基于Q90法與R2-Cross法的麻栗壩水庫下游河道生態(tài)流量研究

汪青遼，郝紅升，李 永

(中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 650065)

0 引言

近年來隨著水資源利用程度不斷提高，水利工程建設(shè)改變了河流水文情勢及水流形態(tài)[1]，造成嚴重的生態(tài)環(huán)境影響。因此，在提高水資源利用效益的同時，應(yīng)有效保護河流生態(tài)環(huán)境質(zhì)量免遭毀滅性破壞。

河流生態(tài)需水的概念最早在20世紀40年代由美國漁業(yè)與野生生物保護組織提出。生態(tài)流量指為維持河流的健康所需的流量及其水文過程，全年范圍內(nèi)其數(shù)值是動態(tài)變化的[2]。現(xiàn)階段人們普遍認為，為河道預(yù)留足夠的流量滿足生態(tài)環(huán)境的用水需求，是保護河流生態(tài)穩(wěn)定的有效途徑，合理估算河流生態(tài)流量是十分必要的。生態(tài)流量的計算對于流域水資源的合理開發(fā)、配置以及維持河流生態(tài)系統(tǒng)的健康具有重要意義[3]。

目前國內(nèi)常采用的是水文學(xué)法、水力學(xué)法、生境(棲息地)模擬法，其中屬水文學(xué)法、水力學(xué)法計算較為簡單也最為使用廣泛。水文學(xué)法是以歷史流量為基礎(chǔ)，根據(jù)簡單的水文指標確定河道生態(tài)環(huán)境需水；水力學(xué)法是以棲息地保護類型的水力學(xué)參數(shù)標準設(shè)定的模型：這兩種方法適用性強。而棲息地模擬法是基于河道內(nèi)目標水生生物的流量需求進行生態(tài)流量計算[4]，其計算所需的資料多且計算繁瑣。根據(jù)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《HJ2.3-2018環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 地表水環(huán)境》要求，生態(tài)流量至少采用上述兩種方法計算。本文選擇國內(nèi)廣泛使用的Q90(水文學(xué)法)和R2-Cross法(水力學(xué)法)兩種方法分別計算生態(tài)流量并取其中最大值。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)概況

云南省麻栗壩大型灌區(qū)是全國172項重大水利項目之一。工程開發(fā)任務(wù)為農(nóng)業(yè)灌溉、城鄉(xiāng)供水。設(shè)計灌區(qū)面積2.34萬hm2，供水人口18.57萬人。灌區(qū)主要從已建的麻栗壩水庫引水，運行期將新增從水庫年引水總量13151.0萬m3。位于南宛河上的麻栗壩水庫建于2009年12月，水庫正常蓄水位994.7m，總庫容10792.0萬m3，水庫為不完全年調(diào)節(jié)水庫。

本文選取麻栗壩水庫下游至出國境的36.9km南宛河河段，研究河道內(nèi)水生生物對河流流量的需求。水庫壩址處多年平均年徑流量3.63億m3，多年平均流量11.1m3/s。徑流年內(nèi)分配不均，汛期6—11月占年徑流量的81%。研究河道平均坡降17.8‰，河道糙率0.035。

麻栗壩灌區(qū)工程從麻栗壩水庫引水后，勢必會引起大壩下游流量的減少及其過程的變化，導(dǎo)致下游魚類棲息地面積減少，影響魚類的生存繁殖。本文采用Q90(水文學(xué)法)和R2-Cross法(水力學(xué)法)計算天然狀態(tài)下麻栗壩水庫下游河道的生態(tài)流量，為工程建成引水后維持大壩下游南宛河水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定而需下泄的流量值提供參考。

1.2 生態(tài)保護目標

根據(jù)水生調(diào)查成果，在南宛河流域內(nèi)共有魚類30種，屬11科24屬，常見的種類有鯉科的鯉魚、鯽魚，鰍科的鱗頭角似鱗頭鰍等。在區(qū)系組成上，土著魚類14種，占比為46.7%，其余為外來物種。小眼小波魚、珍珠魚丹、半線魚丹等14種土著魚類均為小型魚類，一般體長最多為6cm，體重2～3g，個體小且種群數(shù)量不多。南宛河干流中無產(chǎn)卵場，部分支流中有分散的小型魚類產(chǎn)卵場。因此，南宛河生態(tài)需水保護目標確定為：維持干流小型土著魚類生存繁衍的一般生境。

2 Q90法研究方法及結(jié)果

根據(jù)水利部發(fā)布的《SL/Z712-2014河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》，Q90法是根據(jù)麻栗壩壩址斷面長系列53年的逐月流量，選取每一年最小月流量值進行排頻，選取90%保證率下的長系列年最枯月流量作為最小生態(tài)流量值，為1.20m3/s。

表1 南宛河干流生態(tài)流量計算表(Q90法)

3 R2-Cross研究方法與結(jié)果分析

R2-Cross法采用河流寬度、平均水深、平均流速及濕周率指標來評估河流棲息地保護水平[5]，從而確定河流最小生態(tài)流量。其中，濕周率指某一過水斷面在某一流量時的濕周占多年平均流量滿濕周的百分比。

