汪青遼，郝紅升，李 永

(中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 650065)

0 引言

近年來隨著水資源利用程度不斷提高，水利工程建設(shè)改變了河流水文情勢及水流形態(tài)[1]，造成嚴重的生態(tài)環(huán)境影響。因此，在提高水資源利用效益的同時，應(yīng)有效保護河流生態(tài)環(huán)境質(zhì)量免遭毀滅性破壞。

河流生態(tài)需水的概念最早在20世紀40年代由美國漁業(yè)與野生生物保護組織提出。生態(tài)流量指為維持河流的健康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[2]。現(xiàn)階段人們普遍認為，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)流量的計算對于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[3]。

目前國內(nèi)常采用的是水文學(xué)法、水力學(xué)法、生境(棲息地)模擬法，其中屬水文學(xué)法、水力學(xué)法計算較為簡單也最為使用廣泛。水文學(xué)法是以歷史流量為基礎(chǔ)，根據(jù)簡單的水文指標(biāo)確定河道生態(tài)環(huán)境需水；水力學(xué)法是以棲息地保護類型的水力學(xué)參數(shù)標(biāo)準設(shè)定的模型：這兩種方法適用性強。而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行生態(tài)流量計算[4]，其計算所需的資料多且計算繁瑣。根據(jù)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《HJ2.3-2018環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 地表水環(huán)境》要求，生態(tài)流量至少采用上述兩種方法計算。本文選擇國內(nèi)廣泛使用的Q90(水文學(xué)法)和R2-Cross法(水力學(xué)法)兩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

云南省麻栗壩大型灌區(qū)是全國172項重大水利項目之一。工程開發(fā)任務(wù)為農(nóng)業(yè)灌溉、城鄉(xiāng)供水。設(shè)計灌區(qū)面積2.34萬hm2，供水人口18.57萬人。灌區(qū)主要從已建的麻栗壩水庫引水，運行期將新增從水庫年引水總量13151.0萬m3。位于南宛河上的麻栗壩水庫建于2009年12月，水庫正常蓄水位994.7m，總庫容10792.0萬m3，水庫為不完全年調(diào)節(jié)水庫。

本文選取麻栗壩水庫下游至出國境的36.9km南宛河河段，研究河道內(nèi)水生生物對河流流量的需求。水庫壩址處多年平均年徑流量3.63億m3，多年平均流量11.1m3/s。徑流年內(nèi)分配不均，汛期6—11月占年徑流量的81%。研究河道平均坡降17.8‰，河道糙率0.035。

麻栗壩灌區(qū)工程從麻栗壩水庫引水后，勢必會引起大壩下游流量的減少及其過程的變化，導(dǎo)致下游魚類棲息地面積減少，影響魚類的生存繁殖。本文采用Q90(水文學(xué)法)和R2-Cross法(水力學(xué)法)計算天然狀態(tài)下麻栗壩水庫下游河道的生態(tài)流量，為工程建成引水后維持大壩下游南宛河水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定而需下泄的流量值提供參考。

1.2 生態(tài)保護目標(biāo)

根據(jù)水生調(diào)查成果，在南宛河流域內(nèi)共有魚類30種，屬11科24屬，常見的種類有鯉科的鯉魚、鯽魚，鰍科的鱗頭角似鱗頭鰍等。在區(qū)系組成上，土著魚類14種，占比為46.7%，其余為外來物種。小眼小波魚、珍珠魚丹、半線魚丹等14種土著魚類均為小型魚類，一般體長最多為6cm，體重2～3g，個體小且種群數(shù)量不多。南宛河干流中無產(chǎn)卵場，部分支流中有分散的小型魚類產(chǎn)卵場。因此，南宛河生態(tài)需水保護目標(biāo)確定為：維持干流小型土著魚類生存繁衍的一般生境。

2 Q90法研究方法及結(jié)果

根據(jù)水利部發(fā)布的《SL/Z712-2014河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》，Q90法是根據(jù)麻栗壩壩址斷面長系列53年的逐月流量，選取每一年最小月流量值進行排頻，選取90%保證率下的長系列年最枯月流量作為最小生態(tài)流量值，為1.20m3/s。

表1 南宛河干流生態(tài)流量計算表(Q90法)

3 R2-Cross研究方法與結(jié)果分析

R2-Cross法采用河流寬度、平均水深、平均流速及濕周率指標(biāo)來評估河流棲息地保護水平[5]，從而確定河流最小生態(tài)流量。其中，濕周率指某一過水?dāng)嗝嬖谀骋涣髁繒r的濕周占多年平均流量滿濕周的百分比。

R2-Cross法計算過程主要分三步：首先針對南宛河干流的河寬和目標(biāo)魚類體長特點，提出了一種適合的確定南宛河流域生態(tài)流量的水力參數(shù)標(biāo)準，用于設(shè)定河道魚類棲息地的保護標(biāo)準，這些參數(shù)包括：水面寬度、平均水深、濕周率和平均流速；其次是采用基于水流特征的弗勞德數(shù)法和基于河床地形學(xué)特征的深泓線線性回歸法兩種方法來分析實測斷面的類型，從眾多斷面中篩選出淺灘斷面，計算只分析淺灘斷面，這是因為在河流中淺灘通常是魚類和大型無脊椎動物豐富的區(qū)域，而且也是生物棲息地的臨界位置；最后結(jié)合美國陸軍工程兵團HEC-RAS軟件，通過試算不同流量下的淺灘斷面水力參數(shù)，直至所有斷面的參數(shù)滿足保護標(biāo)準，該流量即為最小生態(tài)流量。

