沅水下游河段生態(tài)基流估算研究

劉華平，殷國仕，王勇澤

(湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410131)

我國地形獨(dú)特，水能資源豐富，水能資源的開發(fā)利用不會(huì)帶來二次污染，也不會(huì)造成水資源量的減少，世界各國幾十年來都進(jìn)行了積極的開發(fā)利用。建國以來，我國對水電工程的規(guī)劃建設(shè)給予了高度重視，多個(gè)流域的水電開發(fā)積極推進(jìn)，并投入運(yùn)行。梯級水電開發(fā)為社會(huì)帶來豐厚效益的同時(shí)，也不可避免的帶來了一定程度的生態(tài)問題，梯級水電開發(fā)區(qū)域生態(tài)環(huán)境受到了不同程度的影響。

從20世紀(jì)40年代以來，各國就對環(huán)境健康進(jìn)行了一系列的研究。到了20世紀(jì)90年代，河流生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展也逐漸成為各國學(xué)者關(guān)注的課題，生態(tài)需水更成為該課題的研究焦點(diǎn)。Covich提出生態(tài)需水就是維持和恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)健康所需的水量。Rashin等提倡水資源可持續(xù)利用，河流、湖泊和濕地等水域需要一定的水量維持其基本的生態(tài)功能，卻沒有得出明確的計(jì)算方法。Junk在研究洪泛區(qū)物種的多樣性時(shí)提出了生態(tài)洪水脈沖的概念。隨著國際上河流生態(tài)健康研究的發(fā)展，我國一些學(xué)者和專家對于生態(tài)健康和生態(tài)流量的定義和計(jì)算方法也提出了一些觀點(diǎn)和看法。湯奇成將水資源開發(fā)劃分為生態(tài)需水和國民經(jīng)濟(jì)需水兩部分，水利部后來的論證中提出在水資源優(yōu)化配置中考慮生態(tài)需水問題。劉昌明等提出了“四大平衡”原則，分析了生活用水、生態(tài)用水和生產(chǎn)用水之間的關(guān)系。崔保山等對濕地生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展所需的生態(tài)流量閥值進(jìn)行了探討，初步得出了生態(tài)需水量的評價(jià)指標(biāo)和計(jì)算方法。

俠義上的生態(tài)需水指在特定區(qū)域特定條件下，能滿足河流健康發(fā)展的最小流量。沅水是湘江的主要支流之一，水能資源豐富，水能資源的開發(fā)對沅水的徑流調(diào)節(jié)帶來了很大影響，破壞了沅水流域生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。保證一定的生態(tài)基流量對于恢復(fù)受損的河流生態(tài)系統(tǒng)具有重要作用。文中以沅水下游段為例，提出了適合該地區(qū)的生態(tài)基流量估算方法，為沅水流域生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和水資源合理配置提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

沅水流域覆蓋湘西、黔東、渝東與鄂西部分地區(qū)，流域南北長而東西窄，呈自西南斜向東北的矩形。總流域面積 90000km2，其中:湖南省占57．3%，貴州省占 34．1%，重慶和湖北共占8．6%。流域?qū)贃|亞季風(fēng)區(qū)，為亞熱帶季風(fēng)氣候，流域內(nèi)溫濕多雨，四季分明，多年平均氣溫在14．3℃ ～17．2℃之間，有自西向東遞增的趨勢，極端最低氣溫在-6℃以下(一月份)，極端最高氣溫為42．5℃(八月份)。流域降雨受季風(fēng)和地形影響，一般以南部和北部山區(qū)的降水量較多，中部偏西地區(qū)降水量較少，多年平均降水量為1090～1506mm。

沅水是長江第三大支流，也是洞庭湖水系湘、資、沅、澧四水中水量最大、水能資源蘊(yùn)藏量最豐富的河流。沅水發(fā)源于貴州省都勻縣的云霧山和麻江縣的平越山。源頭馬尾河與重安江流至叉河口匯合后名清水江，至黔城匯渠水后始稱沅水。途中有流域面積3000km2以上的七條支流匯入:左岸有支流舞水、辰水、武水和酉水，右岸有支流渠水、巫水和溆水，其中酉水是沅水最大的支流。沅水干流總長1028km，總落差1033m;沅水最下游的凌津?yàn)┧娬緣沃范嗄昶骄髁?090m3/s，多年平均徑流量659億m3;整個(gè)流域于湖南常德注入洞庭湖。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

桃源水文站設(shè)立于1948年1月，1951年1月上遷750米，1953年1月下遷750米。該站位于湖南省桃源縣漳江鎮(zhèn)延溪村。東經(jīng)111°29'，北緯28°54'，屬長江流域沅江水系，河名為沅江。該站為沅江流域的江河治理、防汛抗旱、水資源開發(fā)利用及水工程的建設(shè)管理，系統(tǒng)地收集水文資料，是沅水干流總控制站，屬國家重要水文站。集水面積85223km2，干流長983km，距河口50km。測驗(yàn)項(xiàng)目有:水位、水溫、流量、泥沙、泥沙顆粒分析、水質(zhì)、降水量、水面蒸發(fā)量，并負(fù)責(zé)牛車河、茶庵鋪、王家灣、龍?zhí)端?、芭茅洲、小陬溪、黃土塆、三里溪、黃石等九個(gè)委托雨量站的管理。建站至今實(shí)測歷史最大洪水發(fā)生在1996年7月，水位46．90m，流量 29100m3/s。

生態(tài)基流的流量資料來源于桃源水文站，利用桃源水文站1959～2012年54年的流量資料進(jìn)行分析。桃源站建站時(shí)間較長，下墊面情況變化很大，本次計(jì)算將水文站的流量按照水量平衡原則進(jìn)行了還原，將其還原到天然徑流情況。

