雨源型河流生態(tài)流量計(jì)算與管控措施分析

于子波，張 麗，姚航斌，萬東輝

(1.深圳市智慧水務(wù)綜合智慧調(diào)度和保障中心，廣東 深圳 518017；2.珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院， 廣州 510610)

河湖生態(tài)流量是指為了維系河流、湖泊等水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，需要保留在河湖內(nèi)符合水質(zhì)要求的流量(水位)及其過程[1-2]。李原園等結(jié)合新時(shí)期新要求，明晰了生態(tài)流量確定的思路，提出了生態(tài)流量分區(qū)分類確定的準(zhǔn)則[3-4]；林育青等圍繞新時(shí)期河湖生態(tài)流量管控，闡述了當(dāng)前生態(tài)流量保障的重點(diǎn)內(nèi)容，提出了生態(tài)流量保障工作的難點(diǎn)問題[5]；蘇訓(xùn)等結(jié)合珠江水資源特點(diǎn)及開發(fā)利用特點(diǎn)，闡述了珠江流域河湖生態(tài)流量目標(biāo)制定、河湖生態(tài)流量保障研究及實(shí)踐等[6]；孟帆等梳理了廣東省保障生態(tài)流量等方面的主要工作及成效，明確了廣東省生態(tài)流量保障工作的重點(diǎn)和方向[7]。作為水資源開發(fā)和優(yōu)化調(diào)配、河湖生態(tài)修復(fù)等的基本依據(jù)之一，河湖生態(tài)流量管控對(duì)于生態(tài)文明建設(shè)和維護(hù)水安全具有重要意義。

深圳市河流為典型的雨源型河流，河流自身產(chǎn)流能力較差，生態(tài)基流不足，河流納污能力和稀釋自凈能力低，無法滿足城市水系休閑景觀用水和維護(hù)水生物生存基本條件要求。深圳市作為中國特色社會(huì)主義先行示范區(qū)，其可持續(xù)發(fā)展先鋒戰(zhàn)略要求打造碧水藍(lán)天的生態(tài)空間，而建立生態(tài)流量管控體系是實(shí)現(xiàn)碧水藍(lán)天生態(tài)空間的重要手段之一，因此，有必要開展深圳市河流生態(tài)流量計(jì)算與管控研究，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境雙提升。

生態(tài)流量確定應(yīng)以明確河流生態(tài)保護(hù)的目標(biāo)和要求為出發(fā)點(diǎn)，因此，針對(duì)不同區(qū)類河流的特征以及生態(tài)保護(hù)目標(biāo)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水需求因地制宜確定生態(tài)流量具有重要意義。本文通過分析深圳市河流生態(tài)流量存在的問題，在已有生態(tài)流量計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，以大沙河為例計(jì)算河流生態(tài)流量，研究確定適用于深圳市雨源型河流生態(tài)流量的計(jì)算方法，并提出生態(tài)流量管控措施，為深圳市河流生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)域概況

1.1 河流水系及生態(tài)流量存在的問題

深圳市河流水系以海岸山脈和羊臺(tái)山為分水嶺，按照河流的位置、流向，分為珠江三角洲水系、東江中下游水系、粵東沿海水系三大水系。以深圳市本土流域面積大于100 km2的河流為主線，劃分為深圳河、茅洲河、觀瀾河、龍崗河、坪山河五大流域，以及深圳灣水系、珠江口水系、大鵬灣水系、大亞灣水系四大水系[8]。深圳市河流大多為比較短小的雨源型河流，徑流受降雨影響明顯，河流生態(tài)流量主要存在以下3方面的問題。

1) 河流自身流量匱乏。深圳市河流短小流急，自凈能力低，河流生態(tài)基流保障程度不高；再加上降雨時(shí)空分布不均，枯季普遍存在生態(tài)基流匱乏問題，部分河流枯季基本斷流，生態(tài)基流難以保證，且深圳市本地水庫庫容普遍較小，調(diào)蓄能力不足，缺乏清潔水源補(bǔ)給。

2) 現(xiàn)狀生態(tài)基流不足。除部分山區(qū)河流有少量基流外，深圳市多數(shù)河流枯季基本沒有生態(tài)基流，部分河流由污水處理廠尾水補(bǔ)充，河流生態(tài)基流的缺乏，不僅使其無法滿足城市水系休閑景觀用水和維護(hù)水生物生存基本條件要求，還進(jìn)一步威脅水生生物棲息地。

