冷水鱼类产卵季生态需水量研究—以重口裂腹鱼为例

何清燕,刘明洋,蒋辉霞,陈 立

（1.四川省农业机械研究设计院，四川 成都 610066；2.四川文理学院，四川 达州 635000；3.广东科学职业技术学院，广东 珠海 519090）

1 计算原理

在西南山区河流中，生态水量对于适应急流生境的冷水鱼类来讲至关重要。因为，生态水量是威胁其生存环境的主要原因之一。特别是在枯水月份，一些冷水鱼开始产卵，对最低平均流速、平均水深等各项水力生境指标的要求较高，因此，下泄的生态水量必须满足这些鱼类产卵的最低限值。通过比较各种生态需水量计算方法计算原理和适用条件可知[1,2]，修正R2-Cross法的水力参数标准是根据冷水鱼类需求制定的，可作为冷水鱼类产卵季生态需水量的计算方法。但不同河流的各种鱼类对河流水力参数要求各不相同，应该根据不同河流的基本情况和不同鱼类的具体要求，对水力参数标准进行修正，只要明确流速、平均水深、河宽、平均湿周率等参数中的任意两个，就可确定冷水鱼类的生态需水量。

水面线计算是河流生态环境修复的基础和前置工作，其准确与否直接影响修复效果。本文水面线的计算可采用逐段试算法，其计算方程如下：

式中，Zi为上游断面水位，Q为流量；Ai为过水断面面积；g为重力加速度，Zi+1为下游断面水位；K为断面平均流量模数；ΔL为相邻断面之间的距离；n为糙率；Ri为水力半径；若知晓下游断面水位Zi+1，Zi则迭代可求出上游水位。

2 研究实例

以姜射坝下游岷江河段（牟托镇河段）为例进行分析，研究河段地形如图1所示。岷江流域引水式电站梯级开发的方式给闸后减水河段的水生生态造成了严重影响[3]，尤其是在枯水季节，坝下仅有小股溪流，有些河段甚至完全干涸，这使坝下河流水动力条件发生巨大变化。急流生境的消失直接影响鱼类产卵场的数量及质量，从而对鱼类的繁殖与生长产生不利影响。

图1 研究河段地形

岷江上游姜射坝电站需下泄的生态需水量采用修正R2-Cross法进行了计算，出口水位根据HEC-RAS软件推求[4]。HEC-RAS是由美国陆军工程兵团水文工程中心开发的水面线计算软件包，适用于河道稳定和非稳定流一维水力计算，本研究利用此模式推算不同流量下断面平均水位高程。采用标准步推法（Standard step method），利用前一个断面数据推求下一个断面，再将新求得的断面视为已知值重复进行迭代求下一个断面，最后得到河道断面间的水面剖线。

研究河段枯水期变化明显，采用修正R2-Cross法计算时，对于枯水季节按至少满足三个水力学指标中的任意两个确定生态需水量。根据重口裂腹鱼形态特征及生存条件确定姜射坝下游减水河段水力参数[5,6]，详见表1。

表1 姜射坝下游减水河段重口裂腹鱼生存的水力参数确定

本文修复河段糙率根据实测大断面时的水面线资料，结合重口裂腹鱼产卵时期水文站的流量资料反推模型糙率。通过试算可得到沿程各断面水位；然后将各断面水位连接与实测水面线进行对比，根据误差调整修复河道的综合糙率值，直至迭代值与实测值吻合较好为止。经反推模拟，岷江上游姜射坝减水河段糙率为0.033。根据河段水力生境相关要求（见表1），通过分析河段实测地形，选择浅滩特征相对明显的4个断面进行生态需水量的计算。其断面类型及位置见表2。

表2 断面类型及位置

根据水文站的资料，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，利用一维数学模型，计算姜射坝下泄不同流量时4个典型断面水力参数，见表3。

表3 相关水力参数统计表

本文采用修正R2-Cross法对岷江上游姜射坝电站需下泄的生态需水量进行了推估，由表3可知：当姜射坝下泄流量为多年平均流量的13%时，各断面均至少有两个指标能满足修正R2-Cross法的标准。因此，在重口裂腹鱼产卵期，姜射坝下游减水河段应保证的下泄生态流量为26.65 m3/s。

3 结语

生态环境需水具有明显的时空特性，下泄的生态需水量必须满足冷水鱼类产卵最低限值。生态需水量的最低限值是一个临界值（阈值），目的在于确定研究流域（河流）在某特定时段能够实现生态系统良性循环所必需的河道水量下限值。修正R2-Cross法的水力参数标准是根据冷水鱼类需求制定的，在充分考虑其体态特征的情况下，对相关水力参数标准进行修正，最终计算出姜射坝下游修复河段的生态需水量，为重口裂腹鱼产卵场水力生境的数值模拟及修复提供可靠的水力学条件。本研究成果可为修复重口裂腹鱼产卵场、保护水生生物多样性提供理论依据，为其它类似冷水鱼类栖息地的水力生境修复提供借鉴。

[1]潘扎荣,阮晓红,周金金等.河道生态需水量研究进展[J].水资源与水土工程学报,2011,22(4).

[2]卢红伟,李嘉,李永.中型山区河流水电站下游的鱼类生态需水量计算[J].水利学报,2013,44(5).

[3]刘明洋,李永,王锐,陈明千,李嘉.丁坝在齐口裂腹鱼产卵场修复中的应用研究[J].四川大学学报(工程科学版).2014,46(3).

[4]成丽婷.Smx软件和HEC-RAS软件推算河道水面线效果分析 [J].山西水利,2013,12:28-29

[5]王玉蓉,李嘉,李克锋等.水电站减水河段鱼类生境需求的水力参数[J].水利学报,2007,38(1).

[6]刘明洋.齐口裂腹鱼产卵场微生境修复效果评估模型的研究及应用[D].成都:四川大学,2014.