改进的水力半径法计算拒马河生态基流的研究

赵本龙，寇利卿，赵建永

（河北省保定水文勘测研究中心，河北 保定 071000）

河流生态基流问题是近年来学术研究的热点与难点问题，它涉及水利、生态、环境、农业等多个研究领域。当前有关河流生态基流的概念、内涵及研究内容等都未达成统一的共识，各方面都亟需开展更深入的研究工作，尤其是对于我国北方具有季节性、缺水型、重污染等特点的河流生态基流的确定方法仍较单一[1]。目前水利行业普遍认定的生态基流是指一定时段内河流维持基本生态功能应保持的基本流量，强调流量年内变化的过程。随着社会经济不断发展和人口不断增加，拒马河水资源开发利用程度逐步加剧，为实现流域水资源优化配置和保证河流生态用水需求，需要确定拒马河生态基流量。

关于生态基流的计算方法有很多，大致可分为水文学方法、水力学方法、生境模拟法和综合分析法4 类[2]。本文采用生态水力半径法（结合水文学和水力学）计算河道生态基流。生态水力半径法是刘昌明院士[3]等于2007 年提出的，主要是针对天然河道某一过水断面，建立水力半径与河流生态流量的联系，赋予水力半径一定的生态意义，从而计算生态流量。中国科学院赵长森等[4]、北京师范大学马育军等[5]、长江水利委员会水文局张欧阳等[6]都对水力半径法计算生态基流进行了改进，均认为采用水力半径法计算河道生态流量是可行的。

本文引入拒马河生态水位的概念，生态水力半径是指生态水位所对应的水力半径，直接由水位计算水力半径推求生态基流量，省去选取河床糙率和水面比降资料以及计算流速过程，为采用水力半径方法计算河道生态基流提供了新的研究思路。

1 基本情况

1.1 流域概况

拒马河是海河流域大清河北支主要河流之一，发源于河北省涞源县西北太行山麓的涞源泉群，流经河北省涞源县、易县、涞水县和北京市房山区等县区，在涞水县满金峪村分为南北拒马河两支；北拒马河在承接胡良河、琉璃河与小清河河水后称白沟河，南拒马河承接中易水和北易水等河流，南拒马河与白沟河在保定白沟新城汇合后称大清河，最后入天津海河干流。拒马河全长238 km，流域面积4 938 km2。拒马河有较大支流十余条，大部分在干流左岸。拒马河山区河道比降为3.11‰，而支沟坡度均大于4%，故在各支流汇入干流河口处均有冲积区。拒马河石门以上为涞源盆地，石门至紫荆关之间为开阔谷地，紫荆关以下流经山峡，至张坊始出山区，出口下游为冲洪积平原[7]。

1.2 水文气象情况

本流域处于温带大陆季风气候区内，山地特点比较明显，季节性差别较大。多年平均降水量为565.4 mm，且降水多集中在6—9 月，占全年总降水量的70%~80%以上。汛期降水集中，洪水暴涨暴落。每次洪水历时3~5 d，枯季径流较少。多年平均径流深为108.2 mm，径流年内分配不均匀，年径流的年际变化也较大。泥沙主要发生在洪水期，多年平均输沙量为112 万t，除洪水期外，全年沙量很小，河道清澈见底，水质较好[8]。

1.3 水文站简况

紫荆关水文站始建于1949 年9 月，位于河北省易县紫荆关镇，地处东经115°10′02.3″、北纬39°25′35.4″，系海河流域大清河水系拒马河控制站、国家基本水文站。紫荆关水文站以上拒马河流域面积1 760 km2，主河道长81.5 km，流域平均宽度25.4 km。水文监测断面位于紫荆关北城外，顺直段长约700 m，最大河面宽约160 m，右岸为城墙，左岸在起点距100 m 以后为滩地，现被村民种植树木、庄稼。该站洪水产自汛期降水，洪水暴涨暴落，断面冲淤变化较大，雨洪时含沙量较大，水位流量关系不稳定。

2 计算研究实例

2.1 资料选取

由于利用水力半径法计算河道生态基流量，需要计算河道的过水断面面积、湿周等基本参数，所以只有同时拥有河道水位、流量和实测大断面资料，方能应用该方法计算河道生态基流量[9]。本文从《中华人民共和国水文年鉴-海河流域水文资料》收集紫荆关站2012—2019 年相关资料，主要包括逐月平均水位、逐月平均流量、实测大断面和实测流量成果等资料。

