汪青遼，郝紅升，李 永

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 650065)

0 引言

近年來隨著水資源利用程度不斷提高，水利工程建設(shè)改變了河流水文情勢(shì)及水流形態(tài)[1]，造成嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境影響。因此，在提高水資源利用效益的同時(shí)，應(yīng)有效保護(hù)河流生態(tài)環(huán)境質(zhì)量免遭毀滅性破壞。

河流生態(tài)需水的概念最早在20世紀(jì)40年代由美國(guó)漁業(yè)與野生生物保護(hù)組織提出。生態(tài)流量指為維持河流的健康所需的流量及其水文過程，全年范圍內(nèi)其數(shù)值是動(dòng)態(tài)變化的[2]?，F(xiàn)階段人們普遍認(rèn)為，為河道預(yù)留足夠的流量滿足生態(tài)環(huán)境的用水需求，是保護(hù)河流生態(tài)穩(wěn)定的有效途徑，合理估算河流生態(tài)流量是十分必要的。生態(tài)流量的計(jì)算對(duì)于流域水資源的合理開發(fā)、配置以及維持河流生態(tài)系統(tǒng)的健康具有重要意義[3]。

目前國(guó)內(nèi)常采用的是水文學(xué)法、水力學(xué)法、生境(棲息地)模擬法，其中屬水文學(xué)法、水力學(xué)法計(jì)算較為簡(jiǎn)單也最為使用廣泛。水文學(xué)法是以歷史流量為基礎(chǔ)，根據(jù)簡(jiǎn)單的水文指標(biāo)確定河道生態(tài)環(huán)境需水；水力學(xué)法是以棲息地保護(hù)類型的水力學(xué)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的模型：這兩種方法適用性強(qiáng)。而棲息地模擬法是基于河道內(nèi)目標(biāo)水生生物的流量需求進(jìn)行生態(tài)流量計(jì)算[4]，其計(jì)算所需的資料多且計(jì)算繁瑣。根據(jù)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《HJ2.3-2018環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地表水環(huán)境》要求，生態(tài)流量至少采用上述兩種方法計(jì)算。本文選擇國(guó)內(nèi)廣泛使用的Q90(水文學(xué)法)和R2-Cross法(水力學(xué)法)兩種方法分別計(jì)算生態(tài)流量并取其中最大值。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)概況

云南省麻栗壩大型灌區(qū)是全國(guó)172項(xiàng)重大水利項(xiàng)目之一。工程開發(fā)任務(wù)為農(nóng)業(yè)灌溉、城鄉(xiāng)供水。設(shè)計(jì)灌區(qū)面積2.34萬hm2，供水人口18.57萬人。灌區(qū)主要從已建的麻栗壩水庫(kù)引水，運(yùn)行期將新增從水庫(kù)年引水總量13151.0萬m3。位于南宛河上的麻栗壩水庫(kù)建于2009年12月，水庫(kù)正常蓄水位994.7m，總庫(kù)容10792.0萬m3，水庫(kù)為不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)。

本文選取麻栗壩水庫(kù)下游至出國(guó)境的36.9km南宛河河段，研究河道內(nèi)水生生物對(duì)河流流量的需求。水庫(kù)壩址處多年平均年徑流量3.63億m3，多年平均流量11.1m3/s。徑流年內(nèi)分配不均，汛期6—11月占年徑流量的81%。研究河道平均坡降17.8‰，河道糙率0.035。

麻栗壩灌區(qū)工程從麻栗壩水庫(kù)引水后，勢(shì)必會(huì)引起大壩下游流量的減少及其過程的變化，導(dǎo)致下游魚類棲息地面積減少，影響魚類的生存繁殖。本文采用Q90(水文學(xué)法)和R2-Cross法(水力學(xué)法)計(jì)算天然狀態(tài)下麻栗壩水庫(kù)下游河道的生態(tài)流量，為工程建成引水后維持大壩下游南宛河水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定而需下泄的流量值提供參考。

1.2 生態(tài)保護(hù)目標(biāo)

