水力額定法確定樟溪河環(huán)境流量研究

劉中，彭瑞文，陳夢榮，龔峰景

(1.寧波市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院， 浙江 寧波 315012； 2.BMI研究中心， 北京 100085；3.浙江省寧波市水利設(shè)計(jì)院， 浙江 寧波 315000)

水力額定法確定樟溪河環(huán)境流量研究

劉中1，彭瑞文2，陳夢榮3，龔峰景1

(1.寧波市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院， 浙江 寧波 315012； 2.BMI研究中心， 北京 100085；3.浙江省寧波市水利設(shè)計(jì)院， 浙江 寧波 315000)

受樟溪河上游水資源開發(fā)強(qiáng)度的提高，皎口水庫下游的水流動(dòng)態(tài)發(fā)生變化，給其生態(tài)環(huán)境帶來風(fēng)險(xiǎn)。寧波市水資源與環(huán)境工程(2006年完工)的貸款方之一——世界銀行提出對(duì)下游的環(huán)境流量進(jìn)行調(diào)查研究并給出建議方案。月光魚(DistoechodonTumirostris)被選定為該生態(tài)系統(tǒng)的指示物種，因其對(duì)棲息地的要求最高并具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本文在受影響的下游河段(約長16 km)選取了6個(gè)不同的位置作為截面，實(shí)際測量河相參數(shù)。河道呈寬而淺的形狀，容易界定。半二維水力模型采用單流量階梯流速為指標(biāo)校準(zhǔn)后模擬了一定范圍的流速和排水量，并計(jì)算出濕周與排水量的關(guān)系，將濕周的拐點(diǎn)處確定為最小環(huán)境流量。這些值接近30%的多年平均水流量，即Tennant法的最佳棲息地標(biāo)準(zhǔn)。水力額定法較簡單常用，但沒有考慮到季節(jié)流量的變化，生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等方面的因素，如果與其他分析方法結(jié)合運(yùn)用可以更好地規(guī)劃環(huán)境流量。

環(huán)境流量；水力模型；濕周；排水量；關(guān)系

樟溪河位于中國浙江省，發(fā)源于四明山(最高峰高程979 m)，流經(jīng)寧波市附近的沿海平原。其總長為44.9 km，流域面積為168 km2。為提高流域水資源的開發(fā)強(qiáng)度和滿足寧波市的供水需要，在樟溪河上游擴(kuò)建周公宅水庫(2006年建設(shè)完工，位于皎口水庫上游15 km處)，導(dǎo)致下游水量減少，影響生態(tài)需水。水庫擴(kuò)建工程的貸款方——世界銀行要求并委托作者對(duì)樟溪河下游進(jìn)行環(huán)境流量的評(píng)估。經(jīng)過調(diào)查，本次研究的重點(diǎn)位于皎口水庫以下至與鄞江河的交匯點(diǎn)為止的樟溪河干流的下游河段，約長16 km。

環(huán)境流量的研究與應(yīng)用越來越受到全世界范圍的重視，成為水資源綜合管理的關(guān)鍵部分[1]。研究環(huán)境流量是通過確定水流的流量、時(shí)間和變化規(guī)律來維護(hù)或恢復(fù)河流系統(tǒng)的生態(tài)和地理形態(tài)可持續(xù)性的功能[2- 3]，但由于水文與生態(tài)系統(tǒng)在不同的空間與時(shí)間尺度上變化，建立在它們的關(guān)系上的研究運(yùn)用起來比較困難[4]。不斷有大量的科學(xué)研究顯示河流的流量模式對(duì)其生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性至關(guān)重要，他們普遍支持自然狀態(tài)下的流量模式[5- 7]。但越來越多的水庫與大壩被建造起來用于解決對(duì)水資源日益增長的需求，河流的自然狀態(tài)改變了。隨著流量模式包括水深、流速和河基等水利參數(shù)的改變，流域內(nèi)的動(dòng)植物受到直接或間接的影響，生態(tài)系統(tǒng)受到了不同程度的破壞[8- 10]。水力額定法主要是通過研究水力的幾何關(guān)系，設(shè)法確定下游水力條件的“臨界值”，進(jìn)一步了解河流的生物棲息地[11]。本文通過建立濕周(過水?dāng)嗝嫔虾硬郾凰鹘癫糠值闹荛L)與流量的關(guān)系曲線，由曲線上的臨界點(diǎn)確定最小生態(tài)需水量，即當(dāng)流量大于該臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量時(shí)，一個(gè)較大的流量變化只對(duì)應(yīng)一個(gè)較小的濕周變化，生物棲息地對(duì)流量的變化不敏感。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

