清远市乐排河河道断面生态基流计算分析

李新红

(清远市水利水电勘测设计院有限公司,广东 清远 511500)

1 河流概况

乐排河，又名白坭河，古称巴由水，位于清城区的南端，地处清远、广州佛山三市的交汇点，发源于清远市清城区石角镇的瓦塘寮，集水面积为343.69 km2，河长为47.5 km。乐排河流域平均降雨量为1 803.6 mm，最大年降雨量为2 686.7 mm，最小年降雨量为1 102.6 mm，丰枯极值比为2.44。乐排河清远境内集雨面积为 92.2 km2，约占乐排河总流域面积的1/4，河长为16.6 km，平均坡降为0.000 8。其境内主要支流有新屋水、基口排坑、木头塘排坑、老虎口排坑、大坑水、钟屋排坑等[1]。

2 生态基流简述

2.1 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。对一条常年流动性河流而言，它拥有丰富的水量和稳定的水生态系统，这两者是维护河流生态环境的底线要求。一些不与海和天然雪山相连的河，以及河底比较浅的河流会发生季节性断流，河流断流会给原有水生环境带来严重破坏。这种河流即使恢复断流前水流状态，与原始水生态系统多样性也有较大差异，更为严重的就是造成一些水生物种的永久性灭亡。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[2-3]。

2.2 计算方法与特点介绍

全球来看，生态基流的计算方法层出不穷，为防止河流的生态系统遭到破坏，美国研究人员提出了In-stream Flow Requirement的概念。通过归纳总结，目前关于生态基流的计算方法已达200余种，大致可归为4种计算类别，分别是标准流量法、水力学法、栖息地法和整体法。我国生态蓄水方面研究起步较晚，自20世纪90年代开始才初露头角，相比国外比较落后。但是近几年看来，我国学者通过不断学习国外一些研究方法和操作手段后，国内生态蓄水发展速度飞速提升。近年来，国内一些创新性的分析计算方法不断涌现，国内学者通过总结我国水资源地域分布特点，提出了包括tennant法、最枯月流量法和Qp法(P=95%或90%)在内的十余种研究方法[4-6]。表1归纳总结了国内目前较为典型的6类生态基流指标表达方法。

表1 生态基流指标表达

在各种方法类别中，水文学法相对水力学法易于操作，应用较广泛、较成熟。选择合理的生态基流计算方法务必对拟测水域或者河流生态系统有深刻的了解。例如，选择Tennant法时应当考虑河流是否具有长系列水文资料，选择7Q10法时应当判定河流开发程度满足要求与否。此外还应当综合考虑区域水文特征、河流形态和当地水生态系统类型，对于有工业产业的河流流域，工业工程对水域造成的环境影响也应当考虑在内。本次研究根据收集资料情况拟采用Tennant法、90%保证率法、近10 a最枯月流量法3种方法进行分析计算，同时考虑已有成果综合选取[7]。由于乐排河流域内无相关水文测站，即无相关径流实测资料，根据其周边测站分布，计算采用大庙峡(二)站1960—2015年共56 a实测年径流及降雨资料同计算区域内的石角雨量站1960—2015年共56 a实测年降雨资料所推求的乐排河流域兴仁桥控制断面1960—2015年逐年径流为计算依据。

3 乐排河生态基流的计算

3.1 Tennant法

Tennant法是通过河流多年平均流量的百分数进行计算，根据2010年水利部水利水电规划设计总院印发的《水工程规划设计生态指标体系与应用指导意见》中该法将保护水生态的河流流量推荐值分为最大允许极限值、最佳范围值、极好状态值、非常好状态值、好状态值、开始退化状态值、差或最小状态值和极差状态值等1个高限标准、1个最佳范围标准和6个低限标准[8- 9]，又依据水生生物对环境的季节性要求不同，分为鱼类产卵育肥期(4—9月份)和一般用水期(10月—翌年3月份)，乐排河流域主要为丘陵、平原区，人类活动较密集，Tennant法推荐流量情况详见表2，流域内无相关水产种质及水生生物栖息地，故本次计算按照一般用水期分别计算多年平均流量的10%～30%，根据上述年径流计算成果计算出各控制断面相应成果，表3为两控制断面通过Tennant法计算的径流量成果。

表2 Tennant法推荐流量

表3 各断面Tennant法计算成果 m3/s

3.2 90%保证率法

90%保证率法是指计算90%保证率最枯月平均流量作为生态基流的方法，根据兴仁桥控制断面逐年年内径流分析成果，选取1960—2015年共56 a最枯月平均径流流量资料系列进行频率计算，根据兴仁桥控制断面1960—2015年56 a最枯月平均径流流量经频率分析并点绘频率曲线(见图1～图2)，频率曲线采用P-Ⅲ线型，利用P-Ⅲ型曲线适线，矩法计算和计算机适线后得出各统计参数为:兴仁桥多年平均最枯月流量Q兴仁桥=0.59 m3/s，石岐桥多年平均最枯月流量Q石歧桥=0.3 m3/s。本次计算偏态系数Cs=2Cv=0.98，变差系数Cv=0.49。

