基于径流频率和河道形态的生态流量分析方法

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002)

河道内生态水量确定是水资源开发利用、节约、保护、配置、调度管理的重要基础性工作。保障河道内生态水量是加强水资源开发利用管控、推进河湖生态保护修复和水生态文明建设的基本要求。我国现行的水法、环境保护法、水污染防治法等明确提出了维持江河合理流量的要求。2012年以来，中共中央、国务院相继印发了关于加快推进生态文明建设的意见、关于实行最严格水资源管理制度的意见、水污染防治行动计划等一系列文件，均要求加强河湖生态需水保障[1-2]。

我国自20世纪70年代开始探索河流生态流量，目前针对单一性河道已形成了一些相对成熟的生态水量估算方法[3]，这些方法可以分为水文学法、水力学法、整体分析法和栖息地法等4类。各种计算方法都有各自的适应条件及侧重点，其中水文学和水力学方法相对比较简单、容易操作，但未能全面考虑河流中不同物种各生命阶段对生态流量的需求；整体分析法和栖息地法考虑了水生生物对水深、流速、水温等要素的需求确定生态流量[4]，需要对复杂生态系统进行长期深入的生态观测研究，方法使用起来受制约因素较多。针对南方丰水地区中小河流，本文提出了一种基于枯水径流和河道形态的生态流量分析方法，并在浙江省台州市永安溪流域进行了实例计算。

1 方法的提出

基于径流频率和河道形态的生态流量分析方法利用历史水文资料和河道断面资料，在径流频率分析[5]和河道水力参数[6]计算的基础上综合分析确定河道生态流量，该方法分析计算步骤如下。

(1) 选取控制断面。所选取的断面能基本控制所研究河流的水量，同时应有10 a以上可利用的观测资料，如水位、流量、大断面等。

(2) 径流频率分析。根据控制断面长系列流量观测资料开展径流频率分析。径流频率分析针对不同水期进行，水期划分根据河流水文特性和水生生物需水特性等综合确定。径流频率分析控制时段一般可以采用日、月、旬，应根据控制断面径流特性合理选定频率分析的控制时段。

(3) 水力学参数分析。根据控制断面实测大断面、水力坡降、糙率等资料计算相关水力学参数，包括不同水位下的水面宽、过水断面面积、平均水深、最大水深、湿周、水力半径、流量、流速等，绘制流量与水深、流速等的关系曲线。控制断面水力学参数计算采用明渠均匀流公式，即

式中,Q为流量，m3/s；A为过水断面面积，m2；R为水力半径，J为水力坡度，m；C为谢才系数，m1/2/s；n为糙率。

(4) 生态流量确定。首先选取不同频率枯水径流，由第三步计算成果确定其相应的水深、流速等；然后选取控制断面生态水深、生态流速，经综合分析，最终确定控制断面适宜的生态流量。生态流速是指维持河道基本生态功能所需的水流速度，生态水深是指为了维持河道基本生态功能所需的最低水深，这些均与河流生物群落的生物构成有关，一般应根据关键性水生生物保护目标确定[7-8]。

该方法集成了水文学和生态水力学两种方法的优点，所计算的生态流量既具有一定保证率概念，也兼顾考虑了河段水力生境需求，虽然仍不能全面反映水生生物全生命周期内对生态流量的需求，但相对于栖息地法和整体分析法等，基于径流频率和河道形态的生态流量分析方法能够克服生态资料积累不足、现场观测耗时长且误差大的缺点，在现状资料条件下具有较强的可操作性。

2 实例分析

永安溪位于浙江省台州市境内，属山区性河流，流域面积2 704 km2，河长144 km，河道坡降5.6‰。流域内植被条件较好，径流量相对丰富且人类活动对径流量的影响总体较小，但存在径流量年际年内变化大的特点。以永安溪流域为例，基于枯水径流频率和河道形态分析确定该河适宜的生态流量。

2.1 控制断面选取

永安溪干流下游段设柏枝岙水文站，该水文站控制集水面积2 475 km2，占永安溪流域面积的91.5%。该站有水位、流量和大断面观测资料，资料年限长达57 a。因此，本次选取柏枝岙水文站为永安溪流域生态流量分析的控制断面。

2.2 径流频率分析

永安溪流域全年分为3个雨季，即春雨(3～4月)、梅雨(5～7月初)和台风雨(7～10月中旬)，其中春雨降水强度较弱，梅雨和台风雨是全年的主要雨季。根据柏枝岙水文站1961～2017年的逐日径流资料，该站多年平均流量为70.8 m3/s，径流年内分布情况见表1。从表1可以看出，3～9月水量相对丰沛，其中6月份径流量为年内峰值；1～2月和10～12月水量相对较少。另外，永安溪河段没有珍稀动植物物种，主要生物为鱼类，其产卵育幼期一般在每年的4～9月。因此，将永安溪流域生态需水划分为两个时期，即4～9月(产卵育幼期)和10月至次年3月(一般用水期)。

表1 永安溪柏枝岙水文站径流年内分布Tab.1 Annual runoff distribution of Baizhiao Station in Yong’an River m3/s

