计算河段最小生态需水的生态水力学法

'水利学报年月第卷第期文章编号计算河段最小生态需水的生态水力学法李嘉王玉蓉李克锋芮建良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华东勘测设计研究院浙江杭州摘要水文学法与水力学法对河道生态需水量采用的方法都比较宏观没有仔细考虑水生生物水力生境需求本文提出了计算河道最小生态基流量的生态水力学法该法是通过目标水生生物适宜的水力生境确定河段最小生态需水量文章对河道水力模拟水生物生境描述等理论进行了研究同时结合目标水生生物对水力生境的需求重点研究水深流速湿周水面宽过水断面的面积水面面积水温等水力生境参数急流缓流浅滩及深潭等水力形态的指标表现形式本文提出的生态水力学法具有直观定量的特点为河道确定生态基流量提供了一套较具体可行的方法关键词生态基流量生态水力学法概念指标表现形式中图分类号文献标识码引水式水电站建成后在坝址到厂址之间形成很长距离的减脱水河段随着下泄流量减少减水河段内水深流速水面宽水面面积相应减小对河道内水生生态造成极大影响保护生态环境避免水资源掠夺式开发就必须在水资源配置中保证河道在一定时间一定空间内具有符合质量和数量要求的水量故从开发与环境保护并重的角度出发就必须采取下泄生态流量的保护措施对不同的河道下泄的生态流量应根据河道生态环境需水进行调控目前国内对河道生态环境需水量的确定仅限于水文学法及水力学法这些方法对于确定规模较大社会地位较重要的河流内维持水生生物生态系统稳定所需要的生态基本水量问题都具有不足之处作者在分析这些方法的优缺点后提出适合于确定大中型河流水生生物基流量的生态水力学法为我国生态环境需水量计算方法提供探索性研究国内研究现状目前国内计算河道生态需水量的普遍方法有水文学法及水力学法水文学法水文学法主要有法该法根据水文资料以年平均径流量的来确定河道内水生生物生态基流量认为该流量是保持大多数水生生物短时间生存所推荐的最低瞬时径流量法的缺点是比例确定困难不同区域不同需水类型不同保护对象生态健康程度与流量的比例关系不同需要分析调整法中流量百分比标准是否符合当地河流情况而调整后的流量也仅仅是人们直接感知的其理由缺乏一定的说服力未考虑水量的年内分配水生生物对流量的要求在不同季节应有所不同法根据多年平均流量的一定比例统一划定没有考虑水量需求的年内变化问题与水生生物生境要求不符合适用条件局限性法不是从具体的水生生物生境需求角度出发因此该法只能作为河流进行最初目标管理作为战略性管理方法使用水力学法水力学法是通过河道几个断面的水力参数确定河道生态需水量主要有湿周法及收稿日期基金项目国家自然科学基金重大项目国家自然科学基金资助项目作者简介李嘉男四川重庆人博士教授主要从事环境水力学研究 法湿周法是通过绘制临界栖息地区域通常是浅滩湿周与流量的关系曲线根据曲线上的转折点确定河道推荐流量值湿周法的缺点是受河道形状影响三角形河道无明显的增长变化点河床形状不稳定的河道没有稳定的湿周流量关系曲线这两种河道均难以用湿周法判别法采用浅滩断面河流宽度平均水深平均流速以及湿周率等指标来评估河流栖息地的保护水平从而确定河流目标流量其缺点是容易产生误差水力学法根据河流几个断面的实测资料确定相关参数将其代表整条河流容易产生误差体现不出季节变化因素法规定了一个统一标准通常不能用于确定季节性河流的流量标准的制定仅限于中小河流法仅针对河宽小于的中小河流进行标准设定对河宽大于的河流法标准只能作为参考我国西南地区大中型山区河流水资源丰富在梯级开发的过程中下游形成减脱水河段上述方法对于确定其水生生