基于多方法的汾河干流中游生态流量计算.pdf

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:()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 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 从年内丰枯季节变化来看 蒙大拿法、改进蒙大拿法、法、法、频率曲线法、年内 展 布 法、逐 月 频 率 计 算 法、法、法、月流量变动法()都能较好地体现年内丰枯季节变化过程 法、法、最小月平均实测径流法、湿周法计算出的生态流量均为固定值 不能体现年内的季节变化从图 计算的生态流量计算结果可以看出 个断面在、月的生态流量都很小 但是在 月的时候 却出现了明显的增长 这是由于汾河流域在、月时处于冰冻期 径流本来就很少 但是在 月的时候 由于河水的融化 径流变得更大了且由于 月春季灌溉需水增大 导致 月流量的急剧增长 生态流量年内保障性分析本文用生态流量年内保障率作为生态流量年内保障性分析的依据 生态流量年内保障率是指各月份生态流量得到保障的年数占总年数的比值 通过计算得出 年兰村、汾河二坝、义棠及赵城断面生态流量年内保障率 并绘制成折线图如图 所示图 兰村断面生态流量年内保障率折线图由图 可以看出 兰村和汾河二坝断面在各个月份的生态流量保障率总体趋势是一致的 法测定的生态流量保障率是最高的 的保障率是其次的 这两个断面在、月的保障率都很低、月的保障率是最高的 其余月份的保障率都是波动变化 这是因为、月的气温都比较低 而、月的保障率是最高的 这 年第 期水利规划与设计水文水资源图 汾河二坝生态流量年内保障率折线图图 义棠断面生态流量年内保障率折线图图 赵城断面生态流量年内保障率折线图是因为、月河道结冰 河水的流量很少所以不能保证河流的径流量满足生态系统的需要同时因为要满足春灌要求 河水的径流量在 月增加 月是因为秋季灌溉的需要 导致了该段的实测径流增大 因此兰村和汾河二坝的、月该段的生态流量保障率较高 采用不同方法计算的兰村和汾河两个断面在非汛期的生态流量保障率相差不大 以 法计算的生态流量保障率在非汛期为最大 以逐月频率法计算的生态流量保障率最低由图 可以看出 义棠和赵城两个断面用不同方法计算出的生态流量保障率在各个月的变化趋势上是相似的 其中在义棠区域用 法计算出的生态流量保障率是最大的 其次是典型水文频度年法 最后是 法计算出的生态流量保障率是最小的 总体上表现为在汛期得到较高的保障在非汛期得到较低的保障 采用多种方法计算得到的赵城断面 月的保障率低于其他月份 是因为中游灌区春季灌溉取水过多 占据了一部分流量 从而造成了河流流量减少 在汛期 除了频率曲线法和 法之外 其余方法获得结果都很低 特别是在汛期的 月 这可能是由于水库在汛期大量蓄水 反而造成河道内水量的减少 不能满足河道维持生态环境功能的最少流量 各月份生态流量过程推荐根据汾河流域的具体条件 将其分为汛期(月)和非汛期(月和 月)两个阶段并将非汛期分为结冰期(、月)和一般用水期(月和 月)个断面各月计算的最终生态流量推荐值见表 根据汾河天然径流的特点 对 个断面用不同方法计算出的生态流量进行了保障分析 由于、月的河水流量都是很小的 所以只要考虑到能够保持河流生态系统稳定所需的最低水量就可以了 所以 建议生态流量的计算结果按照蒙大拿法的计算结果 在一般用水期 生态流量能为水生生物的存活创造有利的环境 建议使用最小月均实测径流的方法 但是在 月 个断面上 由于河水融化及兰村和赵城断面受到了春秋两季灌溉用水的影响较大 为了保持基本的生态系统稳定性 我们表 汾河干流中游断面各月份生态流量过程推荐值单位:/断面月份兰村 二坝 义棠 赵城 (下转第 页)设计施工水利规划与设计 年第 期沉降、内支撑轴力和临时立柱沉降的变化均在预警值范围以内()内支撑的布设可以有效地控制围护桩的倾覆和变形 开挖得越深 位于底部的支撑轴力会逐渐增大 但均未超出预警值 说明支护体系的选取具有一定合理性 其计算参数的选取也是相对合理的()影响立柱竖向位移的因素主要是基坑坑底的隆起与竖向荷载工作效应 而立柱的上抬或下沉引起围护结构的差异变形较大 容易导致支撑体系的失稳破坏()采用 软件对基坑开挖进行模拟所得模拟数据可以与监测数据进行对比分析 达到指导施工、反馈设计、避免出现工程事故的目的 为基坑工程的理论研究提供更全面、有效的数据支持参考文献 孙曦源 衡朝阳 周智 等.