表 1 各水文站河段水力参数
水文站
温 波 甘 孜 雅 江
糙率
0.023 0.028 0.034
水力坡度
10 /10 000 11 /10 000 31 /10 000
生态流速 / (m· s-1)
0.7 0.7 0.8
生态水 力半径 /m
0.363 3 0.454 3 0.341 5
3.2 确定流量与水力半径的关系
2 基本数据的选择
由于利用水力半 径法计算河道内生态需水量 , 需要计算河 道的过水断面面积 A、湿周 P等基本参数 , 所以只有同时具有河 道实测大断面资料 、流量 Q、水位 Z等资料 , 方能应用 该方法计
算河道内生态需水量 。在 此选 用雅砻 江干 流河段 温波 、甘 孜和 雅江 3个站的实测大断面资料 、月平均水位 、月 最高水位 、月最 低水位 、月平均流量 、月最大 流量 、月 最小 流量等 水文 资料 , 来 计算雅砻江各站各年 的河道内生态需水量 。
年平均流量
581.62 870.01 470.44 566.45 659.97 530.61 755.08 771.59 879.06 712.68 450.26 827.07 735.38
水力半径法 生态流量
109.88 168.56 100.41 114.39 130.58 105.93 158.01 159.32 173.07 180.91 137.32 152.80 145.45
川陕哲罗 鲑以 高原 鳅 属鱼 类 、水 生昆 虫及 藻 类和 植 物为 食 , 多栖息于激流深潭中 , 每年 3 ～ 4月份 , 成双前后追逐 , 行繁 殖活动 。 冬季潜入深沱或南下 。据周仰 景等指出 [ 6] , 本种产卵 场位于河流上 下游 均 有急 流深 水 的近 岸 缓流 区 , 底为 沙 或砾 石 , 水深 15 ～ 80 cm, 水温 4 ～ 10 ℃。 筑 巢产 卵 , 巢直 径 150 ～ 300 cm, 巢内流速为 0.4 ～ 0.6 m/s。 据了 解 , 研究 区内川 陕哲 罗鲑每年在 4月份成 对上 溯到阿 坝县 柯河林 场流 域和玛 柯河 大桥附近至班玛林场 流域进行产卵 [ 6 -7] 。
分布于研究区内的鮡科鱼 类多生活在急流 多石的场 所 , 常 贴附于石上 , 用匍匐的 方式 , 从 一处转 移到 另一 处 ;杂食性 , 主 要以水生昆虫及其幼 虫为 食 。 卵多 产 于急 流的 乱石 缝中 。 排 出的卵常黏合成片地 附于石块或沙砾上 。
确定满足河道 内水 生生 物生 活栖 息的 生态 流速 v生态 。 不 同鱼类的洄游流速不 同 , 一般为 0.4 ～ 2.5 m/s。 根据 实地调查 结果 , 该河流中的鱼类主要为软刺裸裂尻 鱼 、厚 唇重唇鱼 、短须 裂腹鱼 、青石爬鮡等 , 这 4种鱼 类占渔 获物 质量的 90.68%;裸 腹叶须鱼 、青石爬鮡 、细尾 高原鳅 和拟 硬刺高 原鳅 鱼类所 占渔 获物质量的 9.32%。 根据保护川陕哲罗鲑的需要 , 其生态流速 采用 0.7 m/s或 0.8 m/s, 根据河道糙率 、河道水力坡 度等计算 过水断面的生态水力 半径 (见表 1)。
3 计算过程与结果分 析
3.1 计算生态水力半径
已有资料表明 , 裂腹鱼 亚科鱼 类主 要分布 在海 拔 3 000 m 以上的冷水性高原湖河及黄河 、长江上 游干支流 水域 。 其抗缺 氧 、耐低温的生物学特 性使其 在高 原水域 的分 布较 为广泛 , 长 期的水域隔离演化 , 形 成了具 高原 特异性 的鱼 类区 系分布 , 对 高原咸淡水系的生态 平衡具有深远意义 。 一般 而言 , 栖息在咸 水湖泊的裂腹鱼亚科鱼类 (如青海湖裸鲤 )具有生殖洄游 习性 , 即到繁殖季节时 , 成年 个体洄 游至 入湖淡 水河 流进 行产卵 , 结 束产卵后又返回咸水 湖泊 , 其生长发育始 终依赖咸水 湖泊的生 境 。 但是 , 分布在江河 及其支 流的 裂腹鱼 亚科 鱼类 其生长 、发 育和繁殖始终在淡 水中进 行 , 在环 境适宜 、河 水流 量无季 节性 变化时 , 常就近 选择 水 流缓 慢 、水 质清 澈 、多 沙砾 的水 域 中产 卵 。 如中华裂腹鱼和重口裂腹 鱼略具生殖洄游 习性 , 即就近无 法找到适宜的 产卵 场 时 , 进行 短 程洄 游选 择 更适 宜的 产 卵场 地 。 而其他研究区裂腹鱼 亚科 鱼类 并未 生 殖洄 游习 性 。 产卵 场多在河道水深为 1 m左 右的 缓流处 , 水 底多 卵石 或沙砾 , 水 温 10 ℃左右 [ 2-3] 。
Tennant法生态流量
116.32 ～ 174.49 174.00 ～ 261.00 94.09 ～ 141.13 113.29 ～ 169.94 131.99 ～ 197.99 106.12 ～ 159.18 151.02 ～ 226.52 154.32 ～ 231.48 175.82 ～ 263.72 142.54 ～ 213.80 90.05 ～ 135.08 165.41 ～ 248.12 147.08 ～ 220.61
第 10期 吴春华等 :生态 水力半径法计算河道内生态需水量研究
