CN106383923A - 一种山区河道生态径流的计算及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种山区河道生态径流的计算及应用方法，针对山区中小型河流年内降水分配不均，枯水期来水不足，有限的生态径流无法满足宽浅河道河床的全覆盖及水流的连续性问题，首先利用Tennant法计算满足该河道生态系统基本需求的最小生态径流量，最小生态流量在非汛期很难覆盖整个河床并形成一定的水深，以最小生态流量作为设计流量，利用曼宁公式计算应下挖的主槽区河床的宽度和深度，在河道的主槽区按计算的宽度和深度挖河床。这种利用工程措施缩窄加深河道的措施，可使有限的生态径流在非汛期沿河道中心流淌，防止河道断流，保证河流水体的连续性，保障河道的生态流量，满足山区河流水生生物生存、繁衍的基本需求。

Description

一种山区河道生态径流的计算及应用方法

技术领域

本发明涉及一种山区河道生态径流的计算及应用方法，用于计算河流生态径流量并能通过工程措施加以应用和保障，特别涉及山区河道的河流生态径流量的计算与生态调度技术领域。

背景技术

计算和保证河道生态径流量，是水资源配置和生态调度的基础，是保护河流生态系统和功能的有效措施，国内外关于生态径流量的计算方法很多，如水文指数法(也称历史流量法)、水力学法、栖息地法、整体分析法等，不同的生态流量估算方法都有其适用条件和适用范围。对山区河道来说，由于降水的年内分布极不均匀，汛期河水陡涨易形成洪涝灾害，枯水季节水易断流，严重影响了河道水生生物的生存和繁衍。

为充分利用山区河道的水资源以及河道蕴含的巨大水能，山区河道的上游大多数都建有水电站用以供水和发电，但受发电效益的影响，水电站下游的河道生态径流很难得到保障。另外，山区河道在流经村庄和城镇的河段，处于汛期防洪的需求，往往加宽河道，加高防洪堤，这使非汛期有限的下泄流量很难覆盖整个河床，难以满足水生生物特别是游泳性鱼类生长所需的湿周和水深，河流常常出现断流的现象。山区河道比降大，水流速度快，使河道蓄水困难，有的河道在流经村、镇的河段建多级拦水坝或橡胶坝，蓄积河水，但坝下缺水断流，这种水流时有时无的山区河道很难支撑供养水生植物和动物。为保障山区河道水流的连续性，满足水生生物生长繁衍的基本条件，本发明提出一种山区河道生态径流的计算及应用方法。

发明内容

发明目的：针对山区中小型河流年内降水分配不均，枯水期来水不足，有限的生态径流无法满足宽浅河道河床的全覆盖及水流的连续性问题，提供一种山区河道生态径流的计算及应用方法，首先利用水文学方法(Tennant法)计算满足该河道生态系统基本需求的最小生态径流量，以最小生态流量作为设计流量，在河道的主槽区按一定的宽深比下挖河床，利用曼宁公式计算应下挖的主槽区河床的宽度和深度。这种利用工程措施缩窄加深河道的措施，可使有限的生态径流在非汛期沿河道中心流淌，防止河道断流，保证河流水体的连续性，保障河道的生态流量，满足山区河流水生生物生存、繁衍的基本需求。

技术方案：一种山区河道生态径流的计算及应用方法，利用Tennant法计算山区河道最小生态流量，通常为该河道多年平均天然径流量的10％，作为山区河道向下开挖形成中心主槽的设计流量，根据该设计流量，利用曼宁公式：

推导出式中：Q—为设计流量(m³/s)；A—为断面面积(m²)，R—为水力半径(m)；S—为比降；n—为糙率；h—为主槽水深；b—为渠道底宽；m—为边坡系数，根据梯形明渠水力最佳宽深比与边坡系数的对应关系，得出由此计算出要开挖河道主槽的底宽和深度。