根據(jù)水生調(diào)查成果，在南宛河流域內(nèi)共有魚類30種，屬11科24屬，常見的種類有鯉科的鯉魚、鯽魚，鰍科的鱗頭角似鱗頭鰍等。在區(qū)系組成上，土著魚類14種，占比為46.7%，其余為外來物種。小眼小波魚、珍珠魚丹、半線魚丹等14種土著魚類均為小型魚類，一般體長(zhǎng)最多為6cm，體重2～3g，個(gè)體小且種群數(shù)量不多。南宛河干流中無產(chǎn)卵場(chǎng)，部分支流中有分散的小型魚類產(chǎn)卵場(chǎng)。因此，南宛河生態(tài)需水保護(hù)目標(biāo)確定為：維持干流小型土著魚類生存繁衍的一般生境。

2 Q90法研究方法及結(jié)果

根據(jù)水利部發(fā)布的《SL/Z712-2014河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范》，Q90法是根據(jù)麻栗壩壩址斷面長(zhǎng)系列53年的逐月流量，選取每一年最小月流量值進(jìn)行排頻，選取90%保證率下的長(zhǎng)系列年最枯月流量作為最小生態(tài)流量值，為1.20m3/s。

表1 南宛河干流生態(tài)流量計(jì)算表(Q90法)

3 R2-Cross研究方法與結(jié)果分析

R2-Cross法采用河流寬度、平均水深、平均流速及濕周率指標(biāo)來評(píng)估河流棲息地保護(hù)水平[5]，從而確定河流最小生態(tài)流量。其中，濕周率指某一過水?dāng)嗝嬖谀骋涣髁繒r(shí)的濕周占多年平均流量滿濕周的百分比。

R2-Cross法計(jì)算過程主要分三步：首先針對(duì)南宛河干流的河寬和目標(biāo)魚類體長(zhǎng)特點(diǎn)，提出了一種適合的確定南宛河流域生態(tài)流量的水力參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用于設(shè)定河道魚類棲息地的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，這些參數(shù)包括：水面寬度、平均水深、濕周率和平均流速；其次是采用基于水流特征的弗勞德數(shù)法和基于河床地形學(xué)特征的深泓線線性回歸法兩種方法來分析實(shí)測(cè)斷面的類型，從眾多斷面中篩選出淺灘斷面，計(jì)算只分析淺灘斷面，這是因?yàn)樵诤恿髦袦\灘通常是魚類和大型無脊椎動(dòng)物豐富的區(qū)域，而且也是生物棲息地的臨界位置；最后結(jié)合美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)HEC-RAS軟件，通過試算不同流量下的淺灘斷面水力參數(shù)，直至所有斷面的參數(shù)滿足保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，該流量即為最小生態(tài)流量。

3.1 R2-Cross計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

麻栗壩水庫(kù)壩下南宛河干流河段平均河寬約為15m，考慮主要保護(hù)魚類體長(zhǎng)<6cm，在計(jì)算生態(tài)流量時(shí)，以保護(hù)魚類體長(zhǎng)的2倍為水深下限，確定R2-Cross法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 R2-Cross法確定南宛河干流最小生態(tài)流量的水力參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

3.2 淺灘斷面的判別方法及結(jié)果

在河流中，淺灘通常是魚類豐富的區(qū)域，而且也是生物棲息地的臨界位置。當(dāng)河流流量較少時(shí)，淺灘首先被顯露，故淺灘斷面的河寬、水深和流速對(duì)于流量的變化最為敏感。因此，在采用R2-Cross法計(jì)算生態(tài)流量時(shí)，斷面的選取一般為單一河道的淺灘斷面。

根據(jù)R2-Cross法的計(jì)算要求，通常需要先對(duì)河流的生境進(jìn)行劃分。河流中尺度生境一般劃分為深潭、淺灘兩種類型，河道類型主要受河道地形構(gòu)造和水流大小影響。本研究基于水流特征的弗勞德數(shù)法和基于河床地形學(xué)特征的深泓線線性回歸法來綜合分析實(shí)測(cè)斷面的類型。麻栗壩水庫(kù)下游至出國(guó)境的36.9km南宛河河段，根據(jù)地形測(cè)量成果，選取其中有代表性的14個(gè)斷面進(jìn)行計(jì)算。

