广西南宁市邕江河段生态流量研究

孙桂凯，赵荣娜，杨爱萍，李荣朋，莫崇勋，杨云川

(1.广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530004；2.工程防灾与结构安全教育部重点实验室，广西 南宁 530004；3.广西防灾减灾与工程安全重点实验室，广西 南宁 530004)

0 引 言

20世纪50、60年代，国外掀起了关于河道流量的研究热潮。目前，通过多方合作，共同完善生态流量保障机制与立法，以实现综合治理。我国生态流量起步相对较晚，早期研究对象主要为生态问题严重的重点河流；随着研究方法的成熟，研究内容转变为社会-生态耦合，对象从重点河流的试行到各区域的逐步应用[1]。目前生态流量的计算方法主要有水文学法、生境模拟法、整体法、水力学法、综合法等5大类[2]。

20世纪80年代以来，邕江由于河流水资源减少、社会用水增多、水利工程的调度、保障措施不健全等引起严重的河流生态问题，其健康状况堪忧。生态流量可以反映河流的健康状况，研究广西邕江的生态流量，可为构建拥有足够弹性承受外界干扰，满足生物进化和繁衍条件的河流生态系统提供依据。由于邕江处于我国南方地区，邕江位于亚热带季风气候区，径流主要是由降雨形成，物种丰富，但水文数据和物种资料等收集不齐全。本研究利用河道信息(河道糙率、河道纵比降等)以及河流的鱼类资料，采用湿周法和生态流速-临界水深法及综合法考虑生态流量的计算。

1 流域概况

邕江属郁江下游干流段水系，位于广西南宁市境内；河长约133.8 km，流域面积6 120 km2，正常水位宽300 m至400 m，河床高程53～60 m，邕江河道属于宽浅型河道。河床主要由沙、砂卵石、砂砾和泥沙等组成，且泥沙主要是中沙。

(1)研究断面的选取。本研究分析了老口水利枢纽至横县(西津水电站)126 km的10个断面。断面资料由河段实测1/1 000地形图剖取，其分布见图1，研究断面的基本情况见表1。

表1 研究断面的基本情况

图1 邕江研究断面分布

(2)河道糙率的确定。河段河底多为砾石、卵石，岸壁较缓，高水位会淹没两岸的灌木丛、农田，参照水力学计算中的《天然河道糙率表》并结合1881年、1968年、1985年、1994年、2001年和2012年实测洪水水面线，确定糙率取为0.034。

(3)河道纵比降的确定。采用实测地形数据，经计算得研究断面河纵比降为0.000 5。

(4)栖息地状况判定的方法(Tennant法)。利用生态流量占枯水期多年平均流量百分比判定水域栖息地状况，其不同流量百分数的栖息地状况数据[3]见表2。本研究使用枯水期数据，故采用10月～次年3月的平均流量百分数。

表2 Tennant法不同流量百分数的栖息地状况 %

2 计算方法及结果

2.1 计算方法

本文采用的计算方法如表3所示。

表3 生态流量的计算方法

2.2 湿周法

本河段及附近上下游无实测湿周流量关系点。采用实测断面利用曼宁公式推求研究断面湿周流量关系曲线，部分断面的湿周-流量拟合曲线见图2。湿周法计算得生态流量见表4。

图2 部分断面的湿周-流量拟合曲线

由表4知邕江研究河段生态流量范围为18.51～44.70 m3/s，生态流量占枯水期多年平均流量百分比范围为9.18%～22.35%。断面2和断面10生态流量占枯水期多年平均流量百分比小于10%，由Tennant法知栖息地状况严重退化；断面5生态流量占枯水期多年平均流量百分比大于20%，由Tennant法知栖息地状况好；另外7个断面在10%～20%范围内，由Tennant法知河道栖息地状况一般。

表4 研究断面拟合函数和湿周法计算所得的生态流量

2.3 生态流速-临界水深法

2.3.1 河道模型的假设

刘昌明通过对 80多个流域的调查，认为天然河道过水断面基本呈抛物线形[5]。广西南宁市邕江河段研究断面的抛物线拟合函数见表5。

表5 研究断面的抛物线拟合函数

2.3.2 河道抛物线拟合

将抛物线y=ax2+bx+c对称中心处移到坐标原点得y=ax2，h为水深，b为水面宽，抛物线形断面示意见图3。积分得

图3 抛物线形断面

(1)