3.1 R2-Cross計算標(biāo)準

麻栗壩水庫壩下南宛河干流河段平均河寬約為15m，考慮主要保護魚類體長<6cm，在計算生態(tài)流量時，以保護魚類體長的2倍為水深下限，確定R2-Cross法的評價標(biāo)準如表2所示。

表2 R2-Cross法確定南宛河干流最小生態(tài)流量的水力參數(shù)標(biāo)準

3.2 淺灘斷面的判別方法及結(jié)果

在河流中，淺灘通常是魚類豐富的區(qū)域，而且也是生物棲息地的臨界位置。當(dāng)河流流量較少時，淺灘首先被顯露，故淺灘斷面的河寬、水深和流速對于流量的變化最為敏感。因此，在采用R2-Cross法計算生態(tài)流量時，斷面的選取一般為單一河道的淺灘斷面。

根據(jù)R2-Cross法的計算要求，通常需要先對河流的生境進行劃分。河流中尺度生境一般劃分為深潭、淺灘兩種類型，河道類型主要受河道地形構(gòu)造和水流大小影響。本研究基于水流特征的弗勞德數(shù)法和基于河床地形學(xué)特征的深泓線線性回歸法來綜合分析實測斷面的類型。麻栗壩水庫下游至出國境的36.9km南宛河河段，根據(jù)地形測量成果，選取其中有代表性的14個斷面進行計算。

(1)深泓線線性回歸法

Richards(1976)提出深泓線線性回歸法進行深潭、淺灘斷面判斷方法，該方法要求沿河道深泓線等間距進行河床高程測量，然后采用線性回歸方程對河床高程點進行擬合。對于較短的河段，可采用一次方程，對于較長的河段，采用二次或三次方程。

根據(jù)擬合結(jié)果，河床實測高程高于擬合曲線的為淺灘，低于擬合曲線的為深潭。本河段共有14個計算大斷面，大多數(shù)斷面間距在2500m左右，采用二次曲線方程擬合曲線方程。一般認為，河床實測高程高于擬合曲線的為淺灘，低于擬合曲線的為深潭。根據(jù)判別，14個大斷面中，5個斷面為淺灘斷面，其他9個斷面為深潭斷面，擬合結(jié)果見圖1。

(2)弗勞德數(shù)法

弗勞德數(shù)(Fr)是反映水流急緩程度的一個重要參數(shù)。本文對各斷面的弗勞德數(shù)采用多年平均流量(Q=11.1m3/s)下的斷面平均水深V和平均水深H進行計算，即，g為重力加速度。壩下各斷面弗勞德數(shù)的分布如圖2所示。各斷面的弗勞德數(shù)在0.21～0.75，平均為0.40。本研究將Fr=0.40作為淺灘斷面和深潭斷面分界線。根據(jù)弗勞德數(shù)法，14個大斷面中有8個為深潭斷面，其余6個斷面為淺灘斷面，見圖2。

由于上述兩種分析方法基于的原則不一致，因此深潭和淺灘識別的結(jié)果也存在一定的差異。在14個斷面中有8個斷面兩種方法判定結(jié)果一致；其余6個斷面，則根據(jù)斷面形狀來綜合判定，一般認為水下斷面比較對稱的為淺灘斷面；斷面不對稱、斷面上各點水深差別較大的為深潭斷面。綜合后，14個斷面中有6個斷面判定為淺灘斷面，其他8個斷面為深潭斷面。

3.3 淺灘斷面的判別方法及結(jié)果

設(shè)定計算工況：流量為1m3/s、1.5m3/s、1.8 m3/s、2.0m3/s，采用美國陸軍工程兵團HEC-RAS軟件對上述判別為淺灘的斷面計算河流寬度、平均水深、平均流速及濕周率4個水力學(xué)參數(shù)，計算結(jié)果見表4。

由表可知，當(dāng)下泄流量為1.8m3/s時，占多年平均流量的15.65%，各個水力學(xué)指標(biāo)均能滿足南宛河干流最小生態(tài)流量的水力參數(shù)標(biāo)準。因此，R2-Cross法確定的南宛河減水河段生態(tài)需水量為1.80m3/s。

表3 麻栗壩水庫下游研究河道斷面類型綜合判別表

表4 R2-Cross法計算結(jié)果統(tǒng)計表

4 結(jié)論

本文采用Q90(水文學(xué)法)和R2-Cross法(水力學(xué)法)兩種方法分別計算了麻栗壩水庫下游至出國境的36.9km南宛河河段生態(tài)流量。采用Q90法推薦的最小生態(tài)需水流量的控制值為1.20m3/s。采用R2-Cross法計算的最小生態(tài)流量值為1.80m3/s。根據(jù)這兩種方法計算結(jié)果并取其中最大值，最終確定研究河道的最小生態(tài)流量為1.80m3/s。