贛江下游河道適宜生態(tài)需水量計(jì)算

鄢笑宇，吳向東，何力，劉 鑫

（1.江西省水利科學(xué)院，江西南昌，330029；2.撫河水文水資源監(jiān)測中心，江西撫州，344100）

在氣候變化及人類活動(dòng)的影響與作用下，贛江流域水情、工情、河流生態(tài)系統(tǒng)等發(fā)生了很大的變化，流域生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水矛盾日益突出，水資源綜合利用與水生態(tài)環(huán)境保護(hù)面臨的挑戰(zhàn)越來越嚴(yán)峻，水生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求也越來越高，保障主要河段生態(tài)需水已成為政府和社會高度關(guān)注的問題。河流生態(tài)需水是對某一具體河段而言，當(dāng)河道內(nèi)流量過大或者過小時(shí)，河道內(nèi)徑流均不能維持河流主要生物的生存，河流健康遭到破壞，水生態(tài)系統(tǒng)崩潰。

鄒淑珍[1]研究了贛江中游的三座水利樞紐工程對四大家魚的影響；王琲[2]通過研究水位變化對水溫的影響，研究適宜魚類生存的生態(tài)調(diào)度方案，方案中有考慮魚類的生活習(xí)慣，但未給定逐月的生態(tài)需水過程。劉劍宇等[3]研究了水文狀況變異下的外洲斷面生態(tài)需水過程；黃彬彬等[4]通過6 種水文學(xué)方法計(jì)算了贛江下游外洲斷面生態(tài)需水量，但研究中未考慮水生生物的生存需求。

目前生態(tài)需水估算方法基本可以分為：水文指標(biāo)法、水力學(xué)法、整體分析法和棲息地法等4 大類[5]。其中水文指標(biāo)法因其操作簡單，數(shù)據(jù)需求較低，常被應(yīng)用于生態(tài)流量的計(jì)算。為了維持贛江下游河段生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定，本研究采用Tennant 法和生態(tài)流量閾值法兩種水文學(xué)方法分別計(jì)算，得到不同情景下贛江下游的生態(tài)需水過程，并采用基于生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的濕周法（一種水力學(xué)法）進(jìn)行篩選比對，過程中考慮贛江下游主要魚類生活對徑流的需求，確定贛江下游適宜和較適宜的生態(tài)需水過程。

1 研究方法

1.1 Tennant 法

Tennant 法是基于多年的歷史流量資料的一種生態(tài)流量計(jì)算方法，計(jì)算過程簡單、操作十分方便，僅需要監(jiān)測斷面10年以上的歷史流量資料即可，資料獲取較為簡單[6]。根據(jù)Tennant 法，維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康的各月河道內(nèi)生態(tài)需水量如下式所示：

式中：WRij為多年平均條件下第i月在河流棲息地狀況處于j 條件下（j 為最佳、優(yōu)秀、很好、良好、一般或較差、差或最小、極差幾種條件之一）的河流生態(tài)需水值，億m3；ni為第i月的天數(shù)，d；Qi為第i月的多年平均流量，m3/s；Pij為第i月河流棲息地狀況j 時(shí)的需水百分比，%。

基于《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范》中各用水時(shí)段的流量百分比，采用Tennant 法提出河流生態(tài)需水的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[7]見表1，其中年內(nèi)水量較枯時(shí)段采用非汛期時(shí)段（10月～次年3月），年內(nèi)水量較豐時(shí)段采用汛期時(shí)段（4月～9月）。

表1 Tennant 法各評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)推薦的生態(tài)流量值 %

1.2 生態(tài)流量閾值法

2019年，Ma 等[8]提出了生態(tài)流量閾值法，是一種河流水文健康評價(jià)方法，該方法設(shè)置了不同的生態(tài)流量閾值，將流量依次劃分出9 個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間對應(yīng)的河流水文健康等級（H，取值范圍為0～100）的計(jì)算公式如表2。其中，當(dāng)處于80≤H≤100 時(shí)，河流健康程度較好，河流生態(tài)系統(tǒng)處于適宜狀態(tài)；當(dāng)處于40≤H＜80時(shí)，河流健康程度一般，水生生物的生存環(huán)境受到一定程度的干擾，但仍能滿足最低需求；當(dāng)H＜40 時(shí)，河流生態(tài)系統(tǒng)受到干擾嚴(yán)重，水生生物的生活環(huán)境無法得到保障[9]。

