基于生态水力半径法的武江流域生态流量研究

高雪山，刘树锋，贾建辉，关 帅

(1.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2.广东省水利厅，广东 广州 510635；3.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510610)

1 研究背景

广东省小型水利工程数量较多，仅小型水电站就有9 847座，约占全国小水电站总数的21%。水利工程在发挥防洪、供水、灌溉等社会效益的同时，受开发理念、技术、资金等因素制约，不可避免地会对河流的水环境、水动力甚至水温等产生影响[1-3]，主要表现在：一是改变河流水文特征，局部河段减水脱流，影响河流生态和下游生产生活用水[4]；二是闸坝形成阻隔，破坏河流连通性，影响洄游鱼类等水生生物生境[5]。部分小水电在实际运行中片面强调经济效益，造成下游河段时常脱水，尤其是来水较少的枯水期，电站的拦水或引水发电，常造成数周甚至数月的断流，对下游河道的生态环境、生态系统造成严重的破坏。国务院印发的《水污染防治行动计划》明确提出“科学确定生态流量，维持河湖基本生态用水需求，重点保障枯水期生态基流”，因此如何满足下游河道的生态流量已成为亟待解决的课题[6-9]。

目前生态流量的研究方法较多，据不完全统计，全球生态流量计算方法已超过200种[10-12]，按计算原理可概括为：水文学法、水力学法、栖息地法、整体分析法等4类[13-15]，不同的方法计算出的生态流量计算结果相差较大，且各种方法均存在各自的局限和不足[16]。水文学法操作简单但缺乏对生物需求的关注；水力学法体现不出季节性，同时该方法假定河道在时间尺度上是稳定的，并且所选择的横断面能够确切地表征整个河道的特征，而实际上并非如此[17]；栖息地法需要大量的人力物力，操作复杂；整体分析法缺乏物种对水量和水质需求的关注，且现有的数据一般难以满足计算需要。生态水力半径法[18-21]克服了这些方法的不足，赋予过水断面生态学的意义，通过建立断面面积、断面水位等与生态水力半径的关系，利用曼宁公式计算出河道的生态需水量，计算结果综合反映了水生生物需求和河道断面信息，但其在南方河流中目前仍鲜有应用。

鉴于此，本文采用生态水力半径法，选取北江上游的武江支流为试点，对生态水力半径法计算生态流量的过程进行实例分析，以期对珠江流域生态需水的研究提供一种新的思路与研究视角。

2 研究区域概况及数据来源

2.1 研究区域概况

武江[22]是北江流域的一级支流，位于东经112°23′～113°36′，北纬24°46′～25°41′之间。武江发源于湖南省三峰岭，于韶关市区沙洲尾汇入北江，全长260 km。武江河在广东境内共有7个梯级，分别为乐昌峡水库、张滩电站、富湾电站、长安电站、七星墩电站、塘头电站与靖村电站。研究区域概况和水文站分布见图1。

北江特有珍稀鱼类省级自然保护区的核心区位于乐昌峡下游的武江河上，保护区对象为北江特有的、珍稀的、濒危鱼类和主要经济鱼类及其栖息地，武江河上各梯级水利工程应重点保障鱼类自然保护区的需求。

2.2 数据来源

本文从《中华人民共和国水文年鉴-珠江流域水文资料(北江区)》及广东省水文局等部门收集了武江犁市水文站点1956年至2016年共61年的逐月流量资料与2016年的实测大断面资料[23]。犁市水文站位于北江特有珍稀鱼类省级自然保护区核心区内，是武江上的控制性站点，设立于1955年4月，于1979年1月向下游左岸600 m处迁移，改称犁市(二)站。

图1 研究区域概况和水文站位置

3 研究方法

(1)

由此可见，只要根据不同的保护目标确定出对应条件下的生态流速值，计算出的生态水力半径就反映了水生生物需求和河道断面的综合信息，进而推求得到的生态流量就具备了生态学与水力学的综合意义。

4 结果分析与讨论

4.1 确定R-A、R-Z关系

根据水文年鉴中实测的断面资料，绘制犁市(二)站2016年实测的大断面，大断面示意图见图2。

利用最小二乘法分别拟合不同水位(Z)和过水面积(A)与水力半径(R)的关系，可以得到R-A、R-Z关系曲线，结果见图3。由图3可以看出，犁市(二)站的R-A与R-Z拟合关系均较好，相关系数均在0.99以上。

4.2 确定生态流速

北江特有珍稀鱼类省级自然保护区内鱼类共有97种，隶属于8目，16科，80属。保护区内主要有产漂流性卵、产草属性卵、产黏沉性卵与产石隙隐藏性卵等4类鱼类产卵场[26]。其中：(1)产漂流性卵的时间为4-6月，产卵水流0.3 m/s以上；(2)产草属性卵的为犁市产卵场和黄田坝产卵场；(3)产黏沉性卵的季节为5-7月份，水流0.3 m/s以上；(4)产石隙隐藏性卵的季节为5-8月份，水流缓慢。

图2 2016年武江犁市(二)站实测大断面

图3 武江犁市(二)站R-A与R-Z曲线拟合效果图

选取保护区内珍稀鱼类和重要紧急鱼类中的赤眼鳟为代表鱼类。根据鱼类的生活习性，赤眼鳟在越冬期、产卵期和肥育期有不同的喜好流速，其中越冬期和肥育期流速需求较低；产卵期对水流变化敏感，需要流量脉冲、高流量及漫滩流量等水文过程来促进产卵。

根据水利部南京水利科学研究所编著的《鱼道》[27]，赤眼鳟各月份喜好流速见表1。

表1 赤眼鳟喜好流速[27]