物最小生态基流量问题存在不足法的结果仅能作为前期参考湿周法不适用于山区字形河流法对于大中型河流仅通过河流几个断面确定相关参数代表性不强针对上述方法确定大中型山区河流水生生物最小生态基流量可信度低的问题下面作者们提出一种基于整个减水河段微生境模拟计算河道最小生态基流量的生态水力学法生态水力模拟法的基本概念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深流速湿周水面宽过水断面的面积水面面积水温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模型分三大块见图一是河道水生生境描述该模块调查分析水生生物对水深流速等水力生境参数的最基本生存要求分析水温变化对水生生物的影响分析水生生物对急流等水力形图生态水力学法的示意态的基本生存要求二是河道水力模拟利用水力学模型对研究河段进行一维三维水力模拟计算不同流量时研究河段内各水力生境参数值的变化情况通过一定的水力生境指标表现形式将模块一与模块二有机的结合并用简明的方式表现出来三是河道水生生态基流量的决策由水文水资源水力环评水生生态工作者依据水力生境指标表现形式结合河道的来水过程当地的社会经济发展状况及政策等综合确定河道生态基流量该法将生物资料与河流流量研究相结合计算结果定量化计算成果具有可操作性计算中考虑了水力生境参数的全河段变化情况计算结果更具全面性考虑了季节性河流年内变化情况但需一定人力及物力投入且仅适用于大中型河流确定河道内的水生生物生态需水流量生态水力模拟法的指标表现形式生态水力模拟法的核心部分是水生生物水力生境的指标表现形式在水力模拟模块中存在以下几个问题模块一中利用水力学模型对减水河段进行水力模拟计算在不同工况下水深流速水温等水力要素沿程变化情况假设在某一下泄流量?某一个月份月减水河段水力模拟为一个计算工况因不同月份研究河段区间汇入水量可能有较大变化造成在同一下泄流量时各月份河道水力参数值不同一年有个月就对应个工况根据研究的具体情况确定几个有代表性的下泄流量如和?种下泄流量就对应了个计算工况计算结果繁多存在如何将繁多的计算结果用最简单直观的形式表示以展现水生生物存在的河道中水力生境的变化在将河道内水力参数的计算结果用最简单直观的形式表示时要结合模块二中研究河段内水生生物对生存环境的需求 分析使计算结果具有直观简单的同时又能反映水生生物对河道水力生境的适应程度作者针对以上问题为便读者理解文中以雅砻江锦屏二级水电站修建后从猫猫滩闸址至大水构厂址减水河段为例分不同的季节提出了水力生境指标的表现形式枯水季节指标表现形式普遍认为枯水期流量对于维持河流的自然温度状态保持河道内及边缘生境比例及丰富度保持河流水质维持鱼类栖息地有重要的意义故保证枯水期河道内水量对满足水生生态的基本需求非常重要在枯水期决大多数鱼类处在非产卵期鱼类活动较少对水量需求相对较少只需满足其最基本生存需求即水生生物鱼类对水深流速湿周水面宽过水断面的面积及水面面积等水力参数有一个最低限度要求当减水河道内因下泄水量减小时河道内水力参数总体上呈下降趋势水生生物将从舒适的生活环境降到适宜的生活环境当河道内水力参数降到某一低限值时对水生生物的生存将造成不可逆转的威胁这是一个基本生存的极限值低于该极限值水生生物的生存将不能得到保证关于水生生物所适应的水力参数极限值与水生生物种类水生生物保护的程度河流的规模等有关国内关于这方面的研究较少国外研究认为一般平均水深不应低于平均流速不应低于湿周占多年平均流量的湿周百分比不应低于仅靠这些数据简单判定缺乏全面性