表2 河流水文健康等級計(jì)算公式

1.3 基于生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的濕周法

基于生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的濕周法的前提是假設(shè)濕周和生態(tài)保護(hù)目標(biāo)有一定的關(guān)聯(lián)，保證好生態(tài)保護(hù)目標(biāo)生存的濕周，就能滿足生態(tài)保護(hù)目標(biāo)正常生存的要求。濕周法的主要手段就是建立單一穩(wěn)定的濕周-流量關(guān)系，因此受河道斷面形狀影響顯著[10]。假設(shè)河流處于明渠均勻流，則河道的濕周和流量可以借助曼寧公式表示為：

式中：Q 為流量，m3/s；S 為水力坡度；n 為糙率；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；P 為濕周，m。

本研究通過贛江下游水生生物（魚類為主）的產(chǎn)卵期的喜愛流速范圍，推求適宜生態(tài)需水量和較適宜生態(tài)需水量。其中適宜生態(tài)需水量需滿足產(chǎn)卵期全過程的需水，較適宜生態(tài)需水量需滿足產(chǎn)卵期大部分時(shí)段的需水。

2 研究區(qū)域概況

2.1 贛江下游流域概況

贛江在新干縣以下稱為下游。新干至吳城干流長208km，東岸無較大支流匯入，西岸有袁河、錦江匯入。贛江在南昌市以下，繞揚(yáng)子洲分為左右兩股汊道。左股分為西支、北支，右股分為中支、南支，四支又各有分汊注入鄱陽湖。本次河道適宜生態(tài)需水研究以贛江下游的外洲斷面為例進(jìn)行，外洲站大斷面圖見圖1。外洲斷面位于江西省南昌市青山湖區(qū)桃花鎮(zhèn)，東經(jīng)115°50'，北緯28°38'，集水面積80 948km2，是贛江上重要的水系節(jié)點(diǎn)和城市斷面，外洲水文站主要測驗(yàn)項(xiàng)目有水位、流量、泥沙、降水、蒸發(fā)、水溫、水質(zhì)等。

圖1 2019年外洲站大斷面圖

外洲水文站1950-2019年多年平均徑流量2 185.90m3/s，年內(nèi)分配如圖2所示。由圖可知，外洲斷面流量主要集中在4～9月，占全年徑流量的71.88%。

圖2 外洲斷面多年平均流量年內(nèi)分配

2.2 贛江下游生態(tài)保護(hù)目標(biāo)

王朝陽[11]在2017年3月～2018年2月對贛江下游魚類的調(diào)查中得出，贛江下游的優(yōu)勢種分別是鯉占比17.19%、似鳊占比10.81%、銀鲴占比10.20%，其中似鳊是小型魚類。而贛江干流南昌采樣點(diǎn)的優(yōu)勢物種分別為鯉占比最高，為41.39%，經(jīng)濟(jì)效益較高的四大家魚均屬鯉科。四大家魚的繁殖習(xí)性，青魚的繁殖時(shí)段為5～7月，草魚的繁殖時(shí)段為4～7月，其中5月較為集中，鰱魚的繁殖時(shí)段為4月中旬到5月中旬，鳙魚的繁殖時(shí)段為5月上旬到7月初[12]。張杰等[13]在研究三峽工程對四大家魚產(chǎn)卵場影響中，提出四大家魚產(chǎn)卵適宜流速為0.33～0.9m/s，本研究采用此成果作為四大家魚的適宜性指標(biāo)。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 Tennant 法

根據(jù)外洲水文站1950-2019年70年實(shí)測流量資料，采用這70年實(shí)測流量資料的多年平均值，按照第二章節(jié)的生態(tài)流量的占比得到各種評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下的逐月生態(tài)流量，結(jié)果如表3所示，其中，最佳范圍上限、最佳范圍下限、優(yōu)秀、很好、良好、一般或較差、差或最小對應(yīng)的生態(tài)流量年均值分別為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 法外洲斷面各評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下逐月生態(tài)流量 m3/s