3) 河流生態(tài)流量尚未系統(tǒng)確定。深圳市河流涵蓋有山區(qū)河段、平原河段及感潮河段，不同河流根據(jù)水文氣候特征、水資源稟賦條件和生態(tài)保護(hù)對(duì)象等要求，對(duì)生態(tài)流量時(shí)段、過程及總量的要求各不相同。目前深圳市河流補(bǔ)水主要考慮水環(huán)境容量需求、景觀需求，尚未根據(jù)河流特征、定位等系統(tǒng)考慮確定河流生態(tài)流量。

大沙河縱貫深圳市南山區(qū)，上游多為山區(qū)地帶，下游多為灘地和濱海平原，屬于典型的雨源型河流。本文以大沙河為例，開展適用于雨源型河流的生態(tài)流量研究。

1.2 大沙河概況

大沙河位于深圳市西南部，發(fā)源于羊臺(tái)山，流域面積為92.63 km2，約占南山區(qū)總面積的1/2，全長為18.8 km，其中干流河長為13.7 km，感潮河段長為3.6 km。大沙河流域內(nèi)建有2座水庫，分別為西麗水庫和長嶺皮水庫，兩座水庫庫區(qū)有渠道相連。其中西麗水庫集雨面積為29 km2，總庫容為3 238.81萬m3；長嶺皮水庫集雨面積為9.93 km2，總庫容為1 754萬m3。大沙河具有流程較長、河面較寬的特點(diǎn)，屬于典型的雨源型河流，其河道內(nèi)流量隨降雨陡漲陡落。

2 生態(tài)流量計(jì)算方法

目前國內(nèi)外已有200多種生態(tài)流量計(jì)算方法，主要可歸納為水文學(xué)法、水力學(xué)法、生境模擬法和整體分析法，各種計(jì)算方法均有各自的適應(yīng)條件，不同的分析方法適用于不同的河流[9-10]。根據(jù)深圳市河流特點(diǎn)，現(xiàn)階段深圳市河流生態(tài)保護(hù)目標(biāo)以維持河流基本形態(tài)、基本棲息地、基本自凈能力等為主[11-12]；根據(jù)生態(tài)流量計(jì)算方法的特點(diǎn)，本文擬采用Tennant法[13-14]、Qp法[15]、近10 a最枯月平均流量法[15]、年內(nèi)展布法[17]、濕周法[18-19]開展深圳市雨源型河流生態(tài)流量計(jì)算方法適用性研究。

2.1 Tennant法

Tennant法是在考慮保護(hù)魚類、野生動(dòng)物、休閑和有關(guān)環(huán)境資源的河流流量狀況下，按照年平均流量的百分?jǐn)?shù)來推薦河流基流。Tennant法根據(jù)流量級(jí)別及其對(duì)生態(tài)的有利程度，將河流生態(tài)需水量確定為不同的級(jí)別，從“極差”到“最大”共8個(gè)級(jí)別，并針對(duì)不同級(jí)別推薦了河流生態(tài)用水流量占多年平均流量的百分比，不同流量百分比對(duì)應(yīng)河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況見表1所示。

表1 Tennant法不同流量百分比對(duì)應(yīng)河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況

2.2 Qp法

Qp法是基于長系列最枯月平均流量進(jìn)行P-Ⅲ線型排頻計(jì)算，選擇90%和95%頻率下的最枯月平均流量作為生態(tài)流量。Qp法適用于水資源量小，且開發(fā)利用程度已經(jīng)較高的河流。

2.3 近10 a最枯月平均流量法

近10 a最枯月平均流量法以10 a中的最小流量或徑流量為基礎(chǔ)，作為生態(tài)流量的最小值。近10 a最枯月平均流量法適用于缺乏長系列水文資料河流。

2.4 年內(nèi)展布法

年內(nèi)展布法以各月最小流量為基礎(chǔ)，根據(jù)時(shí)間序列內(nèi)的天然月均徑流量，獲得同期均值比，將多年月均徑流量與同期均值比的乘積作為生態(tài)流量值。計(jì)算公式如下：

qmin(j)=min(qij)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：

qmin(j)——第j月的最小月均流量，m3/s；

qij——第i年第j月的月均流量，m3/s；

η——同期均值比；

qjs——第j月的最小生態(tài)流量，m3/s。

2.5 濕周法

濕周法是假設(shè)水面以下濕潤河床為水生生物棲居的主要生境，將濕周作為衡量水生生境質(zhì)量的指標(biāo)。其基于河流實(shí)測(cè)斷面及水位、流量等水力參數(shù)，以曼寧公式計(jì)算不同流量對(duì)應(yīng)的濕周，并點(diǎn)繪流量與濕周關(guān)系曲線，將關(guān)系曲線拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量作為河流生態(tài)流量。

