(浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002)

河道內生態(tài)水量確定是水資源開發(fā)利用、節(jié)約、保護、配置、調度管理的重要基礎性工作。保障河道內生態(tài)水量是加強水資源開發(fā)利用管控、推進河湖生態(tài)保護修復和水生態(tài)文明建設的基本要求。我國現行的水法、環(huán)境保護法、水污染防治法等明確提出了維持江河合理流量的要求。2012年以來，中共中央、國務院相繼印發(fā)了關于加快推進生態(tài)文明建設的意見、關于實行最嚴格水資源管理制度的意見、水污染防治行動計劃等一系列文件，均要求加強河湖生態(tài)需水保障[1-2]。

我國自20世紀70年代開始探索河流生態(tài)流量，目前針對單一性河道已形成了一些相對成熟的生態(tài)水量估算方法[3]，這些方法可以分為水文學法、水力學法、整體分析法和棲息地法等4類。各種計算方法都有各自的適應條件及側重點，其中水文學和水力學方法相對比較簡單、容易操作，但未能全面考慮河流中不同物種各生命階段對生態(tài)流量的需求；整體分析法和棲息地法考慮了水生生物對水深、流速、水溫等要素的需求確定生態(tài)流量[4]，需要對復雜生態(tài)系統(tǒng)進行長期深入的生態(tài)觀測研究，方法使用起來受制約因素較多。針對南方豐水地區(qū)中小河流，本文提出了一種基于枯水徑流和河道形態(tài)的生態(tài)流量分析方法，并在浙江省臺州市永安溪流域進行了實例計算。

1 方法的提出

基于徑流頻率和河道形態(tài)的生態(tài)流量分析方法利用歷史水文資料和河道斷面資料，在徑流頻率分析[5]和河道水力參數[6]計算的基礎上綜合分析確定河道生態(tài)流量，該方法分析計算步驟如下。

(1) 選取控制斷面。所選取的斷面能基本控制所研究河流的水量，同時應有10 a以上可利用的觀測資料，如水位、流量、大斷面等。

(2) 徑流頻率分析。根據控制斷面長系列流量觀測資料開展徑流頻率分析。徑流頻率分析針對不同水期進行，水期劃分根據河流水文特性和水生生物需水特性等綜合確定。徑流頻率分析控制時段一般可以采用日、月、旬，應根據控制斷面徑流特性合理選定頻率分析的控制時段。

(3) 水力學參數分析。根據控制斷面實測大斷面、水力坡降、糙率等資料計算相關水力學參數，包括不同水位下的水面寬、過水斷面面積、平均水深、最大水深、濕周、水力半徑、流量、流速等，繪制流量與水深、流速等的關系曲線?？刂茢嗝嫠W參數計算采用明渠均勻流公式，即

式中,Q為流量，m3/s；A為過水斷面面積，m2；R為水力半徑，J為水力坡度，m；C為謝才系數，m1/2/s；n為糙率。

(4) 生態(tài)流量確定。首先選取不同頻率枯水徑流，由第三步計算成果確定其相應的水深、流速等；然后選取控制斷面生態(tài)水深、生態(tài)流速，經綜合分析，最終確定控制斷面適宜的生態(tài)流量。生態(tài)流速是指維持河道基本生態(tài)功能所需的水流速度，生態(tài)水深是指為了維持河道基本生態(tài)功能所需的最低水深，這些均與河流生物群落的生物構成有關，一般應根據關鍵性水生生物保護目標確定[7-8]。

該方法集成了水文學和生態(tài)水力學兩種方法的優(yōu)點，所計算的生態(tài)流量既具有一定保證率概念，也兼顧考慮了河段水力生境需求，雖然仍不能全面反映水生生物全生命周期內對生態(tài)流量的需求，但相對于棲息地法和整體分析法等，基于徑流頻率和河道形態(tài)的生態(tài)流量分析方法能夠克服生態(tài)資料積累不足、現場觀測耗時長且誤差大的缺點，在現狀資料條件下具有較強的可操作性。

2 實例分析

永安溪位于浙江省臺州市境內，屬山區(qū)性河流，流域面積2 704 km2，河長144 km，河道坡降5.6‰。流域內植被條件較好，徑流量相對豐富且人類活動對徑流量的影響總體較小，但存在徑流量年際年內變化大的特點。以永安溪流域為例，基于枯水徑流頻率和河道形態(tài)分析確定該河適宜的生態(tài)流量。

2.1 控制斷面選取

永安溪干流下游段設柏枝岙水文站，該水文站控制集水面積2 475 km2，占永安溪流域面積的91.5%。該站有水位、流量和大斷面觀測資料，資料年限長達57 a。因此，本次選取柏枝岙水文站為永安溪流域生態(tài)流量分析的控制斷面。

2.2 徑流頻率分析

永安溪流域全年分為3個雨季，即春雨(3～4月)、梅雨(5～7月初)和臺風雨(7～10月中旬)，其中春雨降水強度較弱，梅雨和臺風雨是全年的主要雨季。根據柏枝岙水文站1961～2017年的逐日徑流資料，該站多年平均流量為70.8 m3/s，徑流年內分布情況見表1。從表1可以看出，3～9月水量相對豐沛，其中6月份徑流量為年內峰值；1～2月和10～12月水量相對較少。另外，永安溪河段沒有珍稀動植物物種，主要生物為魚類，其產卵育幼期一般在每年的4～9月。因此，將永安溪流域生態(tài)需水劃分為兩個時期，即4～9月(產卵育幼期)和10月至次年3月(一般用水期)。

表1 永安溪柏枝岙水文站徑流年內分布Tab.1 Annual runoff distribution of Baizhiao Station in Yong’an River m3/s

