汪青遼，劉 媛，郝紅升，黃 偉

(1.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

近年來，隨著水資源開發(fā)程度不斷升高，水利工程建設(shè)改變了河流水文情勢及水流形態(tài)[1]，造成了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境影響。在水資源開發(fā)過程中，若缺乏正確的生態(tài)價值觀指導(dǎo)，河流生物棲息環(huán)境將遭受破壞。因此，在提高水資源利用效益的同時，如何保護(hù)河流生態(tài)環(huán)境已成為迫切需要研究的課題[2]。河流生態(tài)需水的概念最早于20世紀(jì)40年代由美國漁業(yè)與野生生物保護(hù)組織提出。生態(tài)環(huán)境流量指為維持河流的健康及功能所需的流量及其水文過程，全年范圍內(nèi)其數(shù)值是動態(tài)變化的[3]。現(xiàn)階段人們普遍認(rèn)為，為河道預(yù)留足夠的流量滿足生態(tài)環(huán)境的用水需求，是保護(hù)河流生態(tài)穩(wěn)定的有效途徑，合理估算河流生態(tài)流量是十分必要的。生態(tài)流量計算對流域水資源的合理開發(fā)、配置以及維持河流生態(tài)系統(tǒng)的健康具有重要意義，其計算結(jié)果可為制訂河流生態(tài)調(diào)度方案提供理論依據(jù)[4]。目前，全球有200多種生態(tài)流量計算方法，可歸為4類：水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地模擬法和整體法，每類方法都各有優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍[4]。目前，國內(nèi)常采用的是水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地模擬法。其中，水文學(xué)法、水力學(xué)法是分別根據(jù)水文指標(biāo)、水力學(xué)參數(shù)確定生態(tài)需水量，棲息地模擬法是基于河道內(nèi)目標(biāo)水生生物的流量需求進(jìn)行生態(tài)流量計算[5]。根據(jù)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的HJ 2.3—2018《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 地表水環(huán)境》的要求，生態(tài)流量至少采用上述的2種方法計算。本文采用流量歷時曲線法(水文學(xué)法)和棲息地模擬法2種方法分別計算生態(tài)流量并取其中最大值。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)概況

云南省滇中地區(qū)是長江流域三大干旱區(qū)之一，其水資源量僅占全省的12%。資源性缺水與工程性缺水并存，已成為制約地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的瓶頸[6]。長江流域、金沙江流域綜合規(guī)劃均明確向滇中地區(qū)供水是金沙江干流綜合利用任務(wù)之一。滇中引水工程從云南麗江市石鼓鎮(zhèn)金沙江中游干流右岸無壩取水，向昆明、大理、楚雄等6個市(州)35個縣(市、區(qū))供水，規(guī)劃水平年2040年多年平均年引水量34.03億m3。工程開發(fā)任務(wù)為解決滇中地區(qū)的城鎮(zhèn)生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水。水源工程采用一級地下泵站從金沙江石鼓河段大同取水口引提水，設(shè)計引水流量135 m3/s。輸水干渠總長661.06 km，包括隧洞、渡槽等270座建筑物。項(xiàng)目批復(fù)的初設(shè)總投資825.76億元。

本文選取擬建大同取水口下游至虎跳峽前的43.5 km金沙江河段來研究河道內(nèi)水生生物對河流流量的需求。取水口斷面的金沙江多年平均徑流量為432億m3，多年平均流量為1 370 m3/s。徑流年內(nèi)分配不均勻，汛期6月～10月占年徑流量的74.6%。研究河道平均坡降為0.148%，綜合糙率采用0.022。滇中引水工程從金沙江大同取水口引水后，勢必會引起下游流量減少和流量過程的變化，導(dǎo)致魚類棲息地萎縮及棲息地質(zhì)量下降，影響水生生物的生存繁殖和造成資源量的降低。本文采用水文學(xué)法和棲息地模擬法計算天然狀態(tài)下研究河道內(nèi)目標(biāo)魚類長絲裂腹魚適宜的生態(tài)流量，為工程建成引水后維持取水口下游金沙江河道內(nèi)水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定而需下泄的流量值提供參考。

1.2 生態(tài)保護(hù)目標(biāo)