本次研究中采用半二維模型針對(duì)無植被的河道，通過單一流量階梯速度的實(shí)際測量(現(xiàn)場數(shù)據(jù))來校準(zhǔn)[12- 13]。

流體移動(dòng)公式與穩(wěn)態(tài)均流的連續(xù)性等式結(jié)合得出：

(1)

對(duì)于直河道的均流，流向速度是主要的，深度平均動(dòng)量等式可寫作：

(2)

式中，d為深度平均后的值；τb為河床的剪應(yīng)力；S為河岸坡度，1∶S即垂直∶水平。

用湍流粘滯系數(shù)方法，深度平均等式可通過式(2)得出：

(3)

本次研究的河段位于皎口水庫以下至與鄞江河的交匯點(diǎn)，約長16km(以下稱“下樟溪河”)，排除人為設(shè)施和植被的影響，在直線河道選址六處分別進(jìn)行截面的實(shí)際測量。包括截面寬度(B)，水面寬度(b)，水深(H)和平均流速。在橫跨截面的等距離(至少)15個(gè)點(diǎn)處進(jìn)行了水深測量。通過這種方法，可以確定從左岸至右岸的整個(gè)截面的形狀。在測量水深的每個(gè)點(diǎn)也測量了流速。方法是在每個(gè)點(diǎn)測量3次，每次停留10s，分別在不同的水深處(0.2H、0.6H和0.8H)測量，取平均值。

通過代入河道截面的測量數(shù)據(jù)，河床坡度(相對(duì)于皎口水庫的出水口高度)，渦流黏度(采用標(biāo)準(zhǔn)公式，λ=0.068 3)，平流向Γ(河道直而寬闊，故可以忽略，假定為0)和局部摩擦系數(shù)f(由實(shí)際測量的流速計(jì)算得到，其他深度下的摩擦系數(shù)由線性趨勢取得)可以模擬在一定排水量下的水深與流速。然后，找出濕周和流量關(guān)系曲線上的“拐點(diǎn)”，斜率等于1時(shí)的排水量對(duì)應(yīng)最小生態(tài)需水量[14]。

2 結(jié)果與分析

6個(gè)截面的截面形態(tài)如圖1所示。河道形狀決定了截面面積、深度以及流速，并隨著排水量變化。這是由流量、地質(zhì)情況、氣候和外部作用力共同造成的。河道形狀的一種客觀測量可以通過河道寬度和高度之間的關(guān)系計(jì)算，被稱為“形狀系數(shù)”。當(dāng)形狀系數(shù)小于1時(shí)，河道為U形且寬度隨高度的變化較??；下樟溪河的形狀系數(shù)約為0.3。另外，最大河道深度和寬度的比例為0.08，也說明河道呈寬而淺的形狀。且下樟溪河的邊界清楚，兩岸陡峭，河床為矩形鵝卵石基質(zhì)，因此很適合用濕周與排水量的關(guān)系確定環(huán)境流量。

圖1 測量數(shù)據(jù)點(diǎn)的6個(gè)截面輪廓Fig.1 Cross-section outlines with data-points measured

