小型水庫(kù)生態(tài)補(bǔ)水調(diào)度方案研究

陸文秀，程 誠(chéng)

(深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司，廣東 深圳 518020)

深圳市水庫(kù)大多興建于20世紀(jì)，主要用于農(nóng)業(yè)灌溉及城市供水。隨著城市化及供水格局的變化，大部分水庫(kù)已演變?yōu)椤岸际行汀彼畮?kù)。隨著境外引水工程的實(shí)施、供水水廠(chǎng)的整合與優(yōu)化，供水布局也將隨之發(fā)生變化，部分小型水庫(kù)原有供水、灌溉等功能逐步消失，而城市公共生態(tài)對(duì)水庫(kù)生態(tài)功能的需求則大幅提高。為充分發(fā)揮小型水庫(kù)對(duì)地表徑流的調(diào)節(jié)作用，提高水資源管理系統(tǒng)集約化程度，合理利用水生態(tài)及景觀資源，充分挖掘水庫(kù)生態(tài)補(bǔ)水潛力、實(shí)現(xiàn)本地水資源合理利用及調(diào)度是十分必要的。

1 水庫(kù)概況

石陂頭水庫(kù)位于寶安區(qū)石巖街道，屬茅洲河流域，為石陂頭支流的源頭，石陂頭支流是應(yīng)人石河的一級(jí)支流。壩址以上集雨面積為0.95km2，河長(zhǎng)1.65km，比降0.0904。

石陂頭水庫(kù)1975年4月建成投產(chǎn)，屬小(2)型水庫(kù)，4等工程。

水庫(kù)設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核防洪標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇。水庫(kù)死水位67.4m，死庫(kù)容21.5萬(wàn)m3；興利庫(kù)容45.16萬(wàn)m3；正常蓄水位74.44m，正常蓄水位相應(yīng)庫(kù)容66.66萬(wàn)m3；設(shè)計(jì)洪水位76.2m，相應(yīng)庫(kù)容82.6萬(wàn)m3；校核洪水位76.7m，總庫(kù)容88.75萬(wàn)m3。水庫(kù)樞紐工程包括主壩、輸水涵管、溢洪道三部分工程，其它建筑物有上壩道路、管養(yǎng)房等。

2 生態(tài)補(bǔ)水保證率的選取

根據(jù)GB 50013—2006《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》5.1.4“用地表水作為城市供水水源時(shí)，其設(shè)計(jì)枯水流量的年保證率應(yīng)根據(jù)城市規(guī)模和工業(yè)用戶(hù)的重要性選定，宜用90%～97%”;根據(jù)GB 50288—1999《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》灌溉設(shè)計(jì)保證率可根據(jù)水文氣象、水土資源、作物組成、灌區(qū)規(guī)模、灌水方法及經(jīng)濟(jì)效益等因素，按表1確定。其中溫潤(rùn)地區(qū)或水資源豐富地區(qū)設(shè)計(jì)保證率為75%～95%。

表1 灌溉設(shè)計(jì)保證率 單位：%

根據(jù)SL/Z 712—2014《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范》2.0.4“河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量指維持河流、湖泊、沼澤給定生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)所對(duì)應(yīng)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。河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量是河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水要求的下限值”；2.0.5“河道內(nèi)目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量指河流、湖泊、沼澤給定的生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)所對(duì)應(yīng)的生態(tài)環(huán)境功能正常發(fā)揮，需要保留在河道內(nèi)的水量。河道內(nèi)目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量是河道外經(jīng)濟(jì)社會(huì)消耗河湖水量的控制值”；3.0.8“河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量的保證率系指不同來(lái)水頻率下的河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量。為滿(mǎn)足不同來(lái)水頻率條件下生態(tài)環(huán)境用水配置和調(diào)度的需要，還可以計(jì)算不同來(lái)水頻率下的生態(tài)需水量?；旧鷳B(tài)環(huán)境需水量和目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量的保證率一般不低于50%”。

