基于生態(tài)水量保障的調(diào)度方案

劉蕊蕊，趙 雨，劉淵博

（中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710065）

1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

生態(tài)流量概念的提出,最早可追溯到20 年世紀(jì)40 年代初河道枯水流量（Low Flow）,主要是為了滿足當(dāng)?shù)睾恿鞯暮竭\(yùn)功能[1]。1989 年,Gore[2]建議在河流系統(tǒng)中規(guī)定最小流量,并指出生物群落中最小流量需求僅是管理決策的一部分。Gleick[3]于1996 年明確給出了基本生態(tài)蓄水概念（Basic Ecology Water Requirement）：是指提供一定質(zhì)量和一定數(shù)量的水給天然生態(tài)環(huán)境,以求最小程度地改變天然生態(tài)系統(tǒng)的過程,并保護(hù)物種多樣性和生態(tài)整合性。國(guó)內(nèi)關(guān)于生態(tài)流量的研究最早起源于20 世紀(jì)70 年代末的河流最小流量,不同專家學(xué)者從不同概念和定義,如：陳敏健（2007）提出適宜生態(tài)流量的概念,定義為“水生態(tài)系統(tǒng)的生物完整性隨水量減少而發(fā)生演變,以生態(tài)系統(tǒng)衰退臨界狀態(tài)的水文條件定義為維持水體生物完整性的需水”；劉曉燕（2008）提出河流環(huán)境流量的概念,定義為“在維持河流自然功能和社會(huì)功能均衡發(fā)揮的前提下,能夠?qū)⒑恿鞯暮哟?、水質(zhì)和生態(tài)維持在良好狀態(tài)所需要的河川徑流條件”；廖文根（2010）提出生態(tài)基流的概念,定義為“維持河流基本形態(tài)和基本生態(tài)功能的河道內(nèi)最小流量”。

2 基本情況

廣州市花都區(qū)地處廣東省中部,珠江三角洲北部,廣州市北部,東接從化區(qū),南接白云區(qū),西連佛山市三水區(qū)、南海區(qū),北鄰清遠(yuǎn)市清城區(qū),有廣州市“北大門”、“后花園”之稱。區(qū)內(nèi)水系發(fā)達(dá),包含流溪河、白坭河、新街河、梯清河4大水系,有大小河涌165 條（其中主要河涌64條）,總長(zhǎng)697 km；有中小型水庫53 宗,總庫容1.58 億m3?；ǘ紖^(qū)2018年水資源總量9.99 億m3,用水總量4.99 億m3,利用率為49.95%。用水雖低于廣州市考核控制指標(biāo)（5.50 億m3）,但開發(fā)利用率已超過國(guó)際公認(rèn)的河流開發(fā)利用率（40%）。水資源開發(fā)利用率較高,導(dǎo)致花都區(qū)部分河道生態(tài)水量被擠占,枯水期出現(xiàn)斷流現(xiàn)象,生態(tài)基流難以保障,河道形狀和許多生物賴以維持生存的自然特征消失,嚴(yán)重破壞河道形態(tài)多樣性。嚴(yán)格遵循綠色發(fā)展原則,以生態(tài)保護(hù)為中心,充分發(fā)揮水利工程生態(tài)調(diào)度功能,為河道生態(tài)水量提供有效保障,促進(jìn)水生態(tài)環(huán)境的良性發(fā)展和水資源可持續(xù)利用,有助于河道的自然發(fā)展。

3 生態(tài)水量調(diào)度

水十條提出要科學(xué)確定生態(tài)流量,加強(qiáng)江河湖庫水量調(diào)度管理,維持河湖生態(tài)用水需求,重點(diǎn)保障枯水期生態(tài)基流。按照社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展必須守住發(fā)展和生態(tài)兩條底線中的生態(tài)底線要求,綜合考慮水資源條件、生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求、開發(fā)利用現(xiàn)狀及需求,統(tǒng)籌協(xié)調(diào)河流生態(tài)環(huán)境功能與社會(huì)服務(wù)功能的關(guān)系,合理確定生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)；依據(jù)生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算方法,選用合適的方法進(jìn)行生態(tài)流量控制指標(biāo)計(jì)算,提出保障主要控制斷面生態(tài)水量的調(diào)度方案。

