基于下游需水量過程線的水庫生態(tài)流量調(diào)度研究

袁靜　張德兵

摘要：干旱區(qū)域河流的開發(fā)利用率較高，生態(tài)流量“放不下、放不穩(wěn)”。為協(xié)調(diào)生態(tài)、生產(chǎn)、生活等用水需求，需要合理確定水利工程的調(diào)度過程。以新疆五一水庫為研究對象，通過推算其下游艾比湖濕地保護(hù)區(qū)的生態(tài)需水量與五一水庫下泄水量間的對應(yīng)關(guān)系，換算得到生態(tài)敏感目標(biāo)對應(yīng)的水庫的下泄水量需求，進(jìn)而確定五一水庫的分月下泄水量過程線，并計(jì)算了目標(biāo)可達(dá)性。結(jié)果表明：合理調(diào)度可以實(shí)現(xiàn)五一水庫生活、生產(chǎn)供水量目標(biāo)和河流生態(tài)目標(biāo)。研究成果可為干旱區(qū)域河流的工程生態(tài)流量調(diào)度提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：水量目標(biāo)換算; 水庫生態(tài)流量調(diào)度; 河道生態(tài)基流; 艾比湖; 五一水庫; 干旱區(qū)域河流

中圖法分類號： TV697.25

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.012

0引 言

目前河流生態(tài)基流的計(jì)算方法很多，如：國家環(huán)?？偩洲k公廳環(huán)辦函〔2006〕11號文提出，維持水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定所需最小水量一般不應(yīng)小于河道控制斷面多年平均流量的10%;SL/Z 712-2014《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范》和SL/Z 479-2010《河湖生態(tài)需水評估導(dǎo)則（試行）》中建議的最小瞬時(shí)流量為年平均流量的10%～20%;SL 525-2011《水利水電建設(shè)項(xiàng)目水資源論證導(dǎo)則》提出了河道生態(tài)需水量按多年平均流量的10%～20%確定。但是，以上計(jì)算方法所確定的流量為河道內(nèi)的生態(tài)基流，需通過水利工程的最小下泄流量來保障。最小下泄流量是工程為滿足生態(tài)流量及河道外生產(chǎn)生活用水需求，需要下泄的最小流量。水庫“生態(tài)流量”多出現(xiàn)在綜合規(guī)劃文件里，“最小下泄流量”多用在水量分配方案里，本文中統(tǒng)一以水庫生態(tài)流量表示。水庫的生態(tài)流量下泄方案制定的是否科學(xué)且具操作性具有十分重要的意義。

中國地域遼闊，河流水文情勢差異較大，南方河流枯水期生態(tài)基流保證率較低，但是北方干旱地區(qū)的豐水期為灌溉高峰期，水資源開發(fā)利用率較高，部分時(shí)段甚至高達(dá)90%～100%，河流生態(tài)用水占來水量的10%以下。國際上一般認(rèn)為，對一條河流的開發(fā)利用不能超過其水資源量的40%[1-3]，超過國際公認(rèn)的40%的水資源開發(fā)生態(tài)警戒線，可能會擠占河道生態(tài)流量。目前對于河道生態(tài)流量保障的理論研究較多，但具體到水利工程的實(shí)施方案較少，如何根據(jù)干旱區(qū)域的水資源條件和水生態(tài)特點(diǎn)，合理調(diào)配水資源，保障水生態(tài)用水和地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，實(shí)現(xiàn)水庫的生態(tài)流量調(diào)度，是一個(gè)亟待解決的問題。

