李新紅

(清遠(yuǎn)市水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限公司,廣東 清遠(yuǎn) 511500)

1 河流概況

樂排河，又名白坭河，古稱巴由水，位于清城區(qū)的南端，地處清遠(yuǎn)、廣州佛山三市的交匯點(diǎn)，發(fā)源于清遠(yuǎn)市清城區(qū)石角鎮(zhèn)的瓦塘寮，集水面積為343.69 km2，河長為47.5 km。樂排河流域平均降雨量為1 803.6 mm，最大年降雨量為2 686.7 mm，最小年降雨量為1 102.6 mm，豐枯極值比為2.44。樂排河清遠(yuǎn)境內(nèi)集雨面積為 92.2 km2，約占樂排河總流域面積的1/4，河長為16.6 km，平均坡降為0.000 8。其境內(nèi)主要支流有新屋水、基口排坑、木頭塘排坑、老虎口排坑、大坑水、鐘屋排坑等[1]。

2 生態(tài)基流簡述

2.1 生態(tài)基流的概念

河道生態(tài)基流是指維持河流基本形態(tài)和基本生態(tài)功能，保證水生態(tài)系統(tǒng)基本功能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的最小流量。對一條常年流動性河流而言，它擁有豐富的水量和穩(wěn)定的水生態(tài)系統(tǒng)，這兩者是維護(hù)河流生態(tài)環(huán)境的底線要求。一些不與海和天然雪山相連的河，以及河底比較淺的河流會發(fā)生季節(jié)性斷流，河流斷流會給原有水生環(huán)境帶來嚴(yán)重破壞。這種河流即使恢復(fù)斷流前水流狀態(tài)，與原始水生態(tài)系統(tǒng)多樣性也有較大差異，更為嚴(yán)重的就是造成一些水生物種的永久性滅亡。因此，為了防止河道萎縮或斷流，維持河道基本的生態(tài)環(huán)境功能，河道中常年都應(yīng)該保持一定比例的基本流量，河道生態(tài)基流的概念是基于此而提出[2-3]。

2.2 計(jì)算方法與特點(diǎn)介紹

全球來看，生態(tài)基流的計(jì)算方法層出不窮，為防止河流的生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，美國研究人員提出了In-stream Flow Requirement的概念。通過歸納總結(jié)，目前關(guān)于生態(tài)基流的計(jì)算方法已達(dá)200余種，大致可歸為4種計(jì)算類別，分別是標(biāo)準(zhǔn)流量法、水力學(xué)法、棲息地法和整體法。我國生態(tài)蓄水方面研究起步較晚，自20世紀(jì)90年代開始才初露頭角，相比國外比較落后。但是近幾年看來，我國學(xué)者通過不斷學(xué)習(xí)國外一些研究方法和操作手段后，國內(nèi)生態(tài)蓄水發(fā)展速度飛速提升。近年來，國內(nèi)一些創(chuàng)新性的分析計(jì)算方法不斷涌現(xiàn)，國內(nèi)學(xué)者通過總結(jié)我國水資源地域分布特點(diǎn)，提出了包括tennant法、最枯月流量法和Qp法(P=95%或90%)在內(nèi)的十余種研究方法[4-6]。表1歸納總結(jié)了國內(nèi)目前較為典型的6類生態(tài)基流指標(biāo)表達(dá)方法。

表1 生態(tài)基流指標(biāo)表達(dá)

在各種方法類別中，水文學(xué)法相對水力學(xué)法易于操作，應(yīng)用較廣泛、較成熟。選擇合理的生態(tài)基流計(jì)算方法務(wù)必對擬測水域或者河流生態(tài)系統(tǒng)有深刻的了解。例如，選擇Tennant法時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮河流是否具有長系列水文資料，選擇7Q10法時(shí)應(yīng)當(dāng)判定河流開發(fā)程度滿足要求與否。此外還應(yīng)當(dāng)綜合考慮區(qū)域水文特征、河流形態(tài)和當(dāng)?shù)厮鷳B(tài)系統(tǒng)類型，對于有工業(yè)產(chǎn)業(yè)的河流流域，工業(yè)工程對水域造成的環(huán)境影響也應(yīng)當(dāng)考慮在內(nèi)。本次研究根據(jù)收集資料情況擬采用Tennant法、90%保證率法、近10 a最枯月流量法3種方法進(jìn)行分析計(jì)算，同時(shí)考慮已有成果綜合選取[7]。由于樂排河流域內(nèi)無相關(guān)水文測站，即無相關(guān)徑流實(shí)測資料，根據(jù)其周邊測站分布，計(jì)算采用大廟峽(二)站1960—2015年共56 a實(shí)測年徑流及降雨資料同計(jì)算區(qū)域內(nèi)的石角雨量站1960—2015年共56 a實(shí)測年降雨資料所推求的樂排河流域興仁橋控制斷面1960—2015年逐年徑流為計(jì)算依據(jù)。

