捞刀河流域生态基流分析计算

何立纯

（长沙市水文水资源勘测局，湖南 长沙 410007）

生态基流是指维持河流基本形态和基本生态功能，保证水生态系统基本功能正常运转的最小流量。在此流量下，河道可能保证不断流，水生生物群落能避免受到不可恢复性的破坏。

1 流域概况

捞刀河流域属中亚热带湿润季风气候,多年平均年降水量1 484.0 mm，4～9 月降水量占全年总量的65.9%。捞刀河源头为湘东北暴雨高值区，多年平均24 h 暴雨达120 mm，暴雨频繁，山洪易发；中下游地势低平，农田较多，流域内水旱交加。

2 河流水系及水文测站情况

捞刀河为湘江一级支流，有“长沙市第二大内河”之称，位于湖南省长沙市境内，湘江下游右岸。捞刀河发源于浏阳市石柱峰北麓的社港镇周洛村。流经浏阳市社港镇、龙伏乡、沙市镇、北盛镇和永安镇，长沙县春华镇和黄花镇，长沙市开福区捞刀河街道。捞刀河干流长度141 km，总流域面积2 543 km2，河流平均坡降0.78‰，多年平均流量为30 m3/s。

捞刀河流域上一级支流流域面积100 km2以上的支流共6 条，分别是白沙河、金井河、狮岩河、永乐桥、东门江、黄泥江。

捞刀河流域现有水文站共有5 个，其中捞刀河布设有罗汉庄、星沙、沙市，金井河布设有螺岭桥，白沙河布设有安沙等站。除金井河螺岭桥站有流量资料外，其他站点均无实测流量数据，对生态基流的分析计算工作带来一定程度的困难。见图1。

图1 捞刀河流域水文测站分布图

3 河道生态基流的概念

河道生态基流是指维持河流基本形态和基本生态功能，保证水生态系统基本功能正常运转的最小流量。对于一条常年性河流，具有流动的足够的水量是维持河道生态环境功能的最基本条件，如果发生河流断流，原有的水生环境遭受到严重破坏，即使再次复水，河道系统也很难恢复到原来的水生生态系统，甚至一些本地特有的物种将从此灭绝。因此，为了防止河道萎缩或断流，维持河道基本的生态环境功能，河道中常年都应该保持一定比例的基本流量，河道生态基流的概念是基于此而提出。

4 生态基流计算的原理与方法

对于河流最小生态流量的计算，目前在国际国内流行多种计算方法，一般有四类：水文学法、水力学法、整体法和生境分析方法，其中水文学法和水力学法比较常用，由于各方法的计算差异较大，采用单一计算方法可能产生较大误差。故一般采用多种方法计算，对计算成果进行比较，并结合生境分析来决定成果取值。本文主要采用水文法进行分析计算。

对有水文基础数据资料的河流可采用以下5 种水文学方法对河流最小生态流量进行对比计算。方法如下：

方法1：Tennant 法（1/10 多年年平均流量法）——此法是依据河道多年年平均流量来确定河段最小生态流量，计算时取多年年平均流量的1/10。

方法2：（最枯月平均流量法）——先根据控制断面历年的最枯平均流量进行频率计算，再取P=90%最枯月平均流量作为最小生态流量。

方法3：（最小瞬时流量法）——根据控制断面历年最小瞬时流量进行频率计算，取P=90%最小瞬时流量作为河段最小生态流量。

方法4：（最近10 年最枯月平均流量法）——直接取控制断面最近10 年最枯月平均流量作为河段最小生态流量。

方法5：（美国7Q10 法）——根据控制断面历年最枯连续7 天平均流量进行频率计算，取P=90%最枯连续7 天平均流量作为河段最小生态流量。

对于没有水文基础数据资料的河流，采用水文比拟法移植相近流域资料，提出其最小生态流量。

5 河道生态基流的计算

捞刀河流域已设有星沙和罗汉庄两个水位站点，并拟建石塘铺水文站，下游段和上游河段分别选用罗汉庄和石塘铺作为控制断面进行计算，因捞刀河流域没有实测流量资料，本文采用水文比拟法，移植相近金井河流域螺岭桥水文站资料和浏阳河流域榔梨水文站资料，并用面降雨量进行修正，分别推求出所需流量，进行对比取值。具体推求见式（1），参照螺岭桥站推求成果详见表1，参照榔梨站资料推求成果详见表2。