3.1 生態(tài)保護(hù)目標(biāo)

生態(tài)流量應(yīng)以保障河道生態(tài)保護(hù)對(duì)象用水需求為出發(fā)點(diǎn)。花都區(qū)生態(tài)保護(hù)對(duì)象主要包括河道基本形態(tài)、基本棲息地、基本自凈能力等基本生態(tài)保護(hù)對(duì)象,雖有廣東省第一個(gè)桃花水母及其生態(tài)縣級(jí)自然保護(hù)區(qū),但不在本次工作范圍內(nèi)。除此,無國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、國(guó)家級(jí)自然文化遺產(chǎn)、國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)等特殊保護(hù)區(qū)以及生態(tài)敏感與脆弱區(qū)等保護(hù)對(duì)象。因此,生態(tài)保護(hù)目標(biāo)設(shè)定為河流基本功能的保護(hù),即保證河流不干涸、斷流,保持完整的河道斷面形態(tài),保障河流的生存功能,重點(diǎn)保障枯水期河道生態(tài)基流。

3.2 控制斷面的選取

河道生態(tài)水量控制斷面的選擇,嚴(yán)格按照生態(tài)水量控制斷面選取原則和廣州市編制實(shí)施“基于生態(tài)流量保障的水量調(diào)度方案”的工作方案提出的選取方法,結(jié)合花都區(qū)河道的水文情勢(shì)和生態(tài)需水情況等綜合確定。生態(tài)水量控制斷面控制集雨面積不宜過大也不宜過小,對(duì)于流域面積小于50 km2的河涌,原則上布設(shè)一個(gè)控制斷面。

3.3 生態(tài)流量控制指標(biāo)

根據(jù)《廣州市編制實(shí)施“基于生態(tài)流量保障的水量調(diào)度方案”的工作方案》（穗水資源〔2017〕29號(hào)）[4],流域生態(tài)流量控制指標(biāo)分為基本生態(tài)環(huán)境流量與目標(biāo)生態(tài)環(huán)境流量。根據(jù)《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范》（SL/T 272-2014）要求,本次控制斷面的生態(tài)流量以基本生態(tài)環(huán)境流量為生態(tài)流量控制指標(biāo)。

3.4 生態(tài)流量計(jì)算

本次選取花都區(qū)具有代表性的三條河道（四清河、大逕河和田美河）進(jìn)行生態(tài)流量分析計(jì)算,結(jié)合周邊水庫、灌渠、閘壩、污水廠等水利設(shè)施提出生態(tài)基流的水量調(diào)度保障措施。

（1）徑流量計(jì)算

由于花都區(qū)河涌均沒有水文觀測(cè)資料,生態(tài)流量依據(jù)花都區(qū)現(xiàn)有降雨資料,通過降雨～徑流公式估算：

式中：Qm為降雨產(chǎn)生的徑流量,m3；Q為集雨區(qū)的降雨深,mm；A為集雨區(qū)面積,m2；C為集雨區(qū)的徑流系數(shù)。

則根據(jù)降雨資料計(jì)算的河道來水量見表1。

表1 設(shè)計(jì)徑流量計(jì)算成果表

（2）生態(tài)基流計(jì)算

以花都區(qū)四清河、大逕河和田美河為例,采用近10年最枯月平均流量法、Tennant法（多年平均流量10%）、Q90 法計(jì)算生態(tài)基流。

①近10 年最枯月平均流量法

近10 年最枯月平均流量法一般以河流近10 年最小月平均實(shí)測(cè)徑流量的平均值作為河流基本生態(tài)環(huán)境需水量,一般采用河流每年中最小月平均實(shí)測(cè)徑流量的多年平均值作為河流生態(tài)需水量,其計(jì)算公式為：

式中：Wb為河流生態(tài)需水量,108m3；表示第i年第j個(gè)月的月均流量,m3/s；T為換算系數(shù),其值為31.536×106s；n為統(tǒng)計(jì)年數(shù)。

