清遠市樂排河河道斷面生態基流計算分析

李新紅

(清遠市水利水電勘測設計院有限公司,廣東 清遠 511500)

1 河流概況

樂排河，又名白坭河，古稱巴由水，位于清城區的南端，地處清遠、廣州佛山三市的交匯點，發源于清遠市清城區石角鎮的瓦塘寮，集水面積為343.69 km2，河長為47.5 km。樂排河流域平均降雨量為1 803.6 mm，最大年降雨量為2 686.7 mm，最小年降雨量為1 102.6 mm，豐枯極值比為2.44。樂排河清遠境內集雨面積為 92.2 km2，約占樂排河總流域面積的1/4，河長為16.6 km，平均坡降為0.000 8。其境內主要支流有新屋水、基口排坑、木頭塘排坑、老虎口排坑、大坑水、鐘屋排坑等[1]。

2 生態基流簡述

2.1 生態基流的概念

河道生態基流是指維持河流基本形態和基本生態功能，保證水生態系統基本功能正常運轉的最小流量。對一條常年流動性河流而言，它擁有豐富的水量和穩定的水生態系統，這兩者是維護河流生態環境的底線要求。一些不與海和天然雪山相連的河，以及河底比較淺的河流會發生季節性斷流，河流斷流會給原有水生環境帶來嚴重破壞。這種河流即使恢復斷流前水流狀態，與原始水生態系統多樣性也有較大差異，更為嚴重的就是造成一些水生物種的永久性滅亡。因此，為了防止河道萎縮或斷流，維持河道基本的生態環境功能，河道中常年都應該保持一定比例的基本流量，河道生態基流的概念是基于此而提出[2-3]。

2.2 計算方法與特點介紹

全球來看，生態基流的計算方法層出不窮，為防止河流的生態系統遭到破壞，美國研究人員提出了In-stream Flow Requirement的概念。通過歸納總結，目前關于生態基流的計算方法已達200余種，大致可歸為4種計算類別，分別是標準流量法、水力學法、棲息地法和整體法。我國生態蓄水方面研究起步較晚，自20世紀90年代開始才初露頭角，相比國外比較落后。但是近幾年看來，我國學者通過不斷學習國外一些研究方法和操作手段后，國內生態蓄水發展速度飛速提升。近年來，國內一些創新性的分析計算方法不斷涌現，國內學者通過總結我國水資源地域分布特點，提出了包括tennant法、最枯月流量法和Qp法(P=95%或90%)在內的十余種研究方法[4-6]。表1歸納總結了國內目前較為典型的6類生態基流指標表達方法。

表1 生態基流指標表達

在各種方法類別中，水文學法相對水力學法易于操作，應用較廣泛、較成熟。選擇合理的生態基流計算方法務必對擬測水域或者河流生態系統有深刻的了解。例如，選擇Tennant法時應當考慮河流是否具有長系列水文資料，選擇7Q10法時應當判定河流開發程度滿足要求與否。此外還應當綜合考慮區域水文特征、河流形態和當地水生態系統類型，對于有工業產業的河流流域，工業工程對水域造成的環境影響也應當考慮在內。本次研究根據收集資料情況擬采用Tennant法、90%保證率法、近10 a最枯月流量法3種方法進行分析計算，同時考慮已有成果綜合選取[7]。由于樂排河流域內無相關水文測站，即無相關徑流實測資料，根據其周邊測站分布，計算采用大廟峽(二)站1960—2015年共56 a實測年徑流及降雨資料同計算區域內的石角雨量站1960—2015年共56 a實測年降雨資料所推求的樂排河流域興仁橋控制斷面1960—2015年逐年徑流為計算依據。

3 樂排河生態基流的計算

3.1 Tennant法

Tennant法是通過河流多年平均流量的百分數進行計算，根據2010年水利部水利水電規劃設計總院印發的《水工程規劃設計生態指標體系與應用指導意見》中該法將保護水生態的河流流量推薦值分為最大允許極限值、最佳范圍值、極好狀態值、非常好狀態值、好狀態值、開始退化狀態值、差或最小狀態值和極差狀態值等1個高限標準、1個最佳范圍標準和6個低限標準[8- 9]，又依據水生生物對環境的季節性要求不同，分為魚類產卵育肥期(4—9月份)和一般用水期(10月—翌年3月份)，樂排河流域主要為丘陵、平原區，人類活動較密集，Tennant法推薦流量情況詳見表2，流域內無相關水產種質及水生生物棲息地，故本次計算按照一般用水期分別計算多年平均流量的10%～30%，根據上述年徑流計算成果計算出各控制斷面相應成果，表3為兩控制斷面通過Tennant法計算的徑流量成果。

