基于生態(tài)流速推求河道生態(tài)流量的方法研究

劉和昌，孫 前，李 偉，李 莎

(水利部珠江水利委員會技術(shù)咨詢(廣州)有限公司，廣東 廣州 510611)

保障河湖生態(tài)流量是加強(qiáng)水資源開發(fā)利用管控、推進(jìn)河湖生態(tài)保護(hù)修復(fù)的基本要求，是建設(shè)水生態(tài)文明的一項重要舉措。迄今為止，國際上有200多種生態(tài)流量計算方法，分為水文學(xué)法[1-2]、水力學(xué)法[3-5]、棲息地法[6-7]以及整體分析法[8-9]這4類。其中，棲息地法是基于生態(tài)水力學(xué)來確定適合水生生物生存的推薦流量，生態(tài)水力包括流速、濕周、水深等。

目前，我國江河已建有大量的水文觀測站點，具有河道斷面歷史的和近期的水位、流量、地形觀測等數(shù)據(jù)，河流生物(如魚類)的適宜生態(tài)水力參數(shù)也得到了一定的研究。劉昌明等[10]于2007年提出了河道內(nèi)生態(tài)需水量估算的生態(tài)水力半徑法，先由生態(tài)流速根據(jù)明渠均勻流公式推求生態(tài)水力半徑，再推導(dǎo)流量與水力半徑的函數(shù)關(guān)系，由生態(tài)水力半徑推求生態(tài)流量；朱遠(yuǎn)生等[11]于2011年對西江干流敏感生態(tài)需水量進(jìn)行了研究，先確定西江多數(shù)魚類產(chǎn)卵繁殖的斷面平均流速，推導(dǎo)斷面流速與流量的函數(shù)關(guān)系，由斷面平均流速推求生態(tài)流量。張志廣等[12]采用文獻(xiàn)法和專家法得出裂腹魚產(chǎn)卵期偏好流速范圍為0.5～2.0 m/s，以生態(tài)水力學(xué)法的計算結(jié)果作為基流量，確定了蘇洼龍水電站壩下河段的生態(tài)流量。周芬等[13]利用斷面資料、糙率和水力坡降等計算出河道過水?dāng)嗝娴南嚓P(guān)水力學(xué)參數(shù)，提出了一種基于徑流頻率和河道水力參數(shù)的河道生態(tài)流量綜合分析方法。汪青遼等[14]按長絲裂腹魚對水深、流速的適宜度標(biāo)準(zhǔn)確定不同流量下的棲息地加權(quán)可利用面積(WUA)，得到棲息地面積WUA隨流量的變化趨勢，最終確定目標(biāo)魚類產(chǎn)卵繁殖期適宜的生態(tài)流量值。

綜合已有研究成果，生態(tài)水力參數(shù)均存在函數(shù)推導(dǎo)過程；但河道橫斷面地形、水位流量關(guān)系是河道自然屬性，無固定的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系式，推導(dǎo)過程往往較為復(fù)雜。本文在分析河道斷面流速與斷面流量相關(guān)性的基礎(chǔ)上，提出了利用河道水文、地形觀測數(shù)據(jù)，由生態(tài)流速推求生態(tài)流量的圖解法，求解過程簡單，可為河道生態(tài)流量的擬定提供參考。

1 原理與方法

1.1 計算原理

1.1.1 流量與過水?dāng)嗝婷娣e關(guān)系

根據(jù)水文統(tǒng)計實踐經(jīng)驗，由斷面實測的水位、流量系列，斷面流量與水位關(guān)系可擬合為一條單調(diào)遞增曲線，可表示為

Q=f1(h)

(1)

式中，Q為斷面流量，m3/s；h為水位，m。

河道斷面大多為“V”形或“U”形，過水?dāng)嗝婷娣e與水位與存在一一對應(yīng)關(guān)系。由河道斷面地形測量數(shù)據(jù)，可將過水?dāng)嗝婷娣e與水位關(guān)系擬合為一條單調(diào)遞增線關(guān)系。即

S=f2(h)

(2)

式中，S為過水?dāng)嗝婷娣e，m2。

將式(1)代入式(2)，可得過水?dāng)嗝婷娣e

(3)

由此可知，過水?dāng)嗝婷娣eS與流量Q存在一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。

1.1.2 流量與流速關(guān)系

河道斷面流量與該斷面平均流速、過水?dāng)嗝婷娣e存在如下關(guān)系，即

Q=v·S

(4)

式中，v為斷面平均流速，m/s。

將式(3)代入式(4)，可得流量

(5)

從而可得斷面平均流速

(6)

由式(6)可知，河道斷面平均流速v與流量Q存在一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，由斷面流速推求斷面流量是可行的。

1.2 計算方法

本次提出采用河道橫斷面地形數(shù)據(jù)、水位流量關(guān)系由生態(tài)流速推求生態(tài)流量的圖解法，計算步驟如下：

(1)根據(jù)研究河段水生生物及魚類生態(tài)水力研究成果，選定某時期適宜水生生物及魚類生存或繁殖的河道斷面平均流速，即生態(tài)流速v生態(tài)。

(2)根據(jù)近期實測的河道橫斷面地形數(shù)據(jù)，確定水位h-過水?dāng)嗝婷娣eS關(guān)系曲線；根據(jù)近期觀測的測水位、流量系列，確定水位h-流量Q關(guān)系曲線。

