沅水下游河段生态基流估算研究

刘华平，殷国仕，王勇泽

(湖南水利水电职业技术学院，湖南 长沙 410131)

我国地形独特，水能资源丰富，水能资源的开发利用不会带来二次污染，也不会造成水资源量的减少，世界各国几十年来都进行了积极的开发利用。建国以来，我国对水电工程的规划建设给予了高度重视，多个流域的水电开发积极推进，并投入运行。梯级水电开发为社会带来丰厚效益的同时，也不可避免的带来了一定程度的生态问题，梯级水电开发区域生态环境受到了不同程度的影响。

从20世纪40年代以来，各国就对环境健康进行了一系列的研究。到了20世纪90年代，河流生态环境健康发展也逐渐成为各国学者关注的课题，生态需水更成为该课题的研究焦点。Covich提出生态需水就是维持和恢复河流生态系统健康所需的水量。Rashin等提倡水资源可持续利用，河流、湖泊和湿地等水域需要一定的水量维持其基本的生态功能，却没有得出明确的计算方法。Junk在研究洪泛区物种的多样性时提出了生态洪水脉冲的概念。随着国际上河流生态健康研究的发展，我国一些学者和专家对于生态健康和生态流量的定义和计算方法也提出了一些观点和看法。汤奇成将水资源开发划分为生态需水和国民经济需水两部分，水利部后来的论证中提出在水资源优化配置中考虑生态需水问题。刘昌明等提出了“四大平衡”原则，分析了生活用水、生态用水和生产用水之间的关系。崔保山等对湿地生态环境健康发展所需的生态流量阀值进行了探讨，初步得出了生态需水量的评价指标和计算方法。

侠义上的生态需水指在特定区域特定条件下，能满足河流健康发展的最小流量。沅水是湘江的主要支流之一，水能资源丰富，水能资源的开发对沅水的径流调节带来了很大影响，破坏了沅水流域生态系统的可持续发展。保证一定的生态基流量对于恢复受损的河流生态系统具有重要作用。文中以沅水下游段为例，提出了适合该地区的生态基流量估算方法，为沅水流域生态系统恢复和水资源合理配置提供依据。

1 研究区概况

沅水流域覆盖湘西、黔东、渝东与鄂西部分地区，流域南北长而东西窄，呈自西南斜向东北的矩形。总流域面积 90000km2，其中:湖南省占57．3%，贵州省占 34．1%，重庆和湖北共占8．6%。流域属东亚季风区，为亚热带季风气候，流域内温湿多雨，四季分明，多年平均气温在14．3℃ ～17．2℃之间，有自西向东递增的趋势，极端最低气温在-6℃以下(一月份)，极端最高气温为42．5℃(八月份)。流域降雨受季风和地形影响，一般以南部和北部山区的降水量较多，中部偏西地区降水量较少，多年平均降水量为1090～1506mm。

沅水是长江第三大支流，也是洞庭湖水系湘、资、沅、澧四水中水量最大、水能资源蕴藏量最丰富的河流。沅水发源于贵州省都匀县的云雾山和麻江县的平越山。源头马尾河与重安江流至叉河口汇合后名清水江，至黔城汇渠水后始称沅水。途中有流域面积3000km2以上的七条支流汇入:左岸有支流舞水、辰水、武水和酉水，右岸有支流渠水、巫水和溆水，其中酉水是沅水最大的支流。沅水干流总长1028km，总落差1033m;沅水最下游的凌津滩水电站坝址多年平均流量2090m3/s，多年平均径流量659亿m3;整个流域于湖南常德注入洞庭湖。

2 数据和方法

2.1 数据资料

桃源水文站设立于1948年1月，1951年1月上迁750米，1953年1月下迁750米。该站位于湖南省桃源县漳江镇延溪村。东经111°29'，北纬28°54'，属长江流域沅江水系，河名为沅江。该站为沅江流域的江河治理、防汛抗旱、水资源开发利用及水工程的建设管理，系统地收集水文资料，是沅水干流总控制站，属国家重要水文站。集水面积85223km2，干流长983km，距河口50km。测验项目有:水位、水温、流量、泥沙、泥沙颗粒分析、水质、降水量、水面蒸发量，并负责牛车河、茶庵铺、王家湾、龙潭水、芭茅洲、小陬溪、黄土塆、三里溪、黄石等九个委托雨量站的管理。建站至今实测历史最大洪水发生在1996年7月，水位46．90m，流量 29100m3/s。