根據永安溪柏枝岙水文站實測流量資料，分兩個時期進行徑流頻率分析，每個時期的分析時段均采用日、月、旬，計算成果見表2。從表2可以看出，同一頻率下不同時段的徑流量差別較大，特別是在4～9月，月時段各頻率徑流量相當于日時段的2倍，旬時段各頻率徑流量介于日時段與月時段之間，與日時段徑流量較為接近，特別是在10月至次年3月，旬時段各頻率徑流量僅高出日時段10%。綜合來看，選擇旬時段徑流量作為流域生態(tài)流量分析的控制時段，80%保證率(約為5 a一遇)情況下，永安溪柏枝岙水文站4～9月(產卵育幼期)的枯水流量為21.4m3/s，10月至次年3月(一般用水期)的枯水流量為7.1m3/s。

表2 永安溪柏枝岙水文站徑流頻率分析成果Tab.2 Analysis results of runoff frequency of Baizhiao Station in Yong’an River

2.3 斷面水力學參數計算

柏枝岙斷面屬于寬淺型，河道斷面相對穩(wěn)定，斷面底高程8.3 m，河面寬約240 m、其中主河槽寬約100 m，所在河段坡降為1.2‰。永安溪柏枝岙水文站2017年的4次大斷面如圖1所示。

利用柏枝岙實測斷面資料、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，然后繪制流量與斷面平均水深、流速等的關系曲線，見圖2。流量與斷面平均水深、流速的相關關系采用冪函數進行擬合，擬合效果較好，相關系數均達到0.986。

2.4 生態(tài)流量確定

魚類是永安溪流域關鍵性水生生物保護目標?；谖墨I以及相關調查，永安溪流域主要魚類有青魚、草魚、鳙魚、鰱魚等，魚類產卵育幼期一般在每年的4～9月，魚類的感覺流速為0.2 m/s，喜歡流速范圍為0.3～0.8 m/s，極限流速為1.1 m/s。另外，參考有關研究成果，適應于魚類生存水深宜不低于魚類體長的3倍，青魚等魚類體長一般20～30 cm，據此可估計相應的適宜水深不低于0.6 m?？紤]到魚類在一般用水期對水深和流速的要求較低，因此在10月至次年3月的一般用水期生態(tài)流速取魚類感覺流速0.2 m/s，生態(tài)水深取0.3 m。永安溪流域適宜魚類生產的生態(tài)流速和生態(tài)水深取值見表3。

圖1 永安溪柏枝岙水文站實測大斷面Fig.1 Section of Baizhiao Station in Yongan River

圖2 永安溪柏枝岙斷面流量與平均水深、流速關系Fig.2 Relationship between discharge and average water depth and velocity of Baizhiao Station in Yongan River

不同頻率下枯水流量相應的流速和水深，見表4。再根據表3確定的不同水期生態(tài)水深和生態(tài)流速范圍，永安溪流域柏枝岙斷面生態(tài)流量以斷面平均水深為主要控制條件，具體如下。

4～9月(產卵育幼期)：以斷面平均水深為控制條件，生態(tài)流量取值為柏枝岙斷面4～9月80%保證率(約為5 a一遇)的旬平均流量21.4 m3/s，相應斷面平均水深0.60 m，平均流速約為0.7 m/s。

表3 永安溪流域生態(tài)流速和生態(tài)水深取值Tab.3 Ecological velocity and ecological water depth of Baizhiao Station in Yongan River

表4 永安溪柏枝岙水文站枯水徑流及相應河道水力學參數Tab.4 Flow runoff in dry season and corresponding hydraulic parameters of Baizhiao Station in Yongan River

10月至次年3月(一般用水期)：以斷面平均水深為控制條件，生態(tài)流量取值為柏枝岙斷面10月至次年3月80%保證率(約為5 a一遇)的旬平均流量7.1 m3/s，相應斷面平均水深0.33 m，平均流速約為0.5 m/s。

2.5 合理性分析

柏枝岙水文站年平均流量為70.8 m3/s，其中4～9月(產卵育幼期)平均流量為103.6 m3/s，10月至次年3月(一般用水期)平均流量為38.7 m3/s。按照Tennant法估算柏枝岙斷面適宜生態(tài)流量,4～9月(產卵育幼期)為7.1～28.3 m3/s，10月至次年3月(一般用水期)為7.1～21.2 m3/s。推薦的永安溪流域柏枝岙斷面4～9月(魚類產卵育幼期)生態(tài)流量為21.4 m3/s，分別占其年平均流量與相應水期平均流量的30.2%，20.7%；推薦的永安溪流域柏枝岙斷面10月至次年3月(一般用水期)生態(tài)流量為7.1 m3/s，分別占其年平均流量與相應水期平均流量的10.0%,18.3%。通過與柏枝岙水文站特征徑流量Tennant法計算成果的對比分析，認為本次推薦的生態(tài)流量方案是合理的。

3 結 語

本文提出了一種基于徑流頻率和河道形態(tài)的生態(tài)流量分析方法，并在浙江省臺州市永安溪流域進行了驗證計算。該方法推薦的永安溪流域生態(tài)流量4～9月(魚類產卵育幼期)為21.4 m3/s、10月至次年3月(一般用水期)為7.1 m3/s，經與柏枝岙水文站特征徑流量、Tennant法計算成果的對比分析，認為該方法計算的生態(tài)流量是合理的?；趶搅黝l率和河道形態(tài)的生態(tài)流量分析方法計算的生態(tài)流量既具有一定保證率概念，也兼顧考慮了河段水力生境需求，在生態(tài)資料積累不足、現場觀測少的情況下具有較強的可操作性。