本文選取新疆維吾爾自治區(qū)博爾塔拉蒙古自治州境內(nèi)博爾塔拉河上的五一水庫為研究對象，其下游為新疆第三大湖泊、準(zhǔn)噶爾盆地中第一大湖泊艾比湖，通過推算艾比湖濕地保護(hù)區(qū)的生態(tài)需水量與五一水庫下泄水量間的對應(yīng)關(guān)系，換算得到生態(tài)敏感目標(biāo)對應(yīng)的水庫的下泄水量需求，進(jìn)而確定五一水庫的分月下泄水量過程線。五一水庫的生態(tài)保障目標(biāo)包含了河道內(nèi)生態(tài)基流和艾比湖濕地保護(hù)區(qū)生態(tài)需水量，是干旱地區(qū)典型的河流生態(tài)系統(tǒng)，對其開展水庫調(diào)度目標(biāo)值確定方法和保障措施的研究具有重要的參考價(jià)值。

1研究區(qū)域

1.1研究對象

五一水庫工程位于新疆博爾塔拉蒙古自治州境內(nèi)、博爾塔拉河中下游，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電和水產(chǎn)養(yǎng)殖的Ⅲ等中型攔河式平原水庫。該水庫總庫容1 960萬m3，水庫正常蓄水位528.5 m，相應(yīng)庫容1 830萬m3;設(shè)計(jì)洪水位528.5 m，相應(yīng)庫容1 830萬m3;校核洪水位529.0 m，相應(yīng)庫容1 960萬m3;死水位515.53 m，相應(yīng)庫容75.5萬m3。該水庫具有不完全年調(diào)節(jié)能力，是博爾塔拉河上最大的水庫，其下游1 km和2 km分別有兩座小（1）型攔河式平原水庫七一水庫、八一水庫，與五一水庫實(shí)行聯(lián)合調(diào)度。

博爾塔拉河西起溫泉縣別珍套山、阿拉套山，自西向東流經(jīng)溫泉縣、博樂市境內(nèi)，在精河縣匯入艾比湖，為艾比湖流域最大的一條水系，全長252 km，流域面積11 367 km2。博爾塔拉河中下沿河兩岸密布居民區(qū)和農(nóng)田，是博州重點(diǎn)經(jīng)濟(jì)區(qū)。中上游交接處的溫泉水文站多年平均徑流量為3.143億m3，中下游的博樂水文站（監(jiān)測五一水庫的出庫流量）多年平均年徑流量為5.002億m3，年徑流比較穩(wěn)定。隨著天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的開發(fā)，夏季灌溉引水量有時(shí)超過河流流量的90%，加之博爾塔拉河水文地質(zhì)條件復(fù)雜，部分地表水轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵聺摿鳎瑢?dǎo)致河道有3處斷流。河流尾閭為艾比湖濕地保護(hù)區(qū)。博爾塔拉河入艾比湖的入湖水量監(jiān)測斷面為90團(tuán)四連大橋巡測斷面。研究區(qū)域位置如圖1所示。

1.2研究路線

水庫調(diào)度方案制定時(shí)，首先需要搜集河流相關(guān)水文、水質(zhì)、生態(tài)和地質(zhì)條件，明確下游需要保護(hù)的目標(biāo)及需水量。然后通過對水庫下游生活、生產(chǎn)和生態(tài)需水量、水功能區(qū)滿足納污能力需水量、區(qū)間來水量進(jìn)行調(diào)查和分析，兼顧發(fā)電站利益，合理確定出水庫的生態(tài)流量目標(biāo)值并計(jì)算滿足程度。

1.3生態(tài)保護(hù)目標(biāo)解析

水庫的生態(tài)流量要考慮河道外用水和河道內(nèi)用水。河道外用水指通過提、引等方式而利用的河水，如工農(nóng)業(yè)用水、城市生活用水等;河道內(nèi)用水指河道內(nèi)水資源的利用，水運(yùn)、漁業(yè)、旅游、沖沙及生態(tài)環(huán)境用水。為維持河流基本形態(tài)和生態(tài)功能，避免河流水生態(tài)系統(tǒng)功能受到無法恢復(fù)的破壞，需要綜合分析工程影響河段的生態(tài)流量調(diào)度目標(biāo)[4]，合理確定工程的下泄生態(tài)流量。

