漳河水库上游干流河道适宜生态环境流量研究

李莎莎，刘志强，陈崇德

(湖北省漳河工程管理局，湖北 荆门 448156)

漳河是长江中游北岸一级支流沮漳河的东支，发源于湖北省南漳县荆山南麗之三景庄，流经保康县、远安县、东宝、于当阳市两河口与西支沮河汇合后称沮漳河，再流经枝江市、于荆州市临江寺汇入长江。漳河水库位于湖北省襄阳、荆门、宜昌三市交界处，总库容21.13亿m3，是以灌溉为主，兼有防洪、城镇供水、发电、水产、航运、旅游、改善环境等综合效益的大型水利工程。水库坝址以上河长142 km，集水面积2 212 km2，流域内水生生物、陆生植物、陆生动物等资源种类较多，其中有国家珍稀濒危及重点保护植物36种，国家重点保护野生动物51种[1]。根据河流的实际情况及相关规范要求，选取漳河干流中部的打鼓台站和水库入库处沙滩河站作为研究对象，探讨漳河水库上游干流河道适宜生态环境流量。打鼓台站(资料系列1963～2018年)和沙滩河站分别占流域集水面积的32.9%和60.4%，说明径流资料是日平均还是月平均，具有较好的代表性，且符合典型性、稳定性、实用性原则[2]。

1 漳河水库上游河道适宜生态流量研究

1.1 频率曲线法

按频率75%以上的年份为枯水年，75%～25%为中水年，25%以下为丰水年分析，其中枯水年14个、中水年28个、丰水年14个。年内分期为12～2月为枯水期、3～5月及9～11为中水期、6～8月为丰水期[3]。频率曲线法适宜生态环境流量计算成果见表1、表2，表1、表2中最小生态环境流量为p=90%频率流量，适宜生态环境流下限为p=75%频率流量，适宜生态环境流上限为p=25%频率流量，最大生态环境流量为p=10%频率流量。

表2 沙滩河站频率曲线法适宜生态环境流量计算成果 m3/s

1.2 湿周法

1)建立湿周流量关系。根据曼宁公式和谢才公式推导的湿周流量关系表达式：

(1)

式中：Q为流量，m3/s；n为糙率；A为断面面积，m2；S为水面比降；P为湿周，m。

为消除坐标轴比例的影响，将流量和湿周无量纲化[4]，分别取相对值Q′、P′即：

(2)

2)变化点的确定。建立湿周与流量的关系曲线，根据湿周流量关系图中的拐点确定河流生态环境流量[5]。或对公式(3)右边求导,计算湿周流量关系曲线上的最大曲率,进而可计算最小生态流量[6]。

k=(d2P′/dQ2)/[1+(dP′/dQ′)2]3/2

(3)

3)河道断面选取。以水文站实测流量断面为依据(见图1、图2)。

图1 打鼓台水文站实测断面图

图2 沙滩河水文站实测断面图

4)最小生态环境流量确定。根据式(1)～(3)计算，测流断面无量纲湿周流量关系曲线见图3、图4。

图3 打鼓台水文站断面无量纲湿周流量曲线图

图4 沙滩河水文站断面无量纲湿周流量曲线图

从图1～图4可以看出，打鼓台与沙滩河水文站河床形状为稳定的宽浅矩形河道，符合《河湖生态需水评估导则(试行)》(SL/Z 479-2010)规定。由突变点确定的打鼓台河道最小生态环境流量为1.37 m3/s，沙滩河河道最小生态环境流量为1.81 m3/s。

1.3 蒙大拿法(Tennant法)

根据《河湖生态需水评估导则(试行)》(SL/Z 479-2010)规定，将年平均流量的10%作为河流控制断面生态环境需水量，年平均流量计算式为

(4)

式中，Qbi为生态环境需水年内不同时段值，m3/s。

按(4)式的10%计算，打鼓台控制断面最小生态环境流量为1.03 m3/s，沙滩河控制断面最小生态环境流量为2.54 m3/s。

1.4 其他方法

1)Qp法(不同频率最枯月平均值法)。用每年的最枯月排频，当P=90%时：打鼓台断面最小生态环境流量Q=1.12 m3/s，沙滩河断面最小生态环境流量Q=1.97 m3/s。

2)流量历史曲线法。建立各月流量历时曲线，当P=90%时，各月最小生态环境流量值见表3。

表3 流量历史曲线法计算成果 m3/s

3)7Q10法(最小流量法)。当P=90%时，采用一年365 d都能保证的流量为最小生态环境流量，经计算：打鼓台断面最小生态环境流量Q=0.92 m3/s，沙滩河断面最小生态环境流量Q=1.2 m3/s。

1.5 成果评价

将频率曲线法、湿周法、蒙大拿法、Qp法、流量历史曲线法、7Q10法等不同计算方法求得的河道断面最小生态环境流量成果绘在一张图上(见图5、图6)，根据《河湖生态需水评估导则(试行)》(SL/Z 479-2010)和河湖生态环境需水计算规范(SL/Z 712-2014)拟定的河流生态环境流量等级标准(见表4)[7]，对上述几种计算方法求得的河流最小生态环境流量成果进行评价(见表5)。

图5 打鼓台断面最小生态环境流量图

图6 沙滩河断面最小生态环境流量图

表4 河流生态环境流量等级 %

从图5、图6及表4、表5可以看出：频率曲线法反应了河道断面各时期的实际用水需求，流量历史曲线法反映了河道断面最小生态流量，均符合的河道断面的实际用水情况[8]；湿周法、蒙大拿法、Qp法及7Q10法等，全年采用同一生态流量，不适应河道内因季节性变化而产生的不同需水要求，甚至有可能出现枯水期和丰水期生态环境流量不相匹配的情况；其中湿周法、Qp法及7Q10法成果生态环境流量偏小，河流生态环境流量保障率低。综合上述因素，推荐采用频率曲线法成果(见表6与图7、图8)。

表5 不同计算方法的最小生态环境流量对应的生态状态评价

表6 逐月频率法推荐适宜生态环境流量 m3/s

图7 打鼓台站推荐河道内适宜生态环境流量图

图8 沙滩河站推荐河道内适宜生态环境流量图

2 结 语

研究表明，在现有调度水平的基础上，采用频率曲线法计算的干流河道内生态环境流量效果较好。因而，近20年来，漳河水库上游干流河道生态环境流量均保证在最小值及以上。实践表明，河道生态环境流量的改善，对生态环境影响较大，流域内水生生物、陆生植物、陆生动物等资源种类或数量有了明显的增加，如2019年冬季，流域内发现中华秋沙鸭、鸳鸯等稀有动物增加了1倍以上，亚热带常绿阔叶与落叶阔叶混交林的植被特征进一步显现等。但是，由于人类活动的影响，生态环境保护与经济发展之间的矛盾突出，尤其是水土流失治理与水污染防治等，任重道远，流域生态脆弱性的基础依然存在，应引起有关部门的高度重视。