3 大沙河生態(tài)流量計(jì)算與保障

3.1 生態(tài)流量控制斷面選取

現(xiàn)狀大沙河建設(shè)有2處補(bǔ)水設(shè)施工程，分布在大沙河干流西麗凈化水廠下游和沙頭河支流匯入口處(見圖1)。其中西麗凈化水廠為凈化水廠尾水，設(shè)計(jì)補(bǔ)水水量為5.0萬m3/d(折合流量約為0.57 m3/s)；沙頭河支流匯入口為海水補(bǔ)水，補(bǔ)水水量為10.0萬m3/d(折合流量約為1.14 m3/s)。

圖1 大沙河生態(tài)流量斷面及補(bǔ)水設(shè)施工程分布示意

根據(jù)大沙河流域水系及流域內(nèi)水利工程、補(bǔ)水設(shè)施分布情況，結(jié)合生態(tài)流量主要控制斷面選取的原則，選取西麗水質(zhì)凈化廠下游(西麗橋斷面)以及海水泵站補(bǔ)水上游-北環(huán)大道(北環(huán)橋斷面)作為大沙河生態(tài)流量控制斷面(見圖1)。西麗橋斷面承接長嶺皮水庫、西麗水庫及西麗水質(zhì)凈化廠尾水，且位于支流長嶺皮河匯入口下游；北環(huán)橋斷面位于海水泵站補(bǔ)水點(diǎn)上游(海水補(bǔ)水量能滿足大沙河河口生態(tài)需求)，承接上游來水。

a 西麗橋斷面

3.2 生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)采用的生態(tài)流量計(jì)算方法及大沙河生態(tài)流量控制斷面，計(jì)算大沙河生態(tài)流量。濕周法擬合結(jié)果見圖2所示，大沙河西麗橋、北環(huán)橋斷面不同生態(tài)流量方法的計(jì)算結(jié)果匯總見表2和表3，計(jì)算方法結(jié)果對(duì)比情況見圖3所示。

a 西麗橋斷面

表2 基于不同生態(tài)流量計(jì)算方法的大沙河生態(tài)流量控制斷面計(jì)算結(jié)果

表3 基于年內(nèi)展布法的大沙河生態(tài)流量控制斷面計(jì)算結(jié)果

分析不同生態(tài)流量計(jì)算方法得到的控制斷面生態(tài)流量，結(jié)果表明：

1) 年內(nèi)展布法不適用于雨源型河流

年內(nèi)展布法計(jì)算結(jié)果是根據(jù)多年平均月流量的比例進(jìn)行換算，而大沙河屬于雨源型河流，汛期河道內(nèi)流量受暴雨影響明顯，暴雨過后河道內(nèi)流量較小，難以達(dá)到該法計(jì)算的生態(tài)流量目標(biāo)。

2) 近10 a最枯月平均流量法、Qp法對(duì)補(bǔ)水后的大沙河適用性不強(qiáng)

其次，中華門城堡城墻上上下下的旅游項(xiàng)目十分豐富——游客既可以在箭場(chǎng)射箭，也可以在書店小憩；喜歡軍事的還可以在藏兵洞探險(xiǎn)，在城墻上觀賞名目多樣的攻城守城用具；如果運(yùn)氣好的話，還可以看到石鎖表演。當(dāng)然，如果游客對(duì)城墻文化了解不多的話，可以雇個(gè)導(dǎo)游好好為其講解一番。

西麗橋、北環(huán)橋斷面近10 a最枯月平均流量法生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果分別為0.04 m3/s、0.05 m3/s。西麗橋、北環(huán)橋斷面Qp法90%和95%設(shè)計(jì)頻率下的生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果分別為0.19 m3/s、 0.08 m3/s和0.22 m3/s、0.09 m3/s。兩者生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果均偏小，適用于豐枯變化劇烈、工程調(diào)控能力弱的河流。而大沙河自建設(shè)補(bǔ)水工程后，河道內(nèi)流量已遠(yuǎn)大于該法生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果。

3) Tennant法和濕周法更適應(yīng)于大沙河現(xiàn)狀

西麗橋斷面Tennant法生態(tài)環(huán)境狀況為差時(shí)，枯期、汛期生態(tài)流量均為0.19 m3/s；生態(tài)環(huán)境狀況為中時(shí)，枯期、汛期生態(tài)流量分別為0.19 m3/s、0.57 m3/s；生態(tài)環(huán)境狀況為好時(shí)，枯期、汛期生態(tài)流量分別為0.38 m3/s、0.76 m3/s。北環(huán)橋斷面Tennant法生態(tài)環(huán)境狀況為差枯期、汛期生態(tài)流量均為0.24 m3/s；生態(tài)環(huán)境狀況為中時(shí)，枯期、汛期生態(tài)流量分別為0.24 m3/s、0.72 m3/s；生態(tài)環(huán)境狀況為好時(shí)，枯期、汛期生態(tài)流量分別為0.48 m3/s、0.95 m3/s；西麗橋、北環(huán)橋斷面濕周法生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果分別為0.22 m3/s、0.33 m3/s。

