滇中引水工程取水口下游金沙江生態流量研究

汪青遼，劉 媛，郝紅升，黃 偉

(1.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

近年來，隨著水資源開發程度不斷升高，水利工程建設改變了河流水文情勢及水流形態[1]，造成了嚴重的生態環境影響。在水資源開發過程中，若缺乏正確的生態價值觀指導，河流生物棲息環境將遭受破壞。因此，在提高水資源利用效益的同時，如何保護河流生態環境已成為迫切需要研究的課題[2]。河流生態需水的概念最早于20世紀40年代由美國漁業與野生生物保護組織提出。生態環境流量指為維持河流的健康及功能所需的流量及其水文過程，全年范圍內其數值是動態變化的[3]。現階段人們普遍認為，為河道預留足夠的流量滿足生態環境的用水需求，是保護河流生態穩定的有效途徑，合理估算河流生態流量是十分必要的。生態流量計算對流域水資源的合理開發、配置以及維持河流生態系統的健康具有重要意義，其計算結果可為制訂河流生態調度方案提供理論依據[4]。目前，全球有200多種生態流量計算方法，可歸為4類：水文學法、水力學法、棲息地模擬法和整體法，每類方法都各有優缺點及適用范圍[4]。目前，國內常采用的是水文學法、水力學法、棲息地模擬法。其中，水文學法、水力學法是分別根據水文指標、水力學參數確定生態需水量，棲息地模擬法是基于河道內目標水生生物的流量需求進行生態流量計算[5]。根據生態環境部發布的HJ 2.3—2018《環境影響評價技術導則 地表水環境》的要求，生態流量至少采用上述的2種方法計算。本文采用流量歷時曲線法(水文學法)和棲息地模擬法2種方法分別計算生態流量并取其中最大值。

1 研究區概況

1.1 研究區概況

云南省滇中地區是長江流域三大干旱區之一，其水資源量僅占全省的12%。資源性缺水與工程性缺水并存，已成為制約地區經濟社會可持續發展的瓶頸[6]。長江流域、金沙江流域綜合規劃均明確向滇中地區供水是金沙江干流綜合利用任務之一。滇中引水工程從云南麗江市石鼓鎮金沙江中游干流右岸無壩取水，向昆明、大理、楚雄等6個市(州)35個縣(市、區)供水，規劃水平年2040年多年平均年引水量34.03億m3。工程開發任務為解決滇中地區的城鎮生活、工業、農業和生態用水。水源工程采用一級地下泵站從金沙江石鼓河段大同取水口引提水，設計引水流量135 m3/s。輸水干渠總長661.06 km，包括隧洞、渡槽等270座建筑物。項目批復的初設總投資825.76億元。

本文選取擬建大同取水口下游至虎跳峽前的43.5 km金沙江河段來研究河道內水生生物對河流流量的需求。取水口斷面的金沙江多年平均徑流量為432億m3，多年平均流量為1 370 m3/s。徑流年內分配不均勻，汛期6月～10月占年徑流量的74.6%。研究河道平均坡降為0.148%，綜合糙率采用0.022。滇中引水工程從金沙江大同取水口引水后，勢必會引起下游流量減少和流量過程的變化，導致魚類棲息地萎縮及棲息地質量下降，影響水生生物的生存繁殖和造成資源量的降低。本文采用水文學法和棲息地模擬法計算天然狀態下研究河道內目標魚類長絲裂腹魚適宜的生態流量，為工程建成引水后維持取水口下游金沙江河道內水生生態系統穩定而需下泄的流量值提供參考。

1.2 生態保護目標

根據水生調查成果，大同取水口下游至虎跳峽前43.5 km的金沙江研究河道分布有長絲裂腹魚、四川裂腹魚、鱸鯉等16種土著魚類。其中長絲裂腹魚(SchizothoraxdolichonemaHerzenstein)被列入《四川省新增重點保護野生動物名錄》，在《中國物種紅色名錄》中長絲裂腹魚為瀕危(EN)。據漁獲物及資料統計，長絲裂腹魚約占區域魚類資源總量的45%。綜合考慮魚類的組成和保護需求，選取長絲裂腹魚為保護目標魚類。長絲裂腹魚為冷水性的底層魚類，喜棲息于水質清澈的深水處，多食生藻類，以硅藻為主，間食少量綠藻和水生昆蟲。

根據調查，研究河段適宜魚類產卵的水域分布廣泛，大多規模小而分散，無大規模集中固定的產卵場分布。選取長絲裂腹魚分布相對較多的冷水灘作為研究河段的代表斷面。冷水灘產卵場位于取水口下游8.2 km，河床左右側灘地裸露，底質為礫石。

