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        基于生態(tài)流速推求河道生態(tài)流量的方法研究

        2022-07-08 07:02:06劉和昌
        水力發(fā)電 2022年6期
        關(guān)鍵詞:水文站流速河道

        劉和昌,孫 前,李 偉,李 莎

        (水利部珠江水利委員會技術(shù)咨詢(廣州)有限公司,廣東 廣州 510611)

        保障河湖生態(tài)流量是加強(qiáng)水資源開發(fā)利用管控、推進(jìn)河湖生態(tài)保護(hù)修復(fù)的基本要求,是建設(shè)水生態(tài)文明的一項重要舉措。迄今為止,國際上有200多種生態(tài)流量計算方法,分為水文學(xué)法[1-2]、水力學(xué)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(tài)水力學(xué)來確定適合水生生物生存的推薦流量,生態(tài)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(shù)據(jù),河流生物(如魚類)的適宜生態(tài)水力參數(shù)也得到了一定的研究。劉昌明等[10]于2007年提出了河道內(nèi)生態(tài)需水量估算的生態(tài)水力半徑法,先由生態(tài)流速根據(jù)明渠均勻流公式推求生態(tài)水力半徑,再推導(dǎo)流量與水力半徑的函數(shù)關(guān)系,由生態(tài)水力半徑推求生態(tài)流量;朱遠(yuǎn)生等[11]于2011年對西江干流敏感生態(tài)需水量進(jìn)行了研究,先確定西江多數(shù)魚類產(chǎn)卵繁殖的斷面平均流速,推導(dǎo)斷面流速與流量的函數(shù)關(guān)系,由斷面平均流速推求生態(tài)流量。張志廣等[12]采用文獻(xiàn)法和專家法得出裂腹魚產(chǎn)卵期偏好流速范圍為0.5~2.0 m/s,以生態(tài)水力學(xué)法的計算結(jié)果作為基流量,確定了蘇洼龍水電站壩下河段的生態(tài)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?dāng)嗝娴南嚓P(guān)水力學(xué)參數(shù),提出了一種基于徑流頻率和河道水力參數(shù)的河道生態(tài)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(biāo)準(zhǔn)確定不同流量下的棲息地加權(quán)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(biāo)魚類產(chǎn)卵繁殖期適宜的生態(tài)流量值。

        綜合已有研究成果,生態(tài)水力參數(shù)均存在函數(shù)推導(dǎo)過程;但河道橫斷面地形、水位流量關(guān)系是河道自然屬性,無固定的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系式,推導(dǎo)過程往往較為復(fù)雜。本文在分析河道斷面流速與斷面流量相關(guān)性的基礎(chǔ)上,提出了利用河道水文、地形觀測數(shù)據(jù),由生態(tài)流速推求生態(tài)流量的圖解法,求解過程簡單,可為河道生態(tài)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?dāng)嗝婷娣e關(guān)系

        根據(jù)水文統(tǒng)計實踐經(jīng)驗,由斷面實測的水位、流量系列,斷面流量與水位關(guān)系可擬合為一條單調(diào)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?dāng)嗝婷娣e與水位與存在一一對應(yīng)關(guān)系。由河道斷面地形測量數(shù)據(jù),可將過水?dāng)嗝婷娣e與水位關(guān)系擬合為一條單調(diào)遞增線關(guān)系。即

        S=f2(h)

        (2)

        式中,S為過水?dāng)嗝婷娣e,m2。

        將式(1)代入式(2),可得過水?dāng)嗝婷娣e

        (3)

        由此可知,過水?dāng)嗝婷娣eS與流量Q存在一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。

        1.1.2 流量與流速關(guān)系

        河道斷面流量與該斷面平均流速、過水?dāng)嗝婷娣e存在如下關(guān)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(yīng)的函數(shù)關(guān)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(shù)據(jù)、水位流量關(guān)系由生態(tài)流速推求生態(tài)流量的圖解法,計算步驟如下:

        (1)根據(jù)研究河段水生生物及魚類生態(tài)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(tài)流速v生態(tài)。

        (2)根據(jù)近期實測的河道橫斷面地形數(shù)據(jù),確定水位h-過水?dāng)嗝婷娣eS關(guān)系曲線;根據(jù)近期觀測的測水位、流量系列,確定水位h-流量Q關(guān)系曲線。

        (3)根據(jù)水位h-過水?dāng)嗝婷娣eS關(guān)系曲線、水位h-流量Q關(guān)系曲線,由v=Q/S推求水位h-斷面平均流速v關(guān)系曲線。

        (4)對于給定的生態(tài)流速v生態(tài),由水位h-斷面平均流速v關(guān)系曲線可得相應(yīng)生態(tài)水位h生態(tài),再由水位h-流量Q關(guān)系曲線,可得生態(tài)流量Q生態(tài)。

        2 應(yīng)用實例

        西江是珠江流域的主要水系,發(fā)源于云南省曲靖市馬雄山,流經(jīng)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(dá)112種,分布有眾多的產(chǎn)卵場。梧州水文站位于廣西梧州市區(qū),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(jù)譚細(xì)暢等[15-16]對西江肇慶江段水文節(jié)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(shù)魚類的繁殖期,6月~8月是魚苗的主要生長期。

        2.1 生態(tài)流速的選定

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

        2.2 水位-斷面平均流速關(guān)系推求

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

        根據(jù)曲線Lh-S、Lh-Q,可查得同一水位hi下相應(yīng)的過水面積Si、流量Qi,采用公式v=Q/S求得hi相應(yīng)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(guān)系

        圖3 水位-斷面平均流速關(guān)系曲線

        2.3 生態(tài)流量查算

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

        2.4 成果合理性分析

        根據(jù)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(jù)Tennant法,不同河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況對應(yīng)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(nèi)較豐時段,所確定的生態(tài)流量5 036 m3/s與多年年均徑流百分比為74.9%,對應(yīng)Tennant法河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況“最佳”水平。根據(jù)朱遠(yuǎn)生等[11]研究成果,梧州水文站斷面生態(tài)敏感期4月~9月適宜生態(tài)流量為5 213 m3/s;根據(jù)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(tài)流量為5 213m3/s。本次計算的梧州水文站斷面4月~9月生態(tài)流量5 036 m3/s與已有成果相接近。由此可知,本次基于生態(tài)流速由河道橫斷面地形數(shù)據(jù)、水位流量關(guān)系推求的生態(tài)流量,與Tennant法河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況評級相符,與已有研究成果接近,結(jié)果是合理的。

        表1 不同河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況對應(yīng)的流量百分比 %

        3 結(jié) 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(jīng)推導(dǎo),當(dāng)河道斷面水位-流量為單調(diào)遞增關(guān)系時,由于水位-過水?dāng)嗝婷娣e為單調(diào)遞增關(guān)系,此時河道斷面流速與斷面流量為一一對應(yīng)關(guān)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(shù)角度,當(dāng)已知曉適合生物生存、繁殖的斷面平均流速(即生態(tài)流速)時,提出由河道橫斷面地形數(shù)據(jù)、水位流量關(guān)系推求生態(tài)流量的圖解法,推求過程以查圖為主,無需進(jìn)行復(fù)雜的函數(shù)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(qiáng)。

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