作者在此提出枯水期水力指标表现形式如下分别绘制枯水期减水河段下泄不同流量情况下最大水深平均水深平均流速湿周水面宽过水断面的面积等水力参数随沿程变化情况图从图中很直观的看出各水力要素的分布变化情况及相对减小比例如不同下泄流量时平均水深沿程变化示意图见图统计枯水期减水河段下泄不同流量情况下图不同下泄流量平均水深沿程变化示意最大水深平均流速水面宽湿周率等水力参数在不同区间值时的河段长度及占整个减水河段长度的百分比以锦屏二级水电站减水河段平均水深为例见表从表中可清晰确定不同下泄流量时平均水深的区间变化当猫猫滩闸址下泄不同流量时河道内断面平均水深均大于满足法中平均水深的要求在流量为?时河段内平均水深均大于满足锦屏二级水电站减水河段鱼类对平均水深的要求此分析可避免因某一段减水河段参数偏低而该段在整个减水河段中所占比重非常小单凭最低值进行判断所造成的判断失误表闸址下泄不同流量时减水河段内平均水深分级变化情况?????平均水深河道长度百分比河道长度百分比河道长度百分比河道长度百分比河道长度百分比分级??????小计绘图表示枯水期减水河段下泄不同流量情况下水面面积情况以锦屏二级水电站减水河段?水面面积为例见示意图从图中直观的看出在某一下泄流量时整个减水河段水面面积的变化情况比较不同流量时水面面积图很直观的看出不同下泄流量时水面面积的变化情况同时统计不同流量情况下水面面积大小及占枯水期多年平均流量情况下水面面积的百分比以锦屏二级水电站减水河段计算数据为例见表从表中准确的得出不同下泄流量时水面面积的变化情况根据枯水期统计结果对缓流型河道急流型河道浅滩及深潭的概念进行界定以锦屏二级水电站减水河段为例规定断面平均流速大于等于?时水流形态为急流断面平均流速在 时水流形态为较急流断面平均流速在时水流形态为较缓流断面平均流速小于时水流形态为缓流该规定对于不同的河流应根据具体情况确定统计缓流型急流型较急型较缓型河段的段数河段长度范围及该种类型河段段数占总的类型河段段数的百分比见表当流量大时急流段长度偏多缓流段长度偏少当下泄流量减小后原为急流的区域被打断变为急缓相间当流量继续减小全是缓流多样性消失从统计结果来看即便流量降到时其水流的各种形态依然存在以此确定适宜鱼类生存的流态生境是否存在为了直观的看出水流形态的变化可用不同的颜色代表不同的流态在水面面积图上用对应的颜色逐段填充即绘制不同流量情况下河流形态随沿程的变化情况图表不同下泄流量时水面面积变化情况流量??水面面积?水面面积减小?百分比图闸趾下泄?流量时水面面积表不同流量情况下水力形态?????水力形态段数长度段数长度段数长度段数长度段数长度急流较急流较缓流缓流小计根据枯水期计算结果对浅滩及深潭的概念进行界定以锦屏二级水电站减水河段为例规定最大水深大于等于时为深潭某断面中间位置的河底高出水面为河心滩某断面靠河边位置河岸边坡小于在范围内水深小于为浅滩其中在左面具有该水力条件的为左滩地右边具有的为右滩地左右均有为左右滩地分析计算断面在不同下泄流量情况下滩地及深潭的变化情况因浅滩水流速度小物质丰富是鱼类捕食产卵孵化的生存基地是底栖动物的密集栖息地而底栖动物又是鱼类的主要食物之一因此保护好浅滩栖息地是保护好水生生物生存的重要手段深潭是鱼类藏身越冬的场所保护深潭也是保护好水生生物生存的条件通过不同下泄流量情况下滩地及深潭的变化情况可看出流量减小后滩地及深潭的变化情况见表通过上述枯水期指标表现形式可综合确定枯水期最小生态下泄基流量汛期指标表现形式汛期因鱼类的产卵孵化繁衍等生活习性的要求对水流量的需求提高水生生物的生态需水量应该是一个随水文变化而年际年内变化的动态过程但汛期支沟汇入水量增加较大有些减水河段支沟的汇入水量汛期是枯期表不同流量情况下滩及潭统计情况的几倍这对减水河段水生生物的繁衍是一个有?????