楊溪水庫下游河道生態(tài)需水量分析與計算

俞科慧,王 浩

(1.浙江水利水電工程審價中心,浙江 杭州 310020;2.浙江省水文局,浙江 杭州 310009)

河道生態(tài)需水量是為滿足河道生態(tài)系統(tǒng)的各種基本功能健康所需的用水,主要包括河道生基流、河流水生生物需水量和保持河道水流泥沙沖淤所需輸沙水量等[1]。在河流上興建水庫,其下游河道水量大幅度減少,破壞了原始河流生態(tài)的連續(xù)性,容易引起下游河道水質(zhì)惡化、水生生物絕種或遷徙等。因此,水庫在控制運行計劃中應(yīng)增加生態(tài)需水量約束,在協(xié)調(diào)水庫各種用水保證率的同時,保證下游河道一定的生態(tài)環(huán)境用水,這對于保護水庫下游河道的生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

1 生態(tài)需水量計算方法

1.1 常用計算方法

目前國內(nèi)計算河道生態(tài)需水量的方法主要有:通過河道流量與生態(tài)環(huán)境關(guān)系進行綜合計算的Tennant法,采用90%保證率最枯連續(xù)7 d的流量作為設(shè)計值的7Q10法,合理確定臨界區(qū)域的水生棲息地濕周的河道濕周法、適用于一般淺灘式的河流棲息地的 R2CR OSS法等[2-4]。其中Tennant法由于方法簡單、數(shù)據(jù)容易獲得且對生態(tài)系統(tǒng)的描述較為科學(xué),應(yīng)用最為廣泛。

1.2 Tennant法簡述[5-6]

Tennant法是一種統(tǒng)計分析的方法,依據(jù)觀測資料而建立起來的流量和河道生態(tài)環(huán)境之間的經(jīng)驗關(guān)系,它僅僅使用歷史流量資料就可以確定生態(tài)需水量,容易將計算結(jié)果與水資源規(guī)劃相結(jié)合。該方法將全年分為2個計算時段,根據(jù)多年平均流量百分比和河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況的對應(yīng)關(guān)系,直接計算維持河道一定功能的生態(tài)需水量。Tennant法中,河道內(nèi)不同流量百分比和與之相對應(yīng)的生態(tài)環(huán)境狀況見表1。

表1 Tennant法中保護河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境所需河流流量狀況標(biāo)準(zhǔn)表

1.3 改進Tennant法

生態(tài)需水量與河道內(nèi)生物種群的生活習(xí)性密切相關(guān),具有一定的時空變化規(guī)律,比如大部分魚類在春、夏季習(xí)慣向上洄游覓食和繁殖后代,這時所需要的生態(tài)需水量就多,冬季則洄游到下游水量豐厚的河道過冬,此時上游的生態(tài)需水量就少。Tennant法在考慮這種變化時簡單地把1 a分成少水期和多水期,且在多水期和少水期各長達6個月的時間跨度只采用1個均值流量來描述生態(tài)需水量,顯得不夠細致。因此,在應(yīng)用Tennant法時,考慮改進2點:一是多水期和少水期時間劃分。多水期和少水期的劃分應(yīng)該根據(jù)具體河道的生物種群活動周期進行修正;二是少水期的生態(tài)需水量計算。Tennant法中少水期的生態(tài)需水量為平均流量百分比的一個固定值,這樣的計算方法在很多地方不能通用,比如中小河流上游地區(qū),少水期每日的徑流量變化極大,經(jīng)常會出現(xiàn)斷流的情況,此時河道中一般是不會有魚類活動的,這也符合河道生物種群的生活習(xí)性,因此所需的生態(tài)需水量不需要很大。另外,對于水庫下游河道生態(tài)需水量的計算,涉及到水庫綜合效益以及其它方面用水保證率的問題,少水期無謂的棄水用來保持本不需要很多的生態(tài)需水量,可能會影響到水庫的供水保證率。因此,本文認為,在少水期,應(yīng)結(jié)合實際的天然狀態(tài)來水量,采用旬月或者更小時間間隔的來水量來修正Tennant法計算的生態(tài)需水量,天然來水量可以采用多年平均徑流量或者典型年旬月徑流量來表示?？傊?改進Tennant法少水期的生態(tài)需水量可用下面的約束條件進行約束:W入庫＞W(wǎng)r時,W生態(tài)=WrW入庫＜Wr時,W生態(tài)=W入庫

式中:W入庫為時間間隔內(nèi)水庫的入庫流量;Wr為Tennant法計算少水期生態(tài)需水量;W生態(tài)為生態(tài)需水量。這種改進方法采用實際河道天然徑流量來反映河道生物種群的生活習(xí)性,還是比較科學(xué)的,并且也解決了水庫枯水期用水緊張和下游生態(tài)需水量之間的矛盾。

2 楊溪水庫生態(tài)需水量計算

楊溪水庫屬李溪流域,李溪流域面積174.1 km2,其中楊溪水庫集雨面積124 km2。水庫位于永康市東部的石柱鎮(zhèn)麻車口村,是永康市內(nèi)目前最大的1座以灌溉為主,結(jié)合防洪、發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖、城鎮(zhèn)供水的綜合利用工程。水庫總庫容6168萬m3,庫區(qū)多年平均降雨量1475.9 mm,多年平均入庫徑流量9840萬m3,75%可供水量6986萬m3。

