基于生態(tài)逐級保證的河口村水庫水量分配研究

孟鈺 張一鳴 管新建 梁勝行

摘要：為協(xié)調(diào)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與河流生態(tài)之間的關(guān)系，以河口村水庫為研究對象，在量化生態(tài)流量逐級保證閾值的前提下，建立了基于生態(tài)流量逐級保證的水庫多目標(biāo)水量分配模型。結(jié)果表明：基流比例法與Tennant法設(shè)置的I-Ⅳ級生態(tài)流量分別為2.84、3.98、5.35、7.36m³/s;采用水量分配模型對遠(yuǎn)期規(guī)劃年2030年配置方案進(jìn)行研究，生活和工業(yè)用水戶以及農(nóng)業(yè)用水戶的供水保證率分別為95.O%、66.7%，生態(tài)供水保證率自I級的71.7%降至Ⅳ級的38.3%;隨著社會經(jīng)濟(jì)及人口的快速發(fā)展，河口村上游來水及水庫調(diào)節(jié)難以協(xié)調(diào)河道內(nèi)外的用水矛盾，只能通過相應(yīng)壓縮河流生態(tài)用水來保證河道外用水需求。

關(guān)鍵詞：基流比例法;生態(tài)流量等級;水量分配模型;河口村水庫

中圖分類號：TV213.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.05 .009

1 引言

人類為了更好地開發(fā)利用水資源，修建了各種水利工程，在獲得巨大的社會與經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，不可避免地對原有的自然系統(tǒng)造成影響[1]。水利樞紐作為連接水資源與人類社會的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其功能性逐漸發(fā)生了轉(zhuǎn)變。常規(guī)的水庫調(diào)度方式已經(jīng)開始轉(zhuǎn)變?yōu)榭紤]水庫下游與庫區(qū)的水生態(tài)調(diào)度模式[2]。國外較早在水庫調(diào)度中考慮生態(tài)因素，早在20世紀(jì)30年代，美國魚類和野生動物保護(hù)協(xié)會就強(qiáng)調(diào)了河川徑流應(yīng)該作為生態(tài)因子的重要性[3]。1971年.Schlueter首次提出生態(tài)調(diào)度的概念，指出水利工程在滿足人類對河流利用要求的同時(shí)，要維護(hù)或創(chuàng)造河流生態(tài)系統(tǒng)的多樣性[4]。自20世紀(jì)90年代起，運(yùn)用水庫調(diào)節(jié)來保障下游河道生態(tài)流量的研究逐漸開展，如英國在水資源法和環(huán)境法中規(guī)定了水庫下泄水量的最低生態(tài)要求，美國對Tallapoosa河的Thurlow大壩提出了最小生態(tài)流量運(yùn)行法則，挪威針對尼德河、敘納河等鮭魚生長繁殖制定了基本流量調(diào)度原則[5]，美國Colorado河為維持魚類產(chǎn)卵環(huán)境進(jìn)行了人造洪水試驗(yàn)6-7]。在我國，代表性的研究成果包括黃河水庫群為防止黃河斷流的棄電放水聯(lián)合調(diào)度研究[5]、三峽大壩為保證“四大家魚”的產(chǎn)卵繁殖進(jìn)行生態(tài)調(diào)度來制造“人造洪峰”[8]。現(xiàn)今雖然已經(jīng)展開了一系列水庫、閘壩生態(tài)調(diào)度的研究，但仍處于探索階段，且在實(shí)踐中運(yùn)用不多，尤其是我國，在眾多流域的管理中并沒有明確規(guī)定保證生態(tài)流量的要求。

本文對水庫生態(tài)調(diào)度與水量分配開展研究，提出河流生態(tài)逐級保證概念，采用基流（不同時(shí)期維持河流水生態(tài)系統(tǒng)基本需求的河道內(nèi)最小流量）比例法與Tennant法量化逐級生態(tài)流量閾值，建立基于生態(tài)流量逐級保證的水庫多目標(biāo)水量分配模型，并以黃河支流沁河河口村水庫為對象進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用，以期為河流水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)、水庫調(diào)度與管理提供參考。

2 基于基流比例法與Tennant法的逐級生態(tài)流量確定

生態(tài)流量是維持河流水生態(tài)系統(tǒng)基本需求及健康運(yùn)行的河道內(nèi)流量。為使生態(tài)流量更好地滿足河流水生態(tài)系統(tǒng)需水的年際變化，通過劃分徑流系列的豐、平、枯、特枯等不同年型，確定不同來水條件下對應(yīng)的生態(tài)流量等級，實(shí)現(xiàn)在來水較枯時(shí)保證河流最低流量需求，在來水較豐時(shí)為河流提供更充足的生態(tài)水量，促進(jìn)河流生態(tài)完整性及修復(fù)枯水年份造成的河流生態(tài)破壞。基流比例法即通過水文頻率劃分典型年，利用各年型平均徑流量之間的比例關(guān)系，確定各年型的生態(tài)基流比例，結(jié)合Tennant法估算的平水年生態(tài)流量值，獲得各年型對應(yīng)的生態(tài)流量值，即得到不同來水條件下對應(yīng)的各等級生態(tài)流量值[9]。

