夏 威，郑炎辉，庞家锋,2

(1.广州丰泽源水利科技有限公司，广州 510663；(2.中山大学 土木工程学院，广东 珠海 519000)

1 概述

生态流量是维系河湖生态功能，控制水资源开发强度的重要指标，是统筹生活、生产和生态用水，优化配置水资源的重要基础，事关水安全保障和生态文明建设大局[1-2]。生态流量的确定方法主要有水文学法、水力学法、栖息地法和整体分析法四类[3-4]。水文学法应用广泛，但需要较全的历史水文数据，通过历史流量数据推求生态流量；栖息地法和整体分析法需要用到大量的流量、河道水力学和生物特征等信息，且方法本身比较复杂，在实际应用中常受到限制[5-7]。对于城市网河，由于水文监测站点分布不均及站点少等原因，往往面临着资料缺乏导致无法计算，即便运用数学模型也会遇到无实测数据进行模型参数的率定验证等问题。水力学法中的湿周法相较其他方法数据要求较高、易受人类活动影响、操作复杂等问题受限相对较少，因此应用比较广泛[8-9]。

目前生态流量工作的推进多以区域内重要河湖为对象，对于城市网河生态流量保障工作尚未有切实的抓手，因此，探索城市网河生态流量的确定方法、有效推进城市网河区域生态流量保障工作、积累实践经验，对逐步健全河湖生态流量管控体系、保障河湖生态健康具有重要意义。本文中，以三水区左岸涌为例，通过湿周法核算河涌生态流量，确定生态流量管控目标，健全生态流量保障体系，可为城市网河区生态流量保障工作的开展提供借鉴。

2 研究区域概况

2.1 河涌概况

左岸涌属于城市网河，是三水区乐平镇的主要排灌涌道，贯穿乐平镇湖岗、保安、竹山、念德、大岗5个村委会和南丰劳教所、三水农场，起于黄塘进水闸，与北江连接，止于凤岗水闸，汇入西南涌，全长约为23.52 km，流域面积约为86.86 km2。

2.2 主要控制断面

根据《水利部关于做好河湖生态流量确定和保障工作的指导意见》(水资管〔2020〕67)要求，本次控制断面的选择立足代表性、可行性、综合性，选择湖岗桥断面、礼义大道交汇断面、农场桥断面为生态流量控制断面(见图1)。

图1 左岸涌主要控制断面位置示意

3 生态流量计算

3.1 湿周法计算生态流量的流程

湿周法是水力学法中的一种常用方法，其将湿周作为衡量水生生境质量的指标，假设只要保护好临界区域水生生境的湿周，即可满足临界区域水生生物的正常生存需求，也可对非临界区的栖息地提供足够的保护。通过收集水生生物栖息地的河道尺寸及对应的流量数据，建立湿周流量关系，将湿周与流量关系中由陡峭转变为平缓的拐点对应的流量作为河流的最小生态需水，具体计算方法叙述如下：

1) 水力学参数计算

湿周～流量关系主要取决于河流断面的形状，一般可利用实测流量及断面资料得到。在没有实测流量资料时，可采用明渠均匀流方法利用曼宁公式计算得到：

(1)

式中：

Q——流量，m3/s；

A——过水断面面积，m2；

P——湿周，m；

J——水力坡度；

n——粗糙系数。

根据实测大断面资料，假定不同的水深，计算各控制站点相应的水力学参数。

2) 拟合相对湿周—流量关系

为消除确定临界点时坐标轴比例的影响，将流量和湿周无量纲化，根据不同河槽断面的湿周—流量关系的分析，可知三角形断面以及抛物线形断面的湿周与流量呈现出幂函数关系；而矩形和梯形断面的湿周与流量呈现出对数关系，湿周流量关系可以按照这两种关系进行拟合[10]。

对于规则断面，q与p的关系可以表示为幂函数或对数函数关系。

对数函数：

p=alnq+b

(2)

幂函数：

p=cqd

(3)

其中，

(4)

式中：

a、b、c、d——均为常数；

q、p——分别为相对生态流量、相对湿周；

Qm、Pm——分别为某一特征流量及其对应的湿周。

3) 确定临界点，得到生态流量

运用曲率法和斜率法确定临界点。在曲率法和斜率法中，河流生态流量分别按照p～q曲线上曲率绝对值最大点和斜率为1的点确定。

斜率1法求得的最小生态流量公式如下。

对数函数：

q=a

(5)

幂函数：

(6)

曲率最大法求得的最小生态流量公式如下。

对数函数：

(7)

幂函数：

(8)

除上述两种确定拐点的方法之外，现行《河湖生态环境需水计算规范》(SL/Z 712—2014)还推荐了1种经验方法，即以湿周率80%对应的流量或以最接近湿周率80%的转折点对应的流量作为河流最小生态流量[11]。

