1 计算原理

在西南山区河流中，生态水量对于适应急流生境的冷水鱼类来讲至关重要。因为，生态水量是威胁其生存环境的主要原因之一。 特别是在枯水月份，一些冷水鱼开始产卵，对最低平均流速、平均水深等各项水力生境指标的要求较高，因此，下泄的生态水量必须满足这些鱼类产卵的最低限值。通过比较各种生态需水量计算方法计算原理和适用条件可知[1，2]，修正 R2-Cross法的水力参数标准是根据冷水鱼类需求制定的，可作为冷水鱼类产卵季生态需水量的计算方法。但不同河流的各种鱼类对河流水力参数要求各不相同，应该根据不同河流的基本情况和不同鱼类的具体要求，对水力参数标准进行修正，只要明确流速、平均水深、河宽、平均湿周率等参数中的任意两个，就可确定冷水鱼类的生态需水量。

水面线计算是河流生态环境修复的基础和前置工作，其准确与否直接影响修复效果。本文水面线的计算可采用逐段试算法，其计算方程如下：

 

式中，Zi为上游断面水位，Q为流量；g为过水断面面积；Zi+1为重力加速度，K为下游断面水位；ΔL为断面平均流量模数；n为相邻断面之间的距离；Ri为糙率；为水力半径；若知晓下游断面水位Zi+1，则迭代可求出上游水位Zi。

2 研究实例

以姜射坝下游岷江河段（牟托镇河段）为例进行分析，研究河段地形如图1所示。岷江流域引水式电站梯级开发的方式给闸后减水河段的水生生态造成了严重影响[3]，尤其是在枯水季节，坝下仅有小股溪流，有些河段甚至完全干涸，这使坝下河流水动力条件发生巨大变化。急流生境的消失直接影响鱼类产卵场的数量及质量，从而对鱼类的繁殖与生长产生不利影响。

  

图1 研究河段地形

 

表1 姜射坝下游减水河段重口裂腹鱼生存的水力参数确定

  

确定依据流速（m/s） ≥0.3 参照相关冷水鱼大西洋鲑及褐鳟的资料报道，对重口裂腹鱼采用R2-Cross法原始标准，对相关修复河段的平均流速都推荐采用0.3m/s。影响因子 最低表准在枯水期修复相关河段属于典型山区小型河流，而保护物种是重口裂腹鱼，个体较大，为底栖鱼类，体长介于55 mm至233mm之间，约为体高的3倍至4倍；因此，平均水深不能低于河道平滩宽度的1/100，最小平均水深应不低于0.6m。河宽（m） 50～95 水面宽度能够满足水生植物和水生动物（如重口裂腹鱼）生长所需空间，姜射坝下游河道平滩宽度为50m至95m。平滩湿周率（%） ≥50 在枯水期，当流量减小时，修复河段属于宽浅型河道，减水河段两岸为湿河谷，无支沟及地下水对减水河段单向补给。平均水深（m） ≥0.6

岷江上游姜射坝电站需下泄的生态需水量采用修正R2-Cross法进行了计算，出口水位根据HEC-RAS软件推求[4]。HEC-RAS是由美国陆军工程兵团水文工程中心开发的水面线计算软件包，适用于河道稳定和非稳定流一维水力计算，本研究利用此模式推算不同流量下断面平均水位高程。采用标准步推法(Standard step method)，利用前一个断面数据推求下一个断面，再将新求得的断面视为已知值重复进行迭代求下一个断面，最后得到河道断面间的水面剖线。

根据水文站的资料，下泄流量取多年平均流量 （205m3/s） 的 6%、12%、13%， 即 12.30m3/s、24.61m3/s、26.65m3/s，利用一维数学模型，计算姜射坝下泄不同流量时4个典型断面水力参数，详见下表3。

和方差(SSE)为3.838，确定系数(R-square)为0.962 1，调整后确定系数(Adjusted R-square)为0.957 4，均方根(RMSE)为0.399 9。

本文修复河段糙率根据实测大断面时的水面线资料，结合重口裂腹鱼产卵时期水文站的流量资料反推模型糙率。通过试算可得到沿程各断面水位；然后将各断面水位连接与实测水面线进行对比，根据误差调整修复河道的综合糙率值，直至迭代值与实测值吻合较好为止。经反推模拟，岷江上游姜射坝减水河段糙率为0.033。根据河段水力生境相关要求（见表1），通过分析河段实测地形，选择浅滩特征相对明显的4个断面进行生态需水量的计算。其断面类型及位置如表2所示。

