孫桂凱，趙榮娜，楊愛(ài)萍，李榮朋，莫崇勛，楊云川

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004；3.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004)

0 引 言

20世紀(jì)50、60年代，國(guó)外掀起了關(guān)于河道流量的研究熱潮。目前，通過(guò)多方合作，共同完善生態(tài)流量保障機(jī)制與立法，以實(shí)現(xiàn)綜合治理。我國(guó)生態(tài)流量起步相對(duì)較晚，早期研究對(duì)象主要為生態(tài)問(wèn)題嚴(yán)重的重點(diǎn)河流；隨著研究方法的成熟，研究?jī)?nèi)容轉(zhuǎn)變?yōu)樯鐣?huì)-生態(tài)耦合，對(duì)象從重點(diǎn)河流的試行到各區(qū)域的逐步應(yīng)用[1]。目前生態(tài)流量的計(jì)算方法主要有水文學(xué)法、生境模擬法、整體法、水力學(xué)法、綜合法等5大類[2]。

20世紀(jì)80年代以來(lái)，邕江由于河流水資源減少、社會(huì)用水增多、水利工程的調(diào)度、保障措施不健全等引起嚴(yán)重的河流生態(tài)問(wèn)題，其健康狀況堪憂。生態(tài)流量可以反映河流的健康狀況，研究廣西邕江的生態(tài)流量，可為構(gòu)建擁有足夠彈性承受外界干擾，滿足生物進(jìn)化和繁衍條件的河流生態(tài)系統(tǒng)提供依據(jù)。由于邕江處于我國(guó)南方地區(qū)，邕江位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，徑流主要是由降雨形成，物種豐富，但水文數(shù)據(jù)和物種資料等收集不齊全。本研究利用河道信息(河道糙率、河道縱比降等)以及河流的魚類資料，采用濕周法和生態(tài)流速-臨界水深法及綜合法考慮生態(tài)流量的計(jì)算。

1 流域概況

邕江屬郁江下游干流段水系，位于廣西南寧市境內(nèi)；河長(zhǎng)約133.8 km，流域面積6 120 km2，正常水位寬300 m至400 m，河床高程53～60 m，邕江河道屬于寬淺型河道。河床主要由沙、砂卵石、砂礫和泥沙等組成，且泥沙主要是中沙。

(1)研究斷面的選取。本研究分析了老口水利樞紐至橫縣(西津水電站)126 km的10個(gè)斷面。斷面資料由河段實(shí)測(cè)1/1 000地形圖剖取，其分布見(jiàn)圖1，研究斷面的基本情況見(jiàn)表1。

表1 研究斷面的基本情況

圖1 邕江研究斷面分布

(2)河道糙率的確定。河段河底多為礫石、卵石，岸壁較緩，高水位會(huì)淹沒(méi)兩岸的灌木叢、農(nóng)田，參照水力學(xué)計(jì)算中的《天然河道糙率表》并結(jié)合1881年、1968年、1985年、1994年、2001年和2012年實(shí)測(cè)洪水水面線，確定糙率取為0.034。

(3)河道縱比降的確定。采用實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算得研究斷面河縱比降為0.000 5。

(4)棲息地狀況判定的方法(Tennant法)。利用生態(tài)流量占枯水期多年平均流量百分比判定水域棲息地狀況，其不同流量百分?jǐn)?shù)的棲息地狀況數(shù)據(jù)[3]見(jiàn)表2。本研究使用枯水期數(shù)據(jù)，故采用10月～次年3月的平均流量百分?jǐn)?shù)。

表2 Tennant法不同流量百分?jǐn)?shù)的棲息地狀況 %

2 計(jì)算方法及結(jié)果

2.1 計(jì)算方法

本文采用的計(jì)算方法如表3所示。

表3 生態(tài)流量的計(jì)算方法

2.2 濕周法

本河段及附近上下游無(wú)實(shí)測(cè)濕周流量關(guān)系點(diǎn)。采用實(shí)測(cè)斷面利用曼寧公式推求研究斷面濕周流量關(guān)系曲線，部分?jǐn)嗝娴臐裰?流量擬合曲線見(jiàn)圖2。濕周法計(jì)算得生態(tài)流量見(jiàn)表4。

圖2 部分?jǐn)嗝娴臐裰?流量擬合曲線

由表4知邕江研究河段生態(tài)流量范圍為18.51～44.70 m3/s，生態(tài)流量占枯水期多年平均流量百分比范圍為9.18%～22.35%。斷面2和斷面10生態(tài)流量占枯水期多年平均流量百分比小于10%，由Tennant法知棲息地狀況嚴(yán)重退化；斷面5生態(tài)流量占枯水期多年平均流量百分比大于20%，由Tennant法知棲息地狀況好；另外7個(gè)斷面在10%～20%范圍內(nèi)，由Tennant法知河道棲息地狀況一般。

表4 研究斷面擬合函數(shù)和濕周法計(jì)算所得的生態(tài)流量

2.3 生態(tài)流速-臨界水深法

2.3.1 河道模型的假設(shè)

劉昌明通過(guò)對(duì) 80多個(gè)流域的調(diào)查，認(rèn)為天然河道過(guò)水?dāng)嗝婊境蕭佄锞€形[5]。廣西南寧市邕江河段研究斷面的拋物線擬合函數(shù)見(jiàn)表5。

表5 研究斷面的拋物線擬合函數(shù)

2.3.2 河道拋物線擬合

將拋物線y=ax2+bx+c對(duì)稱中心處移到坐標(biāo)原點(diǎn)得y=ax2，h為水深，b為水面寬，拋物線形斷面示意見(jiàn)圖3。積分得