根據研究結果[7]，裂腹魚在水溫達到15.6 ℃時開始產卵。按照石鼓斷面多年平均水溫推斷，長絲裂腹魚產卵繁殖時期在4月下旬至6月下旬。結合目前國內相關長絲裂腹魚生態習性、繁殖習性、游泳能力研究試驗成果，確定長絲裂腹魚產卵繁殖適宜的水深為0.15～1.5 m，其中最適宜水深為0.2～0.8 m；適宜的流速為0.07～1.5 m/s，其中最適宜流速為0.2～0.8 m/s。生境適宜性指數通常用于量化物種對棲息地的適宜程度，取值范圍為0～1。其中，0表示完全不適宜，1表示完全適宜，值越大則表示適應性越好。長絲裂腹魚產卵繁殖期對水深、流速的適宜度曲線見圖1。

圖1 目標魚類在產卵繁殖季節流速、水深與適宜性指數關系

2 流量歷史曲線法研究方法及結果

2.1 流量歷時曲線法研究方法

流量歷時曲線法是利用歷史流量資料構建各月的流量歷時曲線，將某個累積頻率相應的流量Qp作為生態流量。根據水利部發布的SL/Z 712—2014《河湖生態環境需水計算規范》，Qp的頻率P可取90%或95%，這種方法一般需要30年以上的月流量序列。Q90為通常使用的枯水流量指數，是水生棲息地的最小流量，為警告水資源管理者的危險流量條件的臨界值。Q95為通常使用的低流量指數或者極端低流量條件指標，為保護河流的最小流量。

大同取水口上游約500 m設有金沙江石鼓水文站，水文站與取水口之間無支流匯入；故，大同取水口斷面可采用石鼓水文站的水文觀測資料。

本文采用目估適線法對石鼓水文站1953年1月～2011年12月共59年的逐月流量資料進行適線，選用P—Ⅲ型頻率分布曲線，頻率曲線擬合度較好，擬合度值達0.95以上。

2.2 流量歷史曲線法研究結果分析

根據上述長系列月流量P—Ⅲ型頻率分布曲線的分析結果見表1。由表1可見，P=90%的月均枯水流量為300.02 m3/s。

表1 石鼓水文站月均流量頻率計算成果

根據研究河段多年月均流量特征，結合長江流域綜合規劃關于生態流量要求，推薦P=90%的流量作為最小生態流量的控制值，即300.02 m3/s。

3 棲息地模擬法研究方法與結果分析

3.1 棲息地模擬法研究方法

棲息地模擬法主要由兩部分組成：一是水動力模型，用來模擬不同流量下河道內的水深和流速分布；二是棲息地模型，結合某一特定生命階段時目標物種對水深、流速的偏好程度，將水力學因素轉化為棲息地適宜度評價指標。

3.1.1二維水動力模型

研究區域為大同取水口下游至虎跳峽前的43.5 km金沙江河道，多年平均流量為1 370 m3/s。河段平均河寬約341 m，平均水深約3.75 m。由于河段在垂直方向上的尺度遠小于水平尺度，所以適宜用平面二維淺水方程來描述區間水流的運動。本文選用MIKE21 Flow Model對研究河道的水動力場進行數值模擬，據此得到不同流量下的河道流場分布。

模型選擇采用非結構化的三角形網格，計算區域內三角形網格節點共有1 652個，三角形單元有2 408個，時間步長為60 s。三角形網格可以較為準確地體現出研究河段的實際地形特征。上下游斷面均采用流量邊界條件，其他為陸地邊界，上游斷面流量采用石鼓水文站的實測流量數據，下游斷面流量采用虎跳峽前控制斷面的流量數據及控制面積的比例來推算。

研究河段的河床底質較為均一，所以整個研究范圍的流場可選用相同的糙率。以石鼓水文站實測水文數據為基礎，通過選取不同的河床糙率n，對比不同斷面的實測值和模擬結果，對模型參數進行率定。經調試與分析，大同取水口至虎跳峽前的金沙江研究河道綜合糙率采用0.022，模型模擬出的流量和水位相對誤差均在0.01%之內，模擬結果可靠度高。

3.1.2棲息地模型

棲息地模擬：首先，結合目標魚類根據各微生境因子的適宜性曲線得到每個單元各影響因子適宜性值；然后，將其組合得到每個單元的組合適宜性值；最后，計算研究河段的加權可利用面積WUA(Weighted Usable Area)。即

(1)

