基于多方法的汾河干流中游生态流量计算.pdf
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1、 年第 期水利规划与设计水文水资源:/基于多方法的汾河干流中游生态流量计算申 瑜(山西省水文水资源勘测总站 山西 太原)摘要:生态流量对维持河流生态环境健康、可持续发展具有重要意义 由于生态流量计算方法数量庞杂 不同种类方法之间差别较大 为确定适合于汾河的生态流量 文章以汾河干流中游兰村、汾河二坝、义棠和赵城断面作为研究对象 通过分析汾河中游在河道的水文、水力和水生态特征 选取 种具有代表性的方法计算比较 并进行年内保障性分析 最终确定了每个断面各月份生态流量推荐值及计算方法 为汾河流域的生态保护工作提供支撑关键词:生态流量 多方法 年内保障性分析 汾河干流中游中图分类号:文献标识码:文章编号
2、:()收稿日期:作者简介:申 瑜(年)女 高级工程师:在全球气候变化和区域社会经济迅猛发展的共同作用下 人类对水资源的利用情况加剧 且多用于工农业生产和生活用水 导致了河道内天然流量的降低 情况严重时 可能会出现河道断流 河道基本生态环境遭到了严重破坏 河流维持生态环境功能需要河道保持一定的水量 但又需开发利用水资源 河流生态环境保护与水资源利用之间存在矛盾 为平衡二者之间的关系 水利专家学者们提出了生态流量的概念 生态流量是维护河流基本形态和水生生物基本栖息地的河道内最小流量 生态流量的研究是实现河流生态环境健康、可持续发展的必要前提目前生态流量计算方法很多 在 世纪 年代末 美国率先在其西
3、部地区开展了对河流生态流量的评估 到了 年代 估算方法进入了快速发展的阶段 出现了各种类型的生态流量计算方法 年 提出将 的多年平均流量作为河流水生物可以生存的底限流量 年美国鱼类及水资源保护部门研究了一种适用于中小型栖息地的 法 该方法可以评价水资源的开发管理对河道内鱼类及生态系统的影响 可较好解决河道内最小需水量 年 国际环境大会上 法(以整体法为基础)受到重点推荐 并作为发展较好的整体法得到全世界广泛使用 国内河流生态流量计算方法多为改进的水文学及水力学方法 随后学者们根据自身经验及实验研究提出了很多新的生境模拟法和整体分析法的相关计算方法 林梦珂等基于渭河干流主要控制断面 提出了改进年
4、内展布法 除去多年河道月径流资料的最大最小值 分年内汛期和年内非汛期计算两个时段的同期均值比 得出计算年限内的综合生态流量徐伟等在利用传统水文方法进行生态流量推算时受到人为因素的干扰 导致观测到的径流序列值偏小 提出了一种改进的 法 阿金寰运用生态流量计算方法 法对倭肯河中下游进行生态需水量的计算 以中游倭肯水文站多年月径流数据为例 通过 法对倭肯河流域生态流量进行成果分析及结果优选 以探求 法在东北地区河流的适用性当前生态流量计算方法多种多样且多为国外引进 每一种计算方法法的适用性、侧重点和需要的数据类型都不同 计算结果也有较大差异 没有任何一种计算方法可以匹配所有的河流 单一的生态流量计算
5、法不能保证其精度与适应性的问题 因此在实际工作中应根据河流所处的区域位置 综合考虑生态保护的要求、河流生态系统结构和功能的特点等 采用多种生态流量计算方法 结合河流自身的生态环境确定最终生态流量取值 基于此 本文以汾河干流中游段为研究对象 分析了汾河中游河道水文特征和水力特征 选取了 种方法计算兰水文水资源水利规划与设计 年第 期村、汾河二坝、义棠和赵城 个典型断面的逐月生态流量 并对各方法计算结果进行年内保障性分析 最终确定每个断面各月份生态流量推荐值及计算方法 为汾河流域的生态保护工作提供支撑 研究流域概况起源于山西省宁武县管涔山的汾河 是山西省最大的河流 自北向南流经 个县(市、区)在万
6、荣县荣河镇庙前村汇入黄河 省境中部偏西地区为汾河流域 其整体呈现出不规则带状 从南到北全长 河道从东到西宽 流域面积 干流长 占山西省国土总面积的 汾河干流按河流特征可分为上、中、下游 部分 其中本文主要对中游段太原兰村至洪洞赵城的河流水系及生态流量情况进行具体研究及计算 中游全长 流域面积 属平原性河流 较大支流有潇河、文峪河、昌源河等 是全河防洪的重点河段 汾河流域为大陆性季风气候 春夏秋冬四季分明 中游降雨年 内 分 配 极 不 均 匀 多 年 平 均 降 水 量 为 其中约 集中在汛期、月 气温差异明显 多年平均气温约为 多年平均蒸发量约为 研究数据与方法 数据来源按照计算方法对数据的