博爾塔拉河下游為艾比湖濕地保護(hù)區(qū)，由于近年來入湖水量減少，艾比湖湖水面積不斷減少，20世紀(jì)50年代湖面面積1 200 km2，如今萎縮至500 km2左右，湖濱地區(qū)荒漠化程度加劇，成為中國西部沙塵暴主要策源地之一。艾比湖流域的生態(tài)惡化事實(shí)上已成為困擾新疆的第二大生態(tài)問題，艾比湖干縮導(dǎo)致的地下水位下降，使該流域周邊地區(qū)荒漠化大大加快，因此，保證博爾塔拉河入艾比湖的入湖水量，是五一水庫調(diào)度的主要目標(biāo)之一。

博爾塔拉河無通航功能，無景觀和水上娛樂所需水量，

無工業(yè)污染匯入，水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果顯示，水庫蓄水后河道水質(zhì)未產(chǎn)生明顯影響，無凈化稀釋或水華控制的要求。根據(jù)《全國重要江河湖泊水功能區(qū)劃》（2011～2030年），自源頭至卡咎河口為溫泉源頭水保護(hù)區(qū)，卡咎河口至溫泉水文站為溫泉保留區(qū)，自溫泉水文站至90團(tuán)四連大橋一級水功能區(qū)為溫泉博樂開發(fā)利用區(qū)，二級水功能區(qū)為溫泉博樂農(nóng)業(yè)用水區(qū)，水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類水，現(xiàn)狀水質(zhì)達(dá)標(biāo)，河流水資源主要用于農(nóng)業(yè)灌溉，河道兩岸及河道內(nèi)植被多以耐寒耐旱為主，主要靠大氣降水和地下水維持。

綜合分析，確定工程的生態(tài)流量應(yīng)考慮以下方面：維持下游艾比湖濕地保護(hù)區(qū)面積，維持河道生態(tài)基流和天然植被、水生生物，保護(hù)農(nóng)業(yè)灌溉用水需求。

2水庫生態(tài)流量下泄方案

2.1河道內(nèi)生態(tài)基流的確定

目前河道生態(tài)基流的確定方法有水文學(xué)法、水力學(xué)法、水文-生物分析法等[5-8]，各方法的適用條件各不相同。由于水文學(xué)法計(jì)算方便、所需資料易于獲取，是目前最常用的生態(tài)基流計(jì)算方法?？紤]到中小河流一般僅有水文數(shù)據(jù)，本文主要采用水文學(xué)法中的Tennant法計(jì)算生態(tài)基流，具體計(jì)算過程見文獻(xiàn)[9]。

1975年博爾塔拉河五一水庫修建后，水文情勢受到水庫的調(diào)蓄影響，為保證水文資料的一致性，本文統(tǒng)計(jì)博樂水文站1975～2017年共計(jì)43 a的水文系列資料，博爾塔拉河多年平均徑流量、75%和90%來水頻率對應(yīng)的徑流量分別為5.002 24，4.546 1億m3和3.85億m3。由于博河兩岸為主要的生產(chǎn)、生活區(qū)，農(nóng)業(yè)灌溉、牲畜養(yǎng)殖需水量大，灌溉季一直存在水量不足的困難。因此，考慮實(shí)際情況，暫以多年平均流量的10%作為壩下游河道的生態(tài)基流控制指標(biāo)，在當(dāng)?shù)赜盟芫徍秃?，再考慮提高生態(tài)基流管理要求。由此計(jì)算出不同來水頻率下分月生態(tài)基流量控制值，計(jì)算結(jié)果見表1。

