關于生態(tài)流量保障管控與調(diào)度目標的思考

羅 昊，黃 亮，張 強，許 衡

(1.珠江水資源保護科學研究所，廣東 廣州 510611；2.水利部珠江水利委員會，廣東 廣州 510611)

保障河湖生態(tài)流量是統(tǒng)籌水資源開發(fā)與保護，推進水生態(tài)文明建設的基本要求，對維護國家水安全、生態(tài)安全、戰(zhàn)略安全具有重要意義[1- 2]。2018年以來，水利部開展了系統(tǒng)的河湖生態(tài)流量研究，并于2019年實施了重點河湖基本生態(tài)流量管控與調(diào)度等工作，以生態(tài)基流作為主要的考核指標。本文結合生態(tài)流量管控與調(diào)度工作實際，主要思考了生態(tài)流量保障中的管控目標、設計保證率及來水條件、調(diào)度目標等關鍵問題，為科學合理開展河湖生態(tài)流量保障工作提供借鑒。

1 生態(tài)流量保障管控目標

1.1 生態(tài)流量基本概念

結合已有研究成果[1,3- 4]，生態(tài)流量可分為基本生態(tài)流量和目標生態(tài)流量。其中，基本生態(tài)流量系維持河流、湖泊、沼澤給定的生態(tài)環(huán)境保護目標所對應的生態(tài)環(huán)境功能不喪失，需要保留在河道內(nèi)的最小水量(流量、水位、水深)及其過程[5]。生態(tài)環(huán)境功能“不喪失”，是指確保生態(tài)環(huán)境保護目標不至于發(fā)生不可逆變化的水文過程。生態(tài)基流為基本生態(tài)流量過程中最枯時期的最小值，是確保河湖最基本生態(tài)功能不至于發(fā)生不可逆變化的底線流量。當前階段生態(tài)流量管控以保障生態(tài)基流為主要目標。

1.2 生態(tài)流量保障管控原則與目標

以往生態(tài)流量保障研究與管理實踐中，經(jīng)常以“天然優(yōu)先”為管控原則，即保持河流天然的流量過程與水文節(jié)律。認為維持河流的天然流量過程及擾動模式，是維持河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的關鍵因子[6]。但受氣候變化等影響，天然水文過程存在變異現(xiàn)象，如黃河多旱易洪，天然徑流持續(xù)干旱的平均水平年為3年左右[7]，周期性年際枯水時期長達15～20年[8]，曾多次出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，不利于河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展。在特枯水年遇河流天然來水小于生態(tài)基流指標時，水利工程一般按來水流量控制下泄，可能出現(xiàn)突破生態(tài)基流底線的情況[9]。與此同時，我國水資源時空分布不均，部分江河流域水資源開發(fā)利用程度較高[10- 11]，水利工程運用與人民生活息息相關，導致難以恢復天然的流量過程，去除復雜的人類活動影響[12]。

當前我國河湖生態(tài)保護面臨巨大壓力，在新時期以“生態(tài)優(yōu)先”為管控原則，考慮盡量滿足生態(tài)需求，并進行有限的干預修復，更符合生態(tài)文明要求，也有利于河湖最基本生態(tài)功能的保障和修復。生態(tài)基流是保障河湖最基本生態(tài)功能的底線要求，據(jù)此建議生態(tài)流量保障管控目標以“生態(tài)優(yōu)先”為原則，盡全力保障生態(tài)基流。實際工作中，在河湖具有工程調(diào)控能力的條件下，應合理開展生態(tài)流量調(diào)度保障，使生態(tài)基流的滿足程度達到100%。

2 生態(tài)流量設計保證率內(nèi)涵

2.1 設計保證率內(nèi)涵與分類

設計保證率是在多年期間正常工作所能得到保證的概率程度，其本質(zhì)是概率問題。在規(guī)劃設計中，各項任務一般都需選定某一設計保證率作為標準，并據(jù)此決定工程的規(guī)模。設計保證率的確定是在當前付出和預期風險間作出的選擇[13]，體現(xiàn)了國家在特定時期內(nèi)的技術和經(jīng)濟政策[14]。

