漳河水庫上游干流河道適宜生態環境流量研究

李莎莎，劉志強，陳崇德

(湖北省漳河工程管理局，湖北 荊門 448156)

漳河是長江中游北岸一級支流沮漳河的東支，發源于湖北省南漳縣荊山南麗之三景莊，流經?？悼h、遠安縣、東寶、于當陽市兩河口與西支沮河匯合后稱沮漳河，再流經枝江市、于荊州市臨江寺匯入長江。漳河水庫位于湖北省襄陽、荊門、宜昌三市交界處，總庫容21.13億m3，是以灌溉為主，兼有防洪、城鎮供水、發電、水產、航運、旅游、改善環境等綜合效益的大型水利工程。水庫壩址以上河長142 km，集水面積2 212 km2，流域內水生生物、陸生植物、陸生動物等資源種類較多，其中有國家珍稀瀕危及重點保護植物36種，國家重點保護野生動物51種[1]。根據河流的實際情況及相關規范要求，選取漳河干流中部的打鼓臺站和水庫入庫處沙灘河站作為研究對象，探討漳河水庫上游干流河道適宜生態環境流量。打鼓臺站(資料系列1963～2018年)和沙灘河站分別占流域集水面積的32.9%和60.4%，說明徑流資料是日平均還是月平均，具有較好的代表性，且符合典型性、穩定性、實用性原則[2]。

1 漳河水庫上游河道適宜生態流量研究

1.1 頻率曲線法

按頻率75%以上的年份為枯水年，75%～25%為中水年，25%以下為豐水年分析，其中枯水年14個、中水年28個、豐水年14個。年內分期為12～2月為枯水期、3～5月及9～11為中水期、6～8月為豐水期[3]。頻率曲線法適宜生態環境流量計算成果見表1、表2，表1、表2中最小生態環境流量為p=90%頻率流量，適宜生態環境流下限為p=75%頻率流量，適宜生態環境流上限為p=25%頻率流量，最大生態環境流量為p=10%頻率流量。

表2 沙灘河站頻率曲線法適宜生態環境流量計算成果 m3/s

1.2 濕周法

1)建立濕周流量關系。根據曼寧公式和謝才公式推導的濕周流量關系表達式：

(1)

式中：Q為流量，m3/s；n為糙率；A為斷面面積，m2；S為水面比降；P為濕周，m。

為消除坐標軸比例的影響，將流量和濕周無量綱化[4]，分別取相對值Q′、P′即：

(2)

2)變化點的確定。建立濕周與流量的關系曲線，根據濕周流量關系圖中的拐點確定河流生態環境流量[5]?；驅?3)右邊求導,計算濕周流量關系曲線上的最大曲率,進而可計算最小生態流量[6]。

k=(d2P′/dQ2)/[1+(dP′/dQ′)2]3/2

(3)

3)河道斷面選取。以水文站實測流量斷面為依據(見圖1、圖2)。

圖1 打鼓臺水文站實測斷面圖

圖2 沙灘河水文站實測斷面圖

4)最小生態環境流量確定。根據式(1)～(3)計算，測流斷面無量綱濕周流量關系曲線見圖3、圖4。

圖3 打鼓臺水文站斷面無量綱濕周流量曲線圖

圖4 沙灘河水文站斷面無量綱濕周流量曲線圖

從圖1～圖4可以看出，打鼓臺與沙灘河水文站河床形狀為穩定的寬淺矩形河道，符合《河湖生態需水評估導則(試行)》(SL/Z 479-2010)規定。由突變點確定的打鼓臺河道最小生態環境流量為1.37 m3/s，沙灘河河道最小生態環境流量為1.81 m3/s。

1.3 蒙大拿法(Tennant法)

根據《河湖生態需水評估導則(試行)》(SL/Z 479-2010)規定，將年平均流量的10%作為河流控制斷面生態環境需水量，年平均流量計算式為

(4)

式中，Qbi為生態環境需水年內不同時段值，m3/s。

按(4)式的10%計算，打鼓臺控制斷面最小生態環境流量為1.03 m3/s，沙灘河控制斷面最小生態環境流量為2.54 m3/s。

1.4 其他方法

1)Qp法(不同頻率最枯月平均值法)。用每年的最枯月排頻，當P=90%時：打鼓臺斷面最小生態環境流量Q=1.12 m3/s，沙灘河斷面最小生態環境流量Q=1.97 m3/s。

2)流量歷史曲線法。建立各月流量歷時曲線，當P=90%時，各月最小生態環境流量值見表3。

表3 流量歷史曲線法計算成果 m3/s

3)7Q10法(最小流量法)。當P=90%時，采用一年365 d都能保證的流量為最小生態環境流量，經計算：打鼓臺斷面最小生態環境流量Q=0.92 m3/s，沙灘河斷面最小生態環境流量Q=1.2 m3/s。

1.5 成果評價

將頻率曲線法、濕周法、蒙大拿法、Qp法、流量歷史曲線法、7Q10法等不同計算方法求得的河道斷面最小生態環境流量成果繪在一張圖上(見圖5、圖6)，根據《河湖生態需水評估導則(試行)》(SL/Z 479-2010)和河湖生態環境需水計算規范(SL/Z 712-2014)擬定的河流生態環境流量等級標準(見表4)[7]，對上述幾種計算方法求得的河流最小生態環境流量成果進行評價(見表5)。

圖5 打鼓臺斷面最小生態環境流量圖

圖6 沙灘河斷面最小生態環境流量圖

表4 河流生態環境流量等級 %

從圖5、圖6及表4、表5可以看出：頻率曲線法反應了河道斷面各時期的實際用水需求，流量歷史曲線法反映了河道斷面最小生態流量，均符合的河道斷面的實際用水情況[8]；濕周法、蒙大拿法、Qp法及7Q10法等，全年采用同一生態流量，不適應河道內因季節性變化而產生的不同需水要求，甚至有可能出現枯水期和豐水期生態環境流量不相匹配的情況；其中濕周法、Qp法及7Q10法成果生態環境流量偏小，河流生態環境流量保障率低。綜合上述因素，推薦采用頻率曲線法成果(見表6與圖7、圖8)。

表5 不同計算方法的最小生態環境流量對應的生態狀態評價

表6 逐月頻率法推薦適宜生態環境流量 m3/s

圖7 打鼓臺站推薦河道內適宜生態環境流量圖

圖8 沙灘河站推薦河道內適宜生態環境流量圖

2 結 語

研究表明，在現有調度水平的基礎上，采用頻率曲線法計算的干流河道內生態環境流量效果較好。因而，近20年來，漳河水庫上游干流河道生態環境流量均保證在最小值及以上。實踐表明，河道生態環境流量的改善，對生態環境影響較大，流域內水生生物、陸生植物、陸生動物等資源種類或數量有了明顯的增加，如2019年冬季，流域內發現中華秋沙鴨、鴛鴦等稀有動物增加了1倍以上，亞熱帶常綠闊葉與落葉闊葉混交林的植被特征進一步顯現等。但是，由于人類活動的影響，生態環境保護與經濟發展之間的矛盾突出，尤其是水土流失治理與水污染防治等，任重道遠，流域生態脆弱性的基礎依然存在，應引起有關部門的高度重視。