根据永安溪柏枝岙水文站实测流量资料，分两个时期进行径流频率分析，每个时期的分析时段均采用日、月、旬，计算成果见表2。从表2可以看出，同一频率下不同时段的径流量差别较大，特别是在4～9月，月时段各频率径流量相当于日时段的2倍，旬时段各频率径流量介于日时段与月时段之间，与日时段径流量较为接近，特别是在10月至次年3月，旬时段各频率径流量仅高出日时段10%。综合来看，选择旬时段径流量作为流域生态流量分析的控制时段，80%保证率(约为5 a一遇)情况下，永安溪柏枝岙水文站4～9月(产卵育幼期)的枯水流量为21.4m3/s，10月至次年3月(一般用水期)的枯水流量为7.1m3/s。

表2 永安溪柏枝岙水文站径流频率分析成果Tab.2 Analysis results of runoff frequency of Baizhiao Station in Yong’an River

2.3 断面水力学参数计算

柏枝岙断面属于宽浅型，河道断面相对稳定，断面底高程8.3 m，河面宽约240 m、其中主河槽宽约100 m，所在河段坡降为1.2‰。永安溪柏枝岙水文站2017年的4次大断面如图1所示。

利用柏枝岙实测断面资料、糙率和水力坡降等计算出河道过水断面的相关水力学参数，然后绘制流量与断面平均水深、流速等的关系曲线，见图2。流量与断面平均水深、流速的相关关系采用幂函数进行拟合，拟合效果较好，相关系数均达到0.986。

2.4 生态流量确定

鱼类是永安溪流域关键性水生生物保护目标。基于文献以及相关调查，永安溪流域主要鱼类有青鱼、草鱼、鳙鱼、鲢鱼等，鱼类产卵育幼期一般在每年的4～9月，鱼类的感觉流速为0.2 m/s，喜欢流速范围为0.3～0.8 m/s，极限流速为1.1 m/s。另外，参考有关研究成果，适应于鱼类生存水深宜不低于鱼类体长的3倍，青鱼等鱼类体长一般20～30 cm，据此可估计相应的适宜水深不低于0.6 m。考虑到鱼类在一般用水期对水深和流速的要求较低，因此在10月至次年3月的一般用水期生态流速取鱼类感觉流速0.2 m/s，生态水深取0.3 m。永安溪流域适宜鱼类生产的生态流速和生态水深取值见表3。

图1 永安溪柏枝岙水文站实测大断面Fig.1 Section of Baizhiao Station in Yongan River

图2 永安溪柏枝岙断面流量与平均水深、流速关系Fig.2 Relationship between discharge and average water depth and velocity of Baizhiao Station in Yongan River

不同频率下枯水流量相应的流速和水深，见表4。再根据表3确定的不同水期生态水深和生态流速范围，永安溪流域柏枝岙断面生态流量以断面平均水深为主要控制条件，具体如下。

4～9月(产卵育幼期)：以断面平均水深为控制条件，生态流量取值为柏枝岙断面4～9月80%保证率(约为5 a一遇)的旬平均流量21.4 m3/s，相应断面平均水深0.60 m，平均流速约为0.7 m/s。

表3 永安溪流域生态流速和生态水深取值Tab.3 Ecological velocity and ecological water depth of Baizhiao Station in Yongan River

表4 永安溪柏枝岙水文站枯水径流及相应河道水力学参数Tab.4 Flow runoff in dry season and corresponding hydraulic parameters of Baizhiao Station in Yongan River

10月至次年3月(一般用水期)：以断面平均水深为控制条件，生态流量取值为柏枝岙断面10月至次年3月80%保证率(约为5 a一遇)的旬平均流量7.1 m3/s，相应断面平均水深0.33 m，平均流速约为0.5 m/s。

2.5 合理性分析

柏枝岙水文站年平均流量为70.8 m3/s，其中4～9月(产卵育幼期)平均流量为103.6 m3/s，10月至次年3月(一般用水期)平均流量为38.7 m3/s。按照Tennant法估算柏枝岙断面适宜生态流量,4～9月(产卵育幼期)为7.1～28.3 m3/s，10月至次年3月(一般用水期)为7.1～21.2 m3/s。推荐的永安溪流域柏枝岙断面4～9月(鱼类产卵育幼期)生态流量为21.4 m3/s，分别占其年平均流量与相应水期平均流量的30.2%，20.7%；推荐的永安溪流域柏枝岙断面10月至次年3月(一般用水期)生态流量为7.1 m3/s，分别占其年平均流量与相应水期平均流量的10.0%,18.3%。通过与柏枝岙水文站特征径流量Tennant法计算成果的对比分析，认为本次推荐的生态流量方案是合理的。

3 结 语

本文提出了一种基于径流频率和河道形态的生态流量分析方法，并在浙江省台州市永安溪流域进行了验证计算。该方法推荐的永安溪流域生态流量4～9月(鱼类产卵育幼期)为21.4 m3/s、10月至次年3月(一般用水期)为7.1 m3/s，经与柏枝岙水文站特征径流量、Tennant法计算成果的对比分析，认为该方法计算的生态流量是合理的。基于径流频率和河道形态的生态流量分析方法计算的生态流量既具有一定保证率概念，也兼顾考虑了河段水力生境需求，在生态资料积累不足、现场观测少的情况下具有较强的可操作性。