赣江下游河道适宜生态需水量计算

鄢笑宇，吴向东，何力，刘 鑫

（1.江西省水利科学院，江西南昌，330029；2.抚河水文水资源监测中心，江西抚州，344100）

在气候变化及人类活动的影响与作用下，赣江流域水情、工情、河流生态系统等发生了很大的变化，流域生活、生产和生态用水矛盾日益突出，水资源综合利用与水生态环境保护面临的挑战越来越严峻，水生态环境保护要求也越来越高，保障主要河段生态需水已成为政府和社会高度关注的问题。河流生态需水是对某一具体河段而言，当河道内流量过大或者过小时，河道内径流均不能维持河流主要生物的生存，河流健康遭到破坏，水生态系统崩溃。

邹淑珍[1]研究了赣江中游的三座水利枢纽工程对四大家鱼的影响；王琲[2]通过研究水位变化对水温的影响，研究适宜鱼类生存的生态调度方案，方案中有考虑鱼类的生活习惯，但未给定逐月的生态需水过程。刘剑宇等[3]研究了水文状况变异下的外洲断面生态需水过程；黄彬彬等[4]通过6 种水文学方法计算了赣江下游外洲断面生态需水量，但研究中未考虑水生生物的生存需求。

目前生态需水估算方法基本可以分为：水文指标法、水力学法、整体分析法和栖息地法等4 大类[5]。其中水文指标法因其操作简单，数据需求较低，常被应用于生态流量的计算。为了维持赣江下游河段生态系统的健康稳定，本研究采用Tennant 法和生态流量阈值法两种水文学方法分别计算，得到不同情景下赣江下游的生态需水过程，并采用基于生态保护目标的湿周法（一种水力学法）进行筛选比对，过程中考虑赣江下游主要鱼类生活对径流的需求，确定赣江下游适宜和较适宜的生态需水过程。

1 研究方法

1.1 Tennant 法

Tennant 法是基于多年的历史流量资料的一种生态流量计算方法，计算过程简单、操作十分方便，仅需要监测断面10年以上的历史流量资料即可，资料获取较为简单[6]。根据Tennant 法，维持河流生态系统健康的各月河道内生态需水量如下式所示：

式中：WRij为多年平均条件下第i月在河流栖息地状况处于j 条件下（j 为最佳、优秀、很好、良好、一般或较差、差或最小、极差几种条件之一）的河流生态需水值，亿m3；ni为第i月的天数，d；Qi为第i月的多年平均流量，m3/s；Pij为第i月河流栖息地状况j 时的需水百分比，%。

基于《河湖生态环境需水计算规范》中各用水时段的流量百分比，采用Tennant 法提出河流生态需水的评价标准[7]见表1，其中年内水量较枯时段采用非汛期时段（10月～次年3月），年内水量较丰时段采用汛期时段（4月～9月）。

表1 Tennant 法各评价标准推荐的生态流量值 %

1.2 生态流量阈值法

2019年，Ma 等[8]提出了生态流量阈值法，是一种河流水文健康评价方法，该方法设置了不同的生态流量阈值，将流量依次划分出9 个区间，每个区间对应的河流水文健康等级（H，取值范围为0～100）的计算公式如表2。其中，当处于80≤H≤100 时，河流健康程度较好，河流生态系统处于适宜状态；当处于40≤H＜80时，河流健康程度一般，水生生物的生存环境受到一定程度的干扰，但仍能满足最低需求；当H＜40 时，河流生态系统受到干扰严重，水生生物的生活环境无法得到保障[9]。

表2 河流水文健康等级计算公式

1.3 基于生态保护目标的湿周法

基于生态保护目标的湿周法的前提是假设湿周和生态保护目标有一定的关联，保证好生态保护目标生存的湿周，就能满足生态保护目标正常生存的要求。湿周法的主要手段就是建立单一稳定的湿周-流量关系，因此受河道断面形状影响显著[10]。假设河流处于明渠均匀流，则河道的湿周和流量可以借助曼宁公式表示为：

式中：Q 为流量，m3/s；S 为水力坡度；n 为糙率；A为过水断面面积，m2；P 为湿周，m。

本研究通过赣江下游水生生物（鱼类为主）的产卵期的喜爱流速范围，推求适宜生态需水量和较适宜生态需水量。其中适宜生态需水量需满足产卵期全过程的需水，较适宜生态需水量需满足产卵期大部分时段的需水。

2 研究区域概况

2.1 赣江下游流域概况

赣江在新干县以下称为下游。新干至吴城干流长208km，东岸无较大支流汇入，西岸有袁河、锦江汇入。赣江在南昌市以下，绕扬子洲分为左右两股汊道。左股分为西支、北支，右股分为中支、南支，四支又各有分汊注入鄱阳湖。本次河道适宜生态需水研究以赣江下游的外洲断面为例进行，外洲站大断面图见图1。外洲断面位于江西省南昌市青山湖区桃花镇，东经115°50'，北纬28°38'，集水面积80 948km2，是赣江上重要的水系节点和城市断面，外洲水文站主要测验项目有水位、流量、泥沙、降水、蒸发、水温、水质等。