2.2艾比湖濕地保護(hù)區(qū)的水量要求

根據(jù)中央環(huán)境保護(hù)督察“向艾比湖年注入生態(tài)水不少于5億m3”的目標(biāo)、艾比湖一湖一策方案等分配成果，換算得到博爾塔拉河年入艾比湖水量總量應(yīng)不小于3.089億m3。因五一水庫至艾比湖河口間的支流匯入水量Q來、蒸發(fā)、下滲及泉水匯入量Q泉不明，不能確定3.089億m3對應(yīng)的五一水庫下泄水量要求。本文以90團(tuán)4連大橋（博爾塔拉河入湖水量控制斷面）年入湖水量最接近3.089億m3的2014，2011年和2015年3 a平均年內(nèi)分配為約束條件，查詢對應(yīng)年份五一水庫的下泄水量過程。

90團(tuán)4連大橋?qū)崪y徑流量和對應(yīng)年份的五一水庫出庫量對比關(guān)系見圖2，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表2。由表2可知，最接近入湖水量約束條件的2014，2011年和2015年對應(yīng)的五一水庫年出庫量分別為4.820，5.537億m3和5.306億m3。由圖2的年內(nèi)分配趨勢可知，五一水庫下泄量與艾比湖入湖水量趨勢一致，用90團(tuán)4連大橋入湖水量對應(yīng)五一水庫下泄量的方法有效。本文根據(jù)水庫實(shí)際年份的下泄水量來制定分月限值，貼近實(shí)際，操作性更強(qiáng)。

2.3水庫下游生產(chǎn)需水量

五一水庫下游共有星火干渠、三干渠、85團(tuán)渠和紅光渠4個(gè)農(nóng)業(yè)灌溉取水口，取水許可批復(fù)的年需水量為10 801萬m3。由于取水月份集中于4～11月，計(jì)算發(fā)現(xiàn)，以取水許可批復(fù)為下游取水口的需水量時(shí)，灌溉高峰期引水量占當(dāng)月來水量的90%以上，部分月份批復(fù)的許可水量甚至超過河流徑流量，難以保證下游河道的生態(tài)基流量，因此，本文建議以近年的實(shí)際取水量為下游需水量核算依據(jù)。

對五一水庫下游取水口2016～2018年近3 a實(shí)際引用量進(jìn)行分月統(tǒng)計(jì)分析，年實(shí)際平均取水量為7 478.21萬m3，占年取水許可量的69.24%，每年灌溉引水始于4月，終于11月，因此，水庫下泄生態(tài)流量過程線僅需要考慮4～11月的生產(chǎn)需水量。

綜合考慮艾比湖濕地保護(hù)區(qū)需水量、壩下游河道生態(tài)基流量、農(nóng)業(yè)取水口需水量，生態(tài)流量計(jì)算公式如下：

兩岸地帶，很少有地表徑流匯入博爾塔拉河，因此本文不統(tǒng)計(jì)區(qū)間的支流匯入量和回歸水量。公式簡化為

由此，制定了五一水庫分月下泄水量限值的生態(tài)水量過程線[10-11]，結(jié)果見表3和圖3。比較艾比湖濕地保護(hù)區(qū)需水量限值與河道生態(tài)基流與農(nóng)業(yè)灌溉需水量和值的大小，除7月取河道生態(tài)基流與河道外需水量和值外，其他月份均需以艾比湖入湖水量為限值。

2.4生態(tài)流量的目標(biāo)可達(dá)性和調(diào)度要求

根據(jù)水庫的下泄水量限值要求，對水庫進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明：在多年平均來水、75%來水保證率條件下，水庫均能滿足調(diào)度要求。只有在特枯年份（90%來水保證率條件下[11]），灌溉高峰期不能滿足生態(tài)基流目標(biāo)值，根據(jù)“當(dāng)生活、生態(tài)和生產(chǎn)‘三生用水發(fā)生沖突時(shí)[12]，應(yīng)優(yōu)先保證生活用水，其次為生態(tài)用水，最后為生產(chǎn)用水”的原則，需削減農(nóng)業(yè)用水量以保證生態(tài)需水量。若入庫流量小于當(dāng)月下泄目標(biāo)值，則按入庫流量下泄。

