滇中引水工程取水口下游金沙江生态流量研究

汪青辽，刘 媛，郝红升，黄 伟

(1.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

近年来，随着水资源开发程度不断升高，水利工程建设改变了河流水文情势及水流形态[1]，造成了严重的生态环境影响。在水资源开发过程中，若缺乏正确的生态价值观指导，河流生物栖息环境将遭受破坏。因此，在提高水资源利用效益的同时，如何保护河流生态环境已成为迫切需要研究的课题[2]。河流生态需水的概念最早于20世纪40年代由美国渔业与野生生物保护组织提出。生态环境流量指为维持河流的健康及功能所需的流量及其水文过程，全年范围内其数值是动态变化的[3]。现阶段人们普遍认为，为河道预留足够的流量满足生态环境的用水需求，是保护河流生态稳定的有效途径，合理估算河流生态流量是十分必要的。生态流量计算对流域水资源的合理开发、配置以及维持河流生态系统的健康具有重要意义，其计算结果可为制订河流生态调度方案提供理论依据[4]。目前，全球有200多种生态流量计算方法，可归为4类：水文学法、水力学法、栖息地模拟法和整体法，每类方法都各有优缺点及适用范围[4]。目前，国内常采用的是水文学法、水力学法、栖息地模拟法。其中，水文学法、水力学法是分别根据水文指标、水力学参数确定生态需水量，栖息地模拟法是基于河道内目标水生生物的流量需求进行生态流量计算[5]。根据生态环境部发布的HJ 2.3—2018《环境影响评价技术导则 地表水环境》的要求，生态流量至少采用上述的2种方法计算。本文采用流量历时曲线法(水文学法)和栖息地模拟法2种方法分别计算生态流量并取其中最大值。

1 研究区概况

1.1 研究区概况

云南省滇中地区是长江流域三大干旱区之一，其水资源量仅占全省的12%。资源性缺水与工程性缺水并存，已成为制约地区经济社会可持续发展的瓶颈[6]。长江流域、金沙江流域综合规划均明确向滇中地区供水是金沙江干流综合利用任务之一。滇中引水工程从云南丽江市石鼓镇金沙江中游干流右岸无坝取水，向昆明、大理、楚雄等6个市(州)35个县(市、区)供水，规划水平年2040年多年平均年引水量34.03亿m3。工程开发任务为解决滇中地区的城镇生活、工业、农业和生态用水。水源工程采用一级地下泵站从金沙江石鼓河段大同取水口引提水，设计引水流量135 m3/s。输水干渠总长661.06 km，包括隧洞、渡槽等270座建筑物。项目批复的初设总投资825.76亿元。

本文选取拟建大同取水口下游至虎跳峡前的43.5 km金沙江河段来研究河道内水生生物对河流流量的需求。取水口断面的金沙江多年平均径流量为432亿m3，多年平均流量为1 370 m3/s。径流年内分配不均匀，汛期6月～10月占年径流量的74.6%。研究河道平均坡降为0.148%，综合糙率采用0.022。滇中引水工程从金沙江大同取水口引水后，势必会引起下游流量减少和流量过程的变化，导致鱼类栖息地萎缩及栖息地质量下降，影响水生生物的生存繁殖和造成资源量的降低。本文采用水文学法和栖息地模拟法计算天然状态下研究河道内目标鱼类长丝裂腹鱼适宜的生态流量，为工程建成引水后维持取水口下游金沙江河道内水生生态系统稳定而需下泄的流量值提供参考。

1.2 生态保护目标

根据水生调查成果，大同取水口下游至虎跳峡前43.5 km的金沙江研究河道分布有长丝裂腹鱼、四川裂腹鱼、鲈鲤等16种土著鱼类。其中长丝裂腹鱼(SchizothoraxdolichonemaHerzenstein)被列入《四川省新增重点保护野生动物名录》，在《中国物种红色名录》中长丝裂腹鱼为濒危(EN)。据渔获物及资料统计，长丝裂腹鱼约占区域鱼类资源总量的45%。综合考虑鱼类的组成和保护需求，选取长丝裂腹鱼为保护目标鱼类。长丝裂腹鱼为冷水性的底层鱼类，喜栖息于水质清澈的深水处，多食生藻类，以硅藻为主，间食少量绿藻和水生昆虫。

根据调查，研究河段适宜鱼类产卵的水域分布广泛，大多规模小而分散，无大规模集中固定的产卵场分布。选取长丝裂腹鱼分布相对较多的冷水滩作为研究河段的代表断面。冷水滩产卵场位于取水口下游8.2 km，河床左右侧滩地裸露，底质为砾石。

