基于生態(tài)水力半徑法的武江流域生態(tài)流量研究

高雪山，劉樹鋒，賈建輝，關 帥

(1.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2.廣東省水利廳，廣東 廣州 510635；3.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510610)

1 研究背景

廣東省小型水利工程數(shù)量較多，僅小型水電站就有9 847座，約占全國小水電站總數(shù)的21%。水利工程在發(fā)揮防洪、供水、灌溉等社會效益的同時，受開發(fā)理念、技術、資金等因素制約，不可避免地會對河流的水環(huán)境、水動力甚至水溫等產(chǎn)生影響[1-3]，主要表現(xiàn)在：一是改變河流水文特征，局部河段減水脫流，影響河流生態(tài)和下游生產(chǎn)生活用水[4]；二是閘壩形成阻隔，破壞河流連通性，影響洄游魚類等水生生物生境[5]。部分小水電在實際運行中片面強調(diào)經(jīng)濟效益，造成下游河段時常脫水，尤其是來水較少的枯水期，電站的攔水或引水發(fā)電，常造成數(shù)周甚至數(shù)月的斷流，對下游河道的生態(tài)環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重的破壞。國務院印發(fā)的《水污染防治行動計劃》明確提出“科學確定生態(tài)流量，維持河湖基本生態(tài)用水需求，重點保障枯水期生態(tài)基流”，因此如何滿足下游河道的生態(tài)流量已成為亟待解決的課題[6-9]。

目前生態(tài)流量的研究方法較多，據(jù)不完全統(tǒng)計，全球生態(tài)流量計算方法已超過200種[10-12]，按計算原理可概括為：水文學法、水力學法、棲息地法、整體分析法等4類[13-15]，不同的方法計算出的生態(tài)流量計算結果相差較大，且各種方法均存在各自的局限和不足[16]。水文學法操作簡單但缺乏對生物需求的關注；水力學法體現(xiàn)不出季節(jié)性，同時該方法假定河道在時間尺度上是穩(wěn)定的，并且所選擇的橫斷面能夠確切地表征整個河道的特征，而實際上并非如此[17]；棲息地法需要大量的人力物力，操作復雜；整體分析法缺乏物種對水量和水質需求的關注，且現(xiàn)有的數(shù)據(jù)一般難以滿足計算需要。生態(tài)水力半徑法[18-21]克服了這些方法的不足，賦予過水斷面生態(tài)學的意義，通過建立斷面面積、斷面水位等與生態(tài)水力半徑的關系，利用曼寧公式計算出河道的生態(tài)需水量，計算結果綜合反映了水生生物需求和河道斷面信息，但其在南方河流中目前仍鮮有應用。

鑒于此，本文采用生態(tài)水力半徑法，選取北江上游的武江支流為試點，對生態(tài)水力半徑法計算生態(tài)流量的過程進行實例分析，以期對珠江流域生態(tài)需水的研究提供一種新的思路與研究視角。

2 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)域概況

武江[22]是北江流域的一級支流，位于東經(jīng)112°23′～113°36′，北緯24°46′～25°41′之間。武江發(fā)源于湖南省三峰嶺，于韶關市區(qū)沙洲尾匯入北江，全長260 km。武江河在廣東境內(nèi)共有7個梯級，分別為樂昌峽水庫、張灘電站、富灣電站、長安電站、七星墩電站、塘頭電站與靖村電站。研究區(qū)域概況和水文站分布見圖1。

北江特有珍稀魚類省級自然保護區(qū)的核心區(qū)位于樂昌峽下游的武江河上，保護區(qū)對象為北江特有的、珍稀的、瀕危魚類和主要經(jīng)濟魚類及其棲息地，武江河上各梯級水利工程應重點保障魚類自然保護區(qū)的需求。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文從《中華人民共和國水文年鑒-珠江流域水文資料(北江區(qū))》及廣東省水文局等部門收集了武江犁市水文站點1956年至2016年共61年的逐月流量資料與2016年的實測大斷面資料[23]。犁市水文站位于北江特有珍稀魚類省級自然保護區(qū)核心區(qū)內(nèi)，是武江上的控制性站點，設立于1955年4月，于1979年1月向下游左岸600 m處遷移，改稱犁市(二)站。

圖1 研究區(qū)域概況和水文站位置

3 研究方法

(1)

由此可見，只要根據(jù)不同的保護目標確定出對應條件下的生態(tài)流速值，計算出的生態(tài)水力半徑就反映了水生生物需求和河道斷面的綜合信息，進而推求得到的生態(tài)流量就具備了生態(tài)學與水力學的綜合意義。