②Tennant法

Tennant法,也稱為“Montana法”,以平均年流量的百分比作為推薦流量,在不同的月份采取不同的百分比。本次枯水期生態(tài)水量取多年平均流量10%。

③Q90法

Qp法,又稱不同頻率最枯月平均值法,以節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)系列天然月平均流量、月平均水位或徑流量為基礎(chǔ),用每年的最枯月排頻,選擇不同頻率下的最枯月平均流量、月平均水位或徑流量作為節(jié)點(diǎn)生態(tài)環(huán)境需水量的最小值。

頻率p根據(jù)河湖水資源開發(fā)利用程度、規(guī)模、來水情況等實(shí)際情況確定,宜取90%或95%。本次取90%。

經(jīng)計(jì)算,三種計(jì)算方法的生態(tài)基流結(jié)果見表2。

表2 生態(tài)基流計(jì)算成果表

3.5 生態(tài)基流合理性分析

生態(tài)基流計(jì)算采用的計(jì)算方法為水文學(xué)法,符合《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范》（SL/T 272-2014）規(guī)范要求。根據(jù)《水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)生態(tài)指標(biāo)體系與應(yīng)用指導(dǎo)意見》,我國(guó)南方河流,生態(tài)基流應(yīng)不小于90%保證率最枯月平均流量和多年平均天然徑流量的10%兩者之間的大值。通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),Tennant法計(jì)算成果偏大,推薦作為生態(tài)流量最終成果也是合理的。

另外,根據(jù)收集到大逕河和田美河“河長(zhǎng)制”生態(tài)基流成果,與其對(duì)比發(fā)現(xiàn),本次計(jì)算成果與“河長(zhǎng)制”生態(tài)基流成果相差小于10%,可能因?yàn)椴捎媒涤陼r(shí)間序列長(zhǎng)度不一致引起的。綜上所述,推薦Tennant法計(jì)算成果作為生態(tài)基流最終成果也是合理的。

表3 與“河長(zhǎng)制”生態(tài)基流成果對(duì)比表

4 生態(tài)調(diào)度方案

4.1 四清河生態(tài)流量調(diào)度方案

四清河,發(fā)源于銀窿西麓,由東坎布折向東南,流經(jīng)花東鎮(zhèn)的七星村、四聯(lián)村、水口營(yíng)村和港頭村,是九灣潭排洪河下游最大的一條支流,在距離流溪河出口635 m處匯入九灣潭河,控制斷面四清河位于河口附近,集雨面積13.13 km2,河長(zhǎng)8.95 km。四清河河道外并無明顯占用生態(tài)用水情況,河流來水量維持天然狀態(tài)。選取典型枯水年（90%）分析四清河河口控制斷面生態(tài)水量的保障情況,見表4。

表4 四清河河口斷面生態(tài)水量保障情況

典型枯水年四清河汛期生態(tài)水量能得到滿足,但非汛期由于降水量少,11月～12月份的來水量不能滿足生態(tài)水量需求,缺水量為0.66萬m3～2.59 萬m3。四清河上游與九灣潭水庫西干渠相交,九灣潭西干渠與四清河交匯處預(yù)留有控制閘門。經(jīng)分析,九灣潭水庫水量充足,在滿足下游灌溉用水及壩下生態(tài)用水的需求同時(shí),也能滿足四清河枯水期生態(tài)用水調(diào)度要求。因此,枯水期四清河的生態(tài)水量調(diào)度方案為：九灣潭水庫的水通過右側(cè)放水口下放至西干渠,可結(jié)合干渠補(bǔ)充下放九灣潭壩下生態(tài)水量和四清河需求的生態(tài)水量。