山区河道，上游通常建有水电站，为了即满足生态需水，又能确保水电站的发电效益，用Tennant法计算的生态流量为最小生态流量，通常为该河道多年平均天然径流量的10％，作为开挖主槽的设计流量Q。

用Tennant法计算的最小生态流量Q在非汛期很难覆盖整个河床和形成一定的水深，利用开挖主槽的方法将水流缩窄至河道中心的位置流淌，而河道其余部分仍然如原河道。

要开挖的中心主槽设计为梯形，与其它形状相比，在相同的设计流量、渠道比降及衬砌材料条件下，梯形渠道具有开挖衬砌的土方量少、施工简单、快速经济等优点。

由曼宁公式和推导的算式确定主槽的尺寸时，在设计流量Q已知的条件下，梯形明渠水力最佳断面宽深比的值仅与边坡系数m有关，由此得出渠道底宽b和主槽水深h之间的关系。

利用曼宁公式计算主槽的尺寸，河道的比降S和糙率n是该河道的特征值。

计算的最小生态流量，能满足河道生物生存和繁衍的基本条件，在降雨季节当来水超过最小生态流量Q，水可漫过主槽，在原河道的滩地流淌，扩大湿周，为滩地的水生、湿生植物提供水源。因此，大于最小生态流量Q的径流，在满足防洪标准的前提下，仍能保障水生生态系统的生存和繁衍。

流经村庄和城镇的河段，河床浅宽，防洪堤高，河水覆盖整个河床困难，在主槽挖深河床，通过工程措施使水流缩窄至河道中心的位置流淌，河道其余部分如滩地和防洪堤依然保留，这样仍维持甚至是扩大了河流的防洪能力。

利用曼宁公式试算要开挖的河道主槽，其形状是梯形，底部是河床原有的卵石或砾石，两边的护坡材料为木桩或较大的卵石、砾石，以天然材料作为护坡材料，符合生态河道建设的理念，为生物生存和生物多样性的保护提供场所。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：能够保障山区河道非汛期水流的连续性和一定的水面宽度和深度，使河道宽浅河床上湿生和水生植物能够生长，使河道中心区域的主槽中鱼和其它游泳生物能够完成生长、产卵、育幼的生命过程，即保障了上游水电站的发电效益，又使有限的水资源能够满足河道的连续性，保护河道水生生态系统，以及优美的山区河道景观。由于该系统用最小生态流量作为设计流量，通过工程措施开挖主槽的河床，原河道和防洪堤仍然保留，仅非汛期河水在主河槽中流淌，汛期河水陡涨时，原河道的防洪效益得以保障，因此，河道的防洪能力得以维持甚至有所扩大。

附图说明

图1为本发明实施例的梯形中心主槽结构示意图；

图2为本发明实施例的梯形中心主槽开挖的底宽和深度示意图，其中，d为设计河道主槽断面水面宽度AD，h为设计河道主槽断面水面高度，b为设计河道主槽断面地面宽度BC。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

山区河道生态径流的计算及应用方法，针对山区中小型河流数量多、但控制的流域面积小、且地理位置较偏僻、通常缺乏常规的水文监测数据等条件，选择对数据资料要求较少，主要利用历史水文数据的Tennant法计算山区河道的生态流量，作为上游水电站生态调度的依据。考虑到既要保障上游水电站的发电效益又要满足下游河道水生生态系统对径流的基本需求，用Tennant法计算得出河流最小生态流量作为设计流量，通常为该河道多年平均天然径流量的10％，作为山区河道向下开挖形成中心主槽的设计流量。