4 結果分析與討論

4.1 確定R-A、R-Z關系

根據(jù)水文年鑒中實測的斷面資料，繪制犁市(二)站2016年實測的大斷面，大斷面示意圖見圖2。

利用最小二乘法分別擬合不同水位(Z)和過水面積(A)與水力半徑(R)的關系，可以得到R-A、R-Z關系曲線，結果見圖3。由圖3可以看出，犁市(二)站的R-A與R-Z擬合關系均較好，相關系數(shù)均在0.99以上。

4.2 確定生態(tài)流速

北江特有珍稀魚類省級自然保護區(qū)內(nèi)魚類共有97種，隸屬于8目，16科，80屬。保護區(qū)內(nèi)主要有產(chǎn)漂流性卵、產(chǎn)草屬性卵、產(chǎn)黏沉性卵與產(chǎn)石隙隱藏性卵等4類魚類產(chǎn)卵場[26]。其中：(1)產(chǎn)漂流性卵的時間為4-6月，產(chǎn)卵水流0.3 m/s以上；(2)產(chǎn)草屬性卵的為犁市產(chǎn)卵場和黃田壩產(chǎn)卵場；(3)產(chǎn)黏沉性卵的季節(jié)為5-7月份，水流0.3 m/s以上；(4)產(chǎn)石隙隱藏性卵的季節(jié)為5-8月份，水流緩慢。

圖2 2016年武江犁市(二)站實測大斷面

圖3 武江犁市(二)站R-A與R-Z曲線擬合效果圖

選取保護區(qū)內(nèi)珍稀魚類和重要緊急魚類中的赤眼鱒為代表魚類。根據(jù)魚類的生活習性，赤眼鱒在越冬期、產(chǎn)卵期和肥育期有不同的喜好流速，其中越冬期和肥育期流速需求較低；產(chǎn)卵期對水流變化敏感，需要流量脈沖、高流量及漫灘流量等水文過程來促進產(chǎn)卵。

根據(jù)水利部南京水利科學研究所編著的《魚道》[27]，赤眼鱒各月份喜好流速見表1。

表1 赤眼鱒喜好流速[27]

由表1可以看出赤眼鱒越冬期對流速要求較低，可將魚類的感應流速0.2 m/s作為越冬期流速下限，越冬期于3月下旬結束，魚類對流速需求逐漸增大。4月下旬至8月上旬為繁殖季節(jié)，其中6-7月為盛產(chǎn)期，產(chǎn)卵對流速要求高，其產(chǎn)卵場平均流速通常為0.5～0.6 m/s。6、7月為赤眼鱒產(chǎn)卵旺季，流速的需求于6月達到最大，為0.66 m/s，7月底產(chǎn)卵期臨近結束，所需流速降至0.5 m/s。8月份赤眼鱒進入肥育季節(jié)，對流速需求有所降低，流速范圍為0.3～0.4 m/s。

4.3 確定生態(tài)水力半徑與生態(tài)流量

根據(jù)2016年水文年鑒中的實測資料，犁市(二)站的糙率n定為0.039，河道坡度J定為0.154‰，根據(jù)公式(1)，結合表1中赤眼鱒各月份喜好的流速值，可計算出各月份對應的生態(tài)水力半徑，計算結果見表2。

根據(jù)公式(1)，結合R-A關系曲線，可計算得到河道內(nèi)生態(tài)流量。

(2)

式中：Q生態(tài)為河道生態(tài)流量，m3/s；R生態(tài)為生態(tài)水力半徑，m；A為河道過水斷面面積，m2。

生態(tài)水位是指生態(tài)流量所對應的河流水位，在指導水庫、電站等水利工程基于生態(tài)流量保障的調(diào)度方面，生態(tài)水位往往比生態(tài)流量的數(shù)值更具有指導意義。根據(jù)生態(tài)水力半徑，結合R-Z關系，可計算得到生態(tài)流量對應條件下的生態(tài)水位，計算結果見表2。

表2 各月份生態(tài)水力半徑法計算結果

4.4 討論

為了對生態(tài)水力半徑法計算生態(tài)流量的結果進行評估，本文同時采用Tennant法[28]對犁市(二)站不同月份的生態(tài)流量進行計算，計算結果見表3。將兩種方法的計算結果進行對比分析，比較結果見圖4。