由表1可以看出赤眼鳟越冬期对流速要求较低，可将鱼类的感应流速0.2 m/s作为越冬期流速下限，越冬期于3月下旬结束，鱼类对流速需求逐渐增大。4月下旬至8月上旬为繁殖季节，其中6-7月为盛产期，产卵对流速要求高，其产卵场平均流速通常为0.5～0.6 m/s。6、7月为赤眼鳟产卵旺季，流速的需求于6月达到最大，为0.66 m/s，7月底产卵期临近结束，所需流速降至0.5 m/s。8月份赤眼鳟进入肥育季节，对流速需求有所降低，流速范围为0.3～0.4 m/s。

4.3 确定生态水力半径与生态流量

根据2016年水文年鉴中的实测资料，犁市(二)站的糙率n定为0.039，河道坡度J定为0.154‰，根据公式(1)，结合表1中赤眼鳟各月份喜好的流速值，可计算出各月份对应的生态水力半径，计算结果见表2。

根据公式(1)，结合R-A关系曲线，可计算得到河道内生态流量。

(2)

式中：Q生态为河道生态流量，m3/s；R生态为生态水力半径，m；A为河道过水断面面积，m2。

生态水位是指生态流量所对应的河流水位，在指导水库、电站等水利工程基于生态流量保障的调度方面，生态水位往往比生态流量的数值更具有指导意义。根据生态水力半径，结合R-Z关系，可计算得到生态流量对应条件下的生态水位，计算结果见表2。

表2 各月份生态水力半径法计算结果

4.4 讨论

为了对生态水力半径法计算生态流量的结果进行评估，本文同时采用Tennant法[28]对犁市(二)站不同月份的生态流量进行计算，计算结果见表3。将两种方法的计算结果进行对比分析，比较结果见图4。

表3 Tennant法计算生态流量

由图4可知，12-次年2月份，生态水力半径法的计算结果略小于Tennant法标准的“最小”标准；3、8、10和11月份，生态水力半径法的计算结果位于Tennant法标准的“中”与“好”之间；4和7月份，生态水力半径法的计算结果位于Tennant法标准的“非常好”与“极好”之间；5月份生态水力半径法的计算结果位于Tennant法标准的“极好”与“最佳”之间；6月份生态水力半径法的计算结果位于Tennant法标准的“最佳”与“最大”之间；9月份生态水力半径法的计算结果位于Tennant法标准的“最小”与“中”之间。可以看出采用生态水力半径法的计算结果均符合Tennant法河流生态用水标准，且能更好地反映鱼类生活习性及河流的季节性变化。由于Tennant法只根据水文资料来估算生态流量，其计算出的生态流量无明确的保护目标，因此相较之下，生态水力半径法能更好地反映了水生生物需求和河道水力学的综合信息，计算出的生态流量更加合理。

图4 生态水力半径法与Tennant法生态流量计算结果比较

由图4中的生态水力半径法计算结果与犁市(二)站天然月平均流量的对比分析可知，生态水力半径法的计算结果与天然来水过程比较相似，生态流量过程线上存在明显的低流量、高流量和流量脉冲等水文要素，符合鱼类的自然需求。另外鱼类对生态流量需求最大的月份为6月份，而犁市(二)站最大月平均流量出现在5月份，二者存在一个月的时间差，但各月份的天然流量仍能满足鱼类的生态需水要求。不过由于武江上已修建较多的梯级开发水电站工程，梯级电站的运行调度改变了河流的天然状态，因此为保障赤眼鳟的生态流量，武江上需开展梯级调度。在梯级调度中，水位和水深往往比流量更具有操作性。

图5为犁市(二)站逐月最小生态流量对应的平均生态水深，由表2和图5中的平均生态水深可以看出，为了满足赤眼鳟在越冬期、产卵期和肥育期对流速的需求，保证其正常的生理繁殖等活动，保护区及上游的水利工程需通过开展闸坝调度，确保犁市(二)站位置处，12-次年2月份期间的水深不低于0.8 m，3月份水深不低于1.5 m，4月份水深不低于4.1 m，5月份水深在4.7 m以上，6月份水深在5.6 m以上，7月份水深在4.1 m以上，8月份水深在2.4 m以上，9-11月份水深在1.5 m以上。

图5 犁市(二)站逐月最小生态流量对应的平均生态水深

5 结 论

本文采用刘昌明院士最先提出、后经赵长森等对其进行改进的生态水力半径法，以北江上游的主要支流武江河为例，选取北江特有珍稀鱼类省级自然保护区内的珍稀鱼类和重要紧急鱼类中的赤眼鳟为代表鱼类进行计算，主要结论如下：

(1)在河道断面固定的条件下，生态流量主要由生态流速确定。非产卵期，鱼类对生态流量的需求较低，能为生产生活预留更多的水资源，为枯水期的优化调度提供更多空间；在产卵期，鱼类所需生态流量最大，需要较大流量来维持生态系统的平衡。

(2)生态水力半径法的计算结果与天然来水量比较相似，生态流量过程线上存在明显的低流量、高流量和流量脉冲等水文要素，计算结果均符合Tennant法河流生态用水标准，且能更好地反映鱼类生活习性及河流的季节性变化。

(3)为维持河道内鱼类的生态需水，需要通过闸坝联合调度，确保犁市(二)站位置处，12-2月份期间的水深在0.8 m以上，3月份水深在1.5 m以上，4月份水深在4.1 m以上，5月份水深在4.7 m以上，6月份水深不低于5.6 m，7月份水深不低于4.1 m，8月份水位不低于2.4 m，9-11月份水深不低于1.5 m。

实际应用中生态流速的选择对计算结果影响较大，由于河流生态保护目标的不同，生态流速的选择往往不同，因此本方法仍需要进一步的研究和完善。