沅水下游河段生態(tài)基流估算研究

劉華平，殷國仕，王勇澤

(湖南水利水電職業(yè)技術學院，湖南 長沙 410131)

我國地形獨特，水能資源豐富，水能資源的開發(fā)利用不會帶來二次污染，也不會造成水資源量的減少，世界各國幾十年來都進行了積極的開發(fā)利用。建國以來，我國對水電工程的規(guī)劃建設給予了高度重視，多個流域的水電開發(fā)積極推進，并投入運行。梯級水電開發(fā)為社會帶來豐厚效益的同時，也不可避免的帶來了一定程度的生態(tài)問題，梯級水電開發(fā)區(qū)域生態(tài)環(huán)境受到了不同程度的影響。

從20世紀40年代以來，各國就對環(huán)境健康進行了一系列的研究。到了20世紀90年代，河流生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展也逐漸成為各國學者關注的課題，生態(tài)需水更成為該課題的研究焦點。Covich提出生態(tài)需水就是維持和恢復河流生態(tài)系統(tǒng)健康所需的水量。Rashin等提倡水資源可持續(xù)利用，河流、湖泊和濕地等水域需要一定的水量維持其基本的生態(tài)功能，卻沒有得出明確的計算方法。Junk在研究洪泛區(qū)物種的多樣性時提出了生態(tài)洪水脈沖的概念。隨著國際上河流生態(tài)健康研究的發(fā)展，我國一些學者和專家對于生態(tài)健康和生態(tài)流量的定義和計算方法也提出了一些觀點和看法。湯奇成將水資源開發(fā)劃分為生態(tài)需水和國民經(jīng)濟需水兩部分，水利部后來的論證中提出在水資源優(yōu)化配置中考慮生態(tài)需水問題。劉昌明等提出了“四大平衡”原則，分析了生活用水、生態(tài)用水和生產(chǎn)用水之間的關系。崔保山等對濕地生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展所需的生態(tài)流量閥值進行了探討，初步得出了生態(tài)需水量的評價指標和計算方法。

俠義上的生態(tài)需水指在特定區(qū)域特定條件下，能滿足河流健康發(fā)展的最小流量。沅水是湘江的主要支流之一，水能資源豐富，水能資源的開發(fā)對沅水的徑流調(diào)節(jié)帶來了很大影響，破壞了沅水流域生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。保證一定的生態(tài)基流量對于恢復受損的河流生態(tài)系統(tǒng)具有重要作用。文中以沅水下游段為例，提出了適合該地區(qū)的生態(tài)基流量估算方法，為沅水流域生態(tài)系統(tǒng)恢復和水資源合理配置提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

沅水流域覆蓋湘西、黔東、渝東與鄂西部分地區(qū)，流域南北長而東西窄，呈自西南斜向東北的矩形?？偭饔蛎娣e 90000km2，其中:湖南省占57．3%，貴州省占 34．1%，重慶和湖北共占8．6%。流域?qū)贃|亞季風區(qū)，為亞熱帶季風氣候，流域內(nèi)溫濕多雨，四季分明，多年平均氣溫在14．3℃ ～17．2℃之間，有自西向東遞增的趨勢，極端最低氣溫在-6℃以下(一月份)，極端最高氣溫為42．5℃(八月份)。流域降雨受季風和地形影響，一般以南部和北部山區(qū)的降水量較多，中部偏西地區(qū)降水量較少，多年平均降水量為1090～1506mm。

沅水是長江第三大支流，也是洞庭湖水系湘、資、沅、澧四水中水量最大、水能資源蘊藏量最豐富的河流。沅水發(fā)源于貴州省都勻縣的云霧山和麻江縣的平越山。源頭馬尾河與重安江流至叉河口匯合后名清水江，至黔城匯渠水后始稱沅水。途中有流域面積3000km2以上的七條支流匯入:左岸有支流舞水、辰水、武水和酉水，右岸有支流渠水、巫水和溆水，其中酉水是沅水最大的支流。沅水干流總長1028km，總落差1033m;沅水最下游的凌津灘水電站壩址多年平均流量2090m3/s，多年平均徑流量659億m3;整個流域于湖南常德注入洞庭湖。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

桃源水文站設立于1948年1月，1951年1月上遷750米，1953年1月下遷750米。該站位于湖南省桃源縣漳江鎮(zhèn)延溪村。東經(jīng)111°29'，北緯28°54'，屬長江流域沅江水系，河名為沅江。該站為沅江流域的江河治理、防汛抗旱、水資源開發(fā)利用及水工程的建設管理，系統(tǒng)地收集水文資料，是沅水干流總控制站，屬國家重要水文站。集水面積85223km2，干流長983km，距河口50km。測驗項目有:水位、水溫、流量、泥沙、泥沙顆粒分析、水質(zhì)、降水量、水面蒸發(fā)量，并負責牛車河、茶庵鋪、王家灣、龍?zhí)端?、芭茅洲、小陬溪、黃土塆、三里溪、黃石等九個委托雨量站的管理。建站至今實測歷史最大洪水發(fā)生在1996年7月，水位46．90m，流量 29100m3/s。