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鳅科鱼类多栖息 于环 流湖泊 或沼 泽地多 植物 丛生的 浅水 处 , 或栖息于大江小河岸边浅水处 , 底质为 细沙 、砾石 。 它们常 停留在石砾缝隙之间 或游至流水表层 , 以 落入水中的 昆虫或水 生动植物为食 。 繁殖 旺季一 般在 4 ～ 7月 份 , 产卵 场选择 多沙 石或河岸边浅水处 , 无生殖洄游习性 [ 4 -5] 。
表 2 温波站逐年河道内生态需水量
m3 /s
年 份
1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2002 2003 2004
年平均流量
93.84 155.56 84.03 81.79 95.31 74.66 112.16 124.08 132.70 68.85 118.47 83.00
水力半径的计算 公式 为 :R = n3/2v-3/2J-3 /4, 即 水力半 径可 以用河道的糙率 n、水力坡度 J和过水断面的平均 流速 v表示出 来 , 其中糙率和水力坡度 是河道 本身的水 力学 参数 (即河 道信 息 ), 若将过水断面平均流速赋予生物学意 义 , 即上文 所述的生 态流速 (如鱼类产卵洄 游的流速 )v生态 作为过 水断 面的平 均流 速 , 那么此时的水力半径 就具有 生态学的 意义 了 (即生态 水力 半径 )R生态 , 然后再用 这个 生态水 力半 径来推 求该 过水断 面的 流量 , 即为可以满足河 流生 态功 能 (如鱼类 洄游 )所需要 的生 态流量 , 进而可得到保持 河流基 本生态功 能 (如满 足水生 生物 及鱼类洄游 )所需的生态需水量 。
第 30 卷第 10期 人 民 黄 河 Vol.30, No.10 2008 年 10月 YELLOW RIVER Oct., 2008
图 1 温波水文站 Q— R关系 (2003 年 )
3.3 生态需水量的计算
生态需水量用 流量 来表 示 。 根据 上面计 算的 生态水 力半 径和温波 、甘孜 、雅江站水力半 径与流量的统计 函数关系 , 可得 各站水力半径与流 量之 间的 曲线回 归方 程 。 各站 逐年满 足水 生生物生活和栖息的 河道内生态需水量 (见表 2、表 3、表 4)。
表 3 甘孜站逐年河道内生态需水量
m3 /s
年 份
1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986
年平均流量
356.23 321.37 321.48 276.11 217.84 313.12 193.83
水力半径法 生态流量
76.76 66.33 57.31 55.52 53.52 41.64 47.49
水力半径法 生态流量
24.36 29.81 22.68 20.72 17.20 18.21 31.57 30.76 24.16 21.03 19.67 23.74
Tennant法生态流量
18.77 ～ 28.15 31.11 ～ 46.67 16.81 ～ 25.21 16.36 ～ 24.54 19.06 ～ 28.59 14.93 ～ 22.40 22.43 ～ 33.65 24.82 ～ 37.22 26.54 ～ 39.81 13.77 ～ 20.66 23.69 ～ 35.54 16.60 ～ 24.90
Tennant法生态流量
71.25 ～ 106.87 64.27 ～ 96.41 64.30 ～ 96.44 55.22 ～ 82.83 43.57 ～ 65.35 62.62 ～ 93.94 38.77 ～ 58.15
表 4 雅江站逐年河道内生态需水量
m3 /s
年 份
1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004
1 生态水力半径法
生态水力半径法 的提出 [ 1] 主 要是 针对天 然河 道某一 过水 断面的生态流量提 出的 , 是一 个比 较宏观 的物 理量 , 故有 两点 假设前提 :一是假设天 然河道 的流 态属于 明渠 均匀 流 ;二 是流 速采用河道过水断面 的平均流速 , 即消除 过水断面不 同流速分 布对于河道湿周的 影响 。 生态流 速是 指为了 保护 一定的 生态 目标 , 即使河道生态系 统保持 其基 本的生 态功 能 , 河道内 基本 保持的水流流速 , 用 v生态 来表示 。生 态流速所 对应的水 力半径 为生态水力半径 。生态目标 包括 :① 水生 生物及 鱼类对 流速的 要求 , 如鱼类洄游的流速 、栖息 地生活的流水流速 ;② 保持河 道 输沙的不冲不淤流速 ;③ 保持河道 防止污染的 自净流速 ;④ 若 是入海河流 , 要保持一定入海水量的流速等 。
利用 实测大 断面资 料 、水位资 料 , 即 可求得 不同水 位条件 下的河道过水断面 的水 力半 径 。 根据 流量序 列和 计算的 水力 半径 , 即可求得流量与水力半径的 关系 (见图 1)。 利用 幂函数 进行拟合 , 得到 2003 年 水 力 半径 与 流 量 的 统 计 函 数 关系 如 图 1, 复相关系数 为 0.926 2。