綜上，借鑒城市供水及灌溉設(shè)計(jì)保證率，同時(shí)結(jié)合SL/Z 712—2014要求，河道生態(tài)補(bǔ)水保證率取75%。

3 河道生態(tài)需水量

生態(tài)需水量是一個(gè)流量區(qū)間，而不是一個(gè)特定的值，河道最小生態(tài)需水是指為維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康所允許的最小需水量，該需水量是要保證水生生物的最低生存條件，也是天然狀況下水生生物所能忍受的極限程度。在極限水文狀況下，河流生態(tài)系統(tǒng)是可以恢復(fù)的，當(dāng)河流的流量小于最小生態(tài)流量時(shí)，會(huì)導(dǎo)致物種消失，種群結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，生態(tài)系統(tǒng)可能不會(huì)恢復(fù)。適宜生態(tài)需水是指維持河流系統(tǒng)健康及生物多樣性的最適宜的流量過(guò)程，適宜生態(tài)流量具有上下限，當(dāng)流量過(guò)程在此范圍內(nèi)，河流生態(tài)系統(tǒng)是健康穩(wěn)定的。

目前關(guān)于河道基本流量的計(jì)算方法較多，總結(jié)起來(lái)可以分為：水文學(xué)法、水力學(xué)法、生境模擬法和綜合分析法等。綜合評(píng)價(jià)現(xiàn)有計(jì)算方法可知，水文學(xué)法簡(jiǎn)單、方便，但考慮因素單一，準(zhǔn)確性較差；水力學(xué)法雖然考慮了水力學(xué)因素，但所需參數(shù)需要實(shí)測(cè)，不易操作；生境模擬法將其重點(diǎn)放在一些河流生物物種的保護(hù)，而沒(méi)有考慮諸如河流規(guī)劃以及包括河流兩岸在內(nèi)的整個(gè)河流生態(tài)系統(tǒng)，由此計(jì)算出和推薦的流量范圍值，并不符合整個(gè)河流的管理要求。這四類(lèi)方法中目前比較常用的方法有Tennant法、月(年)保證率法、河道濕周法和R2CROSS法等。

考慮到城市河流基本上都是小河流，并且具有明顯的人工干擾特點(diǎn)，目前河道基本生態(tài)流量計(jì)算中Tennant法相對(duì)于其它方法，應(yīng)用范圍廣，而且能考慮汛期和非汛期流量差別。它不僅適用于有水文站點(diǎn)的季節(jié)性河流，而且適用于沒(méi)有水文站點(diǎn)的河流，可通過(guò)水文技術(shù)來(lái)獲得平均流量。因此，本研究重點(diǎn)介紹Tennant法在計(jì)算生態(tài)需水中的應(yīng)用。

Tennant法(Montana法)是一種非現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定法。Tennant在分析了美國(guó)11條河流的斷面數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)河寬、流速和水深在流量小于年平均流量的10%時(shí)增加幅度較大，當(dāng)流量大于年平均流量的10%時(shí)，對(duì)應(yīng)水力參數(shù)的增長(zhǎng)幅度下降。提出以年平均流量的10%作為水生生物生長(zhǎng)最低標(biāo)準(zhǔn)下限，年平均流量的30%作為水生生物的滿(mǎn)意流量。該法是不需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定數(shù)據(jù)類(lèi)型的經(jīng)驗(yàn)設(shè)定法，河道推薦流量以預(yù)先確定的年均流量百分比為基準(zhǔn)，這是一種更多的依賴(lài)于統(tǒng)計(jì)的方法，這種方法建立在歷史流量記錄的基礎(chǔ)上，并將平均每年自然流量的簡(jiǎn)單百分比作為基流。劃分的流量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定見(jiàn)表2。

表2 Tennant法不同流量百分比對(duì)應(yīng)的河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況

參考Tennant法，石陂頭水庫(kù)對(duì)應(yīng)人石河補(bǔ)水不同河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況對(duì)應(yīng)的流量值見(jiàn)表3。

表3 應(yīng)人石河河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況對(duì)應(yīng)流量值統(tǒng)計(jì)表

4 水庫(kù)可補(bǔ)水量計(jì)算

4.1 來(lái)水量分析

石陂頭水庫(kù)無(wú)整編降雨資料，因此水庫(kù)選取鄰近的鐵崗雨量站進(jìn)行分析。鐵崗水庫(kù)雨量站設(shè)立于1957年，系列59年，滿(mǎn)足SL 278—2002《水利水電工程水文計(jì)算規(guī)范》要求，本次收集該站1957—2016年共59年實(shí)測(cè)降雨系列資料。