根據(jù)水生調(diào)查成果，大同取水口下游至虎跳峽前43.5 km的金沙江研究河道分布有長絲裂腹魚、四川裂腹魚、鱸鯉等16種土著魚類。其中長絲裂腹魚(SchizothoraxdolichonemaHerzenstein)被列入《四川省新增重點(diǎn)保護(hù)野生動物名錄》，在《中國物種紅色名錄》中長絲裂腹魚為瀕危(EN)。據(jù)漁獲物及資料統(tǒng)計，長絲裂腹魚約占區(qū)域魚類資源總量的45%。綜合考慮魚類的組成和保護(hù)需求，選取長絲裂腹魚為保護(hù)目標(biāo)魚類。長絲裂腹魚為冷水性的底層魚類，喜棲息于水質(zhì)清澈的深水處，多食生藻類，以硅藻為主，間食少量綠藻和水生昆蟲。

根據(jù)調(diào)查，研究河段適宜魚類產(chǎn)卵的水域分布廣泛，大多規(guī)模小而分散，無大規(guī)模集中固定的產(chǎn)卵場分布。選取長絲裂腹魚分布相對較多的冷水灘作為研究河段的代表斷面。冷水灘產(chǎn)卵場位于取水口下游8.2 km，河床左右側(cè)灘地裸露，底質(zhì)為礫石。

根據(jù)研究結(jié)果[7]，裂腹魚在水溫達(dá)到15.6 ℃時開始產(chǎn)卵。按照石鼓斷面多年平均水溫推斷，長絲裂腹魚產(chǎn)卵繁殖時期在4月下旬至6月下旬。結(jié)合目前國內(nèi)相關(guān)長絲裂腹魚生態(tài)習(xí)性、繁殖習(xí)性、游泳能力研究試驗(yàn)成果，確定長絲裂腹魚產(chǎn)卵繁殖適宜的水深為0.15～1.5 m，其中最適宜水深為0.2～0.8 m；適宜的流速為0.07～1.5 m/s，其中最適宜流速為0.2～0.8 m/s。生境適宜性指數(shù)通常用于量化物種對棲息地的適宜程度，取值范圍為0～1。其中，0表示完全不適宜，1表示完全適宜，值越大則表示適應(yīng)性越好。長絲裂腹魚產(chǎn)卵繁殖期對水深、流速的適宜度曲線見圖1。

圖1 目標(biāo)魚類在產(chǎn)卵繁殖季節(jié)流速、水深與適宜性指數(shù)關(guān)系

2 流量歷史曲線法研究方法及結(jié)果

2.1 流量歷時曲線法研究方法

流量歷時曲線法是利用歷史流量資料構(gòu)建各月的流量歷時曲線，將某個累積頻率相應(yīng)的流量Qp作為生態(tài)流量。根據(jù)水利部發(fā)布的SL/Z 712—2014《河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》，Qp的頻率P可取90%或95%，這種方法一般需要30年以上的月流量序列。Q90為通常使用的枯水流量指數(shù)，是水生棲息地的最小流量，為警告水資源管理者的危險流量條件的臨界值。Q95為通常使用的低流量指數(shù)或者極端低流量條件指標(biāo)，為保護(hù)河流的最小流量。

大同取水口上游約500 m設(shè)有金沙江石鼓水文站，水文站與取水口之間無支流匯入；故，大同取水口斷面可采用石鼓水文站的水文觀測資料。

本文采用目估適線法對石鼓水文站1953年1月～2011年12月共59年的逐月流量資料進(jìn)行適線，選用P—Ⅲ型頻率分布曲線，頻率曲線擬合度較好，擬合度值達(dá)0.95以上。

2.2 流量歷史曲線法研究結(jié)果分析

根據(jù)上述長系列月流量P—Ⅲ型頻率分布曲線的分析結(jié)果見表1。由表1可見，P=90%的月均枯水流量為300.02 m3/s。

表1 石鼓水文站月均流量頻率計算成果

根據(jù)研究河段多年月均流量特征，結(jié)合長江流域綜合規(guī)劃關(guān)于生態(tài)流量要求，推薦P=90%的流量作為最小生態(tài)流量的控制值，即300.02 m3/s。