3.2 生態(tài)流量閾值法

根據(jù)外洲水文站1950-2019年70 實(shí)測流量資料，按照第二章節(jié)的不同河流健康等級的月生態(tài)流量算法，得到成果如圖3所示，其中，河流健康等級100、80、60、50、40 對應(yīng)的生態(tài)流量年均值分別為2 188.58m3/s、1 617.46m3/s、1 233.35m3/s、1 041.30m3/s、561.16m3/s。

圖3 生態(tài)流量閾值法計(jì)算生態(tài)流量過程

3.3 基于生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的濕周法

根據(jù)李坤等[14]對外洲站的調(diào)查，本研究外洲斷面處河道比降取0.11‰，糙率取0.06。結(jié)合2019年外洲大斷面形態(tài)，計(jì)算得到外洲斷面的流量濕周曲線，如圖4。

圖4 外洲斷面流量濕周曲線

基于流量濕周曲線，查找四大家魚產(chǎn)卵期（4～7月）適宜指標(biāo)對應(yīng)流量范圍為902.96m3/s～12 943.41m3/s。

4 討 論

（1）采用基于四大家魚為生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的濕周法，計(jì)算得到外洲斷面4～7月的最小適宜流量值，如圖4所示。對Tennant 法計(jì)算得到的外洲斷面逐月生態(tài)流量進(jìn)行比對發(fā)現(xiàn)：評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為良好以上的生態(tài)流量過程能夠滿足四大家魚4～7月期間的產(chǎn)卵需求；一般或較差情況下僅7月不能滿足四大家魚的產(chǎn)卵需求水量。

能完全滿足四大家魚產(chǎn)卵期需求水量的生態(tài)流量過程中，最佳范圍的下限值占外洲斷面多年平均流量的60.04%，優(yōu)秀為外洲斷面多年平均流量的54.42%，很好為外洲斷面多年平均流量的44.41%，良好為外洲斷面多年平均流量的34.40%。能滿足3 個(gè)月四大家魚產(chǎn)卵期需求水量的流量過程中，一般或較差情況下的年生態(tài)流量值占多年平均流量的24.39%。Tennant 法計(jì)算得到的適宜生態(tài)流量的年均值為751.43m3/s，較適宜生態(tài)流量的年均值為532.84m3/s。

（2）根據(jù)四大家魚4～7月適宜流速，以濕周法計(jì)算得到的外洲斷面最小適宜流量值為下限，發(fā)現(xiàn)在生態(tài)流量閾值法計(jì)算得到的不同等級的生態(tài)流量過程中，等級為40 時(shí)，四大家魚產(chǎn)卵期中，僅7月河道生態(tài)流量不能滿足產(chǎn)卵需求，年均流量值占外洲斷面多年平均流量的25.64%；當(dāng)?shù)燃壋^50 時(shí)，四大家魚產(chǎn)卵期對水量的需求能夠得到滿足，等級50 的年均流量值占外洲斷面多年平均流量的47.58%。生態(tài)流量閾值法計(jì)算得到的適宜生態(tài)流量的年均值為1 041.30m3/s，較適宜生態(tài)流量的年均值為561.16m3/s。

5 結(jié)論

通過Tennant 法和生態(tài)流量閾值法計(jì)算得出外洲斷面不同情況下的生態(tài)流量過程，并用基于四大家魚為生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的濕周法計(jì)算得到的生態(tài)流量值，對適宜生態(tài)流量過程進(jìn)行篩選和比對，Tennant 法和生態(tài)流量閾值法計(jì)算得到的年均適宜生態(tài)需水量分別為751.43m3/s、1 041.30m3/s，占外洲斷面多年平均徑流的40%左右；年均較適宜生態(tài)需水量為532.84m3/s、561.16 m3/s，占外洲斷面多年平均徑流的25%左右。此計(jì)算成果為贛江下游生態(tài)保障中河道預(yù)留生態(tài)蓄水流量提供一定參考。