式中 Q求、Q参——推求断面和参证断面的流量；

F求、F参——推求断面和参证断面的集水面积；

P求、P参——推求断面和参证断面的面雨量；

N——面积指数，一般取值为2/3。

表1 采用螺岭桥站资料推求罗汉庄断面流量 m3/s

表2 采用榔梨站资料推求罗汉庄断面流量 m3/s

1）Tennant 法（1/10 多年年平均流量法）

Tennant 法也叫蒙大拿法，属于水文学计算法的一种，即将河流多年平均流量的10%～30%作为生态基流，由于不同的河流河道内环境的生态功能有差异，因此必须根据实际情况选取合理的环境和生态目标来确定流量百分比，本文依据2014 年《长沙市水资料保护规划》选取10%作为计算标准来推求，计算成果详见表3 和表4。

表3 捞刀河最小生态流量成果表（螺岭桥站类比法）

表4 捞刀河最小生态流量成果表（榔梨站类比法）

2）方法2（最枯月平均流量法）

最枯月平均流量法属水文学计算法的一种，先根据控制断面历年的最枯平均流量进行频率计算，再取P=90%最枯月平均流量作为最小生态流量。此法计算出来的生态基流在某种意义上维持了河流水质标准，更适合于生态环境需水要求。在计算河流纳污能力方面有独特的优势。详见图2、图3，计算成果详见表3 和表4。

图2 螺岭桥站推求流量排频成果

图3 榔梨站推求流量排频成果

3）方法3（最小瞬时流量法）

图4 螺岭桥站推求流量排频成果

根据控制断面历年最小瞬时流量进行频率计算，取P=90%最小瞬时流量作为河段最小生态流量。详见图4、图5，成果详见表3 和表4。

图5 榔梨站推求流量排频成果

4）方法4（最近10 年最枯月平均流量法）

直接取控制断面最近10 年最枯月平均流量作为河段最小生态流量，计算成果详见表3 和表4。

5）方法5（美国7Q10 法）

7Q10 法属于水文学计算法的一种，根据控制断面历年最枯连续7 天平均流量进行频率计算，取P=90%最枯连续7 天平均流量作为河段最小生态流量。该法计算出来的生态基流能够维持河道不发生断流，但未考虑生物学因素。详见图6 和图7，成果详见表3 和表4。

图6 螺岭桥站推求流量排频成果

图7 榔梨站推求流量排频成果

6 结 论

综合此流域降雨和下垫面等情况，并依据2017 年生态补偿实测流量值为6.18 m3/s 以及2014 年《长沙市水资源保护规划》捞刀河罗汉庄站到河口生态基流为5.2 m3/s，认为采用螺岭桥站类比资料更符合捞刀河流域实际情况。按照“生态基流应不小于90%保证率最枯月平均流量和多年平均天然径流量的10%两者之间的大值”规划要求，本文捞刀河流域生态基流采用方法2 即最枯月平均流量法的计算成果。最终采用成果见表5。

表5 捞刀河流域最小生态流量成果表（采用值）

7 建 议

由于各流域水资源量及其时空分布不均，水资源开发利用的程度以及水环境状况差异较大，生态基流一般需要分区域、采用不同的方法来进行计算。北方河流的生态基流应分汛期和非汛期分别进行计算，南方河流应尽量采用多种方法进行计算。

河流的生态基流不仅与河流生态系统的结构和功能有关，而且与流域的气候、土壤、水文、地质和其他诸多因素有关。水文学和水力学等计算方法在确定河流生态基流方面有一定的优势和可操作性，但仍然需要不断的完善，并应逐步深入开展生境模拟法和整体法的研究，最终解决生态基流的计算问题。