圖3 拋物線形斷面

(1)

式中，A為斷面面積；X為斷面濕周。

(1)生態(tài)水深的確定。四大家魚對(duì)生存環(huán)境要求較高，但目前在邕江水系衰退比較嚴(yán)重，對(duì)生態(tài)流量計(jì)算參考價(jià)值較大，本研究取為指示物。據(jù)調(diào)查，得斷面1至斷面6魚長(zhǎng)均值為80～100 mm；斷面7至斷面10魚長(zhǎng)均值為80～103 mm。取魚類體長(zhǎng)均值作為確定生態(tài)水深的基礎(chǔ)因子，生態(tài)水深取魚類體長(zhǎng)均值的3倍，得斷面1至斷面6的生態(tài)水深為0.24～0.30 m，斷面7至斷面10的生態(tài)水深為0.24～0.31 m。

(2)生態(tài)流速的確定。在河流中藻類和無(wú)脊椎動(dòng)物對(duì)水的需求明顯小于魚類，且魚類對(duì)環(huán)境變化比較敏感。黃顙魚廣布于中國(guó)東部各太平洋水系，是廣西邕江河流的特色野生魚，近年由于人們對(duì)野生魚的食用需求，導(dǎo)致其數(shù)量銳減，故取黃顙魚作為敏感對(duì)象，黃顙魚(Pelteobagrusfulvidraco)為鲿科，屬魚類。體長(zhǎng)約20 cm，腹面平直，體后半部側(cè)扁，尾柄較細(xì)長(zhǎng)。雜食，主食底棲小動(dòng)物、小蝦、水生小昆蟲和一些無(wú)脊椎動(dòng)物等。本研究選取黃顙魚產(chǎn)卵需要的刺激流速0.7～0.8 m/s作為生態(tài)流速。生態(tài)流速-臨界水深法計(jì)算的生態(tài)流量見(jiàn)表6。

由表6可知，邕江研究河段生態(tài)流量范圍為25.31～91.74 m3/s，生態(tài)流量占枯水期多年平均流量百分比范圍為12.66%～43.69%。斷面1和斷面2、斷面4、斷面10生態(tài)流量占枯水期多年平均流量百分比在10%～20%，由Tennant法知棲息地狀況一般；斷面8和斷面9生態(tài)流量占枯水期多年平均流量百分比大于40%，由Tennant法知棲息地狀況極好；另外4個(gè)斷面都大于20%～30%，由Tennant法知河道棲息地狀況很好。

表6 生態(tài)流速-臨界水深法計(jì)算的生態(tài)流量

2.4 綜合法

(1)平均生態(tài)流速的確定。由濕周法得到10個(gè)斷面的平均水深約1.86 m。計(jì)算公式[6]

Vm=βh00.64

(2)

式中，β=0.54～0.57，得到不淤流速約為0.89 m/s。由于粘土河道的不沖流速約為0.75～1 m/s，因而平均生態(tài)流速約0.9 m/s。

(2)平均生態(tài)水深的確定。由生態(tài)流速-臨界水深法得平均水深的范圍約0.24～0.31 m。

(3)平均生態(tài)濕周率的確定。邕江河道較寬，取10個(gè)斷面濕周的50%流量作為生態(tài)流量。綜合法計(jì)算所得生態(tài)流量見(jiàn)表7。

表7 綜合法計(jì)算所得生態(tài)流量

由表7知，邕江研究河段生態(tài)流量范圍為21.60～77.56 m3/s，生態(tài)流量占枯水期多年平均流量百分比范圍為10.27%～36.93%。斷面3和斷面5生態(tài)流量占枯水期多年平均流量百分比在20%～30%之間，由Tennant法知棲息地狀況好；斷面8和斷面9生態(tài)流量占枯水期多年平均流量百分比大于30%，由Tennant法知棲息地狀況很好；另外6個(gè)斷面都大于10%～20%，由Tennant法知河道棲息地狀況一般。

3 結(jié)論分析

(1)本研究基于Tennant法用三種方法從不同角度計(jì)算生態(tài)流量，并判斷河流研究斷面棲息地狀況，從而達(dá)到了解邕江河段生態(tài)狀況的目的，為保護(hù)河流環(huán)境提供科學(xué)的參考。

(2)濕周法和生態(tài)流速-臨界水深法從河道水力要素和魚類棲息地健康狀況考慮，綜合法結(jié)合前兩種方法。濕周法計(jì)算結(jié)果得棲息地狀況較差的是斷面2和斷面10；生態(tài)流速臨界水深法計(jì)算結(jié)果得棲息地狀況較差的是斷面4和斷面10；綜合法計(jì)算結(jié)果得棲息地狀況較差的是斷面4和斷面10。綜合可以得，斷面2、斷面4和斷面10生態(tài)狀況比較差，需要重點(diǎn)保護(hù)。

(3)綜合法計(jì)算得廣西南寧市邕江河段生態(tài)流量為20.54～77.56 m3/s，比邕江P=90%的日平均流量240 m3/s扣除供水22.9 m3/s和內(nèi)河補(bǔ)水20 m3/s后剩下的217.1 m3/s流量小，滿足生態(tài)流量需求。

(4)由于生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的限制等因素，生態(tài)流量的計(jì)算結(jié)果往往是一個(gè)初步的結(jié)論，需要在調(diào)度過(guò)程中不斷動(dòng)態(tài)調(diào)整予以修正。