杨溪水库下游河道生态需水量分析与计算

俞科慧,王 浩

(1.浙江水利水电工程审价中心,浙江 杭州 310020;2.浙江省水文局,浙江 杭州 310009)

河道生态需水量是为满足河道生态系统的各种基本功能健康所需的用水,主要包括河道生基流、河流水生生物需水量和保持河道水流泥沙冲淤所需输沙水量等[1]。在河流上兴建水库,其下游河道水量大幅度减少,破坏了原始河流生态的连续性,容易引起下游河道水质恶化、水生生物绝种或迁徙等。因此,水库在控制运行计划中应增加生态需水量约束,在协调水库各种用水保证率的同时,保证下游河道一定的生态环境用水,这对于保护水库下游河道的生态环境具有重要意义。

1 生态需水量计算方法

1.1 常用计算方法

目前国内计算河道生态需水量的方法主要有:通过河道流量与生态环境关系进行综合计算的Tennant法,采用90%保证率最枯连续7 d的流量作为设计值的7Q10法,合理确定临界区域的水生栖息地湿周的河道湿周法、适用于一般浅滩式的河流栖息地的 R2CR OSS法等[2-4]。其中Tennant法由于方法简单、数据容易获得且对生态系统的描述较为科学,应用最为广泛。

1.2 Tennant法简述[5-6]

Tennant法是一种统计分析的方法,依据观测资料而建立起来的流量和河道生态环境之间的经验关系,它仅仅使用历史流量资料就可以确定生态需水量,容易将计算结果与水资源规划相结合。该方法将全年分为2个计算时段,根据多年平均流量百分比和河道内生态环境状况的对应关系,直接计算维持河道一定功能的生态需水量。Tennant法中,河道内不同流量百分比和与之相对应的生态环境状况见表1。

表1 Tennant法中保护河道内生态环境所需河流流量状况标准表

1.3 改进Tennant法

生态需水量与河道内生物种群的生活习性密切相关,具有一定的时空变化规律,比如大部分鱼类在春、夏季习惯向上洄游觅食和繁殖后代,这时所需要的生态需水量就多,冬季则洄游到下游水量丰厚的河道过冬,此时上游的生态需水量就少。Tennant法在考虑这种变化时简单地把1 a分成少水期和多水期,且在多水期和少水期各长达6个月的时间跨度只采用1个均值流量来描述生态需水量,显得不够细致。因此,在应用Tennant法时,考虑改进2点:一是多水期和少水期时间划分。多水期和少水期的划分应该根据具体河道的生物种群活动周期进行修正;二是少水期的生态需水量计算。Tennant法中少水期的生态需水量为平均流量百分比的一个固定值,这样的计算方法在很多地方不能通用,比如中小河流上游地区,少水期每日的径流量变化极大,经常会出现断流的情况,此时河道中一般是不会有鱼类活动的,这也符合河道生物种群的生活习性,因此所需的生态需水量不需要很大。另外,对于水库下游河道生态需水量的计算,涉及到水库综合效益以及其它方面用水保证率的问题,少水期无谓的弃水用来保持本不需要很多的生态需水量,可能会影响到水库的供水保证率。因此,本文认为,在少水期,应结合实际的天然状态来水量,采用旬月或者更小时间间隔的来水量来修正Tennant法计算的生态需水量,天然来水量可以采用多年平均径流量或者典型年旬月径流量来表示。总之,改进Tennant法少水期的生态需水量可用下面的约束条件进行约束:W入库＞Wr时,W生态=WrW入库＜Wr时,W生态=W入库

式中:W入库为时间间隔内水库的入库流量;Wr为Tennant法计算少水期生态需水量;W生态为生态需水量。这种改进方法采用实际河道天然径流量来反映河道生物种群的生活习性,还是比较科学的,并且也解决了水库枯水期用水紧张和下游生态需水量之间的矛盾。

2 杨溪水库生态需水量计算

杨溪水库属李溪流域,李溪流域面积174.1 km2,其中杨溪水库集雨面积124 km2。水库位于永康市东部的石柱镇麻车口村,是永康市内目前最大的1座以灌溉为主,结合防洪、发电、水产养殖、城镇供水的综合利用工程。水库总库容6168万m3,库区多年平均降雨量1475.9 mm,多年平均入库径流量9840万m3,75%可供水量6986万m3。

