水库下泄生态流量确定研究

Study on Determining Ecological Flow of Reservoir Drainage

摘要: 本文旨在研究某拟建大型水库可能引起的下游河道的生态流量问题。通过收集和分析相关数据，结合生态流量理论，对水库下游河道的生态流量进行计算。对比分析不同方法的计算结果，结合该河流自身特性，综合确定下泄生态流量值，为水库建设后水资源调配与生态流量管理提供依据。

Abstract: The purpose of this paper is to study the ecological flow of the downstream channel caused by a proposed large reservoir. By collecting and analyzing the relevant data and combining the ecological flow theory, the ecological flow of the downstream channel of the reservoir is calculated. By comparing and analyzing the calculation results of different methods, combined with the characteristics of the river itself, the ecological flow value is determined comprehensively, which provides a basis for water resource allocation and ecological flow management after the construction of the reservoir.

1. 引言

在人类社会的迅猛发展中，水资源的需求呈现出日益增长的态势。水库作为关键的水利工程设施，对于调节水资源、防洪抗旱等方面发挥着重要作用。但水利工程建设在一定程度上改变了河流水文情势及水流形态[1]。为坚持“绿水青山就是金山银山”发展理念，防范水资源过度开发，在水资源配置中应保证河道具有一定要求的水量，因此在水资源管理上，水库必须采取下泄生态流量的保护措施。

关于生态流量确定，至今已有200多种计算方法，大致可分为水文学法、水力学法、生态水力学法、整体分析法。国外常用的生态流量计算方法主要为Tennant法、河道流量增量法、湿周法、R2-Cross法、7Q₁₀法等等，其中Tennant法是最为常用的一种方法，可仅通过使用历史流量资料评价或估算生态水量，在缺乏足够生态学资料的情况下大致估计河流生态状况，该方法应用最为广泛。7Q₁₀法主要应用于河流污染物排放量计算，通过P = 90%下连续7天最小平均水量作为河流设计最小流量，在河流环境影响评价中应用广泛[2] [3]。国内对生态流量相关研究可追溯至20世纪70年代，最常用的方法是10年最枯月平均流量法和P = 90%最枯月平均流量法。不同方法可满足不同的工况下计算要求，至今仍未出现统一的生态流量衡量标准，在实际计算过程中，不同方法相互结合或互为参考，直至得出满意的计算结果。

2. 研究区情况

本次研究的拟建大型水库位于重庆市，水库总库容1.1亿m³，兴利库容0.9亿m³，防洪库容0.174亿m³，多年平均供水量5938万m³。水库所在河流流域面积287 km²，主河道长37.2 km，河道平均比降19.8‰。坝址控制集雨面积约242 km²，多年平均年径流量2.07亿m³，多年平均流量6.57 m³/s (1970年1月~2015年12月)，年内分配径流成果如表1所示。研究河段为拟定坝址下距河口河段，全长约12.3 km，河道平均比降为2.16‰。研究河段含鱼类11种，隶属于2目4科11属，主要为冷水性鱼类，其中鲤形目有3科10种，占鱼类群落总数的90.9%；鲈形目有1科1种，占鱼类群落总数的9.1%。由于鲤形目在该河段数目占比最大，故而将其作为保护对象。

表1. 坝址处年内分配径流成果

项目	1月	2月	3月	4月	5月	6月	7月	8月	9月	10月	11月	12月	年平均
流量(m^3/s)	0.892	0.853	1.59	5.19	10.3	15.1	13.8	8.33	11.0	6.79	3.51	1.26	6.57
径流量(亿m^3)	0.024	0.021	0.041	0.139	0.266	0.392	0.368	0.223	0.285	0.182	0.091	0.034	2.07

3. 河段生态需水量研究

3.1. 研究方法

本次研究采用水文学法中的Tennant法、水力学法中的湿周法与R2-Cross法以及生态水力学法对研究河段进行生态流量计算。

3.2. 生态流量计算

1) Tennant法

Tennant法根据河道流量大小对应水生态有利程度，将生态流量分为8个级别，每个级别对应多年平均流量不同百分比。该计算方法简单，广泛应用于生态流量计算中，其计算标准如表2所示[4]。计算方法为：生态流量 = 多年平均流量*每个级别对应百分比。

表2. 河流生态流量计算标准

流量 叙述性描述	推荐的基流标准(多年平均流量百分数) (%)
	枯水期	汛期
极限或最大	200	200
最佳范围	60~100	60~100
极好	40	60
很好	30	50
良好	20	40
一般或较差	10	30
差或最小	10	10
极差	0~10	0~10