表2 Tennant法推薦流量

表3 各斷面Tennant法計算成果 m3/s

3.2 90%保證率法

90%保證率法是指計算90%保證率最枯月平均流量作為生態基流的方法，根據興仁橋控制斷面逐年年內徑流分析成果，選取1960—2015年共56 a最枯月平均徑流流量資料系列進行頻率計算，根據興仁橋控制斷面1960—2015年56 a最枯月平均徑流流量經頻率分析并點繪頻率曲線(見圖1～圖2)，頻率曲線采用P-Ⅲ線型，利用P-Ⅲ型曲線適線，矩法計算和計算機適線后得出各統計參數為:興仁橋多年平均最枯月流量Q興仁橋=0.59 m3/s，石岐橋多年平均最枯月流量Q石歧橋=0.3 m3/s。本次計算偏態系數Cs=2Cv=0.98，變差系數Cv=0.49。

圖1 興仁橋斷面1960—2015年逐年最枯月

圖2 興仁橋斷面1960—2015年最枯月徑流頻率分析曲線示意

表4統計了樂排河境內石岐橋和興仁橋兩斷面不同頻率下多年平均徑流流量分析成果。顯然，興仁橋控制斷面處樂排河90%頻率枯水流量為0.26 m3/s；相應地，利用水文比擬法計算可以得到石岐橋控制斷面處的90%頻率枯水流量為0.13m3/s。

表4 各斷面1960—2015年最枯月徑流特征值成果 m3/s

3.3 近10 a最枯月流量法

近10 a最枯月流量法是指統計分析近10 a最枯月平均流量作為生態基流的方法，根據興仁橋斷面近10 a年內最枯月平均徑流流量及水文比擬法分析計算[10-11]。計算結果顯示石歧橋近10 a最枯月徑流量為0.35 m3/s，興仁橋為0.69 m3/s，各斷面成果見表5。

表5 各斷面近10 a最枯月徑流分析系成果 m3/s

4 樂排河生態基流確定

上述3種計算生態基流的方法各有優缺點，由于各個方法選擇的資料不同，所以得出的結果也有很大差別。對每種結果進行統計后并分析該統計成果的有效性，同時進行合理的對比分析來最終確定樂排河的生態基流成果。樂排河各斷面采用不同方法計算及現有成果情況見表6。

表6 樂排河流域不同方法的生態基流成果 m3/s

1) 90%保證率法以56 a實測最枯月平均流量資料系列進行頻率計算，取90%頻率的最枯月流量作為生態基流，此種方法著重考慮枯水期流量，適合作為樂排河旱警流量[10]。

2) 近10 a最枯月平均流量法雖然所取資料系列最接近當前狀況，但是它資料系列較短，僅考慮到了近期河道來水量情況，對多年前河道來水情況未做分析，不具備代表性。

3) 樂排河水文資料系列長達56 a，利用Tennant法進行計算分析具有步驟簡單且快速確定數值的優點。根據表6可知，Tennant法中取多年天然平均徑流百分比30%及20%的最小生態需水量結果相對其它方法大部分偏大；Tennant法中若取多年天然平均徑流百分比10%的最小生態需水量及近10 a最枯月法結果則相對適中(石歧橋取為0.21 m3/s和0.35 m3/s，興仁橋取為0.42和0.69m3/s)；由于樂排河流域面積較小、且徑流豐枯比值越大的河流枯水期徑流量就越小，生態基流也就越大，枯水期就會很難保證河道最小流量所應滿足的最低要求[12- 13]。不僅如此，水利部水利水電規劃設計總院在2010年印發的文件——《水工程規劃設計生態指標體系與應用指導意見》中強調南北河流生態基流取值有明顯差異。《意見》指出，北方地區河流非汛期和汛期對于生態基流的取值有所區別，非汛期取值大于等于年徑流量的10%，而汛期為年徑流量的20%～30%。樂排河屬南方河流，《意見》表明南方河流生態基流取值可在90%保證率法與天然徑流量的10%之間取較大值；也可以用Tennant法，此時應當取徑流量的30%以上。

綜上所述，認為本次樂排河流域各斷面的生態基流采用多年平均天然徑流量的10%的成果即石岐橋控制斷面生態基流取0.21 m3/s，興仁橋控制斷面生態基流取0.42 m3/s。樂排河流域各斷面枯水期生態流量成果見表7。

表7 樂排河流域各斷面生態基流成果 m3/s

5 結語

本次研究設置兩個控制斷面，即石歧橋控制斷面和興仁橋控制斷面，前者枯水期生態流量采用Tennant法計算的多年平均天然徑流量的10%，計算結果為0.21 m3/s；興仁橋控制斷面采用水文比擬法計算，其保枯水期生態流量為0.42 m3/s；觀察并分析結果認為：

1) 樂排河流域內攔蓄水、引調水工程需落實完善生態流量泄放設施及相應的運行調度方案，并將其納入工程總體運行調度，且嚴格執行；

2) 樂排河流域內蓄水工程平水年及枯水年運行中保證生態流量泄放及生產生活用水后應盡可能攔蓄水，以保證緊急需水時有水可用；

3) 樂排河流域豐、平水年調度方案以10月—翌年3月為關鍵調度期，在保證生態流量不破壞的基礎上，盡力保證流域內用水戶的用水需求，必要時采取節水措施、限制農業取用水；

4) 樂排河流域控制斷面應設置流量觀測設施，以保證能夠及時反映樂排河水生態環境情況，以便采取適宜補水方案。