石陂頭水庫(kù)集雨面積為0.95km2，所在流域無(wú)實(shí)測(cè)長(zhǎng)序列降雨、徑流資料，降雨、徑流的分析計(jì)算采用《廣東省水文圖集》(1991年)成果。經(jīng)查算，石陂頭水庫(kù)流域多年平均徑流深為900mm，徑流變差系數(shù)Cv=0.38，Cs=2Cv。水庫(kù)各頻率下設(shè)計(jì)徑流量見(jiàn)表4。

4.2 用水量分析

4.2.1下游河道生態(tài)用水

參考Tennant法，水庫(kù)下放的最低生態(tài)流量應(yīng)滿(mǎn)足下游河道多年平均徑流量的10%，下游應(yīng)人石河多年平均徑流量為472.5萬(wàn)m3，日均徑流量為1.29萬(wàn)m3。故最小生態(tài)流量為0.129萬(wàn)m3/d。

4.2.2水量損失

由于缺少水庫(kù)水位-面積對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)，故庫(kù)損量(蒸發(fā)和滲漏損失)按水庫(kù)正常蓄水位對(duì)應(yīng)庫(kù)容的5%計(jì)，并將年庫(kù)損量均勻分配至各月。石陂頭水庫(kù)正常蓄水位為75.44m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容為66.66萬(wàn)m3，故庫(kù)損量為3.33萬(wàn)m3。

4.3 調(diào)節(jié)計(jì)算

本次通過(guò)水量平衡調(diào)節(jié)計(jì)算水庫(kù)可補(bǔ)水量，以月為調(diào)節(jié)計(jì)算時(shí)段。選取枯水年P(guān)=97%、偏枯水年P(guān)=75%、平水年P(guān)=50%三個(gè)典型年，求水庫(kù)的可補(bǔ)水量。起調(diào)水位取近4年(2014—2017年)4月份運(yùn)行水位平均值，為69.04m。以石陂頭水庫(kù)來(lái)水量、用水量及水庫(kù)調(diào)蓄庫(kù)容，用列表法逐月進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，成果見(jiàn)表5—7。

表4 石陂頭水庫(kù)設(shè)計(jì)年徑流量表

表5 石陂頭水庫(kù)典型年調(diào)節(jié)計(jì)算成果表(P=97%)

表6 石陂頭水庫(kù)典型年調(diào)節(jié)計(jì)算成果表(P=75%)

表7 石陂頭水庫(kù)典型年調(diào)節(jié)計(jì)算成果表(P=50%)

注：石陂頭水庫(kù)輸水涵進(jìn)口底檻高程為65.56m。

4.4 可補(bǔ)水量成果

石陂頭水庫(kù)現(xiàn)狀無(wú)供水需求，余水可用于應(yīng)人石河生態(tài)補(bǔ)水，應(yīng)人石河最小生態(tài)流量為多年平均徑流量的10%，即0.129萬(wàn)m3/d。經(jīng)計(jì)算得出如下結(jié)論：

枯水年P(guān)=97%，非汛期(10月—次年3月)下放生態(tài)水量為0.112萬(wàn)m3/d，小于應(yīng)人石河最小生態(tài)水量需求；汛期(4—9月)下放生態(tài)水量為0.129萬(wàn)m3/d，可滿(mǎn)足應(yīng)人石河最小生態(tài)水量需求。

偏枯年份P=75%，非汛期(10月—次年3月)下放生態(tài)水量為0.129萬(wàn)m3/d，可滿(mǎn)足應(yīng)人石河最小生態(tài)水量需求；汛期(4—9月)下放生態(tài)水量為0.191萬(wàn)m3/d，相當(dāng)于應(yīng)人石河多年平均徑流量的14.8%。

平水年P(guān)=50%，非汛期(10月—次年3月)下放生態(tài)水量為0.129萬(wàn)m3/d，可滿(mǎn)足應(yīng)人石河最小生態(tài)水量需求；汛期(4—9月)下放生態(tài)水量為0.298萬(wàn)m3/d，相當(dāng)于應(yīng)人石河多年平均徑流量的23.1%。

