堵河生態(tài)需水計算及保障研究

黃擁軍 鮑喜蕊

(1.丹江口市水利水電工程建筑勘測設(shè)計院， 湖北 丹江口 442700； 2.湖北浩川水利水電工程有限公司， 湖北 十堰 442000)

堵河生態(tài)需水計算及保障研究

黃擁軍1鮑喜蕊2

(1.丹江口市水利水電工程建筑勘測設(shè)計院， 湖北 丹江口 442700； 2.湖北浩川水利水電工程有限公司， 湖北 十堰 442000)

堵河生態(tài)環(huán)境狀態(tài)逐漸惡化，亟需研究確定生態(tài)需水并采取合理措施予以保障。本文在對照分析4種生態(tài)需水計算方法的基礎(chǔ)上，考慮實際條件后，選擇應(yīng)用廣泛的蒙大拿方法計算堵河的生態(tài)需水。計算結(jié)果表明，堵河干流的生態(tài)流量應(yīng)為16.4m3/s，霍河水庫需要向下游河道保證的生態(tài)流量為0.75m3/s。此外，研究確定了堵河上水利工程的調(diào)控規(guī)則，用以保障堵河生態(tài)需水流量的實現(xiàn)。本研究對于堵河流域水資源保護(hù)與可持續(xù)利用、南水北調(diào)中線工程水源地保護(hù)以及竹山縣積極構(gòu)建生態(tài)園林城市，都具有重要意義。

堵河； 生態(tài)需水； 生態(tài)需水計算方法； 保障

1 引 言

水資源極其重要但又十分脆弱[1]。中國水資源總量居世界第六位，但時空分布不均，而且人均水資源占有量僅為世界人均水資源量的25%。總體而言，中國水資源嚴(yán)重短缺，由此帶來了一系列問題——嚴(yán)重制約我國經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展，以及環(huán)境生態(tài)不斷惡化[2]。面對生態(tài)問題日益嚴(yán)重的趨勢，研究流域(區(qū)域)生態(tài)需水顯得尤為緊迫和重要,目的是為水資源的科學(xué)合理配置提供決策依據(jù), 最終實現(xiàn)水資源綜合效益的最大化[3]。

我國許多學(xué)者在國外研究的基礎(chǔ)上，對流域(區(qū)域)生態(tài)需水的理論與計算進(jìn)行了深入研究。鄭紅星等[4]指出，生態(tài)需水一般是指為維護(hù)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)穩(wěn)定、維持水體特定功能，并逐步改善生態(tài)環(huán)境所需的流量或水量。徐志俠等[5]在對比國內(nèi)外計算河流生態(tài)需水量的方法的基礎(chǔ)之上，闡述了各種方法的優(yōu)缺點和使用條件。孫濤等[6]面對河口生態(tài)需水計算的需求，總結(jié)了目前研究取得的成果和存在的問題，探討了未來研究應(yīng)該突破的關(guān)鍵技術(shù)。此外，多位研究人員使用不同方法計算了不同流域(區(qū)域)的生態(tài)需水，比如，魏彥昌等[7]根據(jù)海河流域不同生態(tài)系統(tǒng)類型的特征，探討了各生態(tài)系統(tǒng)類型生態(tài)需水的計算方法，并選擇合適的方法核算了生態(tài)需水量；劉新華等[8]在分析了塔里木河下游河道的特點及考慮實際條件后，選用水力學(xué)法計算了河道的最小生態(tài)需水量；還有諸多應(yīng)用實例，限于篇幅，在此不一一詳述。

堵河是漢江最大的支流，是南水北調(diào)中線工程核心水源區(qū)——丹江口水庫的重要入庫河流之一，對丹江口水庫的水量和水質(zhì)有著極其重要的影響，而且堵河干流是竹山縣最重要的水源，與竹山縣居民的生產(chǎn)生活息息相關(guān)，其生態(tài)環(huán)境的狀況受到公眾和政府的密切關(guān)注[9]。 由于人口增長和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展等諸多因素，堵河的生態(tài)環(huán)境狀態(tài)總體呈惡化趨勢，亟需采取合理措施進(jìn)行生態(tài)保護(hù)[10]。然而對于堵河的生態(tài)需水尚未有相關(guān)研究，本文的目標(biāo)即是確定堵河的生態(tài)需水量，并且研究采取措施使得堵河生態(tài)用水需求得到保障。

2 研究區(qū)域

2.1 堵河流域概況

堵河流域位于鄂西北漢江南岸，處于東經(jīng)108°36′～110°44′和北緯31°24′～32°47′之間，地跨陜西、湖北兩省，屬于漢江的支流，河流全長大約354km，總落差超過500m，流域面積大約12500km2。堵河由西、南兩條(支)源流在兩河口匯合后向北流經(jīng)竹山縣城、房縣姚坪和鄖縣葉大、十堰市區(qū)黃龍水庫后注于漢江，再經(jīng)漢江匯入丹江口水庫。堵河流域地理位置見圖1。

