河道内环境流量研究的改进湿周法：理论与实践成果

在第2章河道内环境流量评价法中已经对该方法进行了综合评述，下面介绍该方法在确定河道内最小环境流量中的具体应用步骤，包括以下4个步骤。

3.2.2.1　选择控制断面及典型计算时期

水文控制断面是联系河流形态因子和水文因子的载体。水文断面分析在河道流量和河道断面形态特点之间起到了桥梁枢纽的作用，为了确定在天然状态下，不同河道断面对应的河道最小生态流量，即临界流量，断面的选取应该遵循以下3个原则。

（1）典型性。选取能够代表所在河道的平均特性，较好地反映流域面积大小、河床基底组成、断面过水特性、河道断面类型、河道曲率、河流水沙特性等诸多要素，一般情况下，河流中下游水文断面能够满足研究要求。

（2）稳定性。水文控制断面的稳定性是河道最小生态流量计算的必要条件，稳定性具有两重含义，即河道断面几何形态的物理稳定性以及断面所表现出的水文内涵稳定性，如水位流量关系等。

（3）实用性。实用性主要是指能够突出反映河道流量与河道断面形态特性的关系，便于进行生态流量的机理分析，为计算河道最小生态流量提供便利条件。计算时期的选择一般情况都选择人类活动干扰较少的时期。

3.2.2.2　湿周流量关系的建立

湿周法计算的关键是要确定湿周流量关系，这可以先根据河道断面的断面资料确定水位湿周关系，并结合水文学中的水位流量关系即可确定湿周流量关系。

湿周流量关系曲线是河流断面几何形态、流量和水深的函数，只有建立了正确的湿周流量关系曲线，才能更合理地估算河道最小生态流量。根据曼宁公式和谢才公式（假设河流为明渠恒定均匀流）推导如下

可得湿周流量关系为

上二式中 Q——流量，m3/s；

n——糙率；

A——断面面积，m2；

R——水力半径，m；

S——水面比降；

P——湿周。

天然河道可以有相当不规则的几何形状，但它常可以用矩形、梯形、三角形以及抛物线形等断面来近似表达。不同河槽断面的几何因素见表3-2。根据不同河流断面形态，分析了具体湿周流量关系曲线，见表3-3。

表3-2　不同河槽断面的几何因素(www.xing528.com)

*适用于0≤ξ≤1，ξ=4h/B；若ξ

表3-3　不同河流断面的湿周流量关系

为消除确定变化点时坐标轴比例的影响，本节将流量和湿周无量纲化，分别取相对值Q′、P′即

根据不同河槽断面的湿周流量关系的分析，可知三角形断面以及抛物线形断面的湿周与流量呈现出幂函数关系；而矩形和梯形断面的湿周与流量呈现出对数关系，湿周流量关系可以按照这两种关系进行拟合。

3.2.2.3　变化点的确定

曲线上变化点的确定是进行最小环境流量计算的关键。在解析几何学上变化点被定义为：通过曲线某一点的切线，斜率在该点的一侧是增加的，而在该点的另一侧却是减少的。但是湿周流量关系曲线上却很难找到这样的点。一般认为，在湿周流量关系曲线某一点之上，流量的增加只会引起湿周细微的变化，那么这个点就是变化点，而且第一个变化点对应的流量就是最小环境流量。

目前湿周法的突变点选择大多凭肉眼观察，存在很大的主观性，而且，X、Y 坐标轴之间的比例对突变点影响很大。因此本节采用改进湿周法确定河道最小生态流量，使得求得结果更客观可信。改进湿周法主要采用斜率为1法和最大曲率法来确定变化点。

（1）斜率为1法，取湿周流量关系曲线上斜率为1的点为临界点，根据数学表达式为d P′/d Q′=1，可求得最小生态流量。

（2）最大曲率法，数学上曲率最大的点对应于曲率对流量的导数为零的点。湿周流量关系曲线曲率公式如下

对式（3-23）等号右边求导，可求得湿周流量关系曲线上的最大曲率，进而可计算最小环境流量。

3.2.2.4　计算结果分析

根据改进湿周法确定河流最小环境流量，最后计算结果的合理性分析很重要。现有的每种河流环境流量的计算方法都是针对特定的河流提出的，具有一定的局限性，改进湿周法也不例外。因此，最后都要采用其他方法对计算结果进行认真分析评价，以验证该方法的适用性和合理性，最终确定河流最小环境流量。