图1. 坝下实测断面分布图

考虑到研究河段没有珍稀特有保护鱼类的重要生境，生境质量维持在“良好”等级即可，则本方法推荐下泄生态流量为：汛期5~10月2.63 m³/s，非汛期11月~次年4月1.31 m³/s，此标准可满足坝址处附近生境状况良好。

2) 湿周法与R2-Cross法

湿周法适用于宽浅型河流，以浅滩断面湿周～流量曲线上的拐点对应的流量作为生态需水量建议值，其结果受断面性状影响大。R2-Cross法计算断面也为河道浅滩断面，以平均水深、平均流速及湿周长百分数作为反映冷水鱼栖息地质量的水流指示因子，从而确定河流目标流量[5]。

根据水库坝下地形测量资料，采用最为常用的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分析19个实测断面(见图1)的类型。

表3. 水库坝址下游河道断面分类

断面编号	距坝址距离(m)	深泓线线性回归法			弗劳德数法		确定分类
		深泓线高程	拟合二次曲线高程	分类	Fr	分类
19	28	330.1	338.35	P	0.35	R	P^*
18	646	324.5	323.43	P	0.33	R	P^*
17	1423	316.13	305.28	R	0.54	P	P^*
16	2543	290.24	280.48	R	0.64	P	R^*
15	3133	264.85	268.14	P	1.01	P	P
14	3528	255.04	260.19	P	0.44	R	P
13	4118	243.38	248.79	P	0.77	P	P
12	5142	229.74	230.50	P	0.31	R	P^*
11	5438	225.5	225.58	R	0.78	P	P^*
10	6149	211.27	214.50	P	0.39	R	R^*
9	7005	200.49	202.61	P	0.45	R	P^*
8	7452	197.61	197.06	R	0.22	R	R
7	8412	189.25	186.78	R	1	P	P^*
6	9058	183.5	181.18	R	0.18	R	R
5	9996	178.32	175.06	R	1.01	P	P^*
4	10,286	175.74	173.67	R	0.1	R	R
3	10,847	175.88	171.68	R	0.74	P	P^*
2	11,481	173.37	170.58	R	0.15	R	R
1	12,329	170.81	171.08	P	0.66	P	P

注：P为深潭，R为浅滩；带^*号的表示两种方法不一致时，经综合分析后确定的类别。

根据断面分析结果，判定为浅滩断面的有断面2、4、6、8、10、16 (见表3)，占所有断面比例仅32%，考虑到本河流为山区性河流，作者认为湿周法与R2-Cross法不适用于此河流生态流量计算。

3) 生态水力学法

生态水力学法是通过水生生物适应的水力生境确定合适的流量。该法假设水温、水深、流速、湿周、水面面积、水面宽、过水断面的面积是流量变化对物种数量和分布造成影响的主要水力生境参数，急流、缓流、浅滩及深潭是流量变化对物种变化造成影响的主要水力形态[6]。水温、流速、水深和水面宽度是鱼类生存的敏感因子[7]。

本次研究以R2-Cross法相关水力参数标准为参照，从而确定研究河段鱼类水力生境参数标准，见表4。

表4. 研究河段鱼类水力生境参数标准

水力参数	最低标准	确定依据
流速	0.3 m/s	1) 保护对象与R2-Cross法研究对象生活习性大致类似，参照R2-Cross法0.3 m/s标准； 2) 《水电水利建设项目河道生态用水、低温水和过鱼设施环境影响评价技术指南(试行)》推荐取值。
最大水深	0.3 m	由于研究河段流量较小，根据取样结果，研究河段内较大鱼的体长集中在50 mm~117 mm范围内。野外调查表明：当最大水深是体长的3~4倍，即最大水深达0.3 m，平均水深达0.2 m，可以满足研究河段鱼类在水体内的自由游动。
平均水深	0.2 m
水面宽	8 m	由于研究河段为小型河流，水面宽度集中在8~16 m，沿程断面形状变化和水面宽波动较大。水面宽对研究河段鱼类的生存影响不大，考虑河段所在地形为山区峡谷地形，水面宽标准取集中度较高的低值8 m。
湿周率	>50%	1) 研究河段河流深切，河谷呈V字形，植被稀少，湿周率标准可以降低； 2) 研究河段对R2-Cross法制定的湿周率判定标准在天然状况下枯水期都难以达到，该标准需要降低，因此湿周率定为50%较合适； 3) 研究河段为时段性减水，为避免下游水位的频繁涨落，该湿周率定义为某流量对应湿周占满湿周的百分比。
水温	满足产卵要求	适宜鱼类生存、繁殖。
水流流态	无较大变化	据研究河段现有水力学条件，规定平均流速大于等于1.0 m/s时水流流态为波状流；断面平均流速在0.5 m/s至1.0 m/s时水流流态为弱波状流；断面平均流速在0.3 m/s至1.0 m/s时水流流态为微波状流；断面平均流速小于0.3 m/s时水流流态为平缓流。

