何清燕,劉明洋,蔣輝霞,陳 立

（1.四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610066；2.四川文理學(xué)院，四川 達(dá)州 635000；3.廣東科學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 珠海 519090）

1 計(jì)算原理

在西南山區(qū)河流中，生態(tài)水量對(duì)于適應(yīng)急流生境的冷水魚類來(lái)講至關(guān)重要。因?yàn)?，生態(tài)水量是威脅其生存環(huán)境的主要原因之一。特別是在枯水月份，一些冷水魚開始產(chǎn)卵，對(duì)最低平均流速、平均水深等各項(xiàng)水力生境指標(biāo)的要求較高，因此，下泄的生態(tài)水量必須滿足這些魚類產(chǎn)卵的最低限值。通過比較各種生態(tài)需水量計(jì)算方法計(jì)算原理和適用條件可知[1,2]，修正R2-Cross法的水力參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)冷水魚類需求制定的，可作為冷水魚類產(chǎn)卵季生態(tài)需水量的計(jì)算方法。但不同河流的各種魚類對(duì)河流水力參數(shù)要求各不相同，應(yīng)該根據(jù)不同河流的基本情況和不同魚類的具體要求，對(duì)水力參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修正，只要明確流速、平均水深、河寬、平均濕周率等參數(shù)中的任意兩個(gè)，就可確定冷水魚類的生態(tài)需水量。

水面線計(jì)算是河流生態(tài)環(huán)境修復(fù)的基礎(chǔ)和前置工作，其準(zhǔn)確與否直接影響修復(fù)效果。本文水面線的計(jì)算可采用逐段試算法，其計(jì)算方程如下：

式中，Zi為上游斷面水位，Q為流量；Ai為過水?dāng)嗝婷娣e；g為重力加速度，Zi+1為下游斷面水位；K為斷面平均流量模數(shù)；ΔL為相鄰斷面之間的距離；n為糙率；Ri為水力半徑；若知曉下游斷面水位Zi+1，Zi則迭代可求出上游水位。

2 研究實(shí)例

以姜射壩下游岷江河段（牟托鎮(zhèn)河段）為例進(jìn)行分析，研究河段地形如圖1所示。岷江流域引水式電站梯級(jí)開發(fā)的方式給閘后減水河段的水生生態(tài)造成了嚴(yán)重影響[3]，尤其是在枯水季節(jié)，壩下僅有小股溪流，有些河段甚至完全干涸，這使壩下河流水動(dòng)力條件發(fā)生巨大變化。急流生境的消失直接影響魚類產(chǎn)卵場(chǎng)的數(shù)量及質(zhì)量，從而對(duì)魚類的繁殖與生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。

圖1 研究河段地形

岷江上游姜射壩電站需下泄的生態(tài)需水量采用修正R2-Cross法進(jìn)行了計(jì)算，出口水位根據(jù)HEC-RAS軟件推求[4]。HEC-RAS是由美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心開發(fā)的水面線計(jì)算軟件包，適用于河道穩(wěn)定和非穩(wěn)定流一維水力計(jì)算，本研究利用此模式推算不同流量下斷面平均水位高程。采用標(biāo)準(zhǔn)步推法（Standard step method），利用前一個(gè)斷面數(shù)據(jù)推求下一個(gè)斷面，再將新求得的斷面視為已知值重復(fù)進(jìn)行迭代求下一個(gè)斷面，最后得到河道斷面間的水面剖線。

研究河段枯水期變化明顯，采用修正R2-Cross法計(jì)算時(shí)，對(duì)于枯水季節(jié)按至少滿足三個(gè)水力學(xué)指標(biāo)中的任意兩個(gè)確定生態(tài)需水量。根據(jù)重口裂腹魚形態(tài)特征及生存條件確定姜射壩下游減水河段水力參數(shù)[5,6]，詳見表1。