圖1 堵河流域地理位置

2.2 竹山縣概況

竹山縣位于湖北省十堰市，總面積約3588km2，總?cè)丝诩s44萬，全縣的所有河流都屬于堵河水系。堵河可以說是竹山縣的母親河，為竹山縣的發(fā)展提供了源源不斷的水資源，竹山縣的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展全部依賴于堵河。在堵河流域上，先后建設(shè)了松樹嶺水電站、潘口水電站和小漩水電站等梯級水電站，并陸續(xù)投入發(fā)電，給竹山縣經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展帶來了極大動力，但與此同時，也改變了河流的天然流態(tài)，給堵河生態(tài)環(huán)境和竹山縣城景觀變化帶來了一定負(fù)面影響。堵河水利工程分布見圖2。

圖2 堵河水利工程分布

2.3 堵河生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀

堵河干流規(guī)劃建設(shè)五級水庫，龍背灣水庫、松樹嶺水庫、潘口水庫和小漩水庫四座水庫在竹山縣境內(nèi)，其中小漩水庫位于堵河干流城關(guān)鎮(zhèn)內(nèi)河段；黃龍灘水庫在堵河下游?；艉釉诔顷P(guān)鎮(zhèn)霍河口匯入堵河，為了開發(fā)利用清潔能源，霍河現(xiàn)已建成兩座水電站——霍河二級水電站和霍河三級水電站。霍河二級水電站的尾水會直接流至霍河三級水電站，經(jīng)過水電站發(fā)電之后下泄。但在枯水期，由于來水較少，導(dǎo)致兩級水電站之間出現(xiàn)干涸的河段大約長4.5km。

因此，堵河干流被人為建設(shè)的多級水利工程逐級攔蓄后，天然的水文情勢已經(jīng)被極大地改變。尤其是在枯水期，包括竹山縣城內(nèi)河段的多段河道經(jīng)常出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，嚴(yán)重破壞了堵河干流的生態(tài)系統(tǒng)，也嚴(yán)重破壞了竹山縣城的整體市容市貌。鑒于此，竹山縣政府與老百姓面臨一項迫在眉睫的重要任務(wù)，就是對堵河生態(tài)需水加以研究并精準(zhǔn)控制。

3 生態(tài)需水計算方法

經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者多年研究，河流生態(tài)環(huán)境需水量計算的常用方法可總結(jié)為4種[11]——水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地評價法和整體分析法，這4種方法的描述、代表模型、優(yōu)點、缺點以及適用范圍見表1。由于我國大部分河流監(jiān)督管理還不完善，缺乏長期且有效的生物監(jiān)測資料，導(dǎo)致棲息地評價法和整體分析法在我國應(yīng)用十分困難；但是記錄保存的水文資料一般較為完整，所以水文學(xué)方法在我國應(yīng)用最多。

表1 生態(tài)需水計算方法[11]

4 堵河生態(tài)需水計算

由于資料收集等原因，通過詳細(xì)對比分析4種生態(tài)需水計算方法的特點后，采用國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的蒙大拿法(Tennant 法)進(jìn)行研究。蒙大拿法(Tennant 法)是為了滿足河流水生生物、河流景觀及娛樂設(shè)施對流量的基本需求，將預(yù)先研究確定的科學(xué)合理的多年平均流量的百分比作為生態(tài)流量，生態(tài)流量計算見式(1)。河內(nèi)流量與水生生物、河流景觀及娛樂設(shè)施的關(guān)系見表2。此法認(rèn)為，為了保障絕大多數(shù)水生生物在短時間內(nèi)生存所必定需要的瞬時最低流量，無論在何種條件下，河流流量都應(yīng)至少維持在多年平均流量的5%～10%。

(1)

式中Qe——生態(tài)流量；

α——百分比；

表2 河內(nèi)流量與水生生物、河流景觀及娛樂設(shè)施的關(guān)系

堵河是一條大型河流，根據(jù)多年觀測經(jīng)驗，當(dāng)河流流量占多年平均流量的5%～10%時，仍有一定的水深、河寬和水流速度，可以使河流的魚類洄游、生存以及城市景區(qū)旅游、市容景觀的一般需求得到滿足，因此可確定多年平均流量的10%為堵河的生態(tài)需水流量。

每年4—9月，堵河基本處于汛期，河道內(nèi)流量較大，河道的生態(tài)需水僅靠各級水利工程下放的流量即可基本滿足。根據(jù)搜集的竹山水文站的長系列實測資料，發(fā)現(xiàn)在天然狀況下，堵河干流的多年平均流量為164m3/s，因此，按照前述方法，即可確定堵河干流的生態(tài)流量為16.4m3/s。而環(huán)境保護(hù)部門測算及批準(zhǔn)小漩水電站工程要保證的生態(tài)流量為16.7m3/s，與上述計算結(jié)果非常接近，證明選擇的計算方法是合適的，而且計算結(jié)果是合理的。