图1 兴仁桥断面1960—2015年逐年最枯月

图2 兴仁桥断面1960—2015年最枯月径流频率分析曲线示意

表4统计了乐排河境内石岐桥和兴仁桥两断面不同频率下多年平均径流流量分析成果。显然，兴仁桥控制断面处乐排河90%频率枯水流量为0.26 m3/s；相应地，利用水文比拟法计算可以得到石岐桥控制断面处的90%频率枯水流量为0.13m3/s。

表4 各断面1960—2015年最枯月径流特征值成果 m3/s

3.3 近10 a最枯月流量法

近10 a最枯月流量法是指统计分析近10 a最枯月平均流量作为生态基流的方法，根据兴仁桥断面近10 a年内最枯月平均径流流量及水文比拟法分析计算[10-11]。计算结果显示石歧桥近10 a最枯月径流量为0.35 m3/s，兴仁桥为0.69 m3/s，各断面成果见表5。

表5 各断面近10 a最枯月径流分析系成果 m3/s

4 乐排河生态基流确定

上述3种计算生态基流的方法各有优缺点，由于各个方法选择的资料不同，所以得出的结果也有很大差别。对每种结果进行统计后并分析该统计成果的有效性，同时进行合理的对比分析来最终确定乐排河的生态基流成果。乐排河各断面采用不同方法计算及现有成果情况见表6。

表6 乐排河流域不同方法的生态基流成果 m3/s

1) 90%保证率法以56 a实测最枯月平均流量资料系列进行频率计算，取90%频率的最枯月流量作为生态基流，此种方法着重考虑枯水期流量，适合作为乐排河旱警流量[10]。

2) 近10 a最枯月平均流量法虽然所取资料系列最接近当前状况，但是它资料系列较短，仅考虑到了近期河道来水量情况，对多年前河道来水情况未做分析，不具备代表性。

3) 乐排河水文资料系列长达56 a，利用Tennant法进行计算分析具有步骤简单且快速确定数值的优点。根据表6可知，Tennant法中取多年天然平均径流百分比30%及20%的最小生态需水量结果相对其它方法大部分偏大；Tennant法中若取多年天然平均径流百分比10%的最小生态需水量及近10 a最枯月法结果则相对适中(石歧桥取为0.21 m3/s和0.35 m3/s，兴仁桥取为0.42和0.69m3/s)；由于乐排河流域面积较小、且径流丰枯比值越大的河流枯水期径流量就越小，生态基流也就越大，枯水期就会很难保证河道最小流量所应满足的最低要求[12- 13]。不仅如此，水利部水利水电规划设计总院在2010年印发的文件——《水工程规划设计生态指标体系与应用指导意见》中强调南北河流生态基流取值有明显差异。《意见》指出，北方地区河流非汛期和汛期对于生态基流的取值有所区别，非汛期取值大于等于年径流量的10%，而汛期为年径流量的20%～30%。乐排河属南方河流，《意见》表明南方河流生态基流取值可在90%保证率法与天然径流量的10%之间取较大值；也可以用Tennant法，此时应当取径流量的30%以上。

综上所述，认为本次乐排河流域各断面的生态基流采用多年平均天然径流量的10%的成果即石岐桥控制断面生态基流取0.21 m3/s，兴仁桥控制断面生态基流取0.42 m3/s。乐排河流域各断面枯水期生态流量成果见表7。

表7 乐排河流域各断面生态基流成果 m3/s

5 结语

本次研究设置两个控制断面，即石歧桥控制断面和兴仁桥控制断面，前者枯水期生态流量采用Tennant法计算的多年平均天然径流量的10%，计算结果为0.21 m3/s；兴仁桥控制断面采用水文比拟法计算，其保枯水期生态流量为0.42 m3/s；观察并分析结果认为：

1) 乐排河流域内拦蓄水、引调水工程需落实完善生态流量泄放设施及相应的运行调度方案，并将其纳入工程总体运行调度，且严格执行；

2) 乐排河流域内蓄水工程平水年及枯水年运行中保证生态流量泄放及生产生活用水后应尽可能拦蓄水，以保证紧急需水时有水可用；

3) 乐排河流域丰、平水年调度方案以10月—翌年3月为关键调度期，在保证生态流量不破坏的基础上，尽力保证流域内用水户的用水需求，必要时采取节水措施、限制农业取用水；

4) 乐排河流域控制断面应设置流量观测设施，以保证能够及时反映乐排河水生态环境情况，以便采取适宜补水方案。