根据研究结果[7]，裂腹鱼在水温达到15.6 ℃时开始产卵。按照石鼓断面多年平均水温推断，长丝裂腹鱼产卵繁殖时期在4月下旬至6月下旬。结合目前国内相关长丝裂腹鱼生态习性、繁殖习性、游泳能力研究试验成果，确定长丝裂腹鱼产卵繁殖适宜的水深为0.15～1.5 m，其中最适宜水深为0.2～0.8 m；适宜的流速为0.07～1.5 m/s，其中最适宜流速为0.2～0.8 m/s。生境适宜性指数通常用于量化物种对栖息地的适宜程度，取值范围为0～1。其中，0表示完全不适宜，1表示完全适宜，值越大则表示适应性越好。长丝裂腹鱼产卵繁殖期对水深、流速的适宜度曲线见图1。

图1 目标鱼类在产卵繁殖季节流速、水深与适宜性指数关系

2 流量历史曲线法研究方法及结果

2.1 流量历时曲线法研究方法

流量历时曲线法是利用历史流量资料构建各月的流量历时曲线，将某个累积频率相应的流量Qp作为生态流量。根据水利部发布的SL/Z 712—2014《河湖生态环境需水计算规范》，Qp的频率P可取90%或95%，这种方法一般需要30年以上的月流量序列。Q90为通常使用的枯水流量指数，是水生栖息地的最小流量，为警告水资源管理者的危险流量条件的临界值。Q95为通常使用的低流量指数或者极端低流量条件指标，为保护河流的最小流量。

大同取水口上游约500 m设有金沙江石鼓水文站，水文站与取水口之间无支流汇入；故，大同取水口断面可采用石鼓水文站的水文观测资料。

本文采用目估适线法对石鼓水文站1953年1月～2011年12月共59年的逐月流量资料进行适线，选用P—Ⅲ型频率分布曲线，频率曲线拟合度较好，拟合度值达0.95以上。

2.2 流量历史曲线法研究结果分析

根据上述长系列月流量P—Ⅲ型频率分布曲线的分析结果见表1。由表1可见，P=90%的月均枯水流量为300.02 m3/s。

表1 石鼓水文站月均流量频率计算成果

根据研究河段多年月均流量特征，结合长江流域综合规划关于生态流量要求，推荐P=90%的流量作为最小生态流量的控制值，即300.02 m3/s。

3 栖息地模拟法研究方法与结果分析

3.1 栖息地模拟法研究方法

栖息地模拟法主要由两部分组成：一是水动力模型，用来模拟不同流量下河道内的水深和流速分布；二是栖息地模型，结合某一特定生命阶段时目标物种对水深、流速的偏好程度，将水力学因素转化为栖息地适宜度评价指标。

3.1.1二维水动力模型

研究区域为大同取水口下游至虎跳峡前的43.5 km金沙江河道，多年平均流量为1 370 m3/s。河段平均河宽约341 m，平均水深约3.75 m。由于河段在垂直方向上的尺度远小于水平尺度，所以适宜用平面二维浅水方程来描述区间水流的运动。本文选用MIKE21 Flow Model对研究河道的水动力场进行数值模拟，据此得到不同流量下的河道流场分布。

模型选择采用非结构化的三角形网格，计算区域内三角形网格节点共有1 652个，三角形单元有2 408个，时间步长为60 s。三角形网格可以较为准确地体现出研究河段的实际地形特征。上下游断面均采用流量边界条件，其他为陆地边界，上游断面流量采用石鼓水文站的实测流量数据，下游断面流量采用虎跳峡前控制断面的流量数据及控制面积的比例来推算。

研究河段的河床底质较为均一，所以整个研究范围的流场可选用相同的糙率。以石鼓水文站实测水文数据为基础，通过选取不同的河床糙率n，对比不同断面的实测值和模拟结果，对模型参数进行率定。经调试与分析，大同取水口至虎跳峡前的金沙江研究河道综合糙率采用0.022，模型模拟出的流量和水位相对误差均在0.01%之内，模拟结果可靠度高。

3.1.2栖息地模型

栖息地模拟：首先，结合目标鱼类根据各微生境因子的适宜性曲线得到每个单元各影响因子适宜性值；然后，将其组合得到每个单元的组合适宜性值；最后，计算研究河段的加权可利用面积WUA(Weighted Usable Area)。即

(1)

式中，WUA为研究河段加权可利用面积；CSF(Vi，Ci，Di)为每个单元的组合适宜性值；i为划分的单元个数；Vi为流速适宜指数；Di为水深适宜指数；Ci为河道底质适宜指数；Ai为每个单元的水平面积。