由于山区河道坡降大，流速快，而在流经村庄和城镇的河段通常河道比较宽，人工改造痕迹明显，计算得出的最小生态流量在宽浅的河段也很难覆盖整个河床并保持一定的水深，满足游泳型生物、底栖生物的生存需求，因此，可通过在河道主槽区域向下开挖河床，形成梯形的中心主槽(图1)，非汛期使水在主槽中流淌，保证山区河流水的连续性，并达到一定的水深，为水生生物提供适生的水环境。梯形渠道具有开挖衬砌方量少、施工简单等优点，是水利工程引水明渠中使用较多的一种渠道形式。根据Tennant法计算的最小生态流量利用曼宁公式计算得出梯形中心主槽开挖的底宽和深度(如图2所示)。

具体计算过程如下：

河道主槽的设计断面尺寸大小主要取决于通过渠道的设计流量，根据曼宁公式：

$Q=n^{-1}{\mathrm{AR}}^{\frac{2}{3}}{S}^{\frac{1}{2}}---\left(1\right)$

(1)式中：Q—通过渠道的流量(m³/s)；A—断面面积(m²)；S—比降；n—糙率；

R—水力半径(m)

公式(1)中：

$A=\frac{1}{2}h(b+d)---\left(2\right)$

(2)式中：h—主槽水深(m)；b—渠道底宽(m)；d—水面宽度(m)

公式(2)中：

d＝b+2mh (3)

(3)式中：m—渠道的边坡系数，可根据河床的材质类型，查表1获取。

由此可得：

A＝h(b+mh) (4)

公式(1)中：

$R=\frac{A}{\mathrm{\χ}}---\left(5\right)$

χ—湿周(m)

梯形明渠水力最佳断面宽深比a的值仅与边坡系数m有关，即 则

将公式(4)、(6)代入(1)式则有：

$Q=n^{-1}A{\left(\frac{A}{\mathrm{\χ}}\right)}^{\frac{2}{3}}{S}^{\frac{1}{2}}=n^{-1}h(b+mh){\[\frac{h(b+mh)}{b+2h\sqrt{1+m^2}}\]}^{\frac{2}{3}}{s}^{\frac{1}{2}}---\left(7\right)$

表1挖方渠道最小边坡系数

按上述公式计算出的底宽、水深和水面宽，在宽浅的河床上向下开挖梯形河道主槽，底部是河床原有的卵石或砾石，两边的护坡用木桩固定或用较大的卵石、砾石浆砌形成，以天然材料作为护坡材料，符合生态河道建设的理念。

以曼宁公式计算得到的梯形渠道尺寸为依据，在因河道过宽而导致枯水期频繁断流的河段中心人工开挖，构建基于生态径流的梯形主槽，满足由于天然来水不足及因引水发电等水资源配置紧张时段河道水流的连续性，保证水生生物的生存繁衍。

实施例1

枫林港是一条山溪性河流，发源于淳安县西南的千里岗山脉，上游有铜山溪与白马溪两条支流，在铜山汇合后注入枫树岭水库。水库坝下河段为枫林港，流经枫树岭镇、大墅镇后汇入千岛湖。枫林港流域面积285km²，主流长43.2km，河床坡降为2.39‰。多年平均降雨量1980mm，径流深1200mm，径流量3.21亿m³，多年平均流量8.25m³/s。枫林港属中小型山区性河流，主降水期洪水暴涨暴落，洪水宣泄较快，在经过村庄和城镇的河段是人为拓宽的泄洪通道，其余河段为自然河道。非汛期河道滩石裸露，水面覆盖率低，河道断流情况突出，鱼类无法上行下溯，进行正常的生存繁殖活动。该流域上游为浙西地区暴雨中心，水能资源丰富，现有主要水利设施为枫树岭水库，为当地防洪调蓄、水力发电起到了重要作用。与此同时，水库截留与调度改变了天然来水的水文过程，河流的连续性遭到破坏，水库下游由原来的常年性河流逐渐变为季节性河流，生境破坏、生物多样性下降以及景观环境退化等问题日益突出。