繪制長系列徑流的P-Ⅲ型頻率曲線，根據(jù)表1劃分標(biāo)準(zhǔn)，從頻率曲線上得到豐（P=25%）、平（P=50%）、枯（P=75%）、特枯（P=95%）年的平均流量值。

在基流比例法中，首先需要確定其中一種典型年型的基流比例，從而逐步推導(dǎo)出其他年型的生態(tài)流量值。本研究借鑒水文學(xué)法中的代表性方法——Tennant法，其原理：采用多年平均流量的固定百分比表征生態(tài)流量[10-11]，而平水年（P= 50%）的平均流量接近多年平均水平，Tennant法將生態(tài)流量劃分為8級，基于以往的研究成果，通常采用20%的流量代表河流適宜的生態(tài)流量。結(jié)合基流比例法，采用Tennant法中的適宜生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)（20%）計(jì)算平水年生態(tài)流量，推求平水年的基流比例，進(jìn)而采用式（1）-式（3）推求其余年型的基流比例與生態(tài)流量。設(shè)置各典型年對應(yīng)的生態(tài)流量等級，依次設(shè)置為特枯年I級（最低級）、枯水年Ⅱ級、平水年Ⅲ級、豐水年Ⅳ級（最高級）。

3 基于生態(tài)流量逐級保證的水量分配模型構(gòu)建

3.1 生態(tài)流量逐級保證目標(biāo)函數(shù)

生態(tài)流量逐級保證的基本思路：①判斷當(dāng)前調(diào)度年的水文年型（豐水年、平水年、枯水年、特枯水年），確定水文年型后，以該年型對應(yīng)的生態(tài)流量等級為保證目標(biāo)：②結(jié)合其他用水戶供水保證目標(biāo)，進(jìn)行水庫多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度，若當(dāng)前生態(tài)流量保護(hù)目標(biāo)能夠得到完全保證，則將當(dāng)前生態(tài)流量保護(hù)目標(biāo)調(diào)整為更高一級，反之降低一級：③重新進(jìn)行水庫多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度，直到調(diào)整后的生態(tài)流量保護(hù)目標(biāo)不能得到完全滿足，但盡可能實(shí)現(xiàn)其生態(tài)盈余水量最大化。具體步驟如下。

（1）步驟一。判斷第i年（i=l-N）水庫所屬水文年型，進(jìn)而選取對應(yīng)年型的生態(tài)流量等級作為生態(tài)保護(hù)目標(biāo)。計(jì)算公式為

4 實(shí)例分析

4.1 研究區(qū)概況

河口村水庫位于黃河一級支流沁河最后一段峽谷出口處，下距五龍口水文站約9 km，是黃河下游防洪工程體系的重要組成部分?？刂屏饔蛎娣e9 223 km².占沁河流域面積的68.2%。水庫多年平均入庫徑流量為4.92億m³，總庫容為3.17億m³，防洪庫容為2.31億m³，調(diào)節(jié)庫容為1.96億m³，死庫容為0.51億m³。水庫的供水對象包括濟(jì)源市區(qū)部分生活和工業(yè)用水戶、華能沁北電廠、沁北產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)、廣利灌區(qū)，此外還要兼顧水庫下游五龍口斷面的生態(tài)流量需求。對水庫供水范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)、工業(yè)與生活用水戶進(jìn)行遠(yuǎn)期規(guī)劃年（2030年）需水量預(yù)測，并制定配置方案，見表2。其中：水庫上游來水未入庫前向引沁河口電站供水，電站發(fā)電尾水退人河口村水庫下游河段，可供廣利灌區(qū)使用，扣除引沁河口電站多年平均供水量，需要河口村水庫承擔(dān)的供水量為5 976萬m³。以河口村水庫1956-2014水文年入庫徑流資料為依據(jù)，采用上述水量分配模型進(jìn)行研究。

4.2 逐級生態(tài)流量量化與分析

采用五龍口水文站1956-2014水文年徑流資料進(jìn)行水文頻率分析，多年平均流量為26.68 m3/s，可得豐水年、平水年、枯水年、特枯水年的水文年分別為1976年、1993年、2001年、1997年。結(jié)合各典型年平均流量，采用式（1）、式（2）計(jì)算各典型年間的基流比例：采用Tennant法推求多年平均流量的20%作為平水年生態(tài)流量，反推平水年基流比例，進(jìn)而采用式（3）獲得各典型年生態(tài)流量。計(jì)算結(jié)果及生態(tài)流量等級劃分見表3。