3 棲息地模擬法研究方法與結(jié)果分析

3.1 棲息地模擬法研究方法

棲息地模擬法主要由兩部分組成：一是水動力模型，用來模擬不同流量下河道內(nèi)的水深和流速分布；二是棲息地模型，結(jié)合某一特定生命階段時目標(biāo)物種對水深、流速的偏好程度，將水力學(xué)因素轉(zhuǎn)化為棲息地適宜度評價指標(biāo)。

3.1.1二維水動力模型

研究區(qū)域?yàn)榇笸∷谙掠沃粱⑻鴯{前的43.5 km金沙江河道，多年平均流量為1 370 m3/s。河段平均河寬約341 m，平均水深約3.75 m。由于河段在垂直方向上的尺度遠(yuǎn)小于水平尺度，所以適宜用平面二維淺水方程來描述區(qū)間水流的運(yùn)動。本文選用MIKE21 Flow Model對研究河道的水動力場進(jìn)行數(shù)值模擬，據(jù)此得到不同流量下的河道流場分布。

模型選擇采用非結(jié)構(gòu)化的三角形網(wǎng)格，計算區(qū)域內(nèi)三角形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)共有1 652個，三角形單元有2 408個，時間步長為60 s。三角形網(wǎng)格可以較為準(zhǔn)確地體現(xiàn)出研究河段的實(shí)際地形特征。上下游斷面均采用流量邊界條件，其他為陸地邊界，上游斷面流量采用石鼓水文站的實(shí)測流量數(shù)據(jù)，下游斷面流量采用虎跳峽前控制斷面的流量數(shù)據(jù)及控制面積的比例來推算。

研究河段的河床底質(zhì)較為均一，所以整個研究范圍的流場可選用相同的糙率。以石鼓水文站實(shí)測水文數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過選取不同的河床糙率n，對比不同斷面的實(shí)測值和模擬結(jié)果，對模型參數(shù)進(jìn)行率定。經(jīng)調(diào)試與分析，大同取水口至虎跳峽前的金沙江研究河道綜合糙率采用0.022，模型模擬出的流量和水位相對誤差均在0.01%之內(nèi)，模擬結(jié)果可靠度高。

3.1.2棲息地模型

棲息地模擬：首先，結(jié)合目標(biāo)魚類根據(jù)各微生境因子的適宜性曲線得到每個單元各影響因子適宜性值；然后，將其組合得到每個單元的組合適宜性值；最后，計算研究河段的加權(quán)可利用面積WUA(Weighted Usable Area)。即

(1)

式中，WUA為研究河段加權(quán)可利用面積；CSF(Vi，Ci，Di)為每個單元的組合適宜性值；i為劃分的單元個數(shù)；Vi為流速適宜指數(shù)；Di為水深適宜指數(shù)；Ci為河道底質(zhì)適宜指數(shù)；Ai為每個單元的水平面積。

本文假設(shè)河道底質(zhì)、水深和流速對長絲裂腹魚的影響力相同，采用乘積法計算組合適宜性值

CSFi=Vi×Ci×Di

(2)

由于研究區(qū)域長絲裂腹魚產(chǎn)卵場主要為河漫灘區(qū)，底質(zhì)主要為砂礫石，區(qū)域水流較為簡單，適宜魚類生存，故式(2)中所有單元的Ci=1；所以，這里只考慮流速和水深對棲息地質(zhì)量的影響。

在某一特定流量下，結(jié)合水動力學(xué)模型得到的水深和流速分布和目標(biāo)物種對水動力因子(水深和流速)的適宜度指數(shù)，采用乘積法確定不同網(wǎng)格單元的組合棲息地適宜度指數(shù)，以及得到特定流量下所對應(yīng)的棲息地WUA，綜合不同流量對應(yīng)的WUA，得到WUA—流量曲線，即可分析目標(biāo)物種在不同生長期對河流流量的需求。

