河流合理流量计算方法的探讨

河流合理流量计算方法的探讨董福平周千生(浙江省水利研究所)摘要：新修订的中华人民共和国水法明确提出维持河流的合理流量，以保持河流的自然净化能力，分析比较多种计算方法，并对实际工作参考提出“河流合理流量”的意义和计算方法。关键词：河流合理流量计算方法一、提出问题(a)新修订的中华人民共和国水法明确表示，“必须保持河流的适宜流动”，对于吸引大量水的河流，保持多少河水的流动是合理的？这个问题值得探讨。河流随着四季的流动，洪水和积水的流动更加不同，洪水的流动容易破坏河流两侧的环境，但如果积水太多，则往往不能满足河流中某些生物的生存条件。河流生态环境的耗水量是河流系统中多种生物生存的物质基础，为了维持良好的生态环境，河流保持一定的数值大小的流量是必不可少的。例如，现在我省各地的各山都有中小河流，大部分建设了水力发电站，大大改变了河流原来的日流量变化规律，特别是一些引水式水电站确保了大的水流车，将河水截留到下游更长的距离，使大坝用地和发电工厂之间的干流流量大大减少，甚至断绝，自然生态环境遭到破坏，经常发生水灾纠纷。这种案例已经引起了很多关注，在水电站计划设计阶段，充分考虑河流的生态环境用水，证明分流流量的大小，同时认识到为了适应大坝下居民的生活、农业灌溉和区间生态环境的需要，维持河流的合理流向，维持河流生态环境的良性循环，水电站计划设计部门和水资源管理、环境保护部门必须掌握。另外，由于供水、灌溉等原因，河水大量阻塞、转换、消费、河流合理流量不足，难以维持正常的河流生态环境，影响人们的生活和生产环境。我们省的阜阳市发生了这种事。位于我省濮阳市水壶原河主干的地学水电站为径流发电站，集水区690 km2，电站设计转换流量20.4 m3/s，水头约15米，安装4x630 kw。主要水道上建了大坝，从坝址到发电厂未出口区形成了4.0公里的脱水区间。这一段附近有木石村和横加比村两个自然村，共有2300多人，耕地约380亩。水电站运营后，下游到达范围被切断的概率大大增加，一年大部分时间，下游脱水区间暴露了河床砾石，导致下游生态环境的破坏，造成了水荒。之后有关部门建议采用0.85 m3/s流量作为发电站下游河流的最小排放流量，以满足影响到达范围的生态环境的用水需求。从满足影响到达范围生态环境的水的角度来看，水电站需要多年保持河道的一定流量。我省许多河流直接流入东海，下游河口区大部分海水容易逆流而上，钱塘江、吴江等河流下游的生态环境都受到潮水的影响。其中钱塘江由于曹操现象，咸潮可以长达80公里到达杭州。海水入侵对杭州市供水和农业灌溉有很大的影响，杭州市工业生活用水的80%来自钱塘江，山羊价格在300PPM以下，钱塘江河口两岸有200万农田的灌溉用水也来自钱塘江，山羊价格在1200PPM以下。到了古水流或潮流季节，洪水期前后几天容易受到海水的威胁。2003年秋季杭州地区持续干燥天气，新安江水库水位下降到95米以下，钱塘江下游水位迅速下降。与此同时，每月初或月都是咸潮的高峰，钱塘江海水入侵严重，在取水口附近长期停留，以基川河为水源的九界、清泰、南星、赤山港等自来水厂，必须将水排出。11月7日和8日两天，珊瑚沙水库停止了累计流入27小时，市内不得不供应大面积的降压供水。加强新安江水库排水调度后才得到缓解。1978年秋天洪水的时候，咸潮的入侵对杭州人民的生活和工业农业生产造成了巨大的危害，杭州居民需要喝海水102天。在黄河流域，黄河水资源的大规模开发利用，上世纪90年代以来，黄河水资源供需矛盾加剧，下游频繁断流。黄河的第一次断交是在1972年以后的26年里，断了21年。其中黄河从1990年到1998年每年都被切断。最差的1997年截止时间为226天，截止范围为704公里，河口300多天流入没有水的海洋，仅山东省一个地方发生的损失就达135亿韩元。