由圖1可以看出，下樟溪河的斷面呈矩形，采用對(duì)數(shù)函數(shù)擬合，如圖2所示，分別計(jì)算出斜率等于1時(shí)對(duì)應(yīng)的流量，即濕周法常用的拐點(diǎn)，也就是說當(dāng)濕周超過這一臨界值后，河流流量的迅速增加只能引起濕周的微小變化。濕周與水生生物棲息地的有效性有直接聯(lián)系，這些拐點(diǎn)可以作為最小生態(tài)需水量的推薦值。6處截面對(duì)應(yīng)的最小需水量分別為2.27 m3/s(蜜巖)、1.42 m3/s(朱梅)、3.15 m3/s(天象)、5.23 m3/s(金溪)、5.27 m3/s(脈動(dòng))和 7.23 m3/s(馬灘)。由此看出，上游所需的排水量較下游小，受水庫泄流量影響最大。其中，金溪和馬灘截面是深水區(qū)，不適合采用濕周法估算流量，但可以為月光魚過冬所需流量的進(jìn)一步研究作參考；脈動(dòng)截面可能受到支流的影響，所以暫時(shí)不考慮。平均上游三處的最小需水量得到2.28 m3/s，作為下樟溪河的最小生態(tài)需水量被認(rèn)為是最為合適的，可供皎口水庫參考，作為其泄流量設(shè)定的依據(jù)之一。

圖2 各截面處的濕周與排水量關(guān)系Fig.2 Wetted perimeter discharge relations as re-scaled dimensionless values at the six cross-sections and the marked inflection points

3 結(jié)論

水力額定法假定河流形態(tài)與其流量情況平衡，因?yàn)樽匀涣鲃?dòng)的河水傾向于在主排水量和推移質(zhì)之間建立平衡，它的重點(diǎn)是維持河道中的水或河的“外觀”。雖然水力額定法能給出簡單直接的答案，并將自身的防護(hù)水平考慮在內(nèi)，河流形態(tài)與流量畢竟是一個(gè)變化和相互改變的過程。而且，為了和生態(tài)系統(tǒng)的狀況建立更密切的聯(lián)系，還應(yīng)綜合考慮濕周、深度和速度等因素。濕周法是其他環(huán)境流量分析方法的一種有價(jià)值的補(bǔ)充和參考[15- 16]，因?yàn)閮H僅在最低環(huán)境流量基礎(chǔ)上調(diào)整放流量的方案還不足以維持河流生態(tài)系統(tǒng)的完整。

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Research on Using Hydraulic Rating Method to Determine the Environmental Flow in the Zhangxi River

LIU Zhong1, PENG Rui-wen2, CHEN Meng-rong3, GONG Feng-jing1

(1.Ningbo Environmental Protection Scientific Research and Design Institute, Ningbo 315000, China;2.BMI Research Center, Beijing 100085, China; 3. Ningbo Water Conservation Designing Institute , Ningbo 315000, China)

Due to the increasing water resource development in the upper Zhangxi River, the flow regime of Jiaokou reservoir downstream has changed, bringing risks to its ecological environment. The World Bank, as one of the lenders of Ningbo City Water and Environment Project (completed in 2006), has commissioned Environmental Flow Assessment (EFA) as part of the impact assessment on downstream environmental flow. Based on the habitat survey and experts’s suggestion, the moonlight fish (DistoechodonTumirostris) has been selected as the indicator species in the ecosystem because its requirements for habitat are the highest and it also has high economic value. In this paper, the channel morphology and mean velocity are measured through six cross-sections along the lower Zhangxi River (about 16km). The river channel is wide and shallow, thus easy to define. The quasi 2D hydraulic model is calibrated to use the single stage velocity measurements, and it simulates to predict the stage-discharge and velocity at a range of flows. The wetted perimeter-discharge relations are then calculated for each cross-section, and the inflection points of the curves are indicated as the “threshold” environmental flow. This is similar to the 30% annual mean flow, i.e. ideal habitat standard in Tennant method. The hydraulic rating method doesn’t consider the seasonal flow changes or the ecological and social-economic aspects, so it can be improved by using other EFA methods together.

environmental flow; 2D hydraulic model; wetted perimeter; flow; relations

2014-11-20

劉中(1970—)，男，安徽懷遠(yuǎn)人，碩士，主要從事環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究，Email： 1059275581@qq.com

10.14068/j.ceia.2015.02.023

X143

A

2095-6444(2015)02-0085-03