研究河段枯水期变化明显，采用修正R2-Cross法计算时，对于枯水季节按至少满足三个水力学指标中的任意两个确定生态需水量。根据重口裂腹鱼形态特征及生存条件确定姜射坝下游减水河段水力参数[5，6]，详见表 1。

 

表2 断面类型及位置

  

计算断面 断面类型 距上游坝址距离（km）No.1 浅滩 1.37 No.2 浅滩 2.35 No.3 浅滩 3.33 No.4 浅滩 3.98

采用密度泛函方法，在6-311+g,d(p)基组水平上，结合PCM溶剂模型，模拟计算了莽草酸分子的基态稳定结构. 同时，相同条件下对红外光谱、核磁共振进行了计算和模拟，获得了与实验结果误差小、结果真实可信度高的结果. 分子的电子密度、静电势、分子轨道能级等指标表明莽草酸分子以供电子功能为主，其中O(6)原子为主要活性位点，同时C(4)C(5)与C(7)—O(8)键能产生强烈的共轭效应. 这刚好与DFRT、Fukui函数扫描所得的结果相一致，莽草酸分子的相关热力学性质也一并给出，这为进一步指导莽草酸的深度利用做了理论性的指导，具有积极的科学意义.

本文采用修正R2-Cross法对岷江上游姜射坝电站需下泄的生态需水量进行了推估，由表3可知：当姜射坝下泄流量为多年平均流量的13%时，各断面均至少有两个指标能满足修正R2-Cross法的标准。因此，在重口裂腹鱼产卵期，姜射坝下游减水河段应保证的下泄生态流量为26.65m3/s。

其中Pe为链路丢包率，β是起调节预估作用的.因为AdaCode的帧间解码在帧内解码的后面，是解码过程的最后一步，为了保证高解码率，避免重传，因此在帧间解码时增加一个调节预估参数β.在实验中，一般取0.2，能够有效防止重传.

 

表3 相关水力参数统计表

  

工况（%） 计算断面编号 距上游坝址距离（km） 流量（m3/s） 平均水深（m） 平均流速（m/s） 湿周率（%）6 1 1.35 12.30 0.37 1.83 32.25 2.37 0.33 1.72 30.97 3 3.33 0.65 0.88 35.61 4 3.98 0.25 1.57 57.89 12 1 1.37 24.61 0.60 1.42 47.79 2 2.35 0.55 1.36 48.92 3 3.33 0.86 1.09 49.86 4 3.98 0.51 1.21 80.05 13 1 1.37 26.65 0.67 1.39 50.85 2 2.35 0.62 1.19 48.85 3 3.33 0.89 1.06 51.96 4 3.98 0.52 1.19 80.54 2

3 小结

生态环境需水具有明显的时空特性，下泄的生态需水量必须满足冷水鱼类产卵最低限值。生态需水量的最低限值是一个临界值（阈值），目的在于确定研究流域（河流）在某特定时段能够实现生态系统良性循环所必需的河道水量下限值。修正R2-Cross法的水力参数标准是根据冷水鱼类需求制定的，在充分考虑其体态特征的情况下，对相关水力参数标准进行修正，最终计算出姜射坝下游修复河段的生态需水量，为重口裂腹鱼产卵场水力生境的数值模拟及修复提供可靠的水力学条件。本研究成果可为修复重口裂腹鱼产卵场、保护水生生物多样性提供理论依据，为其它类似冷水鱼类栖息地的水力生境修复提供借鉴。

参考文献：

[1]潘扎荣，阮晓红，周金金等.河道生态需水量研究进展[J].水资源与水土工程学报，2011，22（4）.

[2]卢红伟，李嘉，李永.中型山区河流水电站下游的鱼类生态需水量计算[J].水利学报，2013，44（5）.

[3]刘明洋，李永，王锐，陈明千，李嘉.丁坝在齐口裂腹鱼产卵场修复中的应用研究[J].四川大学学报（工程科学版），2014，46（3）.

[4]林开放，谢新生.HEC-RAS在津桥湖水库溢洪道水面线计算的应用[J].吉林水利，2015，11：27-29.

[5]王玉蓉，李嘉，李克锋等.水电站减水河段鱼类生境需求的水力参数[J].水利学报，2007，38（1）.

[6]刘明洋.齐口裂腹鱼产卵场微生境修复效果评估模型的研究及应用[D].成都：四川大学，2014.