基于湿周法估算广东山区小水电站河流最小生态需水量

基于湿周法估算广东山区小水电站河流最小生态需水量

叶植滔翁泓生陈怡陈毓灵吴浩贤何敢彪

华南农业大学水利与土木工程学院广州510642

【摘要】山区小水电站梯级开发形成减水河道，山区河道缺乏水文观测资料。为了估算其生态需水量，对广东省山区典型河流断面进行实地调查，利用径流系数法确定多年平均径流量，使用湿周法计算典型山区小型河流生态流量，利用Tennnat法对计算结果进行合理性检验，结果表明湿周法计算结果可满足维持河流生态系统稳定需求。

【关键词】生态需水量；湿周法；小水电梯级开发；山区河流

广东是小水电建设大省，据不完全统计，目前广东已建成小水电站9000多座，其中引水式小水电站最多。山区引水式小水电站通过引水渠系将原河道水引到落差大的地方，导致河道形成减水河段，河流生态环境受到影响[1]。随着对生态环境保护的重视，在水电发开的同时需保持下泄一定的生态流量。目前计算河流生态需水量大致可分为水文学法、水力学法、栖息地法和整体分析法4类。广东省建有小水电站的山区河流，河床稳定，河道断面近似宽浅矩形，适合水力学湿周法。基于此，本文应用湿周法计算研究河流的最小生态需水量，并采用Tennnat法对计算结果进行检验，分析其合理性，以期为确定广东山区小水电站河流生态需水量研究提供一种思路。

1研究区域介绍

1.1研究区域概况

本研究以广东省博罗县象头山东江支流为研究对象，小金河位于广东省博罗县国家级自然保护区象头山境内，多年平均降雨量2357mm，属南亚热带湿润季风气候。小金河共建有7个梯级电站，其分布如图1，根据实地调研，本文选取小金河第四、五梯级坝后河段计算生态需水量。

1.2河道实测大断面

根据实地调查选择靠近水电站下游的较为规整的断面作为脱水河段的典型大断面，采用皮尺实测河道大断面，得到的典型断面如图1所示。由于缺乏河道比降资料，利用国际科学数据服务平台分辨率90m原始DEM生成河网计算研究断面的坡降。河床底质按EPA标准划分[3]，水电站河道两岸树林茂密，植被覆盖良好。根据河床底质和植被情况查《天然河道糙率（n）表》得河床糙率n值，水电站下游减水河段及实测典型断面基本情况如表1。

2广东典型山区河流生态需水量计算

2.1计算方法

湿周法[4]认为临界的河流栖息地是浅滩，当流量较小时，随着流量增加湿周增加速度较快，但当流量增加到一定值时，湿周增加速度变缓，与这湿周流量关系增长变化点相对应的流量即为河流最小生态流量。利用明渠均匀流公式计算河道流量，根据河道实测断面和计算的流量建立湿周-流量关系，将湿周流量关系拟合为对数函数或幂函数，再对拟合函数就行求导数，曲率最大的地方就是湿周流量关系增长变化点，传统确定增长变化点的方法有斜率1法和曲率最大值法[4]。

国内无资料地区径流计算常用方法主要有水文比拟法、径流系数法和水文模型法等。李致家等(2012)以湿润、半湿润、半干旱以及干旱地区的15个典型流域为研究对象，经分析径流系数法在湿润和半湿润地区的精度较高[5]。

广东省属于湿润地区，本文采用径流系数法估算研究断面的多年平均径流量。径流系数法基本表达式：

R=P×α（1）

式中：R为地面净水量(径流深)mm；P为实际降水量mm；α为径流系数。

2.2计算结果

根据实测大断面资料，假定不同的水深，利用明渠均匀流公式计算不同水深下对应的流量，建立不同水深对应的相对湿周和相对流量关系，分别拟合为对数函数和幂函数，如图2所示。拟合的各函数的决定系数R²均大于0.9，拟合精度比较高。

根据对数函数、幂函数拟合以及利用斜率1法和曲率最大法确定变化点所计算得到各断面的最小生态流量结果如表2所列。

小金河流域降雨量根据博罗县小金河水电发展有限公司提供该流域多年（1981-2010年）日降雨资料计算。王兆礼等利用东江流域博罗站和河源站1956-2005年50年的降雨、径流与气象资料研究表明，博罗站所控制的流域多年平均径流系数α为0.555[6]。根据各断面集雨面积、降雨量资料及径流系数，采用径流系数法推算各断面多年平均流量，最终计算结果如表1所列。

2.3估算结果合理性分析

利用Tennant法对本文估算的生态流量结果合理性进行检验分析，按照河道生态流量占该河道该多年平均径流量百分比，Tennant法将河道栖息地分为极好到极差6级[7]，具体的标准如表3所列。因为拟合函数以及变化点确定方法均具有一定的不确定性，各有所长，采用这四种方法组合的均值作为生态流量的最终计算结果，见表2，这样能确保各种方法所考虑的因子都占有一定的权重，减少误差。根据计算结果，湿周法估算的各河道断面生态流量与相对应的等级见表2，由表2可知：（1）同一研究断面，对数函数拟合湿周流量关系斜率1法确定变化点的计算结果最大，幂函拟合数斜率1法确定变化点的结果次之，对数函数拟合最大曲率法确定变化点的结果第三，幂函数拟合最大曲率法确定变化点的结果最小。（2）两个电站断面的生态流量均能使河道栖息地在汛期和非汛期达到最小以上的等级，表明河流生态系统能全年保持稳定不至于退化。（3）两个梯级电站断面所需的平均生态流量均小于对应断面的年平均径流量，即从自然水量角度上考虑，按文中计算的生态流量下泄具可行性。因此，从维持河流生态系统稳定和保护水生生物栖息地角度，湿周法所估算的河流生态流量是可行的。

3小结

通过流域DEM推算的河流集雨面积、河道坡降和通过中国气象科学数据共享服务网收集流域降雨等资料，结合径流系数法，利用湿周法无需实测径流资料即可估算河流生态需水量以及检验其合理性，解决了山区小型河流无实测资料的难题。计算结果表明湿周法估算的生态流量均能使河道栖息地在汛期和非汛期均达到最小以上的等级，即能满足维持水生栖息地稳定需求。本文应用结论是在广东地区的一条小河流应用而得到的结果，可以作为选取湿周法估算类似山区河道内最小生态需水量的参考结论，是否对广东其他流域典型断面成立，还需要进一步研究。

参考文献

[1]曹永强，倪广恒，胡和平.水利水电工程建设对生态环境的影响分析[J].人民黄河.2005(01):56-58.

[2]TBM,GerritsenJSBD.Rapidbioassessmentprotocolsforuseinstreamsandwadeableriver：preiphyton,benthicmacroinvertehratesandfish[M].Washington:DC:USEPA,1999.

[3]吉利娜，刘苏峡，吕宏兴，等.湿周法估算河道内最小生态需水量的理论分析[J].西北农林科技大学学报(自然科学版).2006(02):124-130.

[4]李致家，于莎莎，李巧玲，等.降雨-径流关系的区域规律[J].河海大学学报(自然科学版).2012(06):597-604.

[5]王兆礼，陈晓宏，杨涛.东江流域径流系数变化特征及影响因素分析[J].水电能源科学.2010(08):10-13.

[6]TennantDL.InstreamFlowRegimensforFish,Wildlife,RecreationandRelatedEnvironmentalResources[J].Fisheries.1976,1(4):6-10.