綜上，石陂頭水庫(kù)75%生態(tài)補(bǔ)水保證率下可補(bǔ)水量為58.57萬(wàn)m3，非汛期日均補(bǔ)水量為0.129萬(wàn)m3/d，汛期日均補(bǔ)水量為0.191萬(wàn)m3/d，見(jiàn)表8。

表8 石陂頭水庫(kù)調(diào)節(jié)計(jì)算成果表

5 水庫(kù)補(bǔ)水調(diào)度方案

考慮降雨期間雨水對(duì)河道基流的補(bǔ)充，本次結(jié)合各水庫(kù)實(shí)際，提出水庫(kù)降雨補(bǔ)給達(dá)到最小生態(tài)流量時(shí)所需降雨量值，據(jù)此對(duì)典型年降雨場(chǎng)次進(jìn)行分析，得出各月需補(bǔ)水天數(shù)及日均補(bǔ)水量。以實(shí)現(xiàn)降雨日蓄水補(bǔ)給無(wú)雨日的補(bǔ)水效果。調(diào)度方案如下(見(jiàn)表9—10，如圖1所示)：

(1)降雨量方面，當(dāng)石陂頭水庫(kù)降雨大于2.81mm時(shí)，24h內(nèi)無(wú)需下放生態(tài)流量，可關(guān)閉相關(guān)補(bǔ)水設(shè)施。

(2)水位方面，若水庫(kù)水位低于表9中限制供水線(xiàn)，則按表10中限制供水區(qū)對(duì)應(yīng)日補(bǔ)水量進(jìn)行補(bǔ)水；若水庫(kù)水位高于表9中加大供水線(xiàn)，按表10中加大供水區(qū)對(duì)應(yīng)日補(bǔ)水量進(jìn)行補(bǔ)水；若水庫(kù)水位介于表9中限制供水線(xiàn)與加大供水線(xiàn)之間，則按表10中正常供水區(qū)對(duì)應(yīng)日補(bǔ)水量進(jìn)行補(bǔ)水。

表9 石陂頭水庫(kù)逐月補(bǔ)水水位成果表

圖1 石陂頭水庫(kù)補(bǔ)水調(diào)度水位示意成果圖

6 結(jié)論與建議

(1)根據(jù)SL/Z 712—2014，石陂頭水庫(kù)向下游河道實(shí)施生態(tài)補(bǔ)水的保證率取75%。該生態(tài)補(bǔ)水保證率下，水庫(kù)可補(bǔ)水量為58.57萬(wàn)m3，因此，石陂頭水庫(kù)具備生態(tài)補(bǔ)水功能。

(2)石陂頭水庫(kù)調(diào)度規(guī)則如下：①當(dāng)石陂頭水庫(kù)降雨大于2.81mm時(shí)，24h內(nèi)無(wú)需下放生態(tài)流量，可關(guān)閉相關(guān)補(bǔ)水設(shè)施；②若水庫(kù)水位低于限制供水線(xiàn)，則限制供水區(qū)對(duì)應(yīng)日補(bǔ)水量進(jìn)行補(bǔ)水；若水庫(kù)水位高于加大供水線(xiàn)，按加大供水區(qū)對(duì)應(yīng)日補(bǔ)水量進(jìn)行補(bǔ)水；若水庫(kù)水位介于限制供水線(xiàn)與加大供水線(xiàn)之間，則按正常供水區(qū)對(duì)應(yīng)日補(bǔ)水量進(jìn)行補(bǔ)水。

(3)鑒于補(bǔ)水流量較小，建議在時(shí)間、補(bǔ)水間隔等方面遵循以下原則：時(shí)間方面，選擇人流量較為集中的時(shí)段，比如周末或者工作日的出行高峰期；補(bǔ)水間隔方面，每月補(bǔ)水1～3次，也可根據(jù)水庫(kù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整補(bǔ)水次數(shù)；工程措施方面，可建小型擋水堰、跌水等，或設(shè)氣動(dòng)閘、橡膠壩等。

表10 石陂頭水庫(kù)逐月補(bǔ)水量成果表