由表3可知，五龍口水文站所在河段的生態(tài)流量等級劃分為4級，從低至高依次為：I級，2.84 m³/s;Ⅱ級.3.98 m³/s;Ⅲ級，5.35 m³/s，Ⅳ級，7.36 m³/s。結(jié)合Tennant法分析各級別生態(tài)流量占多年平均流量的比例，可知：I級生態(tài)流量占比為10. 4%，接近Tennant法中的“最小”級別（ 10%），即接近最小生態(tài)流量;Ⅳ級生態(tài)流量占比為27.59%，屬于Tennant法的中等等級，雖較最優(yōu)等級有一定差距，但由于河道內(nèi)外用水矛盾激增，因此河道內(nèi)生態(tài)供水優(yōu)先級較低，生態(tài)水量設(shè)置偏低也較為合理。

4.3 河口村水庫水量分配結(jié)果與分析

河口村水庫建庫前，廣利灌區(qū)供水保證率為50%，生活及工業(yè)供水保證率為95%，建庫后相應(yīng)供水保證率水平不得低于建庫前。水量分配模型優(yōu)化結(jié)果見表4，系列年各等級生態(tài)流量滿足情況見圖1。河口村水庫來水頻率分布與下游五龍口水文站頻率分布不同，采用河口村水庫來水進(jìn)行水文頻率曲線分析并篩選典型年，可得豐水年、平水年、枯水年、特枯水年的典型年分別為1966年、2006年、1978年、1991年，不同典型年水量分配結(jié)果見表5。

由表4與圖1可知.2030年配置方案中，生活及工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)供水均能夠達(dá)到建庫前水平，供水保證率分別為95.0%、66.7%。水庫下游河道內(nèi)生態(tài)用水隨著生態(tài)保護(hù)等級的升高，供水保證率逐漸減小，自I級（最低級）的71.7%降至Ⅳ級（最高級）的38.3%?？梢姡S著社會經(jīng)濟(jì)及人口的快速發(fā)展，到2030年，農(nóng)業(yè)、工業(yè)及生活用水量較現(xiàn)狀水平均有較大增長，河口村水庫上游天然來水難以協(xié)調(diào)河道外用水與河道內(nèi)需水之間的矛盾，當(dāng)兩者發(fā)生沖突時(shí)，只能相應(yīng)犧牲河流生態(tài)環(huán)境，以維持河道外生產(chǎn)生活需求。

根據(jù)表5分析各典型年水量分配情況，豐水年水庫來水較豐，能夠滿足河道外各用水戶需求，生態(tài)供水等級也能達(dá)到最高級，能夠?yàn)楹恿魃鷳B(tài)系統(tǒng)提供良好的修復(fù)條件;平水年來水條件下，以保證生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水為先，適當(dāng)壓縮生態(tài)用水，維持生態(tài)供水等級在中等級別，避免河流生態(tài)系統(tǒng)因缺水而遭到破壞，能維持水生生物的基本生存環(huán)境：枯水年來水條件下，即使將來水總量全部供給生態(tài)用水，也無法維持生態(tài)用水最低等級，因此以避免下游斷流為前提，相應(yīng)犧牲下游生態(tài)環(huán)境，并盡可能保障河道外其他用水戶需求;特枯年由于水庫來水稀缺，難以完全供給某一用水戶，因此各方面均遭到一定程度破壞。

5 結(jié)論

以河口村水庫為研究對象，應(yīng)用基流比例法與Tennant法設(shè)置了不同保護(hù)等級的生態(tài)流量：I級.2.84 m³/s;Ⅱ級，3.98 m³/s;Ⅲ級，5.35 m³/s;Ⅳ級，7.36 m³/s。建立了基于生態(tài)流量逐級保證的水庫多目標(biāo)水量分配模型，包括生態(tài)流量逐級保證目標(biāo)函數(shù)與河道外用水戶供水保護(hù)目標(biāo)函數(shù)。對水庫供水區(qū)域遠(yuǎn)期規(guī)劃年配置方案進(jìn)行了研究，生活及工業(yè)（95.0%）、農(nóng)業(yè)（66.7%）的供水保證率均能夠達(dá)到建庫前要求，且略有提高;生態(tài)供水保證率自I級的71.7%降至Ⅳ級的38.3%：典型年分析中，枯水年與特枯年來水條件下均不能滿足最低生態(tài)保護(hù)要求?？梢姡磥砗拥纼?nèi)外用水矛盾將會持續(xù)深化，河口村水庫用水戶管理及區(qū)域水資源規(guī)劃需進(jìn)行協(xié)調(diào)，以維持快速增長的社會經(jīng)濟(jì)及人口用水需求，保證河流水生態(tài)系統(tǒng)的健康及功能。

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