水力额定法确定樟溪河环境流量研究

刘中，彭瑞文，陈梦荣，龚峰景

(1.宁波市环境保护科学研究设计院， 浙江 宁波 315012； 2.BMI研究中心， 北京 100085；3.浙江省宁波市水利设计院， 浙江 宁波 315000)

水力额定法确定樟溪河环境流量研究

刘中1，彭瑞文2，陈梦荣3，龚峰景1

(1.宁波市环境保护科学研究设计院， 浙江 宁波 315012； 2.BMI研究中心， 北京 100085；3.浙江省宁波市水利设计院， 浙江 宁波 315000)

受樟溪河上游水资源开发强度的提高，皎口水库下游的水流动态发生变化，给其生态环境带来风险。宁波市水资源与环境工程(2006年完工)的贷款方之一——世界银行提出对下游的环境流量进行调查研究并给出建议方案。月光鱼(DistoechodonTumirostris)被选定为该生态系统的指示物种，因其对栖息地的要求最高并具有较高的经济价值。本文在受影响的下游河段(约长16 km)选取了6个不同的位置作为截面，实际测量河相参数。河道呈宽而浅的形状，容易界定。半二维水力模型采用单流量阶梯流速为指标校准后模拟了一定范围的流速和排水量，并计算出湿周与排水量的关系，将湿周的拐点处确定为最小环境流量。这些值接近30%的多年平均水流量，即Tennant法的最佳栖息地标准。水力额定法较简单常用，但没有考虑到季节流量的变化，生态系统和社会经济等方面的因素，如果与其他分析方法结合运用可以更好地规划环境流量。

环境流量；水力模型；湿周；排水量；关系

樟溪河位于中国浙江省，发源于四明山(最高峰高程979 m)，流经宁波市附近的沿海平原。其总长为44.9 km，流域面积为168 km2。为提高流域水资源的开发强度和满足宁波市的供水需要，在樟溪河上游扩建周公宅水库(2006年建设完工，位于皎口水库上游15 km处)，导致下游水量减少，影响生态需水。水库扩建工程的贷款方——世界银行要求并委托作者对樟溪河下游进行环境流量的评估。经过调查，本次研究的重点位于皎口水库以下至与鄞江河的交汇点为止的樟溪河干流的下游河段，约长16 km。

环境流量的研究与应用越来越受到全世界范围的重视，成为水资源综合管理的关键部分[1]。研究环境流量是通过确定水流的流量、时间和变化规律来维护或恢复河流系统的生态和地理形态可持续性的功能[2- 3]，但由于水文与生态系统在不同的空间与时间尺度上变化，建立在它们的关系上的研究运用起来比较困难[4]。不断有大量的科学研究显示河流的流量模式对其生态系统的可持续性至关重要，他们普遍支持自然状态下的流量模式[5- 7]。但越来越多的水库与大坝被建造起来用于解决对水资源日益增长的需求，河流的自然状态改变了。随着流量模式包括水深、流速和河基等水利参数的改变，流域内的动植物受到直接或间接的影响，生态系统受到了不同程度的破坏[8- 10]。水力额定法主要是通过研究水力的几何关系，设法确定下游水力条件的“临界值”，进一步了解河流的生物栖息地[11]。本文通过建立湿周(过水断面上河槽被水流浸湿部分的周长)与流量的关系曲线，由曲线上的临界点确定最小生态需水量，即当流量大于该临界点对应的流量时，一个较大的流量变化只对应一个较小的湿周变化，生物栖息地对流量的变化不敏感。

1 数据来源与研究方法

本次研究中采用半二维模型针对无植被的河道，通过单一流量阶梯速度的实际测量(现场数据)来校准[12- 13]。

流体移动公式与稳态均流的连续性等式结合得出：

(1)

对于直河道的均流，流向速度是主要的，深度平均动量等式可写作：

(2)

式中，d为深度平均后的值；τb为河床的剪应力；S为河岸坡度，1∶S即垂直∶水平。

用湍流粘滞系数方法，深度平均等式可通过式(2)得出：

(3)

本次研究的河段位于皎口水库以下至与鄞江河的交汇点，约长16km(以下称“下樟溪河”)，排除人为设施和植被的影响，在直线河道选址六处分别进行截面的实际测量。包括截面宽度(B)，水面宽度(b)，水深(H)和平均流速。在横跨截面的等距离(至少)15个点处进行了水深测量。通过这种方法，可以确定从左岸至右岸的整个截面的形状。在测量水深的每个点也测量了流速。方法是在每个点测量3次，每次停留10s，分别在不同的水深处(0.2H、0.6H和0.8H)测量，取平均值。

