河道与湖泊生态需水的计算方法

采用本书研究的径流与河床形态分析及生物空间最小需求法进行计算。由于最小非生物需水和最小生态需水的计算过程相近，因此，先计算最小非生物需水，再计算最小生态需水。

5.1.2.1 颍河最小非生物需水

研究的区域为生态问题突出的颍河中下游区，范围从周口水文站至阜阳水文站。研究断面为周口、界首、阜阳水文站断面，水文站基本情况见表5.1，位置如图5.2所示。

表5.1　周口、界首、阜阳水文站基本情况

图5.2　颍河、涡河水文站位置图

（1）周口水文站最小非生物需水。

1）水文站沿革、计算时段和计算断面选择。分析1966～1984年的断面图及水文站沿革，得知1978年水文站位置发生了变动，因此，将断面图分为1978年之前和之后两个时段，如图5.3所示。根据稳定性，对1978年之前进一步分为1966～1967年、1968年、1969～1977年三个时段。分别对1966～1967年、1968年、1969～1977年和1978年之后四个时段进行最小非生物流量计算。由于这四组断面稳定，因此，用1966年、1968年、1970年、1983年枯水断面作为计算断面，并分别代表1966～1967年、1968年、1969～1977年、1978～1984年的情况，如图5.4～图5.7所示。

2）建立水位与水面宽关系。对选用大断面，采用周口水文站实测数据，建立水位和水面宽关系图，并确定其突变点；采用周口水文站实测日均水位、日均流量建立水位关系线，见图5.8～图5.14。

图5.3　周口水文站1966～1984年断面图

图5.4　周口水文站1966～1967年断面图

图5.5　周口水文站1968年断面图

图5.6　周口水文站1969～1977年断面图

图5.7　周口水文站1981～1984年断面图

图5.8　周口水文站1966年水位与水面宽关系图

图5.9　周口1966年水位与流量关系图

图5.10　周口水文站1968年水位与水面宽关系图

图5.11　周口水文站1968年水位与流量关系图

图5.12　周口水文站1970年水位与水面宽关系图

图5.13　周口水文站1983年水位与水面宽关系图

图5.14　周口水文站1983年水位与流量关系图

3）最小非生物流量计算结果。从相应年份的水位流量关系线上读取突变点的相应流量，见表5.2。取各个非生物流量的最大值7m3/s为周口站最小非生物流量。

表5.2　周口站突变点及其相应流量表

（2）其他水文站断面最小非生物流量。采用和周口水文站断面相同的方法和步骤，计算的界首水文站断面最小非生物流量为7.5m3/s。由于阜阳水文站下游1950～1960年已经修拦河闸，其水位流量关系受到下游拦河闸等因素的严重影响，水位流量关系点据非常散乱，无法用水位查算流量，并且，研究的各个断面均处于颍河中下游，生态特征相近，因此，用周口、界首最小非生物流量所占天然流量的百分比（以下简称最小非生物流量百分比）推算阜阳的最小非生物流量百分比为5.3％，见表5.3。

表5.3　界首、阜阳最小非生物流量及其相应水力参数

（3）研究河段的河水和地下水关系。从2001年末淮北平原地下水埋深等值线图看，研究河段地下水埋深为1.0～4.0 m。而河道下切深度在11.5～17.5m，远大于地下水埋深，见表5.4。据此分析，现状枯季地下水补给河水。因此，各个断面的最小非生物流量不必考虑河水对区间地下水的补给问题。

表5.4　颍河中下游河道下切情况

5.1.2.2 涡河最小非生物需水

涡河是淮河第二大一级支流，是淮北地区跨豫、皖两省的骨干排水河道，发源于河南省开封市黄河南岸，流经河南省开封、尉氏、通许、太康、杞县、柘城、鹿邑县和安徽省亳州市谯城、涡阳、蒙城等县区，于怀远县汇入淮河，河道全长396km，流域面积15900km2，耕地97.3亿m2，总人口1266万人。

研究区域为生态问题突出的涡河中下游区，范围从亳县水文站至蒙城水文站。研究断面为亳县、涡阳、蒙城水文站，基本情况见表5.5。

表5.5　亳县、涡阳、蒙城水文站基本情况

（1）亳县水文站最小非生物需水。

1）水文站沿革、计算时段和计算断面选择。水文站沿革。亳县水文站1935～1938年基本断面位于亳县北关外大桥下游桥角附近，1950年7月设站时基本断面在亳县北关外姜桥下游1100m处，1951年6月1日起上迁至姜桥下游200m，1952年迁至姜桥下游500m处，1978年6月起断面迁至下游约15km大寺集处的亳县节制闸。由于1952年之前的水文资料可靠性不能保证，因此，采用1953年后的资料分析最小非生物流量。由于水文站在1978年向下游迁移了15km，因此，将资料分为1965～1977年和1979～1997年两段进行分析计算。其水文站实测河道断面图见图5.15和图5.16。

图5.15　亳县水文站1965～1978年大断面图

图5.16　亳县水文站1980～1996年大断面图

1965～1975年河道逐渐淤高。从1960年起，涡河上游开始引黄灌溉，含有泥沙的灌溉退水进入涡河。1960年在涡阳水文站下游60km处的涡阳县城处兴建涡阳闸。此闸的兴建，改变了河道的水力条件，亳县断面也受到一定影响。这段时间断面淤高的主要原因是引黄灌溉退水进入涡河与河道建闸。(www.xing528.com)