严峻的现实逐渐使我们认识到，要加强对大量水资源的综合管理，协调解决生活、生产、生态用水之间的关系。从1999年3月开始，对黄河进行了整个流域水资源的合理配置和统一调度，实行了计划用水使用、节水。已经连续三年实现黄河，在大旱年继续流下去，基本上保证了黄道市和农村居民的生活和生产用水，下游生态有了很大改善。90年代黄河每年断流，钱塘江咸潮入侵都说明水资源的合理利用，维持河川的合理流量已迫在眉睫。为此，新修订的中华人民共和国水法第28条指出：“任何单位或个人不得引水、截流、排水，损害公共利益和他人的合法权益。”第30条指出：“县级以上人民政府水资源管理厅、流域管理机关及其他有关部门开发、利用和调度水资源时，河流的合理流向和湖泊、水库、地下水的适宜性。”因此，选择、确定河流的合理流动具有很高的实效性，关系到水法的实施，关系到上下油水争端的避免，关系到整个流域经济协调发展。近年来，浙江省政府建议建设“生态区”，地方水资源管理局为实现“清水、软软、海岸绿色、京美”河流调控目标，建设“万里河”。这些目标都要善于恢复和保护下游河流的生态环境，必须保持河流的合理流向。(b)目前国际上还没有统一的河流内生态环境用水需求的测量和计算方法很少提到合理流量的计算方法。国内估算河流生态环境用水的最大方法是10年最干月平均流量法，地方水污染物排放标准的技术原则和方法 (GB 3839-83)规定，使用近10年来最干月平均流量或90%保证率最干月平均流量计算污染物的允许排放量。在外国，使用了河水湿周法、“R2CROSS”法、河流流量增加法、7Q10法、蒙大拿法等多种生态物需求估算方法。其中，美国的7Q10法适用于防止河流水质污染的计算，90%保证率最多连续7天采用平均水作为河流最小流量设计值，主要用于计算污染物允许排放量，并应用于许多大型水利项目建设的环境影响评价。蒙塔纳方法是基于水质目标的生态环境需水量计算方法，是基于河流流量推荐值预定年平均流量百分比的综合计算方法。请参阅下表。该法可以利用水文站的年平均流量计算生态环境需水量。在没有水文学资料的河流中，可用水文学分析和计算技术来取得。本法可用于估计河流生态环境的水需求，也可作为其他方法的一种。上述计算河流生态流量的多种方法无法解决河流的合理流量，特别是在计算污染物允许排放的方法中，河流的流量太少，不能满足合理流量的要求。二、河流合理流量的估算我认为合理的流量与生态的水需求不同，应该是在水位条件下流动的流动。河两岸的居民基本上可以满足生活用水、生产用水等条件，通常不包括洪流。对于水力结构(例如水电站)，流入的水大于适当的流量时必须保持此流量低，流入的水小于适当的流量时必须保持一定的流量流出，而由于水力结构的运行，河川的流量不能太小或中断。那么如何判断和计算河川的合理流向呢？为此，我们以人工影响较小的乌江流域的萨曼水文站和钱塘江流域双塔下水文站两个典型站的流速资料为样本，分析了河流的合理流向。萨曼莎水文学站流量测量区上方的流域是多山河流，集水面积1156 km2，日流量数据为1957-1993系列，共37年。双塔底水文站流量测量区以上流域为酸性河流，集水面积1561 km2，日流量数据为1957-2002系列，共46年。河流每年多次经过洪水过程，全年日平均流量。特别是对洪水的泛滥和后退部分进行了分析，结果表明，洪水后退曲线比较规则，曲线逐渐缓和，保持到洪水平息为止。我们调查了一年中大流量和小流量的发生天数不同，大流量比小流量发生的天数要少得多，共37年，双塔46年所有级别的流量发生天数(流量级别差异1 m3/s)。首先以沙弯为例，图1和表3分别是沙弯站各个级别的平均发生天数曲线图，如图所示，全年平均发生天数最多为19.6天，该流为4m3/s，19.6天是各级流平均发生天数相关曲线的分水岭，该点左侧随着日流的增加，平均发生天数不断增加。