3 樂排河生態(tài)基流的計(jì)算

3.1 Tennant法

Tennant法是通過河流多年平均流量的百分?jǐn)?shù)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)2010年水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院印發(fā)的《水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)生態(tài)指標(biāo)體系與應(yīng)用指導(dǎo)意見》中該法將保護(hù)水生態(tài)的河流流量推薦值分為最大允許極限值、最佳范圍值、極好狀態(tài)值、非常好狀態(tài)值、好狀態(tài)值、開始退化狀態(tài)值、差或最小狀態(tài)值和極差狀態(tài)值等1個(gè)高限標(biāo)準(zhǔn)、1個(gè)最佳范圍標(biāo)準(zhǔn)和6個(gè)低限標(biāo)準(zhǔn)[8- 9]，又依據(jù)水生生物對環(huán)境的季節(jié)性要求不同，分為魚類產(chǎn)卵育肥期(4—9月份)和一般用水期(10月—翌年3月份)，樂排河流域主要為丘陵、平原區(qū)，人類活動較密集，Tennant法推薦流量情況詳見表2，流域內(nèi)無相關(guān)水產(chǎn)種質(zhì)及水生生物棲息地，故本次計(jì)算按照一般用水期分別計(jì)算多年平均流量的10%～30%，根據(jù)上述年徑流計(jì)算成果計(jì)算出各控制斷面相應(yīng)成果，表3為兩控制斷面通過Tennant法計(jì)算的徑流量成果。

表2 Tennant法推薦流量

表3 各斷面Tennant法計(jì)算成果 m3/s

3.2 90%保證率法

90%保證率法是指計(jì)算90%保證率最枯月平均流量作為生態(tài)基流的方法，根據(jù)興仁橋控制斷面逐年年內(nèi)徑流分析成果，選取1960—2015年共56 a最枯月平均徑流流量資料系列進(jìn)行頻率計(jì)算，根據(jù)興仁橋控制斷面1960—2015年56 a最枯月平均徑流流量經(jīng)頻率分析并點(diǎn)繪頻率曲線(見圖1～圖2)，頻率曲線采用P-Ⅲ線型，利用P-Ⅲ型曲線適線，矩法計(jì)算和計(jì)算機(jī)適線后得出各統(tǒng)計(jì)參數(shù)為:興仁橋多年平均最枯月流量Q興仁橋=0.59 m3/s，石岐橋多年平均最枯月流量Q石歧橋=0.3 m3/s。本次計(jì)算偏態(tài)系數(shù)Cs=2Cv=0.98，變差系數(shù)Cv=0.49。

圖1 興仁橋斷面1960—2015年逐年最枯月

圖2 興仁橋斷面1960—2015年最枯月徑流頻率分析曲線示意

表4統(tǒng)計(jì)了樂排河境內(nèi)石岐橋和興仁橋兩斷面不同頻率下多年平均徑流流量分析成果。顯然，興仁橋控制斷面處樂排河90%頻率枯水流量為0.26 m3/s；相應(yīng)地，利用水文比擬法計(jì)算可以得到石岐橋控制斷面處的90%頻率枯水流量為0.13m3/s。

表4 各斷面1960—2015年最枯月徑流特征值成果 m3/s

3.3 近10 a最枯月流量法

近10 a最枯月流量法是指統(tǒng)計(jì)分析近10 a最枯月平均流量作為生態(tài)基流的方法，根據(jù)興仁橋斷面近10 a年內(nèi)最枯月平均徑流流量及水文比擬法分析計(jì)算[10-11]。計(jì)算結(jié)果顯示石歧橋近10 a最枯月徑流量為0.35 m3/s，興仁橋?yàn)?.69 m3/s，各斷面成果見表5。