1978年水文站断面迁至亳县闸下游的人工河道上。1980～1996年的断面为人工河道断面。

综上所述，1953年后的断面分为三种情况：①20世纪50年代的天然情况。②1965年建闸初期情况。③1980年后的人工河道情况，用1953年代表人类干扰少的河道情况，1965年代表建闸对河道影响较少时期的河道情况，1996年代表人工河道情况。选用1953年、1965年和1996年资料分别进行计算突变点流量。

2）1953年计算。用涡阳水文站1953年实测资料建立流量与河道水面宽关系图，见图5.17。从图5.17和其他实测资料分析，流量和水面宽突变点在流量为1.93m3/s处，相应水面宽26m，平均流速0.23～0.31m/s，平均水深在0.28m左右。

图5.17　涡阳水文站1953年实测流量与水面宽关系图

3）1965年计算。用水文站实测大断面资料绘制水位—河道宽关系线，确定河道其突变点为24.74m，见图5.18。用1965年水位流量关系查算非生物流量为1.0m3/s，平均水深0.19m，面积5.4 m2。

图5.18　涡阳水文站1965年实测水位与水面宽关系图

4）1996年计算。用1996年水文站实测大断面资料建立水位与河道宽关系图，见图5.19。其关系线的突变点在26.57m。由于1996年亳县站水位流量关系受下游10km处的大寺闸严重影响，水位流量关系已经受人为控制，且水位流量点子散乱，无法用实测水位流量关系查算流量。为此，用满宁公式计算最小非生物流量。计算结果为：最小非生物流量2.97m3/s，水位26.57m。

图5.19　亳县水文站1996年水位和水面宽关系图

5）亳县水文站最小非生物流量结论。亳县水文站各个代表年份计算结果见表5.6，取各年最大值2.97m3/s为最小非生物流量。

表5.6　涡河亳县站最小非生物流量成果表

注　表中最小非生物流量百分比为最小非生物流量与多年平均天然流量之比。

（2）其他水文站最小非生物流量。由于涡阳站从1950年起水位流量关系受下游拦河闸影响，水位流量点子散乱，无法用实测水位流量关系查算流量。为此，用满宁公式计算最小非生物流量。1960年突变点水位21.14m，相应流量3.8m3/s。1990年突变点水位22.6m，相应流量3.6m3/s。取最大值3.6m3/s作为最小非生物流量。

由于1950年蒙城水文站断面已经受拦河闸影响，水位流量关系点据非常散乱，无法用水位查算流量。再者，各个断面均处于涡河中下游，生态特征相近，用亳县、涡阳最小非生物流量百分比推算蒙城的最小非生物流量百分比。蒙城最小非生物流量百分比为8.5％，相应流量4m3/s。

（3）研究河段河水与地下水关系。从2001年末淮北平原地下水埋深等值线图看，研究河段地下水埋深为2.5～4.5m。而河道下切深度在9～14.3m，远大于地下水埋深，见表5.7。现状枯季地下水补给河水。因此，各个断面的最小非生物流量不必考虑河水对区间地下水的补给问题。

表5.7　涡河河道下切情况

5.1.2.3 最小生态需水

采用生物空间最小需求法对最小生态需水进行估算。颍河与涡河为中型河流，鱼类需求的最小生存空间参数是水面宽率约60％～70％、断面平均水深约0.3m、最大水深约0.60m。颍河与涡河最小非生物流量计算结果见表5.8。从表5.8可知，最小非生物流量相应的水面宽率、平均水深和最大水深均能满足生物空间最小需求法的要求。因此，研究水文站断面最小非生物流量和最小生态流量相等。

表5.8　颍河与涡河最小非生物流量计算结果表

注　水面宽率为最小非生物流量相应水面宽与多年平均天然流量相应水面宽之比。

5.1.2.4 最小生态需水计算结果及特点分析

颍河与涡河最小生态需水计算结果见表5.8，对其特点分析如下。

（1）从最小生态流量相应的水面宽率分析。六个站的水面宽率范围55％～79％，平均69％，如图5.20所示。

图5.20　颍河与涡河最小生态流量水面宽率和面积关系

（2）从最小生态流量百分比分析。计算的最小生态流量百分比范围：5.3％～9.3％，平均7.2％，如图5.21所示。

图5.21　颍河、涡河最小生态流量百分数范围

（3）本研究结果表明，随着流域面积的增加，最小生态流量百分比减小，如图5.22所示。这表明，小河的生态风险比大河要大。

图5.22　颍河与涡河流域面积和最小生态流量百分比关系

（4）从颍河和涡河上下游断面的最小生态流量对比看，下游断面的最小生态流量大于上游，如图5.23所示。

5.1.2.5 最小生态流量地区经验公式

为了便捷地确定最小生态流量，试图建立地区经验公式。由于河流是一个连续体，上游和下游之间存在着密切的物理联系。因此，具有建立地区经验公式的物理基础。通过分析最小生态流量、最小生态流量百分比与流域面积、多年平均天然流量、多年平均降水量、多年平均径流深之间的关系，得出最小生态流量百分比与多年平均天然流量关系最好，采用此相关关系作为地区经验公式。用颍河与涡河中下游六个水文站断面的最小生态流量计算结果和相应多年平均天然流量建立一元线性相关关系，见图5.24。一元线性回归方程：

图5.23　颍河与涡河上下游最小生态流量关系

式中：x为断面多年平均天然流量，m3/s；y为最小生态流量百分比，％。

本回归方程式适用于颍河、涡河中下游地区，且控制流域面积在10000～40000km2之间河流断面。与颍河与涡河中下游地区相邻的地区，可以用该公式的计算结果进行参考。