2.2 方法

2.2.1 Tennant法

Tennant法也叫Montana法，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。該方法將平均流量的一定百分?jǐn)?shù)來計(jì)算生態(tài)基流量，具有一定指導(dǎo)意義。此方法基于對美國11條河流的水文數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出了水生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展與河道流量的關(guān)系(表1)。分析發(fā)現(xiàn):平均流量的10%是維持河道生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的最小允許流量，其30%的流量能夠?yàn)楹拥纼?nèi)的生物提供良好的生活和棲息環(huán)境。

表1 河道流量與河流生態(tài)健康關(guān)系

2.2.2 最枯月平均流量多年平均值法

該方法計(jì)算方法簡單，原理清晰易懂，應(yīng)用較為廣泛，其計(jì)算公式為:

式中:Qm——第m月的河流生態(tài)基流量(m3/s);

Qij——第i月第j天的平均流量(m3/s);

n——統(tǒng)計(jì)年數(shù)。

2.2.3 90%保證率最枯月平均流量法

90%保證率最枯月平均流量法是通過年最小值法選樣，統(tǒng)計(jì)出各年最枯月的平均流量，并對其進(jìn)行頻率分析，得出90%保證率的設(shè)計(jì)值。本文則是通過各年最枯日流量作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，經(jīng)過頻率分析得出各月的最小生態(tài)流量。

2.2.4 Hoope法

Hoope法是基于流量歷時(shí)曲線，將流量歷時(shí)曲線上17%所對應(yīng)的流量定為淹沒流量，40%定為產(chǎn)卵所需最小流量，80%定為水生物生長所需流量。

2.2.5 NGPRP法

NGPRP法是將流量資料按照豐、平、枯進(jìn)行分組，對平水年組的流量進(jìn)行頻率計(jì)算，90%所對應(yīng)的流量為生態(tài)流量。

2.2.6 Texas法

Texas法是基于各月流量數(shù)據(jù)，對各月流量進(jìn)行頻率分析，得出50%保證率下的設(shè)計(jì)值作為基準(zhǔn)，取其一定的百分?jǐn)?shù)作為各月生態(tài)流量。沅水流域下游根據(jù)典型植物及魚類的水量要求，特定百分率取35%為宜。

3 沅水流域生態(tài)基流分析

沅水流域水能資源豐富，梯級開發(fā)的水電工程眾多，分為上游、中游、下游幾段工程，本次課題以下游河段的五強(qiáng)溪和凌津?yàn)┧娬究刂坪佣螢榇磉M(jìn)行了河道生態(tài)基流的分析。

生態(tài)基流的流量資料來源于桃源水文站，利用桃源水文站1959～2012年54年的流量資料進(jìn)行分析。桃源站建站時(shí)間較長，下墊面情況變化很大，本次計(jì)算將水文站的流量按照水量平衡原則進(jìn)行了還原，將其還原到天然徑流情況。然后利用上節(jié)中的六種方法進(jìn)行了生態(tài)基流計(jì)算，計(jì)算成果見表2和圖1。

表2 桃源站不同方法生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果

圖1 桃源站生態(tài)基流計(jì)算成果對比

4 結(jié)論

本課題采用以上六種方法對沅水流域下游段的生態(tài)基礎(chǔ)流量進(jìn)行了分析。從計(jì)算結(jié)果可以看出:六種方法計(jì)算結(jié)果存在較大差異，Tennant法得出的生態(tài)基礎(chǔ)流量最小，其次是Texas法，再其次是90%最枯月平均流量法;Hoope法和最枯月平均流量法計(jì)算結(jié)果較大。造成其差異的原因是各種方法計(jì)算出發(fā)點(diǎn)不同?？紤]到沅水流域的水資源情況，將Tennant法的計(jì)算結(jié)果作為河道流量的最低下限。

從六種方法結(jié)果對比圖來看，采用最枯月平均流量法、Tennant法和90%保證率最枯月平均流量法等6種水文學(xué)方法對沅水流域下游段生態(tài)基流進(jìn)行了計(jì)算，不同方法計(jì)算結(jié)果差距較大。最枯月平均流量的計(jì)算結(jié)果均高于其他方法，而Tennant法的計(jì)算結(jié)果則最低。Tennant法、90%保證率最枯月平均流量法和Texas法的計(jì)算結(jié)果相對較低，且能夠滿足沅水流域下游段河流生態(tài)環(huán)境的健康可持續(xù)發(fā)展。生態(tài)基礎(chǔ)流量應(yīng)為河流生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的最小流量，因此本文取Tennant法的計(jì)算結(jié)果作為沅水流域下游段的生態(tài)基礎(chǔ)流量，更具合理性。

［1］Gore JA．Setting priorities for miIlimum now aSsessments in Southern Afric［J］．SouthAfriccan journal of Science，1989，85∶614-615．

［2］Covich A．water in Crisis:A Guide to the Wbrld's Fresh Water Resources［C］．NewYbrk:［Oxford UmVersity Press］，1993．

［3］Gleick P．H．Wrater in Crisis∶Patlls to Sustainable Wrater Use［J］．Ecological Applications，1998，8(03):571-579．

［4］RaShin，P．D．，Hansen，Margolis．Water aIld Sustainability:Global Panems alld Long range Problems［J］．Natural Rsearches Forum，1996，20(01):1-15．

［5］湯奇成．綠洲的發(fā)展與水資源的合理利用［J］．干旱區(qū)資源和環(huán)境，1995，9(03):107-112．

［6］劉昌明，何希吾．21世紀(jì)中國水問題方略［M］．北京:科學(xué)出版社，1996:82-96．

［7］張祥偉．濕地生態(tài)需水量計(jì)算［J］．水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2005(02):23．