表5 各斷面近10 a最枯月徑流分析系成果 m3/s

4 樂排河生態(tài)基流確定

上述3種計(jì)算生態(tài)基流的方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，由于各個(gè)方法選擇的資料不同，所以得出的結(jié)果也有很大差別。對每種結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后并分析該統(tǒng)計(jì)成果的有效性，同時(shí)進(jìn)行合理的對比分析來最終確定樂排河的生態(tài)基流成果。樂排河各斷面采用不同方法計(jì)算及現(xiàn)有成果情況見表6。

表6 樂排河流域不同方法的生態(tài)基流成果 m3/s

1) 90%保證率法以56 a實(shí)測最枯月平均流量資料系列進(jìn)行頻率計(jì)算，取90%頻率的最枯月流量作為生態(tài)基流，此種方法著重考慮枯水期流量，適合作為樂排河旱警流量[10]。

2) 近10 a最枯月平均流量法雖然所取資料系列最接近當(dāng)前狀況，但是它資料系列較短，僅考慮到了近期河道來水量情況，對多年前河道來水情況未做分析，不具備代表性。

3) 樂排河水文資料系列長達(dá)56 a，利用Tennant法進(jìn)行計(jì)算分析具有步驟簡單且快速確定數(shù)值的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)表6可知，Tennant法中取多年天然平均徑流百分比30%及20%的最小生態(tài)需水量結(jié)果相對其它方法大部分偏大；Tennant法中若取多年天然平均徑流百分比10%的最小生態(tài)需水量及近10 a最枯月法結(jié)果則相對適中(石歧橋取為0.21 m3/s和0.35 m3/s，興仁橋取為0.42和0.69m3/s)；由于樂排河流域面積較小、且徑流豐枯比值越大的河流枯水期徑流量就越小，生態(tài)基流也就越大，枯水期就會很難保證河道最小流量所應(yīng)滿足的最低要求[12- 13]。不僅如此，水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院在2010年印發(fā)的文件——《水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)生態(tài)指標(biāo)體系與應(yīng)用指導(dǎo)意見》中強(qiáng)調(diào)南北河流生態(tài)基流取值有明顯差異?！兑庖姟分赋?，北方地區(qū)河流非汛期和汛期對于生態(tài)基流的取值有所區(qū)別，非汛期取值大于等于年徑流量的10%，而汛期為年徑流量的20%～30%。樂排河屬南方河流，《意見》表明南方河流生態(tài)基流取值可在90%保證率法與天然徑流量的10%之間取較大值；也可以用Tennant法，此時(shí)應(yīng)當(dāng)取徑流量的30%以上。

綜上所述，認(rèn)為本次樂排河流域各斷面的生態(tài)基流采用多年平均天然徑流量的10%的成果即石岐橋控制斷面生態(tài)基流取0.21 m3/s，興仁橋控制斷面生態(tài)基流取0.42 m3/s。樂排河流域各斷面枯水期生態(tài)流量成果見表7。

表7 樂排河流域各斷面生態(tài)基流成果 m3/s

5 結(jié)語

本次研究設(shè)置兩個(gè)控制斷面，即石歧橋控制斷面和興仁橋控制斷面，前者枯水期生態(tài)流量采用Tennant法計(jì)算的多年平均天然徑流量的10%，計(jì)算結(jié)果為0.21 m3/s；興仁橋控制斷面采用水文比擬法計(jì)算，其?？菟谏鷳B(tài)流量為0.42 m3/s；觀察并分析結(jié)果認(rèn)為：

1) 樂排河流域內(nèi)攔蓄水、引調(diào)水工程需落實(shí)完善生態(tài)流量泄放設(shè)施及相應(yīng)的運(yùn)行調(diào)度方案，并將其納入工程總體運(yùn)行調(diào)度，且嚴(yán)格執(zhí)行；

2) 樂排河流域內(nèi)蓄水工程平水年及枯水年運(yùn)行中保證生態(tài)流量泄放及生產(chǎn)生活用水后應(yīng)盡可能攔蓄水，以保證緊急需水時(shí)有水可用；

3) 樂排河流域豐、平水年調(diào)度方案以10月—翌年3月為關(guān)鍵調(diào)度期，在保證生態(tài)流量不破壞的基礎(chǔ)上，盡力保證流域內(nèi)用水戶的用水需求，必要時(shí)采取節(jié)水措施、限制農(nóng)業(yè)取用水；

4) 樂排河流域控制斷面應(yīng)設(shè)置流量觀測設(shè)施，以保證能夠及時(shí)反映樂排河水生態(tài)環(huán)境情況，以便采取適宜補(bǔ)水方案。