R2-Cross法計算過程主要分三步：首先針對南宛河干流的河寬和目標魚類體長特點，提出了一種適合的確定南宛河流域生態(tài)流量的水力參數(shù)標準，用于設(shè)定河道魚類棲息地的保護標準，這些參數(shù)包括：水面寬度、平均水深、濕周率和平均流速；其次是采用基于水流特征的弗勞德數(shù)法和基于河床地形學(xué)特征的深泓線線性回歸法兩種方法來分析實測斷面的類型，從眾多斷面中篩選出淺灘斷面，計算只分析淺灘斷面，這是因為在河流中淺灘通常是魚類和大型無脊椎動物豐富的區(qū)域，而且也是生物棲息地的臨界位置；最后結(jié)合美國陸軍工程兵團HEC-RAS軟件，通過試算不同流量下的淺灘斷面水力參數(shù)，直至所有斷面的參數(shù)滿足保護標準，該流量即為最小生態(tài)流量。

3.1 R2-Cross計算標準

麻栗壩水庫壩下南宛河干流河段平均河寬約為15m，考慮主要保護魚類體長<6cm，在計算生態(tài)流量時，以保護魚類體長的2倍為水深下限，確定R2-Cross法的評價標準如表2所示。

表2 R2-Cross法確定南宛河干流最小生態(tài)流量的水力參數(shù)標準

3.2 淺灘斷面的判別方法及結(jié)果

在河流中，淺灘通常是魚類豐富的區(qū)域，而且也是生物棲息地的臨界位置。當河流流量較少時，淺灘首先被顯露，故淺灘斷面的河寬、水深和流速對于流量的變化最為敏感。因此，在采用R2-Cross法計算生態(tài)流量時，斷面的選取一般為單一河道的淺灘斷面。

根據(jù)R2-Cross法的計算要求，通常需要先對河流的生境進行劃分。河流中尺度生境一般劃分為深潭、淺灘兩種類型，河道類型主要受河道地形構(gòu)造和水流大小影響。本研究基于水流特征的弗勞德數(shù)法和基于河床地形學(xué)特征的深泓線線性回歸法來綜合分析實測斷面的類型。麻栗壩水庫下游至出國境的36.9km南宛河河段，根據(jù)地形測量成果，選取其中有代表性的14個斷面進行計算。

(1)深泓線線性回歸法

Richards(1976)提出深泓線線性回歸法進行深潭、淺灘斷面判斷方法，該方法要求沿河道深泓線等間距進行河床高程測量，然后采用線性回歸方程對河床高程點進行擬合。對于較短的河段，可采用一次方程，對于較長的河段，采用二次或三次方程。

根據(jù)擬合結(jié)果，河床實測高程高于擬合曲線的為淺灘，低于擬合曲線的為深潭。本河段共有14個計算大斷面，大多數(shù)斷面間距在2500m左右，采用二次曲線方程擬合曲線方程。一般認為，河床實測高程高于擬合曲線的為淺灘，低于擬合曲線的為深潭。根據(jù)判別，14個大斷面中，5個斷面為淺灘斷面，其他9個斷面為深潭斷面，擬合結(jié)果見圖1。

(2)弗勞德數(shù)法

弗勞德數(shù)(Fr)是反映水流急緩程度的一個重要參數(shù)。本文對各斷面的弗勞德數(shù)采用多年平均流量(Q=11.1m3/s)下的斷面平均水深V和平均水深H進行計算，即，g為重力加速度。壩下各斷面弗勞德數(shù)的分布如圖2所示。各斷面的弗勞德數(shù)在0.21～0.75，平均為0.40。本研究將Fr=0.40作為淺灘斷面和深潭斷面分界線。根據(jù)弗勞德數(shù)法，14個大斷面中有8個為深潭斷面，其余6個斷面為淺灘斷面，見圖2。

由于上述兩種分析方法基于的原則不一致，因此深潭和淺灘識別的結(jié)果也存在一定的差異。在14個斷面中有8個斷面兩種方法判定結(jié)果一致；其余6個斷面，則根據(jù)斷面形狀來綜合判定，一般認為水下斷面比較對稱的為淺灘斷面；斷面不對稱、斷面上各點水深差別較大的為深潭斷面。綜合后，14個斷面中有6個斷面判定為淺灘斷面，其他8個斷面為深潭斷面。

3.3 淺灘斷面的判別方法及結(jié)果

設(shè)定計算工況：流量為1m3/s、1.5m3/s、1.8 m3/s、2.0m3/s，采用美國陸軍工程兵團HEC-RAS軟件對上述判別為淺灘的斷面計算河流寬度、平均水深、平均流速及濕周率4個水力學(xué)參數(shù)，計算結(jié)果見表4。

由表可知，當下泄流量為1.8m3/s時，占多年平均流量的15.65%，各個水力學(xué)指標均能滿足南宛河干流最小生態(tài)流量的水力參數(shù)標準。因此，R2-Cross法確定的南宛河減水河段生態(tài)需水量為1.80m3/s。

表3 麻栗壩水庫下游研究河道斷面類型綜合判別表

表4 R2-Cross法計算結(jié)果統(tǒng)計表

4 結(jié)論

本文采用Q90(水文學(xué)法)和R2-Cross法(水力學(xué)法)兩種方法分別計算了麻栗壩水庫下游至出國境的36.9km南宛河河段生態(tài)流量。采用Q90法推薦的最小生態(tài)需水流量的控制值為1.20m3/s。采用R2-Cross法計算的最小生態(tài)流量值為1.80m3/s。根據(jù)這兩種方法計算結(jié)果并取其中最大值，最終確定研究河道的最小生態(tài)流量為1.80m3/s。