郑州 45000；.郑州大学环境政策规划评价研究中心,河南郑州 45000）



基于改进湿周法的贾鲁河河道内生态需水量计算

于鲁冀1,2,陈慧敏1,王 莉1,2,吕晓燕2,范鹏宇2
（1.郑州大学水利与环境学院,河南郑州 450001；2.郑州大学环境政策规划评价研究中心,河南郑州 450002）

摘要:针对贾鲁河实际情况,选取中牟和扶沟水文站作为控制断面,利用斜率法、曲率法和多目标评价法3种改进湿周法计算分析贾鲁河不同频率年河道内生态需水量。结果表明,采用多目标评价法（r=2）计算结果最大,曲率法最小,中牟断面用多目标评价法（r=2）计算生态需水量较为合理,扶沟断面用斜率法计算生态需水量较为合理。

关键词:生态需水量;湿周法;斜率法;曲率法;多目标评价法;贾鲁河

随着人口的增加和社会经济的不断发展,人类对水资源的需求与日俱增,长期挤占生态用水造成了河道生态系统的破坏,因此,生态需水量研究成为河流生态系统保护的重要研究方向。Covich[1]提出了生态需水量的概念,即保证恢复和维持生态系统健康发展所需要的水量。湿周法计算生态需水量的基本假设是,保护好临界区的水生生物栖息地的湿周的同时,也将对非临界区的栖息地提供足够的保护[2]。该方法是通过建立流量与湿周的关系曲线,由曲线上的临界点确定河道内生态需水量。Gippel 等[3]提出用斜率法和曲率法确定湿周-流量关系曲线上的临界点,但到底曲率法合理还是斜率法合理,目前还没有定论[4]；Shang[5]建立了以河道流量最小和河道湿周最大为目标的多目标评价模型来求解生态需水量。国内很多学者采用湿周法对生态需水量进行了计算研究。王占兴[6]用湿周法确定了西南岔河3个河段的生态需水量；郭文献等[7-10]用改进湿周法计算了生态需水量,并且计算所得结果都能满足河道内最小生态需水量要求；王庆国等[11]对湿周法拐点斜率取值进行了改进研究；彭涛等[12]采用基于湿周法的多目标评价模型对增江生态需水量进行了计算,结果可行。

贾鲁河是一条千年古河,发挥着灌溉、发电和旅游等多重作用,对当地经济发展的作用不可忽视,但过量的用水会导致生态系统受到破坏,因此,研究贾鲁河生态需水量对于合理利用水资源、保护生态系统具有重要意义。本文基于贾鲁河的实际情况,采用湿周法的3种改进方法——斜率法、曲率法和多目标评价法计算其生态需水量,对比3种方法的计算结果,并对生态需水量计算结果的合理性进行实证研究,可为贾鲁河生态保护和水资源配置提供参考。

1 改进湿周法

1.1 选择控制断面及典型计算时期

湿周法断面的选取应遵循以下3个原则:①典型性,选取能够代表所在河道特性的断面；②稳定性,包括河道形态的稳定性以及水文情况的稳定性；③实用性,选取能够突出反映河道流量与河道断面形态特性关系的断面。水文站点一般符合这样的原则。

计算时期的选择主要考虑河床演变相对平衡,一般对水文站历年流量进行排序分析,选取频率P=25％（丰水年）、P=50％（平水年）、P=75％（枯水年）、P=95％（特枯水年）所对应的年份作为典型年。

1.2建立湿周-流量关系

对于明渠均匀流,河道的湿周与流量关系可用曼宁公式表达[13-14]:

式中:Q为流量；n为曼宁糙率系数；A为过水断面面积；R为湿周；S为水面坡降。

天然河道断面的几何形状不规则,可以用梯形、矩形、三角形及抛物线形等来近似。矩形、梯形、三角形、抛物线形河流断面形态的湿周-流量关系分别为

式中:B为水面宽度；m为边坡系数；b为河底宽度；θ为断面夹角。

式中a和b为与断面形状有关的参数。

1.3湿周-流量关系曲线临界点的确定

a.斜率法[4]:取湿周-流量关系曲线上斜率为1的点为临界点,可根据dp/dq=1计算得到。

b.曲率法[4]:取湿周-流量关系曲线上曲率最大点为临界点,即曲率对流量的导数为零的点,曲率k的数学表达式为

c.多目标评价法[5]:以水资源利用率1-q最高作为社会经济用水目标（z1）,以湿周p最大作为生态保护目标（z2）,建立模型为该模型可以采用评价函数法求解,如理想点位法、线性加权法等[15],这里以理想点位法进行计算。以河道湿周p=1（栖息地最大）和河道流量q=0（河道流量最小）为理想点,以目标点（p,q）与理想点（1,0）之间的距离d作为评价函数,d可以表示为

式中:ω1、ω2为权重；r为尺度系数。考虑到栖息地保护和经济用水同等重要,可取等权重；r可取1和2,对应的d分别为Hamming距离和Euclidean距离。d最小时对应的流量即为生态需水量。

3种临界点确定方法得到的生态需水量计算公式如表1所示。

表1 生态需水量计算公式比较

2 贾鲁河生态需水量计算

贾鲁河位于河南省境内,发源于新密市,向东北流经郑州市,至市区北郊折向东流,经中牟,入开封,过尉氏县,后至周口市入沙颍河,最后流入淮河,全长255.8 km,河道平均比降约为0.058％。

2.1 基础数据选取

根据贾鲁河实际情况,遵循典型性、稳定性和实用性原则,选取中牟和扶沟水文站作为控制断面。对中牟站和扶沟站1982—2012年流量作频率分析,分别以频率P=25％（丰水年）、P=50％（平水年）、P=75％（枯水年）、P=95％（特枯水年）的年份为典型年,画出断面形状图,利用实测流量和水位计算生态需水量。扶沟站和中牟站选取的典型年如表2所示。

表2 贾鲁河不同频率下的典型年

2.2 生态需水量计算

中牟和扶沟水文站实测断面分别如图1和图2所示。

图1 中牟水文站实测断面形状

图2 扶沟水文站实测断面形状

根据对中牟、扶沟实测断面图以及历年水位情况的分析,中牟断面近似梯形断面,扶沟断面历年水位一般不超过56m,所以将扶沟断面近似于三角形断面,分别计算不同流量下对应的湿周,选取1998—2012年年平均流量中的最大值作为Qm计算相对流量,建立断面湿周-流量关系图,并分别用对数函数和幂函数进行拟合（图3和图4）,由图3和图4可知拟合相关系数非常接近于1,拟合效果较好。

图3 中牟断面湿周-流量关系

根据中牟和扶沟断面湿周-流量关系,分别采用斜率法、曲率法和多目标评价法计算河道内生态需水量,结果如图5和图6所示,图中水平实线为多年平均流量的10％,水平虚线为多年平均流量的30％,中牟断面和扶沟断面的多年平均流量分别为14m3/s和14.2m3/s。

2.3 分析与讨论

河流生态需水量应该按照一定的原则来确定,主要包括功能性需求原则、分时段考虑原则、分河段考虑原则、效率最大化原则和多功能协调原则等[16-17]。

由图5和图6可知,曲率法计算结果比斜率法和多目标评价法小,多目标评价法（r=1）计算结果与斜率法相同,多目标评价法（r=2）计算结果大于斜率法和曲率法。

根据实测水质资料以及实地调查,贾鲁河中牟断面存在严重的水污染现象,按照功能性需求原则,对于污染严重区域,一般采用较大的值较为合理[18],然而对于中牟断面,曲率法4个典型年的计算结果都小于多年平均流量的10％,其中特枯水年的计算结果仅占多年平均流量的4％,计算结果不符合Tennant法最小生态需水量要求（多年平均流量的10％）[19-20],无法提供河流生态系统所需的基本流量。根据枯水年对生态环境需水要求更加突出的原则,斜率法和多目标评价法（r=1）特枯水年计算结果仅占多年平均流量的5.8％,不能保障河流生态系统安全,多目标评价法（r=2）计算结果都在多年平均流量的10％～30％之间,能够提供当地鱼类生存所需要生境,综合考虑,选取多目标评价法（r=2）的计算结果作为中牟断面生态需水量。