式中，A为断面面积；X为断面湿周。

(1)生态水深的确定。四大家鱼对生存环境要求较高，但目前在邕江水系衰退比较严重，对生态流量计算参考价值较大，本研究取为指示物。据调查，得断面1至断面6鱼长均值为80～100 mm；断面7至断面10鱼长均值为80～103 mm。取鱼类体长均值作为确定生态水深的基础因子，生态水深取鱼类体长均值的3倍，得断面1至断面6的生态水深为0.24～0.30 m，断面7至断面10的生态水深为0.24～0.31 m。

(2)生态流速的确定。在河流中藻类和无脊椎动物对水的需求明显小于鱼类，且鱼类对环境变化比较敏感。黄颡鱼广布于中国东部各太平洋水系，是广西邕江河流的特色野生鱼，近年由于人们对野生鱼的食用需求，导致其数量锐减，故取黄颡鱼作为敏感对象，黄颡鱼(Pelteobagrusfulvidraco)为鲿科，属鱼类。体长约20 cm，腹面平直，体后半部侧扁，尾柄较细长。杂食，主食底栖小动物、小虾、水生小昆虫和一些无脊椎动物等。本研究选取黄颡鱼产卵需要的刺激流速0.7～0.8 m/s作为生态流速。生态流速-临界水深法计算的生态流量见表6。

由表6可知，邕江研究河段生态流量范围为25.31～91.74 m3/s，生态流量占枯水期多年平均流量百分比范围为12.66%～43.69%。断面1和断面2、断面4、断面10生态流量占枯水期多年平均流量百分比在10%～20%，由Tennant法知栖息地状况一般；断面8和断面9生态流量占枯水期多年平均流量百分比大于40%，由Tennant法知栖息地状况极好；另外4个断面都大于20%～30%，由Tennant法知河道栖息地状况很好。

表6 生态流速-临界水深法计算的生态流量

2.4 综合法

(1)平均生态流速的确定。由湿周法得到10个断面的平均水深约1.86 m。计算公式[6]

Vm=βh00.64

(2)

式中，β=0.54～0.57，得到不淤流速约为0.89 m/s。由于粘土河道的不冲流速约为0.75～1 m/s，因而平均生态流速约0.9 m/s。

(2)平均生态水深的确定。由生态流速-临界水深法得平均水深的范围约0.24～0.31 m。

(3)平均生态湿周率的确定。邕江河道较宽，取10个断面湿周的50%流量作为生态流量。综合法计算所得生态流量见表7。

表7 综合法计算所得生态流量

由表7知，邕江研究河段生态流量范围为21.60～77.56 m3/s，生态流量占枯水期多年平均流量百分比范围为10.27%～36.93%。断面3和断面5生态流量占枯水期多年平均流量百分比在20%～30%之间，由Tennant法知栖息地状况好；断面8和断面9生态流量占枯水期多年平均流量百分比大于30%，由Tennant法知栖息地状况很好；另外6个断面都大于10%～20%，由Tennant法知河道栖息地状况一般。

3 结论分析

(1)本研究基于Tennant法用三种方法从不同角度计算生态流量，并判断河流研究断面栖息地状况，从而达到了解邕江河段生态状况的目的，为保护河流环境提供科学的参考。

(2)湿周法和生态流速-临界水深法从河道水力要素和鱼类栖息地健康状况考虑，综合法结合前两种方法。湿周法计算结果得栖息地状况较差的是断面2和断面10；生态流速临界水深法计算结果得栖息地状况较差的是断面4和断面10；综合法计算结果得栖息地状况较差的是断面4和断面10。综合可以得，断面2、断面4和断面10生态状况比较差，需要重点保护。

(3)综合法计算得广西南宁市邕江河段生态流量为20.54～77.56 m3/s，比邕江P=90%的日平均流量240 m3/s扣除供水22.9 m3/s和内河补水20 m3/s后剩下的217.1 m3/s流量小，满足生态流量需求。

(4)由于生态系统的复杂性和基础数据的限制等因素，生态流量的计算结果往往是一个初步的结论，需要在调度过程中不断动态调整予以修正。