(1)深泓線線性回歸法

Richards(1976)提出深泓線線性回歸法進(jìn)行深潭、淺灘斷面判斷方法，該方法要求沿河道深泓線等間距進(jìn)行河床高程測(cè)量，然后采用線性回歸方程對(duì)河床高程點(diǎn)進(jìn)行擬合。對(duì)于較短的河段，可采用一次方程，對(duì)于較長(zhǎng)的河段，采用二次或三次方程。

根據(jù)擬合結(jié)果，河床實(shí)測(cè)高程高于擬合曲線的為淺灘，低于擬合曲線的為深潭。本河段共有14個(gè)計(jì)算大斷面，大多數(shù)斷面間距在2500m左右，采用二次曲線方程擬合曲線方程。一般認(rèn)為，河床實(shí)測(cè)高程高于擬合曲線的為淺灘，低于擬合曲線的為深潭。根據(jù)判別，14個(gè)大斷面中，5個(gè)斷面為淺灘斷面，其他9個(gè)斷面為深潭斷面，擬合結(jié)果見圖1。

(2)弗勞德數(shù)法

弗勞德數(shù)(Fr)是反映水流急緩程度的一個(gè)重要參數(shù)。本文對(duì)各斷面的弗勞德數(shù)采用多年平均流量(Q=11.1m3/s)下的斷面平均水深V和平均水深H進(jìn)行計(jì)算，即，g為重力加速度。壩下各斷面弗勞德數(shù)的分布如圖2所示。各斷面的弗勞德數(shù)在0.21～0.75，平均為0.40。本研究將Fr=0.40作為淺灘斷面和深潭斷面分界線。根據(jù)弗勞德數(shù)法，14個(gè)大斷面中有8個(gè)為深潭斷面，其余6個(gè)斷面為淺灘斷面，見圖2。

由于上述兩種分析方法基于的原則不一致，因此深潭和淺灘識(shí)別的結(jié)果也存在一定的差異。在14個(gè)斷面中有8個(gè)斷面兩種方法判定結(jié)果一致；其余6個(gè)斷面，則根據(jù)斷面形狀來綜合判定，一般認(rèn)為水下斷面比較對(duì)稱的為淺灘斷面；斷面不對(duì)稱、斷面上各點(diǎn)水深差別較大的為深潭斷面。綜合后，14個(gè)斷面中有6個(gè)斷面判定為淺灘斷面，其他8個(gè)斷面為深潭斷面。

3.3 淺灘斷面的判別方法及結(jié)果

設(shè)定計(jì)算工況：流量為1m3/s、1.5m3/s、1.8 m3/s、2.0m3/s，采用美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)HEC-RAS軟件對(duì)上述判別為淺灘的斷面計(jì)算河流寬度、平均水深、平均流速及濕周率4個(gè)水力學(xué)參數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表4。

由表可知，當(dāng)下泄流量為1.8m3/s時(shí)，占多年平均流量的15.65%，各個(gè)水力學(xué)指標(biāo)均能滿足南宛河干流最小生態(tài)流量的水力參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。因此，R2-Cross法確定的南宛河減水河段生態(tài)需水量為1.80m3/s。

表3 麻栗壩水庫(kù)下游研究河道斷面類型綜合判別表

表4 R2-Cross法計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

本文采用Q90(水文學(xué)法)和R2-Cross法(水力學(xué)法)兩種方法分別計(jì)算了麻栗壩水庫(kù)下游至出國(guó)境的36.9km南宛河河段生態(tài)流量。采用Q90法推薦的最小生態(tài)需水流量的控制值為1.20m3/s。采用R2-Cross法計(jì)算的最小生態(tài)流量值為1.80m3/s。根據(jù)這兩種方法計(jì)算結(jié)果并取其中最大值，最終確定研究河道的最小生態(tài)流量為1.80m3/s。