基于Q90法与R2-Cross法的麻栗坝水库下游河道生态流量研究

汪青辽，郝红升，李 永

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 650065)

0 引言

近年来随着水资源利用程度不断提高，水利工程建设改变了河流水文情势及水流形态[1]，造成严重的生态环境影响。因此，在提高水资源利用效益的同时，应有效保护河流生态环境质量免遭毁灭性破坏。

河流生态需水的概念最早在20世纪40年代由美国渔业与野生生物保护组织提出。生态流量指为维持河流的健康所需的流量及其水文过程，全年范围内其数值是动态变化的[2]。现阶段人们普遍认为，为河道预留足够的流量满足生态环境的用水需求，是保护河流生态稳定的有效途径，合理估算河流生态流量是十分必要的。生态流量的计算对于流域水资源的合理开发、配置以及维持河流生态系统的健康具有重要意义[3]。

目前国内常采用的是水文学法、水力学法、生境(栖息地)模拟法，其中属水文学法、水力学法计算较为简单也最为使用广泛。水文学法是以历史流量为基础，根据简单的水文指标确定河道生态环境需水；水力学法是以栖息地保护类型的水力学参数标准设定的模型：这两种方法适用性强。而栖息地模拟法是基于河道内目标水生生物的流量需求进行生态流量计算[4]，其计算所需的资料多且计算繁琐。根据生态环境部发布的《HJ2.3-2018环境影响评价技术导则 地表水环境》要求，生态流量至少采用上述两种方法计算。本文选择国内广泛使用的Q90(水文学法)和R2-Cross法(水力学法)两种方法分别计算生态流量并取其中最大值。

1 研究区概况

1.1 研究区概况

云南省麻栗坝大型灌区是全国172项重大水利项目之一。工程开发任务为农业灌溉、城乡供水。设计灌区面积2.34万hm2，供水人口18.57万人。灌区主要从已建的麻栗坝水库引水，运行期将新增从水库年引水总量13151.0万m3。位于南宛河上的麻栗坝水库建于2009年12月，水库正常蓄水位994.7m，总库容10792.0万m3，水库为不完全年调节水库。

本文选取麻栗坝水库下游至出国境的36.9km南宛河河段，研究河道内水生生物对河流流量的需求。水库坝址处多年平均年径流量3.63亿m3，多年平均流量11.1m3/s。径流年内分配不均，汛期6—11月占年径流量的81%。研究河道平均坡降17.8‰，河道糙率0.035。

麻栗坝灌区工程从麻栗坝水库引水后，势必会引起大坝下游流量的减少及其过程的变化，导致下游鱼类栖息地面积减少，影响鱼类的生存繁殖。本文采用Q90(水文学法)和R2-Cross法(水力学法)计算天然状态下麻栗坝水库下游河道的生态流量，为工程建成引水后维持大坝下游南宛河水生生态系统稳定而需下泄的流量值提供参考。

1.2 生态保护目标

根据水生调查成果，在南宛河流域内共有鱼类30种，属11科24属，常见的种类有鲤科的鲤鱼、鲫鱼，鳅科的鳞头角似鳞头鳅等。在区系组成上，土著鱼类14种，占比为46.7%，其余为外来物种。小眼小波鱼、珍珠鱼丹、半线鱼丹等14种土著鱼类均为小型鱼类，一般体长最多为6cm，体重2～3g，个体小且种群数量不多。南宛河干流中无产卵场，部分支流中有分散的小型鱼类产卵场。因此，南宛河生态需水保护目标确定为：维持干流小型土著鱼类生存繁衍的一般生境。

2 Q90法研究方法及结果

根据水利部发布的《SL/Z712-2014河湖生态环境需水计算规范》，Q90法是根据麻栗坝坝址断面长系列53年的逐月流量，选取每一年最小月流量值进行排频，选取90%保证率下的长系列年最枯月流量作为最小生态流量值，为1.20m3/s。

表1 南宛河干流生态流量计算表(Q90法)

3 R2-Cross研究方法与结果分析

R2-Cross法采用河流宽度、平均水深、平均流速及湿周率指标来评估河流栖息地保护水平[5]，从而确定河流最小生态流量。其中，湿周率指某一过水断面在某一流量时的湿周占多年平均流量满湿周的百分比。