通过代入河道截面的测量数据，河床坡度(相对于皎口水库的出水口高度)，涡流黏度(采用标准公式，λ=0.068 3)，平流向Γ(河道直而宽阔，故可以忽略，假定为0)和局部摩擦系数f(由实际测量的流速计算得到，其他深度下的摩擦系数由线性趋势取得)可以模拟在一定排水量下的水深与流速。然后，找出湿周和流量关系曲线上的“拐点”，斜率等于1时的排水量对应最小生态需水量[14]。

2 结果与分析

6个截面的截面形态如图1所示。河道形状决定了截面面积、深度以及流速，并随着排水量变化。这是由流量、地质情况、气候和外部作用力共同造成的。河道形状的一种客观测量可以通过河道宽度和高度之间的关系计算，被称为“形状系数”。当形状系数小于1时，河道为U形且宽度随高度的变化较小；下樟溪河的形状系数约为0.3。另外，最大河道深度和宽度的比例为0.08，也说明河道呈宽而浅的形状。且下樟溪河的边界清楚，两岸陡峭，河床为矩形鹅卵石基质，因此很适合用湿周与排水量的关系确定环境流量。

图1 测量数据点的6个截面轮廓Fig.1 Cross-section outlines with data-points measured

由图1可以看出，下樟溪河的断面呈矩形，采用对数函数拟合，如图2所示，分别计算出斜率等于1时对应的流量，即湿周法常用的拐点，也就是说当湿周超过这一临界值后，河流流量的迅速增加只能引起湿周的微小变化。湿周与水生生物栖息地的有效性有直接联系，这些拐点可以作为最小生态需水量的推荐值。6处截面对应的最小需水量分别为2.27 m3/s(蜜岩)、1.42 m3/s(朱梅)、3.15 m3/s(天象)、5.23 m3/s(金溪)、5.27 m3/s(脉动)和 7.23 m3/s(马滩)。由此看出，上游所需的排水量较下游小，受水库泄流量影响最大。其中，金溪和马滩截面是深水区，不适合采用湿周法估算流量，但可以为月光鱼过冬所需流量的进一步研究作参考；脉动截面可能受到支流的影响，所以暂时不考虑。平均上游三处的最小需水量得到2.28 m3/s，作为下樟溪河的最小生态需水量被认为是最为合适的，可供皎口水库参考，作为其泄流量设定的依据之一。

图2 各截面处的湿周与排水量关系Fig.2 Wetted perimeter discharge relations as re-scaled dimensionless values at the six cross-sections and the marked inflection points

3 结论

水力额定法假定河流形态与其流量情况平衡，因为自然流动的河水倾向于在主排水量和推移质之间建立平衡，它的重点是维持河道中的水或河的“外观”。虽然水力额定法能给出简单直接的答案，并将自身的防护水平考虑在内，河流形态与流量毕竟是一个变化和相互改变的过程。而且，为了和生态系统的状况建立更密切的联系，还应综合考虑湿周、深度和速度等因素。湿周法是其他环境流量分析方法的一种有价值的补充和参考[15- 16]，因为仅仅在最低环境流量基础上调整放流量的方案还不足以维持河流生态系统的完整。

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Research on Using Hydraulic Rating Method to Determine the Environmental Flow in the Zhangxi River

LIU Zhong1, PENG Rui-wen2, CHEN Meng-rong3, GONG Feng-jing1

(1.Ningbo Environmental Protection Scientific Research and Design Institute, Ningbo 315000, China;2.BMI Research Center, Beijing 100085, China; 3. Ningbo Water Conservation Designing Institute , Ningbo 315000, China)

Due to the increasing water resource development in the upper Zhangxi River, the flow regime of Jiaokou reservoir downstream has changed, bringing risks to its ecological environment. The World Bank, as one of the lenders of Ningbo City Water and Environment Project (completed in 2006), has commissioned Environmental Flow Assessment (EFA) as part of the impact assessment on downstream environmental flow. Based on the habitat survey and experts’s suggestion, the moonlight fish (DistoechodonTumirostris) has been selected as the indicator species in the ecosystem because its requirements for habitat are the highest and it also has high economic value. In this paper, the channel morphology and mean velocity are measured through six cross-sections along the lower Zhangxi River (about 16km). The river channel is wide and shallow, thus easy to define. The quasi 2D hydraulic model is calibrated to use the single stage velocity measurements, and it simulates to predict the stage-discharge and velocity at a range of flows. The wetted perimeter-discharge relations are then calculated for each cross-section, and the inflection points of the curves are indicated as the “threshold” environmental flow. This is similar to the 30% annual mean flow, i.e. ideal habitat standard in Tennant method. The hydraulic rating method doesn’t consider the seasonal flow changes or the ecological and social-economic aspects, so it can be improved by using other EFA methods together.

environmental flow; 2D hydraulic model; wetted perimeter; flow; relations

2014-11-20

刘中(1970—)，男，安徽怀远人，硕士，主要从事环境影响评价研究，Email： 1059275581@qq.com

10.14068/j.ceia.2015.02.023

X143

A

2095-6444(2015)02-0085-03