相反，随着点右侧日流量的增加，平均发生天数减少，点的左右曲线不对称，显示出明显的偏移分布，符合伽马分布规律。曲线的右半部分是向下趋势，以适应各种功能曲线(幕墙函数、指数函数、代数函数)，每个曲线表达式参数如下：(1)反向回归公式：Y=A B*1/XY=0.561 76.4*1/X (1)(2)指数回归公式：Y=A*eB*XY=16.4 * e-0.0443 * x (2)(3)代数回归公式：Y=A B*lnXY=27.43-6.66 * lnx (3)(4)平方回归公式：Y=A*XBY=142.28 * x-1.15 (4)表达式中发生Y天，X天流量其中，屏幕函数y=142.28 * x-1.15与此曲线的减少趋势很匹配(参见图3)，并且可以实现任何级别的流动数量与平均发生天数有很好的相关性。在X=16(m3/s)、Y=5.8(天)坐标点附近，实际桩号的连接坡率发生了很大的变化，连接高坡率更大，低坡率更小，更具渐进性平坦，日流量继续增加，但发生天数很少变化。将此坐标点视为日流量变化点流(16 m3/s)，称为临界流QL。临界流量使用以下方法确定连接顶部相关数据的线性回归：回归公式为：Y=-1.16X 24.36 (5)相关直线和曲线(y=142.28 * x-1.15)底部交点的坐标值X=16 (m3/s)，Y=5.8(天)为临界流量。为什么临界流附近的曲线会出现明显的转折点？大于临界流量QL的日流量是一年内发生机会不多的洪水流(包括洪水过程)，因此发生次数少，临界点以下的日流量是除洪水流以外的日流量，因此发生次数很多。根据沙湾站所有级别发生流量的发生天数，在小于临界流QL(16 m3/s)的所有级别上计算(阻塞流0除外)的加权平均值，沙弯站加权平均流QH，QH是河流(除洪水和断流外)的日流量平均值，与合理流的概念相对相似。基于这些想法，我们提出了计算适当流量的方法和程序。也就是说，使用多年的每日平均流量数据文件，通过计算机程序，计算一年一次消除洪水和断线的每日平均流量QRi总和和相应的数学平均QH，如下所示：QL QRi QD (6)QH=QRi/N(7)N=m * y (8)正在样式中：QL 临界流量(m3/s)QRi 每日流量(m3/s)QD 阻塞流(m3/s)，Q0=0QH 多年平均合理流量(m3/s)N 相当于QRi的总天数M 相当于一年中qry的天数Y 计算年度根据上述方法，沙湾站年均适宜流动量QH值为7.77m3/s。如图3(沙湾站1987年日流量通过线)所示，洪水退水过程的日平均流量一般在QH以上，这符合在一定水位条件下河水合理流动的概念。夏湾站合理流量QH与多年平均流量Q0 (44.7 m3/s)的比率为17.4%，夏湾站流量特性值见表5。图2和表4分别表示2塔底部站所有级别的平均年流量发生天数，如表4所示，全年平均发生天数最多为17.2天，该流量为2m3/s。对双塔数据进行了分析，结果表明，该站所有级别上与平均发生天数相关的曲线右半部分和幕墙函数y=41.7 * x-0.854配合得很好。连接向上相关数据的直线回归公式为：Y=0.695X 17.7 (9)曲线和直线下半部分相交的点的坐标值为X=21(m3/s)，Y=3.1(天)，它采用21 m3/s的临界流速，双塔的合理流速为QH=7.98 m3/s，合理流速为年平均流速()从1987年双塔的日流路径线(图4)可以看出，洪水增长过程都在合理的流QH之上，更合理，双塔的流特性值见表6。如表5和表6所示，夏湾站一年中大于或等于适当流量QH(7.77 m3/s)的天数正好为270天，全年天数的四分之三，大于或等于临界流量SQL (16m3/s)的天数为194天，超过全年天