生態(tài)基流原則上應(yīng)是保證河道不斷流，持續(xù)不間斷地下泄，但干旱區(qū)域的河流，徑流量主要集中在山區(qū)，平原區(qū)河段常因滲漏為地下水而斷流，即使不受人類影響，此類河流也很難實(shí)現(xiàn)整條河流不斷流。因此干旱區(qū)域的河流建議著重考慮減弱人類活動(dòng)對于河流生態(tài)的影響，保障河流的生態(tài)基流量，逐步提高生態(tài)基流的比例，而不必追求河流時(shí)刻不斷流。另外，部分水庫工程建設(shè)年度久，設(shè)計(jì)中對水庫大壩下游河道生態(tài)流量考慮不足，閘門的起閉程度難以滿足小流量的下泄需求;部分已建水庫新增泄流設(shè)施可能影響壩體結(jié)構(gòu)，不宜采取工程保障措施。考慮以上因素，水庫下泄水量限值不宜細(xì)化到日或者瞬時(shí)流量，而宜采用分月流量限值指標(biāo)。根據(jù)“洪水脈沖理論”，建議利用水庫蓄水制造人工洪峰、下游河道漫灘，對河道中的植被起到澆灌作用，利于植被帶修復(fù)建設(shè)，也可為恢復(fù)河道與灘地、兩岸濕地的連通性創(chuàng)造條件。通過合理的蓄泄水量，達(dá)到生態(tài)環(huán)境用水和社會經(jīng)濟(jì)用水的綜合效益最大化，便于實(shí)現(xiàn)水庫的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度。

水庫實(shí)際蓄水過程應(yīng)考慮起蓄時(shí)間和汛期限制水位[13-15]，水庫的蓄水時(shí)間不宜過早，蓄水速度不宜過快，以免對水庫的安全產(chǎn)生影響。

3結(jié) 語

本文通過統(tǒng)計(jì)博爾塔拉河河道生態(tài)基流、河道外需水量分月限值，在缺少區(qū)間匯入、匯出水量的情況下，將下游艾比湖濕地保護(hù)區(qū)需水量目標(biāo)換算為上游水庫的下泄水量要求，并對生活、生態(tài)和生產(chǎn)各需水量依據(jù)時(shí)間過程線進(jìn)行逐月分配。

分配結(jié)果顯示：除特枯年份（90%來水保證率條件下）外，在多年平均來水、75%來水保證率下，水庫下泄量均能滿足下游生活、生態(tài)和生產(chǎn)水量要求。

河道生態(tài)基流不能滿足的根本原因在于生產(chǎn)用水?dāng)D占生態(tài)用水空間，需在河長制背景下，嚴(yán)格水量分配方案，加強(qiáng)節(jié)水管理，改善流域水生態(tài)環(huán)境。本文可為同類型的河流生態(tài)基流保障工作提供支持。

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（編輯：謝玲嫻）

Abstract：The development and utilization rate of rivers in arid regions is relatively high，and the ecological flow is difficult to control.In order to coordinate the water demand for ecology，production and life，it is necessary to reasonably determine the scheduling process of water conservancy projects.Taking the Wuyi Reservoir in Xinjiang Autonomous Region as the research object，we analyzed the corresponding relationship between the ecological water demand of Aibi Lake Wetland Reserve and the discharge water volume of the Wuyi Reservoir，and obtained the monthly discharge demand of the reservoir corresponding to the ecologically sensitive target by conversion，so as to determine the monthly discharge process line of the Wuyi Reservoir，and then calculated the target accessibility.The results show that the water supply target of Wuyi Reservoir and the river ecological target can be achieved by rational operation.The research results can provide technical support for engineering ecological flow regulation of rivers in arid regions.

Key words：rivers in arid regions;water volume target conversion;reservoir ecological flow regulation;river ecological base flow;Aibi Lake;Wuyi Reservoir