設計保證率的計量方式主要有年保證率和歷時保證率。年保證率以多年期間正常工作年數(shù)占總年數(shù)的百分比表示，無論破壞程度和歷時如何，凡不能維持正常工作的年份，均同樣計入破壞年數(shù)之中，農(nóng)業(yè)灌溉、城鄉(xiāng)供水和具有調(diào)節(jié)能力的蓄水式電站等多采用年保證率。歷時保證率以多年期間正常工作的歷時(日、旬或月)占總歷時的百分比表示，航運用水、徑流式電站及其他不進行徑流調(diào)節(jié)的用水部門常采用。

2.2 生態(tài)流量設計保證率內(nèi)涵與確定

生態(tài)流量保障工作實際中[15]，需根據(jù)流域水資源條件、工程調(diào)控能力、生態(tài)保護重要性等因素，科學合理確定生態(tài)流量設計保證率，并據(jù)此制定生態(tài)流量調(diào)度保障方案。生態(tài)流量設計保證率主要表征了河湖實際流量(水量、水位)是否達到生態(tài)系統(tǒng)需求這一事件的可靠程度，是生態(tài)流量得到保障這一情況發(fā)生的累積概率或頻率，宜采用年保證率的形式，以經(jīng)水資源配置與調(diào)度保障后，多年期間生態(tài)流量滿足程度為100%年數(shù)占總年數(shù)的百分比表示。在進行保證率計算時，評價的水文系列時段長度可取日平均值、旬平均值或月平均值。

根據(jù)生態(tài)流量研究與保障工作技術要求(以下簡稱“技術要求”)，原則上，生態(tài)基流設計保證率不低于90%～95%，基本生態(tài)流量(水量)全年值的設計保證率不低于75%～90%。對于水資源豐沛、工程調(diào)控能力強的主要控制斷面，設計保證率可從高要求；對于水資源緊缺、調(diào)控能力較弱的主要控制斷面，設計保證率可適當從低要求。

2.3 生態(tài)流量設計保證率來水條件

由于河流天然來水具有年際變化，因而在生態(tài)流量調(diào)度保障的目標制定、實施與考核等過程中，需要確定生態(tài)流量設計保證率對應的來水條件，并根據(jù)不同的來水情況，合理制定生態(tài)流量管控和考核目標要求。按技術要求，原則上，來水條件優(yōu)于設計保證率來水條件時，生態(tài)基流的滿足程度應為100%；來水條件劣于設計保證率來水條件時，生態(tài)基流的滿足程度可低于100%，但破壞深度不應大于允許破壞深度。

以往水資源調(diào)度通常依據(jù)預測來水的水文頻率確定可調(diào)水量，水文頻率是指水文變量(如最大洪峰流量、徑流量等)大于或等于一定數(shù)值的可能性大小，反映了水文變量值出現(xiàn)的概率。生態(tài)流量保障需要評價月、旬或日平均流量的滿足程度，而水文頻率典型年來水條件的選擇通常僅考慮年徑流總量的大小，并沒有考慮流量過程的時間分布不均等問題，導致難以和生態(tài)流量設計保證率來水條件直接對應。

當流域控制性工程以年調(diào)節(jié)和多年調(diào)節(jié)工程為主時，表示流域具有足夠的徑流調(diào)節(jié)能力，受年內(nèi)來水流量變化影響有限，即年徑流總量越大，生態(tài)流量保障程度越高。在此條件下，當水資源配置與調(diào)度保障方案正好按某一水文頻率來水條件設計，能使生態(tài)流量得到充分保障時，則該水文頻率對應的來水條件即為生態(tài)流量設計保證率來水條件。如經(jīng)水資源配置與調(diào)度保障后，在95%水文頻率來水條件下生態(tài)基流滿足程度可達到100%時，則95%水文頻率來水條件即為生態(tài)基流設計保證率95%對應的來水條件。

