基于湿周法的济南山区中小河流生态流量研究

张叶 魏俊 黄森军 王琦 付意成 张晶 赵进勇

摘 要：为探讨湿周法在山区中小河流的适用性，以济南市西南部创新谷为例，基于湿周法中的斜率法，计算研究区河流干支流的生态流量，研究分析斜率法的适用性，并探讨在计算过程中典型断面的选取依据。经计算确定，北大沙河干流、大彦河干流、皇姑井村河干流和小刘河的生态流量依次为4.9、3.7、3.9、2.1m3/s。建议在利用湿周法进行山区中小河流生态流量的计算时，在结合当地水文资料的基础上，选择宽深比相对较小、横断面为抛物线形的河道断面作为典型断面。

关键词：生态流量；湿周法；河道断面；中小河流

中图分类号：X143；TV211.1+1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.019

引用格式：张叶，魏俊，黄森军，等.基于湿周法的济南山区中小河流生态流量研究[J].人民黄河，2022，44（1）：89-93.

ResearchonEcologicalFlowofSmallandMedium SizedRiversinJinanMountainAreaBasedonWetCycle

ZHANGYe1，2，WEIJun3，HUANGSenjun3，WANGQi2，FUYicheng2，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

近年来，随着水资源的大规模开发利用，河流自然水文情势发生了巨大变化[1]。水文情势的变化引起河流生态系统结构与功能的变化，甚至导致淡水生态系统严重退化[2]。为实现水生态环境的保护与修复，维持河流正常的自然与社会功能，满足生态服务需求，需要研究何种水文情势才能维系河流生态健康，从而引出生态流量的科学确定问题[3-5]。国内外学者在生态流量的推求和计算方面进行了许多研究，生态流量的计算方法大致可以分为4类：生态水文学法、水力学法、生境模拟法和整体分析法[2]，每种方法各有特点和适用范围[6]。生态水文学法仅需历史水文数据，但过于概化河流情况，适用于野外监测较困难的河流；水力学法所需数据的获取相对简单，适用于较为稳定的河流；生境模拟法充分考虑了生物生存的适宜条件，适用于敏感期生态流量要求较高的河流；整体分析法系统考虑了河流生态系统的流量需求，但成本较高[7]。

我国先后出台了一些生态需水相关的导则、规范，对生态流量的概念与计算等进行了规定。2010年水利部发布《河湖生态需水评估导则（试行）》（SL/Z 479—2010），对Tennant法、90%保证率最枯月平均流量法、流量历时曲线法等水文学方法和湿周法、R2CROSS等水力學法进行了总结。2013年水利部发布《水资源保护规划编制规程》（SL613—2013），对生态需水满足程度评价及问题分析，生态需水对象及目标要求，生态需水保障的内容、技术方法和要求等进行了规定。2014年水利部发布《河湖生态环境需水计算规范》（SL/Z712—2014），澄清了河道湖泊生态环境需水的概念，给出了生态需水计算过程中应考虑的因素，建议河道内生态环境需水量采用水文综合法、分项功能法等方法计算。2015年水利部发布《河湖生态保护与修复规划导则》（SL709—2015），对生态需水保障、生态基流和敏感生态需水控制断面的拟定、生态需水量的确定、湖泊湿地生态水位的确定及分析方法、生态需水保障措施等进行了规定和建议。

在实际计算过程中，由于不同河流的水文资料、地形数据等不尽相同，因此不同河流、水系要根据实际情况选择合适的计算方法。根据河流所处区域位置、现场实际情况和水文资料，遵循科学性、代表性和实际可操作性原则，依据我国生态环境需水相关导则或指南[8-9]，确定研究河段的生态流量。湿周法是水力学法中常用的一种方法，该方法以湿周为生态系统栖息地指标，建立湿周与流量的关系曲线，选取临界点所对应的流量作为生态流量[10]。确定临界点的方法有曲率法（曲率绝对值最大）和斜率法（斜率为1或其他设定值）。湿周与流量的关系主要有幂函数和对数函数关系[11]，当符合幂函数关系时，相比曲率法，斜率法进行临界点的确定更适宜[12]。

肖玉成等[13]利用湿周法中的斜率法和曲率法对沣河的生态流量进行了研究。于鲁冀等[14]利用斜率法、曲率法和多目标评价法3种改进的湿周法计算了贾鲁河不同频率年河道内的生态需水量。吉小盼等[15]以西南山区岷江和大渡河为研究对象，利用斜率法、曲率法和经验法分析确定各断面最小生态需水量，从而研究了湿周法的适用条件及转折点的确定方法。笔者以济南创新谷为例，根据河道的实际情况，选用湿周法中的斜率法对区域内河流的生态流量进行计算与验证，并给出典型断面选取的建议。