生態(tài)基流的流量資料來源于桃源水文站，利用桃源水文站1959～2012年54年的流量資料進行分析。桃源站建站時間較長，下墊面情況變化很大，本次計算將水文站的流量按照水量平衡原則進行了還原，將其還原到天然徑流情況。

2.2 方法

2.2.1 Tennant法

Tennant法也叫Montana法，在國內(nèi)外得到廣泛應用。該方法將平均流量的一定百分數(shù)來計算生態(tài)基流量，具有一定指導意義。此方法基于對美國11條河流的水文數(shù)據(jù)進行分析，得出了水生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展與河道流量的關系(表1)。分析發(fā)現(xiàn):平均流量的10%是維持河道生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的最小允許流量，其30%的流量能夠為河道內(nèi)的生物提供良好的生活和棲息環(huán)境。

表1 河道流量與河流生態(tài)健康關系

2.2.2 最枯月平均流量多年平均值法

該方法計算方法簡單，原理清晰易懂，應用較為廣泛，其計算公式為:

式中:Qm——第m月的河流生態(tài)基流量(m3/s);

Qij——第i月第j天的平均流量(m3/s);

n——統(tǒng)計年數(shù)。

2.2.3 90%保證率最枯月平均流量法

90%保證率最枯月平均流量法是通過年最小值法選樣，統(tǒng)計出各年最枯月的平均流量，并對其進行頻率分析，得出90%保證率的設計值。本文則是通過各年最枯日流量作為基礎數(shù)據(jù)，經(jīng)過頻率分析得出各月的最小生態(tài)流量。

2.2.4 Hoope法

Hoope法是基于流量歷時曲線，將流量歷時曲線上17%所對應的流量定為淹沒流量，40%定為產(chǎn)卵所需最小流量，80%定為水生物生長所需流量。

2.2.5 NGPRP法

NGPRP法是將流量資料按照豐、平、枯進行分組，對平水年組的流量進行頻率計算，90%所對應的流量為生態(tài)流量。

2.2.6 Texas法

Texas法是基于各月流量數(shù)據(jù)，對各月流量進行頻率分析，得出50%保證率下的設計值作為基準，取其一定的百分數(shù)作為各月生態(tài)流量。沅水流域下游根據(jù)典型植物及魚類的水量要求，特定百分率取35%為宜。

3 沅水流域生態(tài)基流分析

沅水流域水能資源豐富，梯級開發(fā)的水電工程眾多，分為上游、中游、下游幾段工程，本次課題以下游河段的五強溪和凌津灘水電站控制河段為代表進行了河道生態(tài)基流的分析。

生態(tài)基流的流量資料來源于桃源水文站，利用桃源水文站1959～2012年54年的流量資料進行分析。桃源站建站時間較長，下墊面情況變化很大，本次計算將水文站的流量按照水量平衡原則進行了還原，將其還原到天然徑流情況。然后利用上節(jié)中的六種方法進行了生態(tài)基流計算，計算成果見表2和圖1。

表2 桃源站不同方法生態(tài)基流計算結果

圖1 桃源站生態(tài)基流計算成果對比

4 結論

本課題采用以上六種方法對沅水流域下游段的生態(tài)基礎流量進行了分析。從計算結果可以看出:六種方法計算結果存在較大差異，Tennant法得出的生態(tài)基礎流量最小，其次是Texas法，再其次是90%最枯月平均流量法;Hoope法和最枯月平均流量法計算結果較大。造成其差異的原因是各種方法計算出發(fā)點不同。考慮到沅水流域的水資源情況，將Tennant法的計算結果作為河道流量的最低下限。

從六種方法結果對比圖來看，采用最枯月平均流量法、Tennant法和90%保證率最枯月平均流量法等6種水文學方法對沅水流域下游段生態(tài)基流進行了計算，不同方法計算結果差距較大。最枯月平均流量的計算結果均高于其他方法，而Tennant法的計算結果則最低。Tennant法、90%保證率最枯月平均流量法和Texas法的計算結果相對較低，且能夠滿足沅水流域下游段河流生態(tài)環(huán)境的健康可持續(xù)發(fā)展。生態(tài)基礎流量應為河流生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的最小流量，因此本文取Tennant法的計算結果作為沅水流域下游段的生態(tài)基礎流量，更具合理性。

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