漳河水庫上游干流河道適宜生態(tài)環(huán)境流量研究

李莎莎，劉志強(qiáng)，陳崇德

(湖北省漳河工程管理局，湖北 荊門 448156)

漳河是長江中游北岸一級支流沮漳河的東支，發(fā)源于湖北省南漳縣荊山南麗之三景莊，流經(jīng)?？悼h、遠(yuǎn)安縣、東寶、于當(dāng)陽市兩河口與西支沮河匯合后稱沮漳河，再流經(jīng)枝江市、于荊州市臨江寺匯入長江。漳河水庫位于湖北省襄陽、荊門、宜昌三市交界處，總庫容21.13億m3，是以灌溉為主，兼有防洪、城鎮(zhèn)供水、發(fā)電、水產(chǎn)、航運(yùn)、旅游、改善環(huán)境等綜合效益的大型水利工程。水庫壩址以上河長142 km，集水面積2 212 km2，流域內(nèi)水生生物、陸生植物、陸生動物等資源種類較多，其中有國家珍稀瀕危及重點保護(hù)植物36種，國家重點保護(hù)野生動物51種[1]。根據(jù)河流的實際情況及相關(guān)規(guī)范要求，選取漳河干流中部的打鼓臺站和水庫入庫處沙灘河站作為研究對象，探討漳河水庫上游干流河道適宜生態(tài)環(huán)境流量。打鼓臺站(資料系列1963～2018年)和沙灘河站分別占流域集水面積的32.9%和60.4%，說明徑流資料是日平均還是月平均，具有較好的代表性，且符合典型性、穩(wěn)定性、實用性原則[2]。

1 漳河水庫上游河道適宜生態(tài)流量研究

1.1 頻率曲線法

按頻率75%以上的年份為枯水年，75%～25%為中水年，25%以下為豐水年分析，其中枯水年14個、中水年28個、豐水年14個。年內(nèi)分期為12～2月為枯水期、3～5月及9～11為中水期、6～8月為豐水期[3]。頻率曲線法適宜生態(tài)環(huán)境流量計算成果見表1、表2，表1、表2中最小生態(tài)環(huán)境流量為p=90%頻率流量，適宜生態(tài)環(huán)境流下限為p=75%頻率流量，適宜生態(tài)環(huán)境流上限為p=25%頻率流量，最大生態(tài)環(huán)境流量為p=10%頻率流量。

表2 沙灘河站頻率曲線法適宜生態(tài)環(huán)境流量計算成果 m3/s

1.2 濕周法

1)建立濕周流量關(guān)系。根據(jù)曼寧公式和謝才公式推導(dǎo)的濕周流量關(guān)系表達(dá)式：

(1)

式中：Q為流量，m3/s；n為糙率；A為斷面面積，m2；S為水面比降；P為濕周，m。

為消除坐標(biāo)軸比例的影響，將流量和濕周無量綱化[4]，分別取相對值Q′、P′即：

(2)

2)變化點的確定。建立濕周與流量的關(guān)系曲線，根據(jù)濕周流量關(guān)系圖中的拐點確定河流生態(tài)環(huán)境流量[5]?；?qū)?3)右邊求導(dǎo),計算濕周流量關(guān)系曲線上的最大曲率,進(jìn)而可計算最小生態(tài)流量[6]。

k=(d2P′/dQ2)/[1+(dP′/dQ′)2]3/2

(3)

3)河道斷面選取。以水文站實測流量斷面為依據(jù)(見圖1、圖2)。

圖1 打鼓臺水文站實測斷面圖

圖2 沙灘河水文站實測斷面圖

4)最小生態(tài)環(huán)境流量確定。根據(jù)式(1)～(3)計算，測流斷面無量綱濕周流量關(guān)系曲線見圖3、圖4。

圖3 打鼓臺水文站斷面無量綱濕周流量曲線圖

圖4 沙灘河水文站斷面無量綱濕周流量曲線圖

從圖1～圖4可以看出，打鼓臺與沙灘河水文站河床形狀為穩(wěn)定的寬淺矩形河道，符合《河湖生態(tài)需水評估導(dǎo)則(試行)》(SL/Z 479-2010)規(guī)定。由突變點確定的打鼓臺河道最小生態(tài)環(huán)境流量為1.37 m3/s，沙灘河河道最小生態(tài)環(huán)境流量為1.81 m3/s。

1.3 蒙大拿法(Tennant法)