2 研究区概况与方法

2.1 研究区概况

济南市西南部山区创新谷总体规划面积70km2，其中产业核心区20km2。创新谷属北大沙河流域，地势东南高西北低。北大沙河自东南向西北贯穿创新谷片区东北角，全长4.25km，自崮云湖水库下游进入创新谷，北流至长清湖，沿途有皇姑井村河、小刘河汇入。大彦河及其支流位于创新谷北部，往北流入长清湖，总长度2.705km。

北大沙河是创新谷的骨干河道，但崮云湖水库截断其上游来水，导致研究区内河段水量不足，呈间断干涸状态。河岸两侧存在较宽河岸带，绿化程度较高，但是植被结构单一，景观性较差。大彦河现状河内无水，沟槽内杂草丛生，河槽边缘不明显。皇姑井村河干流发源于创新谷池子村西南部的山谷内，于大彦村东边汇入北大沙河，皇姑井村河及其支流为典型的山区季节性河流，枯水期河道断流、河床裸露，雨季流量明显增大。小刘河位于创新谷东南角，发源于钟庄村和小刘村南部山谷内，现状河道两岸高低起伏较大，沟道冲刷严重。为改善区域内河流现状，实现人水和谐，应科学确定其生态流量，满足其基本生态需水。本文依据收集的相关资料和现场实际踏勘结果，依次选取各河流典型断面，采用湿周法计算研究区河流生态流量。部分河流典型断面见图1，其中典型断面1位于北大沙河干流中游，典型断面2、断面3位于大彦河干流中游。经实地调研，断面1、断面2、断面3水流均匀、人类活动干扰较小，可以代表所在河流的实际状况。

2.2 研究方法

根据断面情况，通过以上公式计算相关参数，绘制湿周与流量关系曲线。

3 结果与讨论

3.1 计算结果

（1）北大沙河干流。依据地形数据绘制创新谷内北大沙河干流断面，考虑区域位置、水文资料等限制因素，选取研究河段中部断面进行计算。该断面形状为抛物线形，基于此断面建立湿周—流量关系曲线，选取关系曲线上斜率为1的点所对应的流量作为河道的基本生态流量，并且选取关系曲线的转折点所对应的流量进行对比、校核。北大沙河典型断面及Q—P关系曲线见图2。

利用湿周法计算的北大沙河生态流量为4.9m3/s，流速为0.65m/s，水深为0.55m。经查询相关资料[16-20]和现场调研，北大沙河鱼类多为鲤科，尤以鲫鱼分布较为广泛，并在水深0.50m左右的位置观察到鲫鱼有较长时间的停留，因此认为北大沙河干流生态流量为4.9m3/s是合理的。

（2）大彦河干流。依据地形数据绘制大彦河干流各现状断面，在现状断面中选择位于大彦河干流中游拐弯处的典型断面2、断面3以及支流汇入口附近的典型断面4进行计算，3个断面为不规则断面，主河槽横断面分别为梯形、抛物线形和梯形，断面4上开口比前两个断面窄，见图3（k=1为斜率为1的直线）。基于以上断面建立湿周—流量关系曲线，将关系曲线上斜率为1的点所对应的流量作为河道基本生态流量，并且选取关系曲线上转折点所对应的流量进行对比、校核。大彦河干流Q—P关系曲线见图3，大彦河干流典型断面计算结果见表1。

由计算结果可知，典型断面4流量为0.7m3/s，与其余两个断面相差较大，结合当地实际水文资料和研究河段鱼类情况，认为该结果不具有代表性，不可作为此河段的生态流量；另外两个断面进行对比，水深0.450m接近0.50m，故认为大彦河干流生态流量应为3.7m3/s。

（3）皇姑井村河干流。皇姑井村河干流长4.952km，基于地形數据和现场踏勘，将中游和下游的典型断面5～断面8作为计算断面，其断面形状可分别概化为复式梯形断面、复式梯形断面、梯形断面、梯形断面，见图4。

皇姑井村河干流典型断面计算结果见表2，各断面流量计算结果相差不大，但水深相差较大。水深为0.300m的情况接近鲫鱼的最小生存水深0.50m，故认为皇姑井村河干流的生态流量应为3.9m3/s。

（4）小刘河。选择典型断面9～断面11进行计算，其均为不规则断面，主河槽断面形状分别可以概化为抛物线形、梯形、抛物线形，见图5。小刘河典型断面计算结果见表3，结合研究区域的代表鱼类，确定小刘河的生态流量为2.1m3/s。