本文假设河道底质、水深和流速对长丝裂腹鱼的影响力相同，采用乘积法计算组合适宜性值

CSFi=Vi×Ci×Di

(2)

由于研究区域长丝裂腹鱼产卵场主要为河漫滩区，底质主要为砂砾石，区域水流较为简单，适宜鱼类生存，故式(2)中所有单元的Ci=1；所以，这里只考虑流速和水深对栖息地质量的影响。

在某一特定流量下，结合水动力学模型得到的水深和流速分布和目标物种对水动力因子(水深和流速)的适宜度指数，采用乘积法确定不同网格单元的组合栖息地适宜度指数，以及得到特定流量下所对应的栖息地WUA，综合不同流量对应的WUA，得到WUA—流量曲线，即可分析目标物种在不同生长期对河流流量的需求。

3.2 栖息地模拟法研究结果分析

长丝裂腹鱼产卵繁殖期在4月下旬至6月下旬。统计长系列流量资料显示6月下旬流量最大值为2 598 m3/s，故模拟流量在2 600 m3/s以内对应的栖息地面积WUA。针对研究河道，首先模拟12个流量工况，分别对应多年平均流量1 370 m3/s的5%、10%、15%、20%、30%、40%、60%、80%、100%、130%、160%、190%。利用模型分别计算各个工况对应的栖息地面积，得到了不同流量下冷水滩产卵场有效的栖息地面积。

通过模型计算得到的研究河段内冷水滩产卵场长丝裂腹鱼可利用栖息地面积WUA与不同流量之间的变化关系见图2a。由图2a可知，不同流量下长丝裂腹鱼可利用栖息地面积各不相同，但呈先增加后减小的变化趋势。当河道流量在多年平均流量的30%即411 m3/s附近时，长丝裂腹鱼可利用栖息地面积会出现拐点最大值。为更加精确寻找最大值，对390～490 m3/s区间的流量再次增加了9个工况值进行了更为详细的分析，最终的计算结果如图2b所示，发现WUA出现拐点最大值时流量正好为411 m3/s。结合长丝裂腹鱼产卵繁殖期(4月下旬～6月中旬)，对比冷水滩产卵场同时期的流量过程，综合分析，推荐长丝裂腹鱼适宜的生态流量为411 m3/s。

图2 长丝裂腹鱼可利用栖息地面积WUA与流量关系曲线

4 2种方法的结果讨论

根据上述计算结果，研究河道采用流量历时曲线法推荐的最小生态需水流量的控制值为300.02 m3/s；而采用栖息地模拟法计算的长丝裂腹鱼产卵繁殖期4月下旬～6月下旬的生态流量为411 m3/s，该值高于采用流量历时曲线法的计算结果。这是因为流量历时曲线法是根据历史流量资料给出的河道内最小生态流量，没有考虑具体物种对流量的需求，因而不能反映鱼类栖息地状况。同时，河道下泄流量即使满足了最小生态流量，也会导致生态系统完整性降低和生态质量下降。

栖息地模拟法计算生态流量考虑到生物的需求，是根据目标鱼类最适宜的水文条件模拟得到的，所以更能保证河流生态系统的健康。当研究河道的栖息地面积WUA达到最大时，表示对应的流量最适宜鱼类生存。由于产卵繁殖期是鱼类最重要的生命阶段，对水生生境的要求高。如采用流量历时曲线法给出的最小生态流量为300.02 m3/s，对应的适宜栖息地面积为最适宜栖息地面积的90.5%，不是目标鱼类的最佳生境。一般而言，在目标鱼类产卵繁殖期间，采用栖息地模拟法得出的生态流量值要比水文学方法得到的结果大且更具合理性。

5 结 论

本文采用流量历时曲线法(水文学法)和栖息地模拟法分别计算大同取水口下游至虎跳峡前的43.5 km金沙江河段生态流量。采用流量历时曲线法推荐的最小生态需水流量的控制值为300.02 m3/s。采用栖息地模拟法计算在长丝裂腹鱼产卵繁殖期4月下旬～6月下旬，可利用栖息地面积WUA与流量的关系呈先增加后减小的变化趋势。通过试算最终确定WUA出现最大值时流量为411 m3/s，该值为目标鱼类产卵繁殖期最适宜生态流量。根据这两种方法计算结果并取其中最大值，研究河道的生态流量最终确定为鱼类产卵繁殖期4月下旬～6月下旬为411 m3/s，其余时段为300.02 m3/s。