研究河段枯水期平均流速、平均水深、最大水深占全计算河段的比例均没有超过90%，不适宜用此法计算枯水期生态流量，因此本次仅进行汛期生态流量计算。研究河段汛期平均流速、水面宽、平均水深、最大水深等要素计算结果见图2~5。

根据研究河段内水生生物(重点为鱼类)的现场调查情况，对鱼类主要生境参数进行研究。综合分析在不同时段、不同生态流量的情况下，河道水力参数变化情况。采用MIKE11软件对研究河段进行水力模拟，最终确定较为合理的生态需水量，见表5。

1) 水深

当下泄流量为0.329 m³/s、0.657 m³/s、0.986 m³/s时，河段内最大水深集中在0.15~0.3 m之间，流量为1.314 m³/s、1.643 m³/s、1.971 m³/s、2.300 m³/s时，河段内最大水深集中在0.3~0.45 m之间。从鱼类调查结果显示，研究河段内保留适生生境的鱼类体形较小，一般较长的鱼仅有100 mm左右，因此，流量大于2.300 m³/s时，最大水深大于研究河段鱼类体长3倍的河段占比达到97.7%，该水深可满足研究河段的鱼类在水体中自由游动、藏身、觅食等生境要求。

当下泄流量为0.329 m³/s时，河段内平均水深集中在0.0~0.1 m之间，流量为0.657 m³/s、0.986 m³/s、1.314 m³/s、1.643 m³/s时，河段内平均水深集中在0.1~0.2 m之间，流量为1.971 m³/s、2.300 m³/s时，河段内平均水深集中在0.2~0.3 m之间，流量大于2.300 m³/s时，平均水深大于0.2 m的河段占比达到98.3%，该水深即可满足鱼类对平均水深的需求。

2) 水面宽度

下泄流量为0.329 m³/s、0.657 m³/s、0.986 m³/s、1.314 m³/s、1.643 m³/s、1.971 m³/s、2.300 m³/s时，河段内水面宽度集中在8~16 m之间，已有较好的连通性，因为研究河段受峡谷地形所限，此处标准适当降低，假定水面宽度大于8 m为满足要求，当下泄流量大于1.971 m³/s时，即满足要求。

3) 流速

下泄流量为0.329 m³/s、0.657 m³/s、0.986 m³/s、1.643 m³/s、1.971 m³/s、2.300 m³/s时，河段内平均流速集中在0.3~0.6 m/s之间；流量为1.314 m³/s时，河段内平均流速集中在0.6~0.9 m/s之间；当流量为1.643 m³/s时，有96.8%的河段流速大于0.3 m/s。

图2. 平均流速分区间统计表

图3. 水面宽分区间统计表

图4. 平均水深分区间统计表

图5. 最大水深分区间统计表

经生态水力学法分析研究河段汛期下泄流量2.3 m³/s，占多年平均流量的35%。

4) 生态流量综合确定

为了更好地保障水生生态稳定，减缓不利环境影响，综合上述2种方法对某大型水库生态流量下泄的要求(见表6)，为最大程度保证鱼类生活环境，生态流量取大值，因此本次拟定生态流量为：汛期5~10月按2.63 m³/s、非汛期11月~次年4月按1.31 m³/s下泄生态流量。

表5. 汛期水库坝址下泄不同流量时研究河段水力指标达标百分比统计表

指标	最低标准	达标流量(m^3/s)
最大水深	≥0.3 m	2.300
平均水深	≥0.2 m	2.300
平均速度	≥0.3 m/s	1.643
水面宽度	≥8 m	1.971

表6. 不同方法下生态流量计算值对比表

生态流量计算方法	汛期流量(m^3/s)	枯期流量(m^3/s)
Tennant法	2.63	1.31
生态水力学法	2.3	/

4. 结论

本文以某水库坝下至河口为研究河段，为山区性河流，浅滩断面较少，因此采用Tennant法和生态水力学法2种方法计算水库生态流量，并根据实际工程情况最终确定了生态流量。水库生态流量确定方式多样，不可一概而论，在实际工程设计或研究中，可采取多种方式进行生态流量计算后，根据实际情况比选最终确定生态流量。

基金项目

长江勘测规划设计研究有限责任公司自主创新项目(CX2023S034)。

NOTES

作者简介：李一鸣(1991-)，男，湖北宜昌人，硕士研究生，工程师，主要从事水资源规划与管理、水库调度，Email: [e-mail]