3.2 讨 论

吉利娜等[10]以西南山区河流为研究对象，得出湿周法适用于近似抛物线形或矩形的断面，不建议用于近似三角形或梯形的断面。肖玉成等[13]以北方河道沣河为研究对象，得出直接利用湿周法计算生态流量对于水浅、宽深比特别大的河道，其结果会存在一定问题，即建立的湿周—流量关系曲线难以找到对应的临界点。对比北大沙河干流的典型断面1、大彦河干流典型断面3、皇姑井村河典型断面6和小刘河典型断面9，这4个断面为各自河道生态流量确定的典型断面，其相似之处为河道水流宽深比（水面宽与最大水深之比）相对较小，且断面形状主要为抛物线形和复式梯形，具体情况见表4。

基于上述分析，针对研究区的4条山区河流，其最终确定生态流量所依据断面形状依次为抛物线形、抛物线形、复式梯形和抛物线形。因此建议在利用湿周法进行山区中小河流生态流量推求时，在结合当地水文资料数据的基础上，综合考虑所选断面的稳定性，遵循代表性、易操作性、全面性、可行性、可靠性等原则，尽量选择抛物线形和复式梯形河道断面，且宽深比越小，断面越稳定，其结果越具有代表性。

4 结 论

依据计算结果，确定北大沙河干流、大彦河干流、皇姑井村河干流和小刘河的生态流量依次为4.9、3.7、3.9、2.1m3/s。根据已有研究结果，当湿周—流量关系符合幂函数关系时利用斜率法更适宜。经过对研究区域4条河流的计算分析，最终确定生态流量所依据的典型断面依次为断面1、断面3、断面6、断面9，分析其在推求生态流量过程中所得到的湿周—流量关系曲线，发现均符合和较符合幂函数关系。结合所选断面的宽深比，建议在利用湿周法进行山区中小河流生态流量的推求时，应考虑河道断面的稳定性，选择宽深比相对较小、断面形状为抛物线形的河道断面作为典型断面。

参考文献：

[1] 董哲仁，孙东亚，赵进勇，等.河流生态修复[M].北京：中国水利水电出版社，2013：21-38.

[2] 董哲仁，张晶，赵进勇.环境流理论进展述评[J].水利学报，2017，48（6）：670-677.

[3] 乔钰，胡慧杰.黄河下游生态水量调度实践[J].人民黄河，2019，41（9）：26-30，35.

[4] 李茜，尚潇瑛，赵敏歌，等.渭河陕西段健康评估研究[J].人民黄河，2019，41（5）：77-81，85.

[5] 婁利华.河道适宜生态流量研究[J].水资源开发与管理，2018（10）：35-39.

[6] 徐志侠，陈敏建，董增川.河流生态需水计算方法评述[J].河海大学学报（自然科学版），2004，32（1）：5-9.

[7] 李洋.筑坝河流鱼类产卵生态流量研究[D].北京：中国水利水电科学研究院，2019：5-13.

[8] 王智林，熊北锋.无资料河流生态流量确定方法初探[J].陕西水利，2018（3）：41-43.

[9] 高华永，代兴兰.黄泥河流域河道生态流量研究[J].人民珠江，2012，33（3）：42-44.

[10] 吉利娜，刘苏峡，王新春.湿周法估算河道内最小生态需水量：以滦河水系为例[J].地理科学进展，2010，29（3）： 287-291.

[11] CHRISTOPHERJG，MICHAELJS.UseofWettedPerimeter inDefiningMinimumEnvironmentalFlows[J].Regulated RiversResearchandManagement，2015，14（1）：53-67.

[12] 尚松浩.确定河流生态流量的几种湿周法比较[J].水利水电科技进展，2011，31（4）：41-44.

[13] 肖玉成，张新华，严瑞平，等.湿周法在超宽浅型河道生态需水计算中的应用[J].人民黄河，2010，32（10）：87-88，90.

[14] 于鲁冀，陈慧敏，王莉，等.基于改进湿周法的贾鲁河河道内生态需水量计算[J].水利水电科技进展，2016，36（3）：5-9.

[15] 吉小盼，蒋红.基于湿周法的西南山区河流生态需水量计算与验证[J].水生态学杂志，2018，39（4）：1-7.

[16] 宋佳.济南城市河流鱼类群落结构及水生态健康评价[D].大连：大连海洋大学，2016：33-38.

[17] 谭璐，樊甜甜，郭伟，等.济南流域春季鱼类多样性研究及水体健康评价[J].河北渔业，2016（3）：18-21.

[18] 姜庆生.北方地区鲫鱼养殖技术要点[J].黑龙江水产，2019（4）：42-43.

[19] 严丽.鲫鱼养殖技术及病害防治要点[J].江西水产科技，2019（2）：16-17.

[20] 陈一良，荆丹丹，岳一莹，等.沼液养鱼水质变化及鲫鱼适应性研究[J].江苏农业科学，2019，47（6）：148-151.

【责任编辑 吕艳梅】