3.2 棲息地模擬法研究結(jié)果分析

長絲裂腹魚產(chǎn)卵繁殖期在4月下旬至6月下旬。統(tǒng)計長系列流量資料顯示6月下旬流量最大值為2 598 m3/s，故模擬流量在2 600 m3/s以內(nèi)對應(yīng)的棲息地面積WUA。針對研究河道，首先模擬12個流量工況，分別對應(yīng)多年平均流量1 370 m3/s的5%、10%、15%、20%、30%、40%、60%、80%、100%、130%、160%、190%。利用模型分別計算各個工況對應(yīng)的棲息地面積，得到了不同流量下冷水灘產(chǎn)卵場有效的棲息地面積。

通過模型計算得到的研究河段內(nèi)冷水灘產(chǎn)卵場長絲裂腹魚可利用棲息地面積WUA與不同流量之間的變化關(guān)系見圖2a。由圖2a可知，不同流量下長絲裂腹魚可利用棲息地面積各不相同，但呈先增加后減小的變化趨勢。當(dāng)河道流量在多年平均流量的30%即411 m3/s附近時，長絲裂腹魚可利用棲息地面積會出現(xiàn)拐點(diǎn)最大值。為更加精確尋找最大值，對390～490 m3/s區(qū)間的流量再次增加了9個工況值進(jìn)行了更為詳細(xì)的分析，最終的計算結(jié)果如圖2b所示，發(fā)現(xiàn)WUA出現(xiàn)拐點(diǎn)最大值時流量正好為411 m3/s。結(jié)合長絲裂腹魚產(chǎn)卵繁殖期(4月下旬～6月中旬)，對比冷水灘產(chǎn)卵場同時期的流量過程，綜合分析，推薦長絲裂腹魚適宜的生態(tài)流量為411 m3/s。

圖2 長絲裂腹魚可利用棲息地面積WUA與流量關(guān)系曲線

4 2種方法的結(jié)果討論

根據(jù)上述計算結(jié)果，研究河道采用流量歷時曲線法推薦的最小生態(tài)需水流量的控制值為300.02 m3/s；而采用棲息地模擬法計算的長絲裂腹魚產(chǎn)卵繁殖期4月下旬～6月下旬的生態(tài)流量為411 m3/s，該值高于采用流量歷時曲線法的計算結(jié)果。這是因?yàn)榱髁繗v時曲線法是根據(jù)歷史流量資料給出的河道內(nèi)最小生態(tài)流量，沒有考慮具體物種對流量的需求，因而不能反映魚類棲息地狀況。同時，河道下泄流量即使?jié)M足了最小生態(tài)流量，也會導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)完整性降低和生態(tài)質(zhì)量下降。

棲息地模擬法計算生態(tài)流量考慮到生物的需求，是根據(jù)目標(biāo)魚類最適宜的水文條件模擬得到的，所以更能保證河流生態(tài)系統(tǒng)的健康。當(dāng)研究河道的棲息地面積WUA達(dá)到最大時，表示對應(yīng)的流量最適宜魚類生存。由于產(chǎn)卵繁殖期是魚類最重要的生命階段，對水生生境的要求高。如采用流量歷時曲線法給出的最小生態(tài)流量為300.02 m3/s，對應(yīng)的適宜棲息地面積為最適宜棲息地面積的90.5%，不是目標(biāo)魚類的最佳生境。一般而言，在目標(biāo)魚類產(chǎn)卵繁殖期間，采用棲息地模擬法得出的生態(tài)流量值要比水文學(xué)方法得到的結(jié)果大且更具合理性。

5 結(jié) 論

本文采用流量歷時曲線法(水文學(xué)法)和棲息地模擬法分別計算大同取水口下游至虎跳峽前的43.5 km金沙江河段生態(tài)流量。采用流量歷時曲線法推薦的最小生態(tài)需水流量的控制值為300.02 m3/s。采用棲息地模擬法計算在長絲裂腹魚產(chǎn)卵繁殖期4月下旬～6月下旬，可利用棲息地面積WUA與流量的關(guān)系呈先增加后減小的變化趨勢。通過試算最終確定WUA出現(xiàn)最大值時流量為411 m3/s，該值為目標(biāo)魚類產(chǎn)卵繁殖期最適宜生態(tài)流量。根據(jù)這兩種方法計算結(jié)果并取其中最大值，研究河道的生態(tài)流量最終確定為魚類產(chǎn)卵繁殖期4月下旬～6月下旬為411 m3/s，其余時段為300.02 m3/s。