表3 Tennant法計算生態(tài)流量

由圖4可知，12-次年2月份，生態(tài)水力半徑法的計算結果略小于Tennant法標準的“最小”標準；3、8、10和11月份，生態(tài)水力半徑法的計算結果位于Tennant法標準的“中”與“好”之間；4和7月份，生態(tài)水力半徑法的計算結果位于Tennant法標準的“非常好”與“極好”之間；5月份生態(tài)水力半徑法的計算結果位于Tennant法標準的“極好”與“最佳”之間；6月份生態(tài)水力半徑法的計算結果位于Tennant法標準的“最佳”與“最大”之間；9月份生態(tài)水力半徑法的計算結果位于Tennant法標準的“最小”與“中”之間。可以看出采用生態(tài)水力半徑法的計算結果均符合Tennant法河流生態(tài)用水標準，且能更好地反映魚類生活習性及河流的季節(jié)性變化。由于Tennant法只根據(jù)水文資料來估算生態(tài)流量，其計算出的生態(tài)流量無明確的保護目標，因此相較之下，生態(tài)水力半徑法能更好地反映了水生生物需求和河道水力學的綜合信息，計算出的生態(tài)流量更加合理。

圖4 生態(tài)水力半徑法與Tennant法生態(tài)流量計算結果比較

由圖4中的生態(tài)水力半徑法計算結果與犁市(二)站天然月平均流量的對比分析可知，生態(tài)水力半徑法的計算結果與天然來水過程比較相似，生態(tài)流量過程線上存在明顯的低流量、高流量和流量脈沖等水文要素，符合魚類的自然需求。另外魚類對生態(tài)流量需求最大的月份為6月份，而犁市(二)站最大月平均流量出現(xiàn)在5月份，二者存在一個月的時間差，但各月份的天然流量仍能滿足魚類的生態(tài)需水要求。不過由于武江上已修建較多的梯級開發(fā)水電站工程，梯級電站的運行調(diào)度改變了河流的天然狀態(tài)，因此為保障赤眼鱒的生態(tài)流量，武江上需開展梯級調(diào)度。在梯級調(diào)度中，水位和水深往往比流量更具有操作性。

圖5為犁市(二)站逐月最小生態(tài)流量對應的平均生態(tài)水深，由表2和圖5中的平均生態(tài)水深可以看出，為了滿足赤眼鱒在越冬期、產(chǎn)卵期和肥育期對流速的需求，保證其正常的生理繁殖等活動，保護區(qū)及上游的水利工程需通過開展閘壩調(diào)度，確保犁市(二)站位置處，12-次年2月份期間的水深不低于0.8 m，3月份水深不低于1.5 m，4月份水深不低于4.1 m，5月份水深在4.7 m以上，6月份水深在5.6 m以上，7月份水深在4.1 m以上，8月份水深在2.4 m以上，9-11月份水深在1.5 m以上。

圖5 犁市(二)站逐月最小生態(tài)流量對應的平均生態(tài)水深

5 結 論

本文采用劉昌明院士最先提出、后經(jīng)趙長森等對其進行改進的生態(tài)水力半徑法，以北江上游的主要支流武江河為例，選取北江特有珍稀魚類省級自然保護區(qū)內(nèi)的珍稀魚類和重要緊急魚類中的赤眼鱒為代表魚類進行計算，主要結論如下：

(1)在河道斷面固定的條件下，生態(tài)流量主要由生態(tài)流速確定。非產(chǎn)卵期，魚類對生態(tài)流量的需求較低，能為生產(chǎn)生活預留更多的水資源，為枯水期的優(yōu)化調(diào)度提供更多空間；在產(chǎn)卵期，魚類所需生態(tài)流量最大，需要較大流量來維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡。

(2)生態(tài)水力半徑法的計算結果與天然來水量比較相似，生態(tài)流量過程線上存在明顯的低流量、高流量和流量脈沖等水文要素，計算結果均符合Tennant法河流生態(tài)用水標準，且能更好地反映魚類生活習性及河流的季節(jié)性變化。

(3)為維持河道內(nèi)魚類的生態(tài)需水，需要通過閘壩聯(lián)合調(diào)度，確保犁市(二)站位置處，12-2月份期間的水深在0.8 m以上，3月份水深在1.5 m以上，4月份水深在4.1 m以上，5月份水深在4.7 m以上，6月份水深不低于5.6 m，7月份水深不低于4.1 m，8月份水位不低于2.4 m，9-11月份水深不低于1.5 m。

實際應用中生態(tài)流速的選擇對計算結果影響較大，由于河流生態(tài)保護目標的不同，生態(tài)流速的選擇往往不同，因此本方法仍需要進一步的研究和完善。