(3)根據(jù)水位h-過水?dāng)嗝婷娣eS關(guān)系曲線、水位h-流量Q關(guān)系曲線，由v=Q/S推求水位h-斷面平均流速v關(guān)系曲線。

(4)對于給定的生態(tài)流速v生態(tài)，由水位h-斷面平均流速v關(guān)系曲線可得相應(yīng)生態(tài)水位h生態(tài)，再由水位h-流量Q關(guān)系曲線，可得生態(tài)流量Q生態(tài)。

2 應(yīng)用實例

西江是珠江流域的主要水系，發(fā)源于云南省曲靖市馬雄山，流經(jīng)云南、貴州、廣西、廣東，止于廣東省三水思賢滘，干流全長1 161 km，多年平均徑流量20 189億m3，孕育著不同類型的魚類達(dá)112種，分布有眾多的產(chǎn)卵場。梧州水文站位于廣西梧州市區(qū)，是西江干流潯江的控制水文站，集水面積32.7萬km2，豐水期為5月～10月。根據(jù)譚細(xì)暢等[15-16]對西江肇慶江段水文節(jié)律與魚苗周年分布的研究，肇慶江段4月～9月是西江大多數(shù)魚類的繁殖期，6月～8月是魚苗的主要生長期。

2.1 生態(tài)流速的選定

廣西水產(chǎn)所專家周解認(rèn)為西江多數(shù)魚類產(chǎn)卵所需流速一般在0.3～1.0 m/s。為了保證魚類產(chǎn)卵繁殖，要求大部分水深的流速能夠滿足，根據(jù)梧州水文站斷面觀測的垂線流速分布數(shù)據(jù)，確定繁殖期4月～9月梧州水文站的斷面平均流速v生態(tài)約為0.66 m/s。

2.2 水位-斷面平均流速關(guān)系推求

根據(jù)近期實測的梧州水文站河道橫斷面地形數(shù)據(jù)(見圖1)，計算不同水位hi(本文水位均采用珠江基面)對應(yīng)的斷面過流面積Si，將水位及相應(yīng)的過水?dāng)嗝婷娣e點繪在圖上，形成水位～過水?dāng)嗝婷娣e曲線Lh-S，見圖2；根據(jù)梧州水文站近期觀測的水位、流量系列，將水位及相應(yīng)的流量點繪在圖上，形成水位～流量關(guān)系曲線Lh-Q(見圖2)。

根據(jù)曲線Lh-S、Lh-Q，可查得同一水位hi下相應(yīng)的過水面積Si、流量Qi，采用公式v=Q/S求得hi相應(yīng)的斷面平均流速vi，將水位hi、斷面平均流速vi點繪在圖上，形成梧州水文站水位～斷面平均流速曲線Lh-v(見圖3)。

圖2 水位-過水面積-流量關(guān)系

圖3 水位-斷面平均流速關(guān)系曲線

2.3 生態(tài)流量查算

由生態(tài)流速v生態(tài)=0.66 m/s，查圖3中的曲線Lh-v可得相應(yīng)生態(tài)水位h生態(tài)=6.51 m；由生態(tài)水位h生態(tài)=6.51 m，查圖2中的曲線Lh-Q可得生態(tài)流量Q生態(tài)=5 036 m3/s。

2.4 成果合理性分析

根據(jù)梧州水文站1956年～2010年水文年徑流系列，可計算該斷面多年平均徑流量為6 720 m3/s。根據(jù)Tennant法，不同河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況對應(yīng)的流量百分比見表1。本次研究的4月～9月基本位于西江年內(nèi)較豐時段，所確定的生態(tài)流量5 036 m3/s與多年年均徑流百分比為74.9%，對應(yīng)Tennant法河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況“最佳”水平。根據(jù)朱遠(yuǎn)生等[11]研究成果，梧州水文站斷面生態(tài)敏感期4月～9月適宜生態(tài)流量為5 213 m3/s；根據(jù)馬興華等[17]研究成果，西江肇慶江段大部分魚類生長繁衍期間(6月～8月)推薦的生態(tài)流量為5 213m3/s。本次計算的梧州水文站斷面4月～9月生態(tài)流量5 036 m3/s與已有成果相接近。由此可知，本次基于生態(tài)流速由河道橫斷面地形數(shù)據(jù)、水位流量關(guān)系推求的生態(tài)流量，與Tennant法河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況評級相符，與已有研究成果接近，結(jié)果是合理的。

表1 不同河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況對應(yīng)的流量百分比 %

3 結(jié) 論

(1)河道斷面流量為河道斷面平均流速與斷面面積之積。經(jīng)推導(dǎo)，當(dāng)河道斷面水位-流量為單調(diào)遞增關(guān)系時，由于水位-過水?dāng)嗝婷娣e為單調(diào)遞增關(guān)系，此時河道斷面流速與斷面流量為一一對應(yīng)關(guān)系，由河道斷面流速推求斷面流量是可行的。

(2)從適宜生物生存的水力生境參數(shù)角度，當(dāng)已知曉適合生物生存、繁殖的斷面平均流速(即生態(tài)流速)時，提出由河道橫斷面地形數(shù)據(jù)、水位流量關(guān)系推求生態(tài)流量的圖解法，推求過程以查圖為主，無需進(jìn)行復(fù)雜的函數(shù)擬合，計算較為簡便，在具有水文觀測站點的河段可操作性強(qiáng)。