R2-Cross法计算过程主要分三步：首先针对南宛河干流的河宽和目标鱼类体长特点，提出了一种适合的确定南宛河流域生态流量的水力参数标准，用于设定河道鱼类栖息地的保护标准，这些参数包括：水面宽度、平均水深、湿周率和平均流速；其次是采用基于水流特征的弗劳德数法和基于河床地形学特征的深泓线线性回归法两种方法来分析实测断面的类型，从众多断面中筛选出浅滩断面，计算只分析浅滩断面，这是因为在河流中浅滩通常是鱼类和大型无脊椎动物丰富的区域，而且也是生物栖息地的临界位置；最后结合美国陆军工程兵团HEC-RAS软件，通过试算不同流量下的浅滩断面水力参数，直至所有断面的参数满足保护标准，该流量即为最小生态流量。

3.1 R2-Cross计算标准

麻栗坝水库坝下南宛河干流河段平均河宽约为15m，考虑主要保护鱼类体长<6cm，在计算生态流量时，以保护鱼类体长的2倍为水深下限，确定R2-Cross法的评价标准如表2所示。

表2 R2-Cross法确定南宛河干流最小生态流量的水力参数标准

3.2 浅滩断面的判别方法及结果

在河流中，浅滩通常是鱼类丰富的区域，而且也是生物栖息地的临界位置。当河流流量较少时，浅滩首先被显露，故浅滩断面的河宽、水深和流速对于流量的变化最为敏感。因此，在采用R2-Cross法计算生态流量时，断面的选取一般为单一河道的浅滩断面。

根据R2-Cross法的计算要求，通常需要先对河流的生境进行划分。河流中尺度生境一般划分为深潭、浅滩两种类型，河道类型主要受河道地形构造和水流大小影响。本研究基于水流特征的弗劳德数法和基于河床地形学特征的深泓线线性回归法来综合分析实测断面的类型。麻栗坝水库下游至出国境的36.9km南宛河河段，根据地形测量成果，选取其中有代表性的14个断面进行计算。

(1)深泓线线性回归法

Richards(1976)提出深泓线线性回归法进行深潭、浅滩断面判断方法，该方法要求沿河道深泓线等间距进行河床高程测量，然后采用线性回归方程对河床高程点进行拟合。对于较短的河段，可采用一次方程，对于较长的河段，采用二次或三次方程。

根据拟合结果，河床实测高程高于拟合曲线的为浅滩，低于拟合曲线的为深潭。本河段共有14个计算大断面，大多数断面间距在2500m左右，采用二次曲线方程拟合曲线方程。一般认为，河床实测高程高于拟合曲线的为浅滩，低于拟合曲线的为深潭。根据判别，14个大断面中，5个断面为浅滩断面，其他9个断面为深潭断面，拟合结果见图1。

(2)弗劳德数法

弗劳德数(Fr)是反映水流急缓程度的一个重要参数。本文对各断面的弗劳德数采用多年平均流量(Q=11.1m3/s)下的断面平均水深V和平均水深H进行计算，即，g为重力加速度。坝下各断面弗劳德数的分布如图2所示。各断面的弗劳德数在0.21～0.75，平均为0.40。本研究将Fr=0.40作为浅滩断面和深潭断面分界线。根据弗劳德数法，14个大断面中有8个为深潭断面，其余6个断面为浅滩断面，见图2。

由于上述两种分析方法基于的原则不一致，因此深潭和浅滩识别的结果也存在一定的差异。在14个断面中有8个断面两种方法判定结果一致；其余6个断面，则根据断面形状来综合判定，一般认为水下断面比较对称的为浅滩断面；断面不对称、断面上各点水深差别较大的为深潭断面。综合后，14个断面中有6个断面判定为浅滩断面，其他8个断面为深潭断面。

3.3 浅滩断面的判别方法及结果

设定计算工况：流量为1m3/s、1.5m3/s、1.8 m3/s、2.0m3/s，采用美国陆军工程兵团HEC-RAS软件对上述判别为浅滩的断面计算河流宽度、平均水深、平均流速及湿周率4个水力学参数，计算结果见表4。

由表可知，当下泄流量为1.8m3/s时，占多年平均流量的15.65%，各个水力学指标均能满足南宛河干流最小生态流量的水力参数标准。因此，R2-Cross法确定的南宛河减水河段生态需水量为1.80m3/s。

表3 麻栗坝水库下游研究河道断面类型综合判别表

表4 R2-Cross法计算结果统计表

4 结论

本文采用Q90(水文学法)和R2-Cross法(水力学法)两种方法分别计算了麻栗坝水库下游至出国境的36.9km南宛河河段生态流量。采用Q90法推荐的最小生态需水流量的控制值为1.20m3/s。采用R2-Cross法计算的最小生态流量值为1.80m3/s。根据这两种方法计算结果并取其中最大值，最终确定研究河道的最小生态流量为1.80m3/s。