式中，WUA為研究河段加權可利用面積；CSF(Vi，Ci，Di)為每個單元的組合適宜性值；i為劃分的單元個數；Vi為流速適宜指數；Di為水深適宜指數；Ci為河道底質適宜指數；Ai為每個單元的水平面積。

本文假設河道底質、水深和流速對長絲裂腹魚的影響力相同，采用乘積法計算組合適宜性值

CSFi=Vi×Ci×Di

(2)

由于研究區域長絲裂腹魚產卵場主要為河漫灘區，底質主要為砂礫石，區域水流較為簡單，適宜魚類生存，故式(2)中所有單元的Ci=1；所以，這里只考慮流速和水深對棲息地質量的影響。

在某一特定流量下，結合水動力學模型得到的水深和流速分布和目標物種對水動力因子(水深和流速)的適宜度指數，采用乘積法確定不同網格單元的組合棲息地適宜度指數，以及得到特定流量下所對應的棲息地WUA，綜合不同流量對應的WUA，得到WUA—流量曲線，即可分析目標物種在不同生長期對河流流量的需求。

3.2 棲息地模擬法研究結果分析

長絲裂腹魚產卵繁殖期在4月下旬至6月下旬。統計長系列流量資料顯示6月下旬流量最大值為2 598 m3/s，故模擬流量在2 600 m3/s以內對應的棲息地面積WUA。針對研究河道，首先模擬12個流量工況，分別對應多年平均流量1 370 m3/s的5%、10%、15%、20%、30%、40%、60%、80%、100%、130%、160%、190%。利用模型分別計算各個工況對應的棲息地面積，得到了不同流量下冷水灘產卵場有效的棲息地面積。

通過模型計算得到的研究河段內冷水灘產卵場長絲裂腹魚可利用棲息地面積WUA與不同流量之間的變化關系見圖2a。由圖2a可知，不同流量下長絲裂腹魚可利用棲息地面積各不相同，但呈先增加后減小的變化趨勢。當河道流量在多年平均流量的30%即411 m3/s附近時，長絲裂腹魚可利用棲息地面積會出現拐點最大值。為更加精確尋找最大值，對390～490 m3/s區間的流量再次增加了9個工況值進行了更為詳細的分析，最終的計算結果如圖2b所示，發現WUA出現拐點最大值時流量正好為411 m3/s。結合長絲裂腹魚產卵繁殖期(4月下旬～6月中旬)，對比冷水灘產卵場同時期的流量過程，綜合分析，推薦長絲裂腹魚適宜的生態流量為411 m3/s。

圖2 長絲裂腹魚可利用棲息地面積WUA與流量關系曲線

4 2種方法的結果討論

根據上述計算結果，研究河道采用流量歷時曲線法推薦的最小生態需水流量的控制值為300.02 m3/s；而采用棲息地模擬法計算的長絲裂腹魚產卵繁殖期4月下旬～6月下旬的生態流量為411 m3/s，該值高于采用流量歷時曲線法的計算結果。這是因為流量歷時曲線法是根據歷史流量資料給出的河道內最小生態流量，沒有考慮具體物種對流量的需求，因而不能反映魚類棲息地狀況。同時，河道下泄流量即使滿足了最小生態流量，也會導致生態系統完整性降低和生態質量下降。

棲息地模擬法計算生態流量考慮到生物的需求，是根據目標魚類最適宜的水文條件模擬得到的，所以更能保證河流生態系統的健康。當研究河道的棲息地面積WUA達到最大時，表示對應的流量最適宜魚類生存。由于產卵繁殖期是魚類最重要的生命階段，對水生生境的要求高。如采用流量歷時曲線法給出的最小生態流量為300.02 m3/s，對應的適宜棲息地面積為最適宜棲息地面積的90.5%，不是目標魚類的最佳生境。一般而言，在目標魚類產卵繁殖期間，采用棲息地模擬法得出的生態流量值要比水文學方法得到的結果大且更具合理性。

5 結 論

本文采用流量歷時曲線法(水文學法)和棲息地模擬法分別計算大同取水口下游至虎跳峽前的43.5 km金沙江河段生態流量。采用流量歷時曲線法推薦的最小生態需水流量的控制值為300.02 m3/s。采用棲息地模擬法計算在長絲裂腹魚產卵繁殖期4月下旬～6月下旬，可利用棲息地面積WUA與流量的關系呈先增加后減小的變化趨勢。通過試算最終確定WUA出現最大值時流量為411 m3/s，該值為目標魚類產卵繁殖期最適宜生態流量。根據這兩種方法計算結果并取其中最大值，研究河道的生態流量最終確定為魚類產卵繁殖期4月下旬～6月下旬為411 m3/s，其余時段為300.02 m3/s。