基于生態流速推求河道生態流量的方法研究

劉和昌，孫 前，李 偉，李 莎

(水利部珠江水利委員會技術咨詢(廣州)有限公司，廣東 廣州 510611)

保障河湖生態流量是加強水資源開發利用管控、推進河湖生態保護修復的基本要求，是建設水生態文明的一項重要舉措。迄今為止，國際上有200多種生態流量計算方法，分為水文學法[1-2]、水力學法[3-5]、棲息地法[6-7]以及整體分析法[8-9]這4類。其中，棲息地法是基于生態水力學來確定適合水生生物生存的推薦流量，生態水力包括流速、濕周、水深等。

目前，我國江河已建有大量的水文觀測站點，具有河道斷面歷史的和近期的水位、流量、地形觀測等數據，河流生物(如魚類)的適宜生態水力參數也得到了一定的研究。劉昌明等[10]于2007年提出了河道內生態需水量估算的生態水力半徑法，先由生態流速根據明渠均勻流公式推求生態水力半徑，再推導流量與水力半徑的函數關系，由生態水力半徑推求生態流量；朱遠生等[11]于2011年對西江干流敏感生態需水量進行了研究，先確定西江多數魚類產卵繁殖的斷面平均流速，推導斷面流速與流量的函數關系，由斷面平均流速推求生態流量。張志廣等[12]采用文獻法和專家法得出裂腹魚產卵期偏好流速范圍為0.5～2.0 m/s，以生態水力學法的計算結果作為基流量，確定了蘇洼龍水電站壩下河段的生態流量。周芬等[13]利用斷面資料、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，提出了一種基于徑流頻率和河道水力參數的河道生態流量綜合分析方法。汪青遼等[14]按長絲裂腹魚對水深、流速的適宜度標準確定不同流量下的棲息地加權可利用面積(WUA)，得到棲息地面積WUA隨流量的變化趨勢，最終確定目標魚類產卵繁殖期適宜的生態流量值。

綜合已有研究成果，生態水力參數均存在函數推導過程；但河道橫斷面地形、水位流量關系是河道自然屬性，無固定的數學函數關系式，推導過程往往較為復雜。本文在分析河道斷面流速與斷面流量相關性的基礎上，提出了利用河道水文、地形觀測數據，由生態流速推求生態流量的圖解法，求解過程簡單，可為河道生態流量的擬定提供參考。

1 原理與方法

1.1 計算原理

1.1.1 流量與過水斷面面積關系

根據水文統計實踐經驗，由斷面實測的水位、流量系列，斷面流量與水位關系可擬合為一條單調遞增曲線，可表示為

Q=f1(h)

(1)

式中，Q為斷面流量，m3/s；h為水位，m。

河道斷面大多為“V”形或“U”形，過水斷面面積與水位與存在一一對應關系。由河道斷面地形測量數據，可將過水斷面面積與水位關系擬合為一條單調遞增線關系。即

S=f2(h)

(2)

式中，S為過水斷面面積，m2。

將式(1)代入式(2)，可得過水斷面面積

(3)

由此可知，過水斷面面積S與流量Q存在一一對應的函數關系。

1.1.2 流量與流速關系

河道斷面流量與該斷面平均流速、過水斷面面積存在如下關系，即

Q=v·S

(4)

式中，v為斷面平均流速，m/s。

將式(3)代入式(4)，可得流量

(5)

從而可得斷面平均流速

(6)