2.1 Tennant法計算

通過楊溪水庫1983—2004年22 a徑流資料分析計算,多年平均入庫流量為3.12 m3/s,多年平均徑流量9840萬m3。在計算下游河道生態(tài)需水量時,可以直接還原楊溪水庫入庫流量作為下游河道入流,反映建庫以前的天然來水情況,以此研究建庫前的河流生態(tài)狀態(tài),具有一定的代表性。根據(jù)這個資料,如果采用傳統(tǒng)的Tennant法計算下游河道生態(tài)需水量,河道生態(tài)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)為中,則少水期按多年平均流量3.12 m3/s的10%計算,多水期按多年平均流量30%計算,根據(jù)每月的實際天數(shù),可求出逐月生態(tài)需水量(見表2),計算得全年生態(tài)需水總量1971萬m3,少水期生態(tài)需水總量491萬m3。

表2 楊溪水庫下游河道生態(tài)需水量計算表萬m3

2.2 改進Tennant法計算

根據(jù)資料情況,結(jié)合水庫供水保證率,采用75%保證率典型年的旬月徑流量計算成果對Tennant法進行修正后計算楊溪水庫下游河道生態(tài)需水量。

2.2.1 頻率計算和典型年選擇

根據(jù)楊溪水庫22 a年徑流量資料排頻,并進行頻率分析 (見表3)。

表3 年徑流量頻率分析計算表

續(xù)表3

通過計算,頻率曲線選配采用 Qc=9840 m3,Cv=0.40,Cs=2Cv,年徑流量頻率計算成果如表3,最終選定1986年為75%保證率的典型年,修正后的75%保證率年徑流量為6986 m3,Kp為0.71。

2.2.2 多水期少水期劃分

楊溪水庫下游河道沒有特別保護的生物種群,水生生物主要以4大家魚、泥鰍、黃鱔、麥穗、力勺以及蝦蟹為主,通過當(dāng)?shù)鼐用窈蜐O政也了解到這里魚類繁殖期主要在4月份到7月份,而在來水量減少、天氣漸寒的時候就會向下游深水區(qū)潛底越冬。通過楊溪水庫多年的徑流量資料分析發(fā)現(xiàn),4月份到7月份也是來水最為充沛的時間,因此可以確認此段時間為多水期,其余時間為少水期。

2.2.3 生態(tài)需水量確定

根據(jù)年徑流量控制同倍比法求出典型年逐月徑流量,成果如表2所示。從典型年逐月徑流量數(shù)據(jù)可以看出,個別月的實際徑流量 W入庫小于Tennant法推求的月生態(tài)需水量Wr,這主要是由于楊溪水庫上游集雨面積較小,屬于山區(qū)性流域,徑流量時間變化較大,通過歷史資料研究,少水期經(jīng)常會有斷流的情況發(fā)生。在這種天然的生態(tài)環(huán)境下,生態(tài)需水量主要是基于河道生基流和保持河道水流泥沙沖淤必需的流量考慮,其量級比考慮河流水生生物需水量要小得多。而且,少水期的水資源量是有限的,各種用水量之間是矛盾的,因此對于楊溪水庫這樣的多功能水庫來說,生態(tài)需水量的計算必須要細致。考慮這種實際情況,我們對各月生態(tài)需水量進行修正,即當(dāng)該月水庫入庫水量W入庫大于Wr值時,生態(tài)需水量按 Wr計算,但當(dāng)該月 W入庫小于Wr時,生態(tài)需水量按入庫水量 W入庫計算 (見表2)。通過逐月生態(tài)需水量計算得,P=75%設(shè)計水平年生態(tài)需水量為1579萬m3,比按Tennant法不修正的1971萬m3減少了392萬m3。

3 結(jié) 語

目前生態(tài)需水量的分析和計算尚處于起步階段,方法雖然很多,但都比較粗放,計算的合理性也有待進一步的研究。本文中,考慮到楊溪水庫流域的特性,提出根據(jù)流域?qū)嶋H水文特征,生物活動周期以及多方面用水量協(xié)調(diào)關(guān)系等因素,在傳統(tǒng)的生態(tài)需水量計算方法Tennant法的基礎(chǔ)上進行改進,根據(jù)實際河道生物活動周期修正Tennant少水期和多水期的時間劃分,采用典型年逐月徑流量修正

Tennant法計算的少水期生態(tài)需水量,其目的主要是在滿足必需的河道生態(tài)需水量的基礎(chǔ)上,減少上游水庫一些不必要的棄水,故其思路對于很多類似的水庫流域都具有一定的適用性,是值得推廣的。當(dāng)然,本文中需水量的計算還缺乏對具體生物種群的研究和長期觀察,對滿足生物活動所需的水量也沒有具體測算,但是通過水文資料分析來擬合生物活動周期,方法簡單,資料也容易獲得,不失為一種較為科學(xué)的方法。

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