基于徑流頻率和河道形態的生態流量分析方法

(浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002)

河道內生態水量確定是水資源開發利用、節約、保護、配置、調度管理的重要基礎性工作。保障河道內生態水量是加強水資源開發利用管控、推進河湖生態保護修復和水生態文明建設的基本要求。我國現行的水法、環境保護法、水污染防治法等明確提出了維持江河合理流量的要求。2012年以來，中共中央、國務院相繼印發了關于加快推進生態文明建設的意見、關于實行最嚴格水資源管理制度的意見、水污染防治行動計劃等一系列文件，均要求加強河湖生態需水保障[1-2]。

我國自20世紀70年代開始探索河流生態流量，目前針對單一性河道已形成了一些相對成熟的生態水量估算方法[3]，這些方法可以分為水文學法、水力學法、整體分析法和棲息地法等4類。各種計算方法都有各自的適應條件及側重點，其中水文學和水力學方法相對比較簡單、容易操作，但未能全面考慮河流中不同物種各生命階段對生態流量的需求；整體分析法和棲息地法考慮了水生生物對水深、流速、水溫等要素的需求確定生態流量[4]，需要對復雜生態系統進行長期深入的生態觀測研究，方法使用起來受制約因素較多。針對南方豐水地區中小河流，本文提出了一種基于枯水徑流和河道形態的生態流量分析方法，并在浙江省臺州市永安溪流域進行了實例計算。

1 方法的提出

基于徑流頻率和河道形態的生態流量分析方法利用歷史水文資料和河道斷面資料，在徑流頻率分析[5]和河道水力參數[6]計算的基礎上綜合分析確定河道生態流量，該方法分析計算步驟如下。

(1) 選取控制斷面。所選取的斷面能基本控制所研究河流的水量，同時應有10 a以上可利用的觀測資料，如水位、流量、大斷面等。

(2) 徑流頻率分析。根據控制斷面長系列流量觀測資料開展徑流頻率分析。徑流頻率分析針對不同水期進行，水期劃分根據河流水文特性和水生生物需水特性等綜合確定。徑流頻率分析控制時段一般可以采用日、月、旬，應根據控制斷面徑流特性合理選定頻率分析的控制時段。

(3) 水力學參數分析。根據控制斷面實測大斷面、水力坡降、糙率等資料計算相關水力學參數，包括不同水位下的水面寬、過水斷面面積、平均水深、最大水深、濕周、水力半徑、流量、流速等，繪制流量與水深、流速等的關系曲線。控制斷面水力學參數計算采用明渠均勻流公式，即

式中,Q為流量，m3/s；A為過水斷面面積，m2；R為水力半徑，J為水力坡度，m；C為謝才系數，m1/2/s；n為糙率。

(4) 生態流量確定。首先選取不同頻率枯水徑流，由第三步計算成果確定其相應的水深、流速等；然后選取控制斷面生態水深、生態流速，經綜合分析，最終確定控制斷面適宜的生態流量。生態流速是指維持河道基本生態功能所需的水流速度，生態水深是指為了維持河道基本生態功能所需的最低水深，這些均與河流生物群落的生物構成有關，一般應根據關鍵性水生生物保護目標確定[7-8]。

該方法集成了水文學和生態水力學兩種方法的優點，所計算的生態流量既具有一定保證率概念，也兼顧考慮了河段水力生境需求，雖然仍不能全面反映水生生物全生命周期內對生態流量的需求，但相對于棲息地法和整體分析法等，基于徑流頻率和河道形態的生態流量分析方法能夠克服生態資料積累不足、現場觀測耗時長且誤差大的缺點，在現狀資料條件下具有較強的可操作性。

2 實例分析

永安溪位于浙江省臺州市境內，屬山區性河流，流域面積2 704 km2，河長144 km，河道坡降5.6‰。流域內植被條件較好，徑流量相對豐富且人類活動對徑流量的影響總體較小，但存在徑流量年際年內變化大的特點。以永安溪流域為例，基于枯水徑流頻率和河道形態分析確定該河適宜的生態流量。

2.1 控制斷面選取

永安溪干流下游段設柏枝岙水文站，該水文站控制集水面積2 475 km2，占永安溪流域面積的91.5%。該站有水位、流量和大斷面觀測資料，資料年限長達57 a。因此，本次選取柏枝岙水文站為永安溪流域生態流量分析的控制斷面。

2.2 徑流頻率分析

永安溪流域全年分為3個雨季，即春雨(3～4月)、梅雨(5～7月初)和臺風雨(7～10月中旬)，其中春雨降水強度較弱，梅雨和臺風雨是全年的主要雨季。根據柏枝岙水文站1961～2017年的逐日徑流資料，該站多年平均流量為70.8 m3/s，徑流年內分布情況見表1。從表1可以看出，3～9月水量相對豐沛，其中6月份徑流量為年內峰值；1～2月和10～12月水量相對較少。另外，永安溪河段沒有珍稀動植物物種，主要生物為魚類，其產卵育幼期一般在每年的4～9月。因此，將永安溪流域生態需水劃分為兩個時期，即4～9月(產卵育幼期)和10月至次年3月(一般用水期)。

表1 永安溪柏枝岙水文站徑流年內分布Tab.1 Annual runoff distribution of Baizhiao Station in Yong’an River m3/s