2.2 水力半径计算

根据测站实测大断面和流量成果资料，借助河道大断面水利要素计算程序，计算不同水位级情况下的过水面积、湿周、水力半径和水面宽等参数，抄录水位及相应水力半径，建立水位与水力半径的相关关系。以2012 年拒马河紫荆关站为例，选取当年实测大断面成果资料，将断面成果按照给定的格式录入程序中，根据实测流量成果中的水位计算不同水位级下的水力半径等参数；同时，抄录当年该站实测流量成果中流量资料，建立水位与流量的相关关系。其他年份水力半径计算和流量资料选取方法与此相同。拒马河紫荆关站2012 年河道水力半径计算过程，如图1所示。

图1 拒马河紫荆关站水力半径计算过程

2.3 水力半径与流量相关关系建立

根据计算出的水力半径和选取的同一水位的相应流量，建立水力半径与流量关系曲线（Q-R关系曲线），采用幂函数对关系线进行拟合。以2012 年紫荆关站为例，建立当年水力半径与流量关系曲线，曲线拟合相关系数为0.967。拒马河紫荆关站水力半径与流量关系曲线，如图2所示。

图2 拒马河紫荆关站水力半径与流量关系曲线

2.4 生态流量推求

采用月平均水位计算相应的水力半径，再根据关系曲线确定相应流量。此时如定义月平均水位为河道生态水位，则计算出的水力半径即为生态水力半径，其相应流量即为生态流量。分别建立各年水力半径与流量关系曲线，计算生态水位下不同年份的逐月生态流量值。将水力半径法计算的逐月平均生态流量值与水文学方法计算的生态流量值和逐月平均流量值进行对比分析，验证此方法的可行性和数据准确性。拒马河紫荆关站生态流量对比见表1，生态流量对比关系如图3所示。

图3 拒马河紫荆关站生态流量对比关系

表1 拒马河紫荆关站生态流量对比

2.5 满足程度分析

根据计算的生态流量值，确定生态基流满足程度。本文引入满足率的概念，基于计算的生态流量并结合年月实测流量，构建了满足率评价关系模型，即满足率=年均流量/生态基流量。若满足率大于或等于1，则说明不缺水；若满足率小于1，则说明缺水[10]。生态流量月、年满足程度，详见表1—2。

表2 生态基流年保证程度

2.6 结果分析

（1）生态水力半径法综合考虑了河流水文特性、河道特性和水生生物栖息环境，同时是集合水文学和水力学两种方法进行河道生态基流量的分析计算，避免了采用湿周法确定突变点引起的不确定性。

（2）采用水力半径法推求生态基流量，其计算结果与采用水文学方法计算的生态基流量值相差不大，尤其是枯季其二者差值更小；且采用水力半径法推求的生态流量与实测流量相比较，其变化过程基本上与天然来水趋势一致。

（3）从生态基流的满足程度来看，年际间除了2014年外，天然河道流量小于生态流量，另有3个年份天然流量与生态流量基本持平，其他年份天然河道流量均大于生态流量，即天然来水除了个别枯水年份基本能满足生态流量要求。年内由于4—6 月正值农业灌溉期，河道引水量较大，导致河道天然流量小于生态基流量，其余月份天然流量均能满足河道生态基流量的需求。

拒马河紫荆关段关于鱼类方面的资料较少，本文未从河流生态系统水生物学方面考虑河道生态基流。本文也曾尝试用月最低水位和连续7 d 最枯水位计算水力半径进而推求流量，但计算结果不符合河道特性和来用水变化过程；将测站月平均水位定义为生态水位，进而推求生态流量，在拒马河紫荆关段较为适用。

3 结论

基于改进的水力半径法计算生态流量，由生态水位直接推求水力半径，进而推求生态流量。传统水力半径法计算生态流量需要确定生态流速，要求已知河床糙率和水面比降资料，而这两项参数只有在测站高水期才能获取。本文采用的方法不涉及流速的确定和河床糙率、水面比降选取问题，避免了因河床糙率选取不当导致流量出现明显差异的问题，计算结果在拒马河紫荆关段比较合理，但在其他河段是否适用仍需要进一步研究。