生态基流的流量资料来源于桃源水文站，利用桃源水文站1959～2012年54年的流量资料进行分析。桃源站建站时间较长，下垫面情况变化很大，本次计算将水文站的流量按照水量平衡原则进行了还原，将其还原到天然径流情况。

2.2 方法

2.2.1 Tennant法

Tennant法也叫Montana法，在国内外得到广泛应用。该方法将平均流量的一定百分数来计算生态基流量，具有一定指导意义。此方法基于对美国11条河流的水文数据进行分析，得出了水生态环境健康发展与河道流量的关系(表1)。分析发现:平均流量的10%是维持河道生态系统健康发展的最小允许流量，其30%的流量能够为河道内的生物提供良好的生活和栖息环境。

表1 河道流量与河流生态健康关系

2.2.2 最枯月平均流量多年平均值法

该方法计算方法简单，原理清晰易懂，应用较为广泛，其计算公式为:

式中:Qm——第m月的河流生态基流量(m3/s);

Qij——第i月第j天的平均流量(m3/s);

n——统计年数。

2.2.3 90%保证率最枯月平均流量法

90%保证率最枯月平均流量法是通过年最小值法选样，统计出各年最枯月的平均流量，并对其进行频率分析，得出90%保证率的设计值。本文则是通过各年最枯日流量作为基础数据，经过频率分析得出各月的最小生态流量。

2.2.4 Hoope法

Hoope法是基于流量历时曲线，将流量历时曲线上17%所对应的流量定为淹没流量，40%定为产卵所需最小流量，80%定为水生物生长所需流量。

2.2.5 NGPRP法

NGPRP法是将流量资料按照丰、平、枯进行分组，对平水年组的流量进行频率计算，90%所对应的流量为生态流量。

2.2.6 Texas法

Texas法是基于各月流量数据，对各月流量进行频率分析，得出50%保证率下的设计值作为基准，取其一定的百分数作为各月生态流量。沅水流域下游根据典型植物及鱼类的水量要求，特定百分率取35%为宜。

3 沅水流域生态基流分析

沅水流域水能资源丰富，梯级开发的水电工程众多，分为上游、中游、下游几段工程，本次课题以下游河段的五强溪和凌津滩水电站控制河段为代表进行了河道生态基流的分析。

生态基流的流量资料来源于桃源水文站，利用桃源水文站1959～2012年54年的流量资料进行分析。桃源站建站时间较长，下垫面情况变化很大，本次计算将水文站的流量按照水量平衡原则进行了还原，将其还原到天然径流情况。然后利用上节中的六种方法进行了生态基流计算，计算成果见表2和图1。

表2 桃源站不同方法生态基流计算结果

图1 桃源站生态基流计算成果对比

4 结论

本课题采用以上六种方法对沅水流域下游段的生态基础流量进行了分析。从计算结果可以看出:六种方法计算结果存在较大差异，Tennant法得出的生态基础流量最小，其次是Texas法，再其次是90%最枯月平均流量法;Hoope法和最枯月平均流量法计算结果较大。造成其差异的原因是各种方法计算出发点不同。考虑到沅水流域的水资源情况，将Tennant法的计算结果作为河道流量的最低下限。

从六种方法结果对比图来看，采用最枯月平均流量法、Tennant法和90%保证率最枯月平均流量法等6种水文学方法对沅水流域下游段生态基流进行了计算，不同方法计算结果差距较大。最枯月平均流量的计算结果均高于其他方法，而Tennant法的计算结果则最低。Tennant法、90%保证率最枯月平均流量法和Texas法的计算结果相对较低，且能够满足沅水流域下游段河流生态环境的健康可持续发展。生态基础流量应为河流生态系统健康发展的最小流量，因此本文取Tennant法的计算结果作为沅水流域下游段的生态基础流量，更具合理性。

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