根據(jù)《河湖生態(tài)需水評估導(dǎo)則(試行)》(SL/Z 479-2010)規(guī)定，將年平均流量的10%作為河流控制斷面生態(tài)環(huán)境需水量，年平均流量計算式為

(4)

式中，Qbi為生態(tài)環(huán)境需水年內(nèi)不同時段值，m3/s。

按(4)式的10%計算，打鼓臺控制斷面最小生態(tài)環(huán)境流量為1.03 m3/s，沙灘河控制斷面最小生態(tài)環(huán)境流量為2.54 m3/s。

1.4 其他方法

1)Qp法(不同頻率最枯月平均值法)。用每年的最枯月排頻，當(dāng)P=90%時：打鼓臺斷面最小生態(tài)環(huán)境流量Q=1.12 m3/s，沙灘河斷面最小生態(tài)環(huán)境流量Q=1.97 m3/s。

2)流量歷史曲線法。建立各月流量歷時曲線，當(dāng)P=90%時，各月最小生態(tài)環(huán)境流量值見表3。

表3 流量歷史曲線法計算成果 m3/s

3)7Q10法(最小流量法)。當(dāng)P=90%時，采用一年365 d都能保證的流量為最小生態(tài)環(huán)境流量，經(jīng)計算：打鼓臺斷面最小生態(tài)環(huán)境流量Q=0.92 m3/s，沙灘河斷面最小生態(tài)環(huán)境流量Q=1.2 m3/s。

1.5 成果評價

將頻率曲線法、濕周法、蒙大拿法、Qp法、流量歷史曲線法、7Q10法等不同計算方法求得的河道斷面最小生態(tài)環(huán)境流量成果繪在一張圖上(見圖5、圖6)，根據(jù)《河湖生態(tài)需水評估導(dǎo)則(試行)》(SL/Z 479-2010)和河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范(SL/Z 712-2014)擬定的河流生態(tài)環(huán)境流量等級標(biāo)準(zhǔn)(見表4)[7]，對上述幾種計算方法求得的河流最小生態(tài)環(huán)境流量成果進(jìn)行評價(見表5)。

圖5 打鼓臺斷面最小生態(tài)環(huán)境流量圖

圖6 沙灘河斷面最小生態(tài)環(huán)境流量圖

表4 河流生態(tài)環(huán)境流量等級 %

從圖5、圖6及表4、表5可以看出：頻率曲線法反應(yīng)了河道斷面各時期的實際用水需求，流量歷史曲線法反映了河道斷面最小生態(tài)流量，均符合的河道斷面的實際用水情況[8]；濕周法、蒙大拿法、Qp法及7Q10法等，全年采用同一生態(tài)流量，不適應(yīng)河道內(nèi)因季節(jié)性變化而產(chǎn)生的不同需水要求，甚至有可能出現(xiàn)枯水期和豐水期生態(tài)環(huán)境流量不相匹配的情況；其中濕周法、Qp法及7Q10法成果生態(tài)環(huán)境流量偏小，河流生態(tài)環(huán)境流量保障率低。綜合上述因素，推薦采用頻率曲線法成果(見表6與圖7、圖8)。

表5 不同計算方法的最小生態(tài)環(huán)境流量對應(yīng)的生態(tài)狀態(tài)評價

表6 逐月頻率法推薦適宜生態(tài)環(huán)境流量 m3/s

圖7 打鼓臺站推薦河道內(nèi)適宜生態(tài)環(huán)境流量圖

圖8 沙灘河站推薦河道內(nèi)適宜生態(tài)環(huán)境流量圖

2 結(jié) 語

研究表明，在現(xiàn)有調(diào)度水平的基礎(chǔ)上，采用頻率曲線法計算的干流河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境流量效果較好。因而，近20年來，漳河水庫上游干流河道生態(tài)環(huán)境流量均保證在最小值及以上。實踐表明，河道生態(tài)環(huán)境流量的改善，對生態(tài)環(huán)境影響較大，流域內(nèi)水生生物、陸生植物、陸生動物等資源種類或數(shù)量有了明顯的增加，如2019年冬季，流域內(nèi)發(fā)現(xiàn)中華秋沙鴨、鴛鴦等稀有動物增加了1倍以上，亞熱帶常綠闊葉與落葉闊葉混交林的植被特征進(jìn)一步顯現(xiàn)等。但是，由于人類活動的影響，生態(tài)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾突出，尤其是水土流失治理與水污染防治等，任重道遠(yuǎn)，流域生態(tài)脆弱性的基礎(chǔ)依然存在，應(yīng)引起有關(guān)部門的高度重視。