厦门地铁车站基坑施工诱发地表沉降的经验预测方法研究.土木工程学报():.林太清 章李乐 戴国强.水利工程基坑安全监测与工程实践.水利规划与设计():.徐江 龚维明 穆保岗 等.软土区某地铁深基坑施工过程数值模拟及现场监测.东南大学学报(自然科学版)():.顾翀.双侧基坑开挖对中间地铁隧道的影响研究.水利规划与设计():.祝建勋 杨春阳 罗正高 等.北京地铁地连墙基坑变形规律研究.都市快轨交通():.白学平.河湖相沉积软土地层地铁车站深基坑施工位移分析.城市轨道交通研究():.():.():.张尚根 袁正如.软土深基坑开挖地表沉降分析.地下空间与工程学报():.张光建 姚小波 胡瑾.地铁换乘车站基坑支撑轴力监测与数值模拟.岩土工程学报():.周勇 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回采料主要由导流洞、压力管道、地下厂房、尾水隧洞、尾水调压室等开挖洞渣 以及填筑围堰用的部分场内交通洞挖料供应 回采料集中堆存于木灰沟转存料场()开挖弃渣调运除了上述的前期场平用料、混凝土骨料回采有用料 本工程其它开挖料全部作为弃料处理根据工程渣场布置情况 进水口、缆机平台、水垫塘及二道坝、大坝基坑、部分场内交通工程等部位弃渣料和引水发电系统洞挖无用料等弃渣全部运 输 至 日 岗 沟 渣 场 弃 渣 总 量 约 万 渣场规划根据土石方调运规划成果 本工程共规划 处场地消纳工程渣料 在木灰沟内布置转存料场 个 同时在日岗沟内布置 个大型渣场 各渣场主要特性见表 表 渣场规划特性表单位:万 序号渣场名称容量最大堆渣量回采量最终堆存量前期低线系统场平拉最沟场平日衣场平木灰沟转存料场日岗沟渣场 合计 结语()牙根二级水电站施工总布置规划依据国家法律法规、方针政策和地方人民政府的有关规定进行 满足国家和行业现行技术标准的规定和要求()牙根二级水电站施工总布置规划设计紧密结合工程施工特点和施工条件 较好地满足了工程施工、质量安全、环境保护、水土保持、移民安置等要求 通过大量的研究形成推荐的施工总布置设计方案 为类似特高混凝土拱坝施工总布置提供了经验参考文献 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司.四川省雅砻江牙根二级水电站施工总布置规划专题报告.潘少华 杨学红 罗立哲.巴基斯坦卡洛特水电站施工总布置规划.水利水电快报 ():.张健 周顺田 张圣煌.泄洪洞衬砌混凝土施工期温控方案比选.水利规划与设计():.张超 陈世全 龙军飞 等.大渡河双江口水电站施工导流规划与设计.水利规划与设计():./.水电工程施工总布置设计规范./.水电工程施工组织设计规范.刘百兴 倪锦初 朱卫军.水利水电工程施工组织设计指南(第二版).北京:中国水利水电出版社.(上接第 页)黄康 李怀恩 成波 等.基于 方法的河流生态流量应用现状及改进思路.水资源与水工程学报():.高爽.渭河中下游生态流量确定及动态主题化评价研究.西安理工大学.冯颖璇 李怀恩 成波 等.基于改进 法的生态流量应用方法进展.人民珠江():.田沉 付兴涛.基于改进 法的汾河生态流量研究.水电能源科学():.():.:.():.王大双 邹进 刘磊 等.基于改进 法的云龙水库流域生态调度研究.水文():.江雪 蒋红霞 潘若云 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