图4 扶沟断面湿周流量关系

图5 中牟断面生态需水量不同方法计算结果

图6 扶沟断面生态需水量不同方法计算结果

对于扶沟水文站断面,湿周-流量关系采用幂函数关系拟合。根据尚松浩[21]研究结果,湿周-流量关系符合幂函数关系时曲率法不宜用于确定河流生态需水量。扶沟断面水质良好,生态需水量的确定不需要考虑水质的影响,按照Tennant法标准,斜率法、多目标评价法计算结果均大于多年平均流量的10％,都能够满足生态系统的要求。然而根据确定生态需水量的效率最大化原则,即在考虑河流生态功能最小需水量的同时,还应该注意水资源利用效率最大化[17],对比曲率法和多目标评价法（r=1）的计算结果,在均能满足生态需求条件下,多目标评价法（r=2）的生态需水量太大,会使河道内可支配的经济用水量相对变小,一定程度上会影响流域内经济发展,而斜率法和多目标评价法（r=1）计算结果在多年平均流量的30％附近,能较好地反映扶沟断面的生态需水量,综合考虑,选取斜率法和多目标评价法（r=1）的计算结果较为合适,这也印证了尚松浩[21]对湿周-流量关系符合幂函数关系时确定生态需水量的研究成果,即在湿周-流量关系符合幂函数关系时,斜率法和多目标评价法（r=1）确定河流生态需水量的方法是适宜的。

综上所述,中牟断面生态需水量采用多目标评价法（r=2）的计算结果,扶沟断面生态需水量采用斜率法和多目标评价法（r=1）的计算结果。具体如表3所示。

表3 中牟和扶沟断面各典型年的生态需水量

3 结 论

a.对于中牟断面,综合考虑Tennant法、污染严重区域取其大以及枯水年生态需水问题更加突出等,其生态需水量采用多目标评价法（r=2）来计算较为合理；而扶沟断面,根据水资源利用效率最大化原则,选用斜率法和多目标评价法（r=1）计算较为合适。

b.中牟断面丰水年（2005年）、平水年（2003年）、枯水年（1991）和特枯水年（2002年）的生态需水量分别为2.42m3/s、2.14m3/s、2.43m3/s和1.45m3/s；扶沟断面丰水年（2005年）、平水年（1992年）、枯水年（1991年）和特枯水年（2002年）的生态需水量分别为5.86m3/s、5.41m3/s、5.53m3/s和2.31m3/s。

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中图分类号:X171.4

文献标志码:A

文章编号:1006- 7647（2016）03- 0005- 05

DOI:10.3880/j.issn.1006- 7647.2016.03.002

基金项目:“十二五”国家水体污染控制与治理重大专项（2012ZX07204-004-001）

作者简介:于鲁冀（1962—）,男,教授,主要从事环境政策、环境规划等研究。E-mail:yuluji@126.com

收稿日期:（2015- 04 14 编辑:郑孝宇）

Study of ecological instream flow requirement of Jialu River based on improved wetted perimetermethod

YULuji1,2, CHEN Huimin1, WANG Li1,2, L¨U Xiaoyan2, FAN Pengyu2（1.School of Water Conservancy and Environment, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China；2 Research Center for Environmental Policy Planning and Assessment of Zhengzhou University, Zhengzhou 450002, China）

Abstract:According to the actual conditions along the Jialu River, we selected the Zhongmou and Fugou Hydrological Stations as the control sections, and calculated the ecological instream flow requirements of the Jialu River in different frequency years using three kinds of improved wetted perimetermethods, including the slopemethod, the curvaturemethod, and themulti-objective evaluationmethod.The results show that the calculated ecological flow requirement isgreatest when using themulti-objective evaluationmethod（r=2）, and least when using the curvaturemethod.It ismore reasonable to use themulti-objective evaluationmethod（r=2）to calculate the ecological flow requirement of the Zhongmou section, and to use the slopemethod to calculate the ecological water requirement of the Fugou section.

Key words:ecological flow requirement；wetted perimetermethod；slopemethod；curvaturemethod；multi-objective evaluationmethod；Jialu River