3 生態(tài)流量實測保證率分析

3.1 研究對象

韓江流域位于粵東、閩西南，流域面積30112km2，干流全長470km。上游以梅江為主流，與汀江匯合后稱韓江，至潮州進入韓江三角洲，分東溪、西溪、北溪注入南海。流域內(nèi)主要控制性工程為已建的棉花灘水庫、潮州供水樞紐和在建的高陂水利樞紐工程。2016年，《韓江流域水量分配方案》獲得水利部批復，后續(xù)開展了韓江流域水量調(diào)度方案修編等工作。2019年，韓江流域溪口、潮安斷面被列入年度開展生態(tài)流量監(jiān)管的主要控制斷面。根據(jù)《韓江流域水量分配方案編制說明》，溪口斷面生態(tài)基流為49.7m3/s，潮安斷面為128m3/s。

3.2 計算方法

以汀江溪口、韓江潮安2個水文站1956—2016年共61年份的實測逐日平均流量數(shù)據(jù)作為分析基礎，選擇評價時長為日和旬，即采用日平均流量和旬平均流量評價年內(nèi)生態(tài)基流的滿足程度。以生態(tài)基流滿足程度為100%的年份占總評價年份的比例作為生態(tài)基流的實測保證率。

3.3 結果分析

汀江溪口、韓江潮安斷面1956—2016年生態(tài)基流滿足程度如圖1所示?？梢?，在大多數(shù)年份中，生態(tài)基流旬滿足程度高于日滿足程度；在天然來水偏枯的年份，生態(tài)基流滿足程度較低；上游支流汀江溪口斷面較下游干流韓江潮安斷面生態(tài)基流滿足程度年際變化更大。

生態(tài)基流實測保證率及天然來水頻率統(tǒng)計資料見表1。以日均流量進行評價，溪口、潮安斷面生態(tài)基流實測保證率分別為26.2%和60.7%，不達標年份天然來水頻率分別大于2%和15%；以旬均流量進行評價，溪口、潮安斷面生態(tài)基流實測保證率分別為68.9%和83.6%，不達標年份天然來水頻率分別大于8%和21%。由此可見，韓江流域生態(tài)基流實測保證率較低，在天然來水偏豐和偏枯的情況下，均需結合水文預報適時開展生態(tài)流量調(diào)度保障?？紤]年內(nèi)生態(tài)基流破壞深度不大于20%，溪口、潮安斷面實測保證率均有所提高，但仍需采取工程調(diào)度措施提高保障程度。

4 生態(tài)流量調(diào)度目標

生態(tài)流量調(diào)度包括河道內(nèi)工程調(diào)度和河道外用水管控。在以“生態(tài)優(yōu)先”為管控原則的前提下，結合生態(tài)流量設計保證率內(nèi)涵與技術要求，以生態(tài)基流設計保證率不低于95%為管控要求，根據(jù)天然來水條件，具體制定生態(tài)流量調(diào)度目標。

圖1 汀江溪口、韓江潮安斷面1956—2016年生態(tài)基流滿足程度變化

表1 生態(tài)基流實測保證率及天然來水頻率統(tǒng)計 單位：%

當天然來水優(yōu)于設計保證率來水條件(來水頻率95%)時，應保障年內(nèi)生態(tài)基流的滿足程度為100%。當天然來水劣于設計保證率來水條件(來水頻率95%)時，若工程調(diào)度能力充足，應保障生態(tài)基流不破壞；若工程調(diào)度能力不足，應充分發(fā)揮工程調(diào)蓄能力，并適時采取河道外用水管控、應急補水等措施，保障生態(tài)基流破壞深度不大于允許破壞深度。

5 結語

加強河湖生態(tài)流量保障事關我國水安全與生態(tài)文明建設大局。面對新時期我國河湖生態(tài)保護的新形勢，以“生態(tài)優(yōu)先”為管控原則更符合生態(tài)文明要求，也有利于河湖最基本生態(tài)功能的保障和修復。調(diào)度保障工作中，需結合生態(tài)流量設計保證率的內(nèi)涵，調(diào)查流域生態(tài)流量實測保證率情況，并根據(jù)不同的天然來水條件合理確定調(diào)度目標。本研究可為我國江河流域開展科學合理的生態(tài)流量調(diào)度保障工作提供重要的理論基礎和技術支撐，后續(xù)還需加強基于該目標下的調(diào)度方案設計、實踐和監(jiān)測評估，進一步驗證研究成果的科學性和可行性。