由式(6)可知，河道斷面平均流速v與流量Q存在一一對應的函數關系，由斷面流速推求斷面流量是可行的。

1.2 計算方法

本次提出采用河道橫斷面地形數據、水位流量關系由生態流速推求生態流量的圖解法，計算步驟如下：

(1)根據研究河段水生生物及魚類生態水力研究成果，選定某時期適宜水生生物及魚類生存或繁殖的河道斷面平均流速，即生態流速v生態。

(2)根據近期實測的河道橫斷面地形數據，確定水位h-過水斷面面積S關系曲線；根據近期觀測的測水位、流量系列，確定水位h-流量Q關系曲線。

(3)根據水位h-過水斷面面積S關系曲線、水位h-流量Q關系曲線，由v=Q/S推求水位h-斷面平均流速v關系曲線。

(4)對于給定的生態流速v生態，由水位h-斷面平均流速v關系曲線可得相應生態水位h生態，再由水位h-流量Q關系曲線，可得生態流量Q生態。

2 應用實例

西江是珠江流域的主要水系，發源于云南省曲靖市馬雄山，流經云南、貴州、廣西、廣東，止于廣東省三水思賢滘，干流全長1 161 km，多年平均徑流量20 189億m3，孕育著不同類型的魚類達112種，分布有眾多的產卵場。梧州水文站位于廣西梧州市區，是西江干流潯江的控制水文站，集水面積32.7萬km2，豐水期為5月～10月。根據譚細暢等[15-16]對西江肇慶江段水文節律與魚苗周年分布的研究，肇慶江段4月～9月是西江大多數魚類的繁殖期，6月～8月是魚苗的主要生長期。

2.1 生態流速的選定

廣西水產所專家周解認為西江多數魚類產卵所需流速一般在0.3～1.0 m/s。為了保證魚類產卵繁殖，要求大部分水深的流速能夠滿足，根據梧州水文站斷面觀測的垂線流速分布數據，確定繁殖期4月～9月梧州水文站的斷面平均流速v生態約為0.66 m/s。

2.2 水位-斷面平均流速關系推求

根據近期實測的梧州水文站河道橫斷面地形數據(見圖1)，計算不同水位hi(本文水位均采用珠江基面)對應的斷面過流面積Si，將水位及相應的過水斷面面積點繪在圖上，形成水位～過水斷面面積曲線Lh-S，見圖2；根據梧州水文站近期觀測的水位、流量系列，將水位及相應的流量點繪在圖上，形成水位～流量關系曲線Lh-Q(見圖2)。

根據曲線Lh-S、Lh-Q，可查得同一水位hi下相應的過水面積Si、流量Qi，采用公式v=Q/S求得hi相應的斷面平均流速vi，將水位hi、斷面平均流速vi點繪在圖上，形成梧州水文站水位～斷面平均流速曲線Lh-v(見圖3)。

圖2 水位-過水面積-流量關系

圖3 水位-斷面平均流速關系曲線

2.3 生態流量查算

由生態流速v生態=0.66 m/s，查圖3中的曲線Lh-v可得相應生態水位h生態=6.51 m；由生態水位h生態=6.51 m，查圖2中的曲線Lh-Q可得生態流量Q生態=5 036 m3/s。

2.4 成果合理性分析

根據梧州水文站1956年～2010年水文年徑流系列，可計算該斷面多年平均徑流量為6 720 m3/s。根據Tennant法，不同河道內生態環境狀況對應的流量百分比見表1。本次研究的4月～9月基本位于西江年內較豐時段，所確定的生態流量5 036 m3/s與多年年均徑流百分比為74.9%，對應Tennant法河道內生態環境狀況“最佳”水平。根據朱遠生等[11]研究成果，梧州水文站斷面生態敏感期4月～9月適宜生態流量為5 213 m3/s；根據馬興華等[17]研究成果，西江肇慶江段大部分魚類生長繁衍期間(6月～8月)推薦的生態流量為5 213m3/s。本次計算的梧州水文站斷面4月～9月生態流量5 036 m3/s與已有成果相接近。由此可知，本次基于生態流速由河道橫斷面地形數據、水位流量關系推求的生態流量，與Tennant法河道內生態環境狀況評級相符，與已有研究成果接近，結果是合理的。

表1 不同河道內生態環境狀況對應的流量百分比 %

3 結 論

(1)河道斷面流量為河道斷面平均流速與斷面面積之積。經推導，當河道斷面水位-流量為單調遞增關系時，由于水位-過水斷面面積為單調遞增關系，此時河道斷面流速與斷面流量為一一對應關系，由河道斷面流速推求斷面流量是可行的。

(2)從適宜生物生存的水力生境參數角度，當已知曉適合生物生存、繁殖的斷面平均流速(即生態流速)時，提出由河道橫斷面地形數據、水位流量關系推求生態流量的圖解法，推求過程以查圖為主，無需進行復雜的函數擬合，計算較為簡便，在具有水文觀測站點的河段可操作性強。