濕周法由河流斷面水力參數(shù)推求，其計(jì)算結(jié)果充分考慮河流斷面生境情況，能滿足大沙河基本生態(tài)需求，因此，其計(jì)算結(jié)果可作為大沙河的生態(tài)基流。

根據(jù)大沙河實(shí)際補(bǔ)水?dāng)?shù)據(jù)可知，實(shí)際補(bǔ)水流量約為0.25～0.55 m3/s，已基本滿足大沙河生態(tài)基流。因此，選取Tennant法生態(tài)環(huán)境狀況為中和好計(jì)算結(jié)果作為大沙河生態(tài)流量最為合適，該值不僅滿足河流基本生態(tài)需求，還能促進(jìn)大沙河生態(tài)環(huán)境狀況改善，助推大沙河成為“水清岸綠，魚翔淺底”的城市幸福河。

3.3 生態(tài)流量管控措施

3.3.1不同來水保證率調(diào)度規(guī)則

1) 預(yù)報(bào)10月—翌年3月來水頻率P<90%時(shí)調(diào)度方案

2) 預(yù)報(bào)10月—翌年3月來水頻率P≥90%時(shí)調(diào)度方案

一是啟動(dòng)特枯來水年份調(diào)度方案。長嶺皮、西麗水庫實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)度，合理安排水庫汛期調(diào)度以及優(yōu)化當(dāng)年枯水期調(diào)度。枯水期對(duì)西麗橋斷面、北環(huán)橋斷面的流量進(jìn)行目標(biāo)控制。西麗橋斷面和北環(huán)橋斷面按先長嶺皮水庫后西麗水庫順序進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度。

二是受水區(qū)加大節(jié)水力度，適當(dāng)壓減用水。在優(yōu)先保障生活用水的基礎(chǔ)上，先限制工業(yè)用水，必要時(shí)限制生活用水，工業(yè)、生活用水破壞深度原則上均不超過30%。

3.3.2常規(guī)調(diào)度管理

1) 年度生態(tài)流量調(diào)度方案制訂程序

年度生態(tài)流量調(diào)度方案結(jié)合大沙河流域年度水量調(diào)度計(jì)劃進(jìn)行編制。市水務(wù)局于每年調(diào)度期開始前，開展本年度流域水情預(yù)測(cè)，會(huì)同市深圳河灣流域管理中心制訂大沙河流域年度水量調(diào)度計(jì)劃(生態(tài)流量調(diào)度方案)，下達(dá)至相關(guān)水工程管理單位執(zhí)行。

2) 年度生態(tài)調(diào)度計(jì)劃和實(shí)時(shí)調(diào)度指令相結(jié)合

根據(jù)控制斷面預(yù)報(bào)來水、水庫蓄水情況、流域用水需求等因素，每周對(duì)年度或關(guān)鍵調(diào)度期取水計(jì)劃、水庫下泄流量要求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整、滾動(dòng)修正。當(dāng)控制斷面發(fā)生預(yù)警時(shí)，應(yīng)加密雨水情預(yù)測(cè)，做好實(shí)時(shí)滾動(dòng)方案，長嶺皮、西麗等水庫按實(shí)時(shí)調(diào)度指令增加下泄流量。

4 結(jié)語

本文選取大沙河為典型河流，開展了關(guān)于雨源型河流生態(tài)流量計(jì)算方法適用性研究，為深圳市其他雨源型河流的生態(tài)流量確定及保障工作奠定基礎(chǔ)，得到結(jié)論如下：

1) 結(jié)合大沙河補(bǔ)水設(shè)施工程現(xiàn)狀及水利工程情況，濕周法計(jì)算結(jié)果能滿足河流基本生態(tài)需求，而Tennant法生態(tài)環(huán)境狀況為中和好的計(jì)算結(jié)果更有利于大沙河的環(huán)境改善和可持續(xù)發(fā)展。

2) 為保證大沙河生態(tài)基流，應(yīng)采取不同來水保證率調(diào)度、常規(guī)調(diào)度管理等管控措施，以此來保證河流水生態(tài)系統(tǒng)健康可持續(xù)發(fā)展。