2.1 Tennant法计算

通过杨溪水库1983—2004年22 a径流资料分析计算,多年平均入库流量为3.12 m3/s,多年平均径流量9840万m3。在计算下游河道生态需水量时,可以直接还原杨溪水库入库流量作为下游河道入流,反映建库以前的天然来水情况,以此研究建库前的河流生态状态,具有一定的代表性。根据这个资料,如果采用传统的Tennant法计算下游河道生态需水量,河道生态环境标准为中,则少水期按多年平均流量3.12 m3/s的10%计算,多水期按多年平均流量30%计算,根据每月的实际天数,可求出逐月生态需水量(见表2),计算得全年生态需水总量1971万m3,少水期生态需水总量491万m3。

表2 杨溪水库下游河道生态需水量计算表万m3

2.2 改进Tennant法计算

根据资料情况,结合水库供水保证率,采用75%保证率典型年的旬月径流量计算成果对Tennant法进行修正后计算杨溪水库下游河道生态需水量。

2.2.1 频率计算和典型年选择

根据杨溪水库22 a年径流量资料排频,并进行频率分析 (见表3)。

表3 年径流量频率分析计算表

续表3

通过计算,频率曲线选配采用 Qc=9840 m3,Cv=0.40,Cs=2Cv,年径流量频率计算成果如表3,最终选定1986年为75%保证率的典型年,修正后的75%保证率年径流量为6986 m3,Kp为0.71。

2.2.2 多水期少水期划分

杨溪水库下游河道没有特别保护的生物种群,水生生物主要以4大家鱼、泥鳅、黄鳝、麦穗、力勺以及虾蟹为主,通过当地居民和渔政也了解到这里鱼类繁殖期主要在4月份到7月份,而在来水量减少、天气渐寒的时候就会向下游深水区潜底越冬。通过杨溪水库多年的径流量资料分析发现,4月份到7月份也是来水最为充沛的时间,因此可以确认此段时间为多水期,其余时间为少水期。

2.2.3 生态需水量确定

根据年径流量控制同倍比法求出典型年逐月径流量,成果如表2所示。从典型年逐月径流量数据可以看出,个别月的实际径流量 W入库小于Tennant法推求的月生态需水量Wr,这主要是由于杨溪水库上游集雨面积较小,属于山区性流域,径流量时间变化较大,通过历史资料研究,少水期经常会有断流的情况发生。在这种天然的生态环境下,生态需水量主要是基于河道生基流和保持河道水流泥沙冲淤必需的流量考虑,其量级比考虑河流水生生物需水量要小得多。而且,少水期的水资源量是有限的,各种用水量之间是矛盾的,因此对于杨溪水库这样的多功能水库来说,生态需水量的计算必须要细致。考虑这种实际情况,我们对各月生态需水量进行修正,即当该月水库入库水量W入库大于Wr值时,生态需水量按 Wr计算,但当该月 W入库小于Wr时,生态需水量按入库水量 W入库计算 (见表2)。通过逐月生态需水量计算得,P=75%设计水平年生态需水量为1579万m3,比按Tennant法不修正的1971万m3减少了392万m3。

3 结 语

目前生态需水量的分析和计算尚处于起步阶段,方法虽然很多,但都比较粗放,计算的合理性也有待进一步的研究。本文中,考虑到杨溪水库流域的特性,提出根据流域实际水文特征,生物活动周期以及多方面用水量协调关系等因素,在传统的生态需水量计算方法Tennant法的基础上进行改进,根据实际河道生物活动周期修正Tennant少水期和多水期的时间划分,采用典型年逐月径流量修正

Tennant法计算的少水期生态需水量,其目的主要是在满足必需的河道生态需水量的基础上,减少上游水库一些不必要的弃水,故其思路对于很多类似的水库流域都具有一定的适用性,是值得推广的。当然,本文中需水量的计算还缺乏对具体生物种群的研究和长期观察,对满足生物活动所需的水量也没有具体测算,但是通过水文资料分析来拟合生物活动周期,方法简单,资料也容易获得,不失为一种较为科学的方法。

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