为改善河道水环境，保护山区河流水生生态系统，合理计算河道生态径流量并能确保生态调度的实施，是科学配置水能资源的关键。由于生态需水与发电用水之间相互矛盾，为兼顾水电站的发电效益，利用Tennant法计算河道最小生态流量，作为该河流水生生物生存繁衍的最基本条件。根据当地水文历史资料，枫林港多年平均天然径流量为8.25m³/s，则河流最小生态流量为0.83m³/s，该下泄流量条件下，能最大程度地保证水库的发电用水，将生态用水对经济效益的影响降到最低。

以0.83m³/s径流量作为设计流量Q，计算需要开挖枫林港河道中心主槽的宽度和深度，枫林港河床主要为夹砂层卵石和砾石质，参照表1，确定一般用水期的边坡系数m为1.25，根据边坡系数计算得到河道的最优宽深比为0.7，已知枫林港河道平均比降S为0.00239，糙率n为0.035，将已知参数值带入公式 得到设计水深h为0.74m，主槽渠道底宽为0.52m，水面宽度为2.37m。考虑风浪影响，以及游泳性生物活动的需求，可将渠道断面深设置为1m左右，底宽0.52m。

自枫树岭水库坝址向下枫林港河道宽度在40.5-64.5m范围内，在枯水期水资源紧张的条件下，水库按0.83m³/s下泄的水量，不能覆盖整个河床并维持一定的水深，来满足水生生物生长的需求，但通过在河道中心区域开挖深度为1m，底宽0.52m的梯形主槽，将水流束缚在主槽中流淌，即保持了水体的连续性，防止断流，又可以形成1m左右的水深，满足山区河道土著鱼类生存的水流条件。这种通过Tennant计算河道生态流量，以此设计并开挖河道主槽的方式即保障了发电效益，提供了下游水生生物生长繁衍所需的水流条件，又不影响河道的行洪能力。

Claims (3)

1.一种山区河道生态径流的计算及应用方法，其特征在于：首先利用Tennant法计算满足该河道生态系统基本需求的最小生态径流量，最小生态流量在非汛期很难覆盖整个河床和形成一定的水深，以最小生态流量作为设计流量，通过开挖主槽的方法将水流缩窄至河道中心的位置流淌，利用曼宁公式计算应下挖的主槽区河床的底宽和深度，在河道的主槽区按计算的底宽和深度挖河床。

2.如权利要求1所述的山区河道生态径流的计算及应用方法，其特征在于：河道主槽的设计断面尺寸大小主要取决于通过渠道的设计流量，根据曼宁公式：

$Q=n^{-1}{\mathrm{AR}}^{\frac{2}{3}}{S}^{\frac{1}{2}}---\left(1\right)$

(1)式中：Q—通过渠道的流量(m³/s)；A—断面面积(m²)；S—比降；n—糙率；R—水力半径(m)

公式(1)中：

$A=\frac{1}{2}h(b+d)---\left(2\right)$

(2)式中：h—主槽水深(m)；b—渠道底宽(m)；d—水面宽度(m)

公式(2)中：

d＝b+2mh (3)

(3)式中：m—渠道的边坡系数；

由此可得：

A＝h(b+mh) (4)

公式(1)中：

$R=\frac{A}{\mathrm{\χ}}---\left(5\right)$

χ—湿周(m)

梯形明渠水力最佳断面宽深比a的值仅与边坡系数m有关，即 则

将公式(4)、(6)代入(1)式则有：

$Q=n^{-1}A{\left(\frac{A}{\mathrm{\χ}}\right)}^{\frac{2}{3}}{S}^{\frac{1}{2}}=n^{-1}h(b+mh){\[\frac{h(b+mh)}{b+2h\sqrt{1+m^2}}\]}^{\frac{2}{3}}{s}^{\frac{1}{2}}---\left(7\right)$

由此计算出要开挖河道主槽的底宽和深度。

3.如权利要求1或2所述的山区河道生态径流的计算及应用方法，其特征在于：河道主槽为梯形，底部是河床原有的卵石或砾石，两边的护坡材料为木桩或卵石、砾石。