基于生态流速推求河道生态流量的方法研究

2022-07-08刘和昌

水力发电 2022年6期

刘和昌，孙前，李伟，李莎

(水利部珠江水利委员会技术咨询(广州)有限公司，广东广州 510611)

保障河湖生态流量是加强水资源开发利用管控、推进河湖生态保护修复的基本要求，是建设水生态文明的一项重要举措。迄今为止，国际上有200多种生态流量计算方法，分为水文学法[1-2]、水力学法[3-5]、栖息地法[6-7]以及整体分析法[8-9]这4类。其中，栖息地法是基于生态水力学来确定适合水生生物生存的推荐流量，生态水力包括流速、湿周、水深等。

目前，我国江河已建有大量的水文观测站点，具有河道断面历史的和近期的水位、流量、地形观测等数据，河流生物(如鱼类)的适宜生态水力参数也得到了一定的研究。刘昌明等[10]于2007年提出了河道内生态需水量估算的生态水力半径法，先由生态流速根据明渠均匀流公式推求生态水力半径，再推导流量与水力半径的函数关系，由生态水力半径推求生态流量；朱远生等[11]于2011年对西江干流敏感生态需水量进行了研究，先确定西江多数鱼类产卵繁殖的断面平均流速，推导断面流速与流量的函数关系，由断面平均流速推求生态流量。张志广等[12]采用文献法和专家法得出裂腹鱼产卵期偏好流速范围为0.5～2.0 m/s，以生态水力学法的计算结果作为基流量，确定了苏洼龙水电站坝下河段的生态流量。周芬等[13]利用断面资料、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，提出了一种基于径流频率和河道水力参数的河道生态流量综合分析方法。汪青辽等[14]按长丝裂腹鱼对水深、流速的适宜度标准确定不同流量下的栖息地加权可利用面积(WUA)，得到栖息地面积WUA随流量的变化趋势，最终确定目标鱼类产卵繁殖期适宜的生态流量值。

综合已有研究成果，生态水力参数均存在函数推导过程；但河道横断面地形、水位流量关系是河道自然属性，无固定的数学函数关系式，推导过程往往较为复杂。本文在分析河道断面流速与断面流量相关性的基础上，提出了利用河道水文、地形观测数据，由生态流速推求生态流量的图解法，求解过程简单，可为河道生态流量的拟定提供参考。

1 原理与方法

1.1 计算原理

1.1.1 流量与过水断面面积关系

根据水文统计实践经验，由断面实测的水位、流量系列，断面流量与水位关系可拟合为一条单调递增曲线，可表示为

Q=f1(h)

(1)

式中，Q为断面流量，m3/s；h为水位，m。

河道断面大多为“V”形或“U”形，过水断面面积与水位与存在一一对应关系。由河道断面地形测量数据，可将过水断面面积与水位关系拟合为一条单调递增线关系。即

S=f2(h)

(2)

式中，S为过水断面面积，m2。

将式(1)代入式(2)，可得过水断面面积

(3)

由此可知，过水断面面积S与流量Q存在一一对应的函数关系。

1.1.2 流量与流速关系

河道断面流量与该断面平均流速、过水断面面积存在如下关系，即

Q=v·S

(4)

式中，v为断面平均流速，m/s。

将式(3)代入式(4)，可得流量

(5)

从而可得断面平均流速

(6)

由式(6)可知，河道断面平均流速v与流量Q存在一一对应的函数关系，由断面流速推求断面流量是可行的。

1.2 计算方法

本次提出采用河道横断面地形数据、水位流量关系由生态流速推求生态流量的图解法，计算步骤如下：

(1)根据研究河段水生生物及鱼类生态水力研究成果，选定某时期适宜水生生物及鱼类生存或繁殖的河道断面平均流速，即生态流速v生态。

(2)根据近期实测的河道横断面地形数据，确定水位h-过水断面面积S关系曲线；根据近期观测的测水位、流量系列，确定水位h-流量Q关系曲线。

(3)根据水位h-过水断面面积S关系曲线、水位h-流量Q关系曲线，由v=Q/S推求水位h-断面平均流速v关系曲线。

(4)对于给定的生态流速v生态，由水位h-断面平均流速v关系曲线可得相应生态水位h生态，再由水位h-流量Q关系曲线，可得生态流量Q生态。

2 应用实例

西江是珠江流域的主要水系，发源于云南省曲靖市马雄山，流经云南、贵州、广西、广东，止于广东省三水思贤滘，干流全长1 161 km，多年平均径流量20 189亿m3，孕育着不同类型的鱼类达112种，分布有众多的产卵场。梧州水文站位于广西梧州市区，是西江干流浔江的控制水文站，集水面积32.7万km2，丰水期为5月～10月。根据谭细畅等[15-16]对西江肇庆江段水文节律与鱼苗周年分布的研究，肇庆江段4月～9月是西江大多数鱼类的繁殖期，6月～8月是鱼苗的主要生长期。

2.1 生态流速的选定

广西水产所专家周解认为西江多数鱼类产卵所需流速一般在0.3～1.0 m/s。为了保证鱼类产卵繁殖，要求大部分水深的流速能够满足，根据梧州水文站断面观测的垂线流速分布数据，确定繁殖期4月～9月梧州水文站的断面平均流速v生态约为0.66 m/s。

2.2 水位-断面平均流速关系推求

根据近期实测的梧州水文站河道横断面地形数据(见图1)，计算不同水位hi(本文水位均采用珠江基面)对应的断面过流面积Si，将水位及相应的过水断面面积点绘在图上，形成水位～过水断面面积曲线Lh-S，见图2；根据梧州水文站近期观测的水位、流量系列，将水位及相应的流量点绘在图上，形成水位～流量关系曲线Lh-Q(见图2)。

根据曲线Lh-S、Lh-Q，可查得同一水位hi下相应的过水面积Si、流量Qi，采用公式v=Q/S求得hi相应的断面平均流速vi，将水位hi、断面平均流速vi点绘在图上，形成梧州水文站水位～断面平均流速曲线Lh-v(见图3)。

图2 水位-过水面积-流量关系

图3 水位-断面平均流速关系曲线

2.3 生态流量查算

由生态流速v生态=0.66 m/s，查图3中的曲线Lh-v可得相应生态水位h生态=6.51 m；由生态水位h生态=6.51 m，查图2中的曲线Lh-Q可得生态流量Q生态=5 036 m3/s。

2.4 成果合理性分析

根据梧州水文站1956年～2010年水文年径流系列，可计算该断面多年平均径流量为6 720 m3/s。根据Tennant法，不同河道内生态环境状况对应的流量百分比见表1。本次研究的4月～9月基本位于西江年内较丰时段，所确定的生态流量5 036 m3/s与多年年均径流百分比为74.9%，对应Tennant法河道内生态环境状况“最佳”水平。根据朱远生等[11]研究成果，梧州水文站断面生态敏感期4月～9月适宜生态流量为5 213 m3/s；根据马兴华等[17]研究成果，西江肇庆江段大部分鱼类生长繁衍期间(6月～8月)推荐的生态流量为5 213m3/s。本次计算的梧州水文站断面4月～9月生态流量5 036 m3/s与已有成果相接近。由此可知，本次基于生态流速由河道横断面地形数据、水位流量关系推求的生态流量，与Tennant法河道内生态环境状况评级相符，与已有研究成果接近，结果是合理的。