根據永安溪柏枝岙水文站實測流量資料，分兩個時期進行徑流頻率分析，每個時期的分析時段均采用日、月、旬，計算成果見表2。從表2可以看出，同一頻率下不同時段的徑流量差別較大，特別是在4～9月，月時段各頻率徑流量相當于日時段的2倍，旬時段各頻率徑流量介于日時段與月時段之間，與日時段徑流量較為接近，特別是在10月至次年3月，旬時段各頻率徑流量僅高出日時段10%。綜合來看，選擇旬時段徑流量作為流域生態流量分析的控制時段，80%保證率(約為5 a一遇)情況下，永安溪柏枝岙水文站4～9月(產卵育幼期)的枯水流量為21.4m3/s，10月至次年3月(一般用水期)的枯水流量為7.1m3/s。

表2 永安溪柏枝岙水文站徑流頻率分析成果Tab.2 Analysis results of runoff frequency of Baizhiao Station in Yong’an River

2.3 斷面水力學參數計算

柏枝岙斷面屬于寬淺型，河道斷面相對穩定，斷面底高程8.3 m，河面寬約240 m、其中主河槽寬約100 m，所在河段坡降為1.2‰。永安溪柏枝岙水文站2017年的4次大斷面如圖1所示。

利用柏枝岙實測斷面資料、糙率和水力坡降等計算出河道過水斷面的相關水力學參數，然后繪制流量與斷面平均水深、流速等的關系曲線，見圖2。流量與斷面平均水深、流速的相關關系采用冪函數進行擬合，擬合效果較好，相關系數均達到0.986。

2.4 生態流量確定

魚類是永安溪流域關鍵性水生生物保護目標。基于文獻以及相關調查，永安溪流域主要魚類有青魚、草魚、鳙魚、鰱魚等，魚類產卵育幼期一般在每年的4～9月，魚類的感覺流速為0.2 m/s，喜歡流速范圍為0.3～0.8 m/s，極限流速為1.1 m/s。另外，參考有關研究成果，適應于魚類生存水深宜不低于魚類體長的3倍，青魚等魚類體長一般20～30 cm，據此可估計相應的適宜水深不低于0.6 m。考慮到魚類在一般用水期對水深和流速的要求較低，因此在10月至次年3月的一般用水期生態流速取魚類感覺流速0.2 m/s，生態水深取0.3 m。永安溪流域適宜魚類生產的生態流速和生態水深取值見表3。

圖1 永安溪柏枝岙水文站實測大斷面Fig.1 Section of Baizhiao Station in Yongan River

圖2 永安溪柏枝岙斷面流量與平均水深、流速關系Fig.2 Relationship between discharge and average water depth and velocity of Baizhiao Station in Yongan River

不同頻率下枯水流量相應的流速和水深，見表4。再根據表3確定的不同水期生態水深和生態流速范圍，永安溪流域柏枝岙斷面生態流量以斷面平均水深為主要控制條件，具體如下。

4～9月(產卵育幼期)：以斷面平均水深為控制條件，生態流量取值為柏枝岙斷面4～9月80%保證率(約為5 a一遇)的旬平均流量21.4 m3/s，相應斷面平均水深0.60 m，平均流速約為0.7 m/s。

表3 永安溪流域生態流速和生態水深取值Tab.3 Ecological velocity and ecological water depth of Baizhiao Station in Yongan River

表4 永安溪柏枝岙水文站枯水徑流及相應河道水力學參數Tab.4 Flow runoff in dry season and corresponding hydraulic parameters of Baizhiao Station in Yongan River

10月至次年3月(一般用水期)：以斷面平均水深為控制條件，生態流量取值為柏枝岙斷面10月至次年3月80%保證率(約為5 a一遇)的旬平均流量7.1 m3/s，相應斷面平均水深0.33 m，平均流速約為0.5 m/s。

2.5 合理性分析

柏枝岙水文站年平均流量為70.8 m3/s，其中4～9月(產卵育幼期)平均流量為103.6 m3/s，10月至次年3月(一般用水期)平均流量為38.7 m3/s。按照Tennant法估算柏枝岙斷面適宜生態流量,4～9月(產卵育幼期)為7.1～28.3 m3/s，10月至次年3月(一般用水期)為7.1～21.2 m3/s。推薦的永安溪流域柏枝岙斷面4～9月(魚類產卵育幼期)生態流量為21.4 m3/s，分別占其年平均流量與相應水期平均流量的30.2%，20.7%；推薦的永安溪流域柏枝岙斷面10月至次年3月(一般用水期)生態流量為7.1 m3/s，分別占其年平均流量與相應水期平均流量的10.0%,18.3%。通過與柏枝岙水文站特征徑流量Tennant法計算成果的對比分析，認為本次推薦的生態流量方案是合理的。

3 結 語

本文提出了一種基于徑流頻率和河道形態的生態流量分析方法，并在浙江省臺州市永安溪流域進行了驗證計算。該方法推薦的永安溪流域生態流量4～9月(魚類產卵育幼期)為21.4 m3/s、10月至次年3月(一般用水期)為7.1 m3/s，經與柏枝岙水文站特征徑流量、Tennant法計算成果的對比分析，認為該方法計算的生態流量是合理的。基于徑流頻率和河道形態的生態流量分析方法計算的生態流量既具有一定保證率概念，也兼顧考慮了河段水力生境需求，在生態資料積累不足、現場觀測少的情況下具有較強的可操作性。