此外，霍河水庫入庫流量多年平均值為7.48m3/s，按照前述方法，即可確定霍河水庫需要向下游河道保證的生態(tài)流量為0.75m3/s，就能基本維持霍河二級電站下游河流的生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能。

5 堵河生態(tài)需水保障

針對上述堵河生態(tài)需水的結(jié)果，主要有3段河道的生態(tài)需水需要水利工程的調(diào)控來保障。經(jīng)過翔實的調(diào)研分析，認(rèn)為需要采取的保障措施如下：

a.第一段河道：小漩水庫至潘口水庫壩址。小漩水庫作為潘口水庫的反調(diào)節(jié)水庫，兩庫會聯(lián)合調(diào)度運行。為了保證小漩水庫至潘口水庫壩址的區(qū)間河段有足夠水量，兩庫聯(lián)合調(diào)度規(guī)則為：小漩水庫與潘口電站聯(lián)合運行調(diào)峰的時間為13h，小漩水庫在其余11h應(yīng)釋放生態(tài)流量。

b.第二段河道：城關(guān)壅水壩至小漩水庫壩址。為了保證城關(guān)壅水壩至小漩水庫壩址處的河流生態(tài)需水，在小漩水電站僅保證下泄生態(tài)流量甚至無水下泄時，堵河干流城關(guān)鎮(zhèn)壅水壩(正常蓄水位為248.5m)應(yīng)該使得水位壅高。此外，這個措施還能夠為堵河城區(qū)河段營造穩(wěn)定的景觀水面，改善市容環(huán)境。

c.第三段河道：城關(guān)壅水壩至對峙河口。城關(guān)壅水壩至對峙河口河段位于黃龍灘水庫庫尾。根據(jù)多年調(diào)度運行的實際經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，黃龍灘水庫水位經(jīng)常位于正常蓄水位(247m)以下，尤其在枯水期，會造成此河段水量不足，嚴(yán)重時甚至?xí)嗔?。因此，為了保證壅水壩至對峙河口河段的生態(tài)系統(tǒng)正常運行，就需要上游控制性水利樞紐下泄生態(tài)流量。

6 結(jié) 論

堵河是南水北調(diào)中線工程水源區(qū)——丹江口水庫的重要入庫河流之一，是竹山縣居民生產(chǎn)生活的重要水源，其生態(tài)環(huán)境受到公眾和政府的密切關(guān)注。為了實現(xiàn)堵河水資源的合理配置與可持續(xù)利用，以及流域(區(qū)域)生態(tài)與環(huán)境的保護(hù)，需要確定堵河流域的生態(tài)需水量，并采取合理措施予以保障。

本文在對比分析4種生態(tài)需水計算方法的基礎(chǔ)上，基于實際條件，選擇國內(nèi)外應(yīng)用廣泛的蒙大拿方法來計算堵河的生態(tài)需水，并根據(jù)計算結(jié)果確定了堵河干流的生態(tài)流量為16.4m3/s，霍河水庫需要向下游河道保證的生態(tài)流量為0.75m3/s。此外，根據(jù)多年調(diào)度運行的情況，確定了堵河水利工程的調(diào)控規(guī)則，用以保障堵河生態(tài)需水流量的實現(xiàn)。本研究對于堵河流域水資源保護(hù)與可持續(xù)利用、南水北調(diào)中線工程水源地保護(hù)以及竹山縣積極構(gòu)建生態(tài)園林城市，都具有重要意義。

[1] World Water Assessment Programme. The United Nations World Water Development Report 4: Managing Water Under Uncertainty and Risk[R].UNESCO,2012.

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Research on ecological water demand calculation and security in Duhe River

HUANG Yongjun1, BAO Xirui2

(1.DanjiangkouWaterConservancyandHydropowerEngineeringConstructionSurveyDesignInstitute,Danjiangkou442700,China; 2.HubeiHaochuanWaterConservancyandHydropowerEngineeringCo.,Ltd.,Shiyan442000,China)

Ecological environment state is deteriorated gradually in Duhe River. Ecological water demand should be studied and determined, and reasonable measures should be adopted for safeguarding. In the paper, widely-applied Montana method is selected for calculating ecological water demand of Duhe River after consideration of actual condition on the basis of controlling and analyzing four methods of calculating ecological water demand. Calculation results show that ecological flow should be 16.4m3/s in main stream of Duhe River. The guaranteed ecological flow of Huohe Reservoir to downstream rivers should be 0.75m3/s. In addition, the regulation rules of water conservancy projects on Duhe River should be studied and confirmed, thereby realizing ecological water demand flow of Duhe River. The study has important significance to water resources protection and sustainable utilization of Duhe River, water source protection of south-to-north water transfer midline project and active construction of ecological garden city in Zhushan County.

Duhe River; ecological water demand; calculation method of ecological water demand; security

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.04.010

TV214

A

2096-0131(2017)04- 0027- 04