4.2 大逕河調(diào)度方案

大逕河全長(zhǎng)16.05 km,發(fā)源于西頭石場(chǎng),流經(jīng)西頭村、軍田村、前進(jìn)村、聯(lián)合村,秀全街大布村,最終匯入天馬河。流域總集雨面積43.79 km2。大逕河主要有蘇屋河、西群河、下逕河三條支流。大逕河上游三座水庫,分別為紅崩崗水庫（集雨面積3.60 km2）、葛麻坑水庫（集雨面積2.25 km2）、吊鐘形水庫（集雨面積1.32 km2）。大逕河水庫下游區(qū)間集雨面積為36.62 km2,區(qū)間來水量通過區(qū)間降雨量計(jì)算。選取典型年（90%）計(jì)算大逕河河口斷面生態(tài)水量的保障情況,見表5。

表5 大逕河河口斷面生態(tài)水量保障情況 單位：萬m3

枯水年大逕河區(qū)間來水量不能保障大逕河河口斷面生態(tài)水量需求,11月～12月份缺水量8.22萬m3～13.53 萬m3?，F(xiàn)狀大逕河中游有一座污水處理廠——獅嶺污水處理廠一、二期,設(shè)計(jì)污水處理量11.9 萬m3/d,中水排放量遠(yuǎn)大于大逕河生態(tài)缺水量。因此,考慮直接通過獅嶺污水處理廠中水排放補(bǔ)充大逕河生態(tài)水量。

4.3 田美河調(diào)度方案

田美河位于花都區(qū)新華街和花山鎮(zhèn)轄區(qū)內(nèi),全流域總集雨面積30.50 km2,田美干流全長(zhǎng)12 km,平均坡降1‰,現(xiàn)狀河面寬度20 m～30 m,田美河上游有抗美河和長(zhǎng)崗排洪河兩條支流。采用典型枯水年（90%）降水量計(jì)算田美河來水量,分析田美河河口斷面生態(tài)流量的保障情況,詳見表6。

表6 田美河河口斷面生態(tài)流量保障情況 單位：萬m3

典型枯水年田美河汛期來水量能滿足河口斷面的生態(tài)流量,但非汛期來水量較小,尤其是11月～12月份,不能滿足生態(tài)流量的需求,缺水量1.66 萬m3～6.07 萬m3。田美河上游支流抗美河與流溪河花干渠西八支渠通過閘門相連。因此,擬提出田美河生態(tài)補(bǔ)水調(diào)度方案：通過控制流溪河花干渠八支渠分水閘下放水量,通過支流抗美河補(bǔ)充田美河生態(tài)水量,維持下游河道自然水量。流溪河花干渠屬于流域外引水工程,需在跨流域調(diào)水調(diào)度方案中考慮生態(tài)補(bǔ)水,然后提出調(diào)度水量。

5 結(jié)語

花都區(qū)河涌、渠系縱橫,水庫較多,在生態(tài)水量調(diào)度上,應(yīng)優(yōu)先利用周邊污水廠處理達(dá)標(biāo)后的中水,其次盡量利用已有水利設(shè)施進(jìn)行生態(tài)流量調(diào)度,在水量充足,可調(diào)配的情況下,改擴(kuò)建已有水利設(shè)施,連通河渠進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水,減少工程投資。上下游閘、壩之間需通力合作,按調(diào)度方案統(tǒng)籌協(xié)調(diào)運(yùn)行,若上游水閘未按照要求進(jìn)行調(diào)度,可能造成下游壩上水位降低,蓄水量減少,造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。因此,應(yīng)盡快進(jìn)行水資源監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)施建設(shè),建立監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),落實(shí)計(jì)量設(shè)施以及監(jiān)控措施,確?？刂茢嗝嫠?維持?jǐn)嗝婊旧鷳B(tài)水量。

另外,需完善流域管理體制,設(shè)施取水許可總量控制,加強(qiáng)流域內(nèi)外水庫、閘壩、灌溉引水渠以及河口工程的統(tǒng)一調(diào)控[4],比如通過流溪河花干渠從外流域調(diào)水,在年度水量分配中應(yīng)充分考慮生態(tài)補(bǔ)水調(diào)度所需水量。同時(shí),將控制斷面取水量納入政府績(jī)效考核約束性指標(biāo)進(jìn)行考核,確?？刂茢嗝嫠亢退|(zhì)雙達(dá)標(biāo)。