水力形态利的水量补充为了展现因支沟水量的增加而改个数个数个数个数个数善的水力环境汛期指标表现形式如下深潭左滩地在支沟流量年内变化较大段选取典型断右滩地面绘制在不同流量时选取的典型断面在枯水期左右滩地及汛期过水断面变化图并在图边标明该断面在河心滩小计枯水期及汛期各水力要素值以锦屏二级水电站 减水河段猫猫滩闸址下泄时距猫猫滩闸址的汛期月与枯期月的断面图为例见图从图中清晰的看出减水河段某一断面汛期因支沟水量增加而引起的水力参数变化的幅度断面平均流速断面最大水深断面平均水深过水断面面积水面宽湿周佛汝得数图下泄时某断面枯期与汛期断面统计汛期减水河段下泄不同流量情况下最大水深平均流速水面宽湿周率等水力参数在不同区间值时的河段长度及占整个减水河段长度的百分比形式与枯水期的节相同比较汛期与枯水期各水力参数的区间变化情况综合确定汛期最小生态下泄基流量年内变化指标表现形式水温对水生生物的生存是一个非常重要的影响因素它直接影响到鱼类的产卵孵化繁衍一般减水河段上游修建挡水建筑物之后下泄水量的温度要降低但下泄水量的减小又会使河道内水温升高故要模拟减水河段内水温的年内变化与自然状态进行对比其表现形式如下绘图表示各月份在不同下泄流量与天然状态时年内各月份水温的沿程变化情况制表表示河道某些控制断面在不同下泄流量时年内水温值通过上述指标表现形式来判断水温的变化是否在正常水温范围内该水温变化能否满足鱼类产卵对水温的要求结论生态水力学法模型分三大块一是河道水生生境描述二是河道水力模拟三是河道水生生态基流量的决策文中重点讨论了河道水力模拟的繁杂结果如何简明直观的表达以体现水生生物对河道水力生境的适应程度问题作者分枯水期汛期及年内等不同季节提出了水力生境指标的表现形式在表达过程中作者引用了雅砻江锦屏二级水电站减水河段的部分计算结果给予演示说明为便于读者理解水力生境指标表现形式作者给出锦屏二级水电站枯水期下泄流量时减水河段各项水力生境指标汇总结果见表及表水生物学者水力学者与环境评价专家经过研讨认为在枯水期流量时生态水力学法模拟的减水河段内各项水力生境条件值可以满足减水河段鱼类的生存表枯水期下泄?流量时减水河段各项水力生境参数指标汇总生境参数指标最低标准累计河段长度的百分比最大水深鱼类体长的倍平均水深平均速度?水面宽度湿周率过水断面面积水面面积水温适宜鱼类生存繁殖 表枯水期下泄?流量时减水河段各项生境形态指标汇总生境形态指标概念界定计算结果急流平均流速?较急流平均流速??流态段数无较大变化急流较急流段累计较缓流平均流速在??河段长度减少缓流平均流速?深潭最大水深浅滩及深潭个数无较大变化浅滩河岸边坡范围内水深作者在回顾国内计算生态需水量的水文学法及水力学法的基础上提出了计算生态需水量的生态水力学法对生态水力模拟法的一般概念给予了定义生态水力学法在计算生态需水量中考虑了水力生境参数的全河段变化情况避免了因某一段减水河段参数偏低而该段在整个减水河段中所占比重非常小单凭最低值进行判断所造成的判断火误计算结果更具全面性生态水力学法为季节性大中型河流开发过程中确定河道内的水生生物生态需水流量给予了有效的方法该方法目前在探索阶段有待进一步完善参考文献倪晋仁崔树彬李天宏金玲论河流生态环境需水水利学报杨志峰张远河道生态环境需水研究方法比较水动力学研究与进展董哲仁河流形态多样性与生物群落多样性水利学报吴持恭水力学北京高等教育出版社出版责任编辑吕斌秀'