表1 姜射壩下游減水河段重口裂腹魚生存的水力參數(shù)確定

本文修復(fù)河段糙率根據(jù)實(shí)測(cè)大斷面時(shí)的水面線資料，結(jié)合重口裂腹魚產(chǎn)卵時(shí)期水文站的流量資料反推模型糙率。通過試算可得到沿程各斷面水位；然后將各斷面水位連接與實(shí)測(cè)水面線進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)誤差調(diào)整修復(fù)河道的綜合糙率值，直至迭代值與實(shí)測(cè)值吻合較好為止。經(jīng)反推模擬，岷江上游姜射壩減水河段糙率為0.033。根據(jù)河段水力生境相關(guān)要求（見表1），通過分析河段實(shí)測(cè)地形，選擇淺灘特征相對(duì)明顯的4個(gè)斷面進(jìn)行生態(tài)需水量的計(jì)算。其斷面類型及位置見表2。

表2 斷面類型及位置

根據(jù)水文站的資料，下泄流量取多年平均流量（205 m3/s）的6%、12%、13%，即12.30 m3/s、24.61 m3/s、26.65 m3/s，利用一維數(shù)學(xué)模型，計(jì)算姜射壩下泄不同流量時(shí)4個(gè)典型斷面水力參數(shù)，見表3。

表3 相關(guān)水力參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

本文采用修正R2-Cross法對(duì)岷江上游姜射壩電站需下泄的生態(tài)需水量進(jìn)行了推估，由表3可知：當(dāng)姜射壩下泄流量為多年平均流量的13%時(shí)，各斷面均至少有兩個(gè)指標(biāo)能滿足修正R2-Cross法的標(biāo)準(zhǔn)。因此，在重口裂腹魚產(chǎn)卵期，姜射壩下游減水河段應(yīng)保證的下泄生態(tài)流量為26.65 m3/s。

3 結(jié)語(yǔ)

生態(tài)環(huán)境需水具有明顯的時(shí)空特性，下泄的生態(tài)需水量必須滿足冷水魚類產(chǎn)卵最低限值。生態(tài)需水量的最低限值是一個(gè)臨界值（閾值），目的在于確定研究流域（河流）在某特定時(shí)段能夠?qū)崿F(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)所必需的河道水量下限值。修正R2-Cross法的水力參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)冷水魚類需求制定的，在充分考慮其體態(tài)特征的情況下，對(duì)相關(guān)水力參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修正，最終計(jì)算出姜射壩下游修復(fù)河段的生態(tài)需水量，為重口裂腹魚產(chǎn)卵場(chǎng)水力生境的數(shù)值模擬及修復(fù)提供可靠的水力學(xué)條件。本研究成果可為修復(fù)重口裂腹魚產(chǎn)卵場(chǎng)、保護(hù)水生生物多樣性提供理論依據(jù)，為其它類似冷水魚類棲息地的水力生境修復(fù)提供借鑒。

[1]潘扎榮,阮曉紅,周金金等.河道生態(tài)需水量研究進(jìn)展[J].水資源與水土工程學(xué)報(bào),2011,22(4).

[2]盧紅偉,李嘉,李永.中型山區(qū)河流水電站下游的魚類生態(tài)需水量計(jì)算[J].水利學(xué)報(bào),2013,44(5).

[3]劉明洋,李永,王銳,陳明千,李嘉.丁壩在齊口裂腹魚產(chǎn)卵場(chǎng)修復(fù)中的應(yīng)用研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版).2014,46(3).

[4]成麗婷.Smx軟件和HEC-RAS軟件推算河道水面線效果分析 [J].山西水利,2013,12:28-29

[5]王玉蓉,李嘉,李克鋒等.水電站減水河段魚類生境需求的水力參數(shù)[J].水利學(xué)報(bào),2007,38(1).

[6]劉明洋.齊口裂腹魚產(chǎn)卵場(chǎng)微生境修復(fù)效果評(píng)估模型的研究及應(yīng)用[D].成都:四川大學(xué),2014.