7、要求 本文收集了汾河中游兰村、汾河二坝、义棠、赵城 个重点断面的 年月实测径流数据、日径流数据及各断面实测大断面资料 数据均来源于山西省水文水资源勘测总站、天然流量数据经实测流量还原得到 生态流量计算方法生态流量是基于算法导向的 计算方法大致可以划分为水文学法、水力学法、栖息地法和整体法 种 其中水文学方法具有计算简单快速、计算资料容易获取、无需现场测量等优点 但没有考虑流量、水质和水生生物等因素 未涉及水生态响应机理 计算结果不够精确 水力学方法的评价方式一般为水力参数 适用于稳定的河道 数据需求为水力数据 也相对易得 然而 该类方法的生态流量为一个定值 无法反映生态流量的年内、年际变化 也
8、无法反映水生物需水量的年内变化 生境模拟法在计算生态流量时充分考虑了生物生长环境和栖息地环境 计算结果更实用 但其所需的生物数据较缺乏 相关性分析较复杂 计算结果的准确性较低 整体分析法是考虑因素最多最全面的一类计算方法 其优势是能够兼顾各种生物、环境等对生态流量的需求 体现出了河道生态系统的整体特性 但不足之处在于需要大量的数据和多学科专家们的意见 很难实施不同类型的河流生态流量计算方法有其相应的应用领域 对应的基础资料也不同 其中生境模拟法和整体分析法所需资料较难获取 且计算时还需专业人员进行实地勘测、实验考察 因条件的限制 这两类方法更加适用于小流域 不适用于受人类影响较大 水污染较严重
9、 同时对于流域内水生物的生活阶段的研究还没有充分数据的河流 而水文学法和水力学法这两大类方法由于资料易获得、计算简单 所以被广泛地应用于生态流量的计算中 分析汾河中游在河道的水文、水力和水生态特征 水文特征:汾河属于中国北方大型常流河 河道径流量随着季节改变而改变 夏季流量大 冬季流量小 有结冰期 含沙量大 水力特征:该河段纵坡较缓 平均纵坡约 由于汇入支流多 径流量大 坡度缓 汛期排泄不畅水生态特征:研究河段为汾河中游 水生生物以鲤鱼、鲶鱼为代表 基于此 选用 种水文学法:蒙大拿法、改进蒙大拿法、法、法、法、频率曲线法、年内展布法、逐月频率计算法、法、最小月平均实测径流法、法、法和月流量变动
10、法()种水力学法湿周法 共 种方法计算汾河干流中游逐月生态流量 水文学方法水文学法出现最早并且应用最广泛 也称作历时流量法 该方法适合任何地区 只需要历史流量数据资料就可推求得到生态流量 评价方式一般为水文指标法 目前常用的水文学方法有蒙大拿法、法、法、法、法等 本文选用的水文学计算方法的适用性特征见表 水力学方法水力学法是以水力、水文资料为基础 依据河道水文参数与水力参数之间的相互关系 以曼宁公 年第 期水利规划与设计水文水资源表 水文学计算方法的适用性特征序号方法名称指标表达适用条件蒙大拿法多年平均流量 适用于大型常流河改进蒙大拿法典型年流量或月均流量 适用于大型河流频率曲线法频率下的流量
11、适用于北方河流年内展布法多年月均流量乘以天然径流过程的特征变量同期均值比适用于常流河最小月平均实测径流法最小月平均实测径流量多年平均值适用于常流河 法全年的平均流量适用于水量小且开发程度高河流 法平水年 保证率流量考虑干旱年、标准年和湿润年差别 法保证率的最枯月平均流量适用于中国河流 法以一定比例的中位数流量作为生态流量适用于常流河 法以年平均流量的 和月平均流量的 为标准确定流量多用于全球尺度生态流量核定可变月流量法()高、中、低流量月份分配平均月流量百分比适用于湖泊逐月频率计算法典型年不同保证率下径流量适用于大中型常流河 法保证率下月流量的特定百分率适用于大型河流式为基础公式 建立湿周与流
12、速、流量之间的相关关系 并绘出相应的相关关系图 从而得到生态流量 本文选用的水力学计算方法的适用性特征见表 表 水力学计算方法的适用性特征方法名称指标表达适用条件湿周法湿周 流量相关关系拐 点 或 湿 周 率 为对应流量适用于宽浅矩形渠道、抛物线型断面且河床形状稳定的河道 结果分析与讨论 不同方法计算结果对比为保证计算结果的准确性和实用性 更好地利用在水资源规划管理中 采用多种方法确定兰村、汾河二坝、义棠、赵城 个断面的生态流量 本文将生态流量的计算做到月尺度上 以兰村为例 利用以上 种方法计算得到的生态流量结果见表 同时绘制 种方法的生态流量计算结果曲线图如图 所示表 兰村断面生态流量计算结
13、果统计表单位:/计算方法蒙大拿法 改进蒙大拿法 法 法 法 频率曲线法 年内展布法 逐月频率计算法 法 最小月平均实测径流法 法 法 月流量变动法()湿周法 水文水资源水利规划与设计 年第 期图 兰村断面生态流量曲线图图 汾河二坝生态流量曲线图图 义棠断面生态流量曲线图图 赵城断面生态流量曲线图 将多种方法计算的 个断面逐月生态流量过程绘制成上图进行对比 结果表明:整体而言 个断面各种计算方法结果具有一定的相似性 其中逐月频率计算法的生态流量计算结果最大 法次之 兰村断面频率曲线法计算结果最小 汾河二坝、义棠、赵城断面频率曲线法计算结果最小逐月频率法计算的 个断面的生态流量在汛期大于其他方法
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