不同类型河流水系生态环境需水量参考阈值见表1－3。河流水系生态环境需水量参考阈值，可供水资源调查评价、水资源综合规划和较宏观尺度的专业规划，对河流水系生态环境用水和经济社会用水统筹安排和调配时参考使用。大中型水工程设计和调度管理，由于对生态环境需水工作深度要求较高，一般通过实际计算求得，并与参考值对照比较。表1－4分区生态基流和基本生态流量参考范围根据工程调控能力，分为强、弱调节能力河流。......
2023-06-27
生态需水计算方法之拐点法
【摘要】：河流生态流量主要根据生态需水量进行推求，一般将生态需水计算方法分成四类：水文指标法、水力定额法、栖息地定额法和整体分析法。根据北方季节性断流河流，并考虑到国内资料不足的实际，总结已有生态流量方法的特点，结合生态需水计算中常用的R2CROSS法和湿周法各自优点提出拐点法，属于水力学方法范畴。在该关系曲线中，其临界点的流量就是维持浅滩的最小生态需水量，它表征在该处流量减少较小时湿周的减少会显著增大。
河流生态流量主要根据生态需水量进行推求，一般将生态需水计算方法分成四类：水文指标法、水力定额法、栖息地定额法和整体分析法。根据北方季节性断流河流，并考虑到国内资料不足的实际，总结已有生态流量方法的特点，结合生态需水计算中常用的R2CROSS法和湿周法各自优点提出拐点法，属于水力学方法范畴。
1.拐点法依据
拐点法是一种归纳综合了R2CROSS法和湿周法的优点的一种方法。
R2CROSS法是由科罗拉多水利委员会开发，属中等标准设定法。该法选择特定的浅滩水生无脊椎动物和一些重要的鱼类繁殖栖息地。通过其假定临界流量可以满足此地生物生存的需求，得到的流量必然可以满足相应栖息地的需求。结合水力学方法等，河道流量由河道的平均水深、湿周率和平均流速确定（杨立彬，2007）。
湿周法是基于野外测流方法计算最小的生态需水量的最简单的方法，假定是既能好好地保护临界区域水生物栖息地的湿周，又能给非临界区域的栖息地充足的保护。利用湿周法来计算栖息地的最小生态需水量，必须构建浅滩湿周和流量的关系曲线。在该关系曲线中，其临界点的流量就是维持浅滩的最小生态需水量，它表征在该处流量减少较小时湿周的减少会显著增大。
参照R2CROSS法，一条河流的最小生态流量可以根据特定浅滩来寻求，而按照湿周法的原理，只要找到河流湿周变化的临界点，就可以认为找到了特定浅滩的位置所在；反过来，只要判断出河流湿周变化的临界点，就可以按照河流形态推求出对应的最小生态流量（钟华平，2006）。河道横断面的起伏导致了河流湿周的变化，这样，从河底延伸到河岸两侧，第一个出现的河床变化拐点则是河流湿周变化的临界点。
不同径流量的长期影响会导致河流在一段时期内会出现一定的横断面形态，同时，称之为拐点的地方是河岸与河床底部之间不小于1个的坡度突变点，如图4-2-1所示。
从中我们可以看出，以拐点所对应的流量为分界线，河道流量大于此值的地方，大流量变化对应小宽度变化；河道流量小于此值的地方，小流量变化则会引起大河宽变化。依据湿周法、R2CROSS法的原理可以看出拐点的生态学意义，即生物的生境小于拐点流量时，其变化非常敏感，相反，则非常不敏感。因而，拐点处所对应的流量就是保证河流正常生态功能实现的最小值，此值就是最小生态流量。该突变点的数学意义即以流量为自变量的流量—水面宽关系函数一阶导数的最大值，在此处的二阶导数值是零，也是二阶导数为零，如图4-2-2所示。流量与河宽关系线突变点的关系式为：
图4-2-1 典型河形的河床概化图
图4-2-2 河道断面流量和水面宽变化率关系示意图
式中 a、b——与多年平均流量相比较小的一个正数，m。
3.水面宽与流量的关系
拐点法的核心在于利用河流横断面与河底最临近的拐点来计算出最小生态流量。拐点对应的水面宽是最直观的参数，因而，水面宽—流量关系对于计算很重要。径流与河床子系统最重要特征指标是水面宽、水深、流速。水面宽通过与水深、流速的对应关系确定，继而就可以得到相应的水深和流速。同时、河流环境功能与水面宽密切相关，例如娱乐、休闲、旅游等均需要特定的水面宽保证。故水面宽这一指标具有双重功效，既是径流与河床子系统的指标，又是河道生态系统非生物环境的指标。因此，流量—水面宽关系就可以作为径流—河床关系的简化。
依据径流—河道的关系式推求水面宽与流量。因为河床地貌的多样性是径流与河道相作用形成的，因而径流—河床关系就是水流、悬移质泥沙、推移质泥沙与河床相互作用的关系。水流连续方程、水流动量方程、悬移质泥沙的紊动扩散方程以及河床变形方程均为描述径流—河床关系的数学方程。
其中，水流连续方程：
水流动量方程：
式中 H——垂线水深；
h——水位；
u、v——x方向（沿水流）、y方向（沿河宽）的垂线平均流速；
g——重力加速度；
c——阻力系数；
vt——紊动黏性系数。
悬移质泥沙紊动扩散方程：
式中 α——泥沙恢复饱和系数；
ω——泥沙的沉速；
S、S*——含沙量及水流挟沙力。
河床变形方程为：
式中 Zb——河床高程；
——泥沙淤积物干容重；
gbx、gby——x方向和y方向上的单宽推移质输沙率。
通过求解四个方程，就能计算出径流——河床关系，二维水泥沙方程组则由于资料的限制导致求解困难。为了让计算更简单，对二维方程在y向上积分，同时根据明渠均匀流、天然河道渐变流简化，从而就能计算出水面宽—流量的关系。
式中 V——断面平均流速；
B——水面宽；
H——断面平均水深；
n——糙率；
X——湿周；
F——断面过水面积；
J——河道纵比降。
4.拐点法计算步骤
拐点法按以下步骤进行求解（钟华平，2006）。
步骤1：根据实测断面资料，读取水面宽B、断面面积A、湿周χ等基本河道数据，计算水力半径R，
步骤2：根据河流的纵剖面资料，推求河流的水力坡降i。
步骤3：确定河道不同断面的糙率n。
步骤4：根据谢才公式，计算平均断面平均流速v，
步骤5：计算过水断面流量Q，Q=v A。
步骤6：对不同断面以水深Δh=0.1m为单位，由最低点开始重复步骤1—步骤5，可得出不同断面的水位—流量（h—Q）关系以及水面宽—流量（B—Q）流量关系曲线。
步骤7：根据B—Q曲线，利用拐点法确定断面生态流量、生态水深等指标。
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