图1 2019年外洲站大断面图

外洲水文站1950-2019年多年平均径流量2 185.90m3/s，年内分配如图2所示。由图可知，外洲断面流量主要集中在4～9月，占全年径流量的71.88%。

图2 外洲断面多年平均流量年内分配

2.2 赣江下游生态保护目标

王朝阳[11]在2017年3月～2018年2月对赣江下游鱼类的调查中得出，赣江下游的优势种分别是鲤占比17.19%、似鳊占比10.81%、银鲴占比10.20%，其中似鳊是小型鱼类。而赣江干流南昌采样点的优势物种分别为鲤占比最高，为41.39%，经济效益较高的四大家鱼均属鲤科。四大家鱼的繁殖习性，青鱼的繁殖时段为5～7月，草鱼的繁殖时段为4～7月，其中5月较为集中，鲢鱼的繁殖时段为4月中旬到5月中旬，鳙鱼的繁殖时段为5月上旬到7月初[12]。张杰等[13]在研究三峡工程对四大家鱼产卵场影响中，提出四大家鱼产卵适宜流速为0.33～0.9m/s，本研究采用此成果作为四大家鱼的适宜性指标。

3 计算结果

3.1 Tennant 法

根据外洲水文站1950-2019年70年实测流量资料，采用这70年实测流量资料的多年平均值，按照第二章节的生态流量的占比得到各种评价标准下的逐月生态流量，结果如表3所示，其中，最佳范围上限、最佳范围下限、优秀、很好、良好、一般或较差、差或最小对应的生态流量年均值分别为2 185.90m3/s、1 311.54m3/s、1 188.61m3/s、970.02m3/s、751.43m3/s、532.84m3/s、218.59m3/s。

表3 Tennant 法外洲断面各评价标准下逐月生态流量 m3/s

3.2 生态流量阈值法

根据外洲水文站1950-2019年70 实测流量资料，按照第二章节的不同河流健康等级的月生态流量算法，得到成果如图3所示，其中，河流健康等级100、80、60、50、40 对应的生态流量年均值分别为2 188.58m3/s、1 617.46m3/s、1 233.35m3/s、1 041.30m3/s、561.16m3/s。

图3 生态流量阈值法计算生态流量过程

3.3 基于生态保护目标的湿周法

根据李坤等[14]对外洲站的调查，本研究外洲断面处河道比降取0.11‰，糙率取0.06。结合2019年外洲大断面形态，计算得到外洲断面的流量湿周曲线，如图4。

图4 外洲断面流量湿周曲线

基于流量湿周曲线，查找四大家鱼产卵期（4～7月）适宜指标对应流量范围为902.96m3/s～12 943.41m3/s。

4 讨 论

（1）采用基于四大家鱼为生态保护目标的湿周法，计算得到外洲断面4～7月的最小适宜流量值，如图4所示。对Tennant 法计算得到的外洲断面逐月生态流量进行比对发现：评价标准为良好以上的生态流量过程能够满足四大家鱼4～7月期间的产卵需求；一般或较差情况下仅7月不能满足四大家鱼的产卵需求水量。

能完全满足四大家鱼产卵期需求水量的生态流量过程中，最佳范围的下限值占外洲断面多年平均流量的60.04%，优秀为外洲断面多年平均流量的54.42%，很好为外洲断面多年平均流量的44.41%，良好为外洲断面多年平均流量的34.40%。能满足3 个月四大家鱼产卵期需求水量的流量过程中，一般或较差情况下的年生态流量值占多年平均流量的24.39%。Tennant 法计算得到的适宜生态流量的年均值为751.43m3/s，较适宜生态流量的年均值为532.84m3/s。

（2）根据四大家鱼4～7月适宜流速，以湿周法计算得到的外洲断面最小适宜流量值为下限，发现在生态流量阈值法计算得到的不同等级的生态流量过程中，等级为40 时，四大家鱼产卵期中，仅7月河道生态流量不能满足产卵需求，年均流量值占外洲断面多年平均流量的25.64%；当等级超过50 时，四大家鱼产卵期对水量的需求能够得到满足，等级50 的年均流量值占外洲断面多年平均流量的47.58%。生态流量阈值法计算得到的适宜生态流量的年均值为1 041.30m3/s，较适宜生态流量的年均值为561.16m3/s。

5 结论

通过Tennant 法和生态流量阈值法计算得出外洲断面不同情况下的生态流量过程，并用基于四大家鱼为生态保护目标的湿周法计算得到的生态流量值，对适宜生态流量过程进行筛选和比对，Tennant 法和生态流量阈值法计算得到的年均适宜生态需水量分别为751.43m3/s、1 041.30m3/s，占外洲断面多年平均径流的40%左右；年均较适宜生态需水量为532.84m3/s、561.16 m3/s，占外洲断面多年平均径流的25%左右。此计算成果为赣江下游生态保障中河道预留生态蓄水流量提供一定参考。