3.2 利用湿周法计算左岸涌生态流量

湿周法目前应用中是采用断面实测或一维的水力分析计算结果作为计算依据。本文通过收集左岸涌不同形态断面的实测资料，采用湿周法计算分析各断面的最小生态流量。

1) 断面资料获取

计算中所需主要资料为断面基础数据，项目过程中采用 SonTek M9 声学多普勒水流剖面仪对目标断面开展测流工作。M9采用全新的电子电路、软硬件设施，专为河流流量测验而设计，体积小巧、功能强大、易于操作，是迄今为止世界上最先进的测流仪器。

左岸涌为城市内河涌，河涌内流量受水闸等建筑物影响。在左岸涌上游有一黄塘水闸，测流期间水闸处于开启状态(现场测流如图2所示，M9数据界面如图3所示)。

图2 现场测流

图3 M9数据界面示意

2) 各断面湿周流量关系的建立

通过测流资料得到的断面数据如图4所示。对断面数据分析可知，湖岗桥断面、礼义大道交界断面、农场桥断面近似为抛物线断面，按照抛物线形断面拟合成幂函数的原则，分别对上述各断面的相对湿周与相对流量关系进行曲线拟合，各断面拟合结果见图5。

图4 ADCP实测的各断面形式示意

图5 各断面湿周流量关系拟合结果示意

3) 最小生态流量计算结果

分别按照斜率1法、曲率最大法和经验法(湿周率80%对应的点)得到各控制断面的最小生态基础流量。各断面计算得到的最小生态流量成果见表1。

表1 左岸涌各断面最小生态流量计算结果 m3/s

从计算结果来看，斜率法和曲率法计算得到的生态流量相对接近，二者与经验频率法计算结果比较差异较大。吉小盼[12]等用湿周法对西南地区河流生态流量的研究发现，采用经验法确定拐点，其生态学意义不明显，不同形态断面下计算的生态流量结果差异较大且无规律，在实际应用中可能会造成较大误差。王庆国、Gippel[13-14]等认为采用斜率法确定拐点较为合适，一般情况下可选择斜率为1的点。斜率法和曲率法确定转折点的方法在实际应用中均可采用，但由于曲率法确定的最小生态需水较斜率法偏小，部分断面的水力生境参数可能会低于检验标准，为更好保护河流生境，故本项目中重点关注斜率1法确定的生态流量结果。

4) 生态流量计算结果合理性检验

对于重点河湖的生态流量确定，一般需要采用多种计算进行结果比对，综合考虑流域水资源配置情况及相关规划要求，最终确定生态流量管控目标。对于城市网河区域，多数缺少水文、生境等资料，可采用的计算方法有限。由于生态流量与该流量条件下代表断面处的水深、流速等相关，为确定计算结果合理性，在此借鉴现行《水电工程生态流量计算规范》(NB/T 35091—2016)推荐的R2-CROSS法和生态水力学法的基本原理和参数要求[15]，综合确定生境参数的校核标准。

R2-CROSS法以河流平均水深、流速及湿周率等水利生境参数评估鱼类生境状况，可以用于计算分析小型河流的生态基流；河宽0.5～30.5 m的非季节性河流水利生境参数要求，平均水深不小于1/100的河宽、湿周率不小于50%、流速不小于0.3 m/s。生态水力学法主要以鱼类对河流水深、流速等水力生境参数及急流、缓流、浅滩、深潭等水力形态指标的要求评估河流生境状况，可以用于分析计算各类型河流的生态基流；其生境参数最低要求为平均水深不小于0.3 m，平均流速不小于0.3 m/s，湿周率不小于50%。综合两种计算方法指标要求，确定生境参数的校核标准见表2。

表2 计算结果合理性校核标准

各断面采用湿周法的计算结果所对应的水力生境参数见表3。由计算结果可知，各断面对应生态流量下的生境参数均能满足检验标准要求，所选择生态流量处于合理范围。

表3 计算结果对应的水力生境参数

4 生态流量管控目标确定

选择斜率1法计算的生态流量结果作为左岸涌生态流量的管控目标。左岸涌上游设有水闸，考虑关闸情况下流量基本为0，在此条件下考虑生态流量并不合适。因此，对于左岸涌这种城市内河涌，建议增加生态水位对相应流域生态管控方案进行补充说明。由于左岸涌流域内缺少相应生物及水文资料，本方案中采用景观水位定义生态水位。参考广州市河涌整治总体规划中首次提出的“景观水位”为珠基0.2～0.8 m，在旱季如有新水源，在没有防洪排涝需要情况下，可以提高到堤顶以下0.5 m，一般水深可以增加到1.5～2.5 m，有条件应尽量抬高水位[16]。本项目中，取0.5 m作本次生态水位高程值，控制断面农场桥断面河底高程约-1 m，对应水深为1.5 m，与城市河涌规划要求推荐值基本吻合，故暂取0.5 m高程作为本次控制断面生态水位要求值。

左岸涌有3个控制断面，后续有建监测站的计划，考虑工程量及工程投入，本方案将主要控制断面分为考核断面和管理断面，考核断面需要对生态流量进行监测、预警、保障和考核，管理断面的保障要求与考核断面基本一致，但不参与生态流量达标考核。对于本阶段，第一步将主要针对考核断面开展生态流量监测及保障实施工作，后续再可对其余断面加强监控，逐步实现生态流量全面有效管控。左岸涌生态流量(水位)管控目标见表4。

表4 左岸涌生态流量(水位)管控目标

5 生态流量保障体系构建

5.1 制定生态流量保障方案

考虑生态流量满足程度及河涌内的灌溉调度等需求，确保主要控制断面水量调度目标，应不低于生态基流要求。在分析梳理流域现有调度方案的基础上，提出生态流量保障方案。

1) 左岸涌生态流量保障要求

开闸状态下，需保障农场桥考核断面生态流量>5.79 m3/s；如遇特殊情况，如闸门检修、特枯年北江水位较低或受北江最小下泻流量管控要求等，导致河道流量低于生态流量要求，此时可考虑通过西边涌(左岸涌支流，连接乐平涌、左岸涌)从乐平涌引水。先关闭乐平涌下游的海州水闸，同时通过古云泵站往乐平涌补水，在满足乐平涌生态需求前提下，经西边涌来补充左岸涌生态流量。实际左岸涌生态流量受上游黄塘水闸和出口西南涌潮汐水位所影响，在闸门关闭状态下，主要受下游潮汐水位影响，农场桥断面生态水位要求不低于0.5 m，当水位低于0.5 m时，与上述方法相同，可考虑利用西边涌通过古云泵站进行补水。

2) 主要取水户控制要求

主要取水户指泵站灌溉取水，须严格执行各取水许可管理等有关规定：日取水量不超过取水许可核定的日最大取水规模，年取水量不超过取水许可核定的最大取水规模。在正常来水年份，各用水户可按计划正常取水；在枯水年份，积极采取节水措施，必要时限制农业用水，农业用水深度破坏不超过50%，古云泵站和黄塘水闸按最大取水量进行补水，调度后仍无法满足最小生态流量要求时，允许破坏，但破坏深度不超过20%。

3) 加强水资源管理

左岸涌流域的水资源开发利用和管理过程中，要把生态流量作为硬性约束指标，流域内涉水工程建设要充分论证和评估对生态流量的影响，确保生态流量不被破坏，守住河流生态底线。

5.2 生态流量监测与预警

左岸涌生态流量预警共设置蓝色、橙色、红色等3个预警级别。从便于操作、易实现角度出发，根据主要控制断面实测流量进行预警判断，预警的阈值线以主要控制断面生态管控目标为基准，按比例(80%、100%、120%)进行设置。水主管部门主导生态流量预警，逐日进行生态流量预警分析判断，重点关注非汛期(10月至次年3月)，根据主要控制断面的实测流量，按照表5设定的预警级别进行预警判断、定级，并形成相应的响应机制。

表5 主要控制断面生态流量预警判断条件

5.3 明确保障责任主体与考核要求

1) 责任主体

左岸涌生态流量保障的责任主体包括监管责任主体、保障责任主体以及调度执行单位。各级水行政主管部门为监管责任主体，按职权负责本区域内调度及生态水量保障方案的监督管理工作；地方人民政府为保障责任主体，按职权负责保障主要控制断面生态流量达到管控要求；流域主要控制性工程的管理单位为生态流量调度执行单位，应按水行政主管部门下达的调度指令，执行生态调度、保障河涌生态流量。

2) 考核要求

考核评价是加强生态流量管控的重要举措，原则上每年(水文年)开展1次生态流量保障情况考核，必要时按季度进行评价总结。以考核断面的实测日均流量系列为样本数据，根据生态基流的日均流量满足程度和最大破坏深度进行考核评价。根据枯水期来水保障率确定考核评价标准，考核评价结果分为“合格”与“不合格”2种，当考核断面的年度考核不合格时，相关保障责任主体应组织调度执行单位，根据实际情况分析断面生态流量不满足的原因，并提出相应整改措施。

6 结语与展望

本文以三水区左岸涌生态流量保障项目为例，通过开展现场测流工作获取河涌断面数据，采用湿周法确定了河涌生态流量管控目标，并将湿周法的生态流量计算结果对应的水力生境参数与R2-CROSS法和生态水力学法要求的水力生境参数进行比对验证，结果表明湿周法中以斜率1法确定的生态流量满足水力生境参数的要求，并以此作为左岸涌生态流量的流量管控目标。

考虑到城市网河受闸泵等水利工程影响的特殊性，特增加生态水位作为城市网河生态流量管控目标体系的补充，使生态流量管控工作更加合理化与可操作化。

在分析梳理流域现有调度方案的基础上，结合生态流量管控目标需求，提出左岸涌生态流量保障方案。

制定生态流量监测与预警体系，明确生态流量明确保障责任主体，确定生态流量考核方式及要求。

当前河湖生态流量保障工作的推进多以区域重点河湖为对象，对城市网河生态流量保障工作尚无完善的指导体系，三水区左岸涌生态流量保障工作的实施，对进一步开展城市网河生态流量保障工作、完善河湖生态流量管控体系、保障河湖生态健康具有一定推动与借鉴意义。