奎濉河生態(tài)流量計(jì)算及保障措施分析

馬 博

(安徽省宿州水文水資源局,安徽 宿州 234000)

在河流中保持足夠的流動(dòng)水是保持河流基本生態(tài)功能的前提,也是確保生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)平衡的基礎(chǔ),維持河流生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的基本流量被定義為生態(tài)流量[1]。過度的人類開發(fā)利用活動(dòng)降低了天然河流的自我修復(fù)能力,河流的生態(tài)環(huán)境遭到破壞。此外,水資源被過度開發(fā)利用、農(nóng)業(yè)灌溉等也嚴(yán)重影響了天然河流的可持續(xù)性。因此,應(yīng)保留一定的基本流量,以防止河流在水資源開發(fā)過程中萎縮或斷流。

本文以奎濉河為例,選取伊橋、澮塘溝閘和枯河閘3個(gè)斷面為奎濉河生態(tài)流量控制斷面,分別采用水文學(xué)法中的QP法[2]、Tennant法[3]計(jì)算各控制斷面的生態(tài)流量。根據(jù)計(jì)算成果,統(tǒng)籌考慮流域特性,綜合確定各斷面采用的生態(tài)流量目標(biāo)值,并對各控制斷面生態(tài)流量滿足程度進(jìn)行分析,提出相應(yīng)的生態(tài)流量保障措施,旨在為奎濉河的河流健康和水資源可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 流域概況

1.1 自然地理

奎濉河位于淮北平原東部,為江蘇、安徽跨省骨干排水河流,涉及安徽省淮北市、宿州市,江蘇省徐州市、宿遷市的部分縣(區(qū))?？『尤L151.7km,流域面積3598km2,多年平均蒸發(fā)量1500mm,年平均氣溫14.4℃。多年平均降水量876.1mm,降水量年際變化大,年內(nèi)分配不均,汛期7—9月降水占全年降水總量的80%左右。多年平均水資源總量10.58億m3,其中地表水資源量6.20億m3。

1.2 水資源及其開發(fā)利用

1.2.1 水資源總量

經(jīng)分析計(jì)算,奎濉河流域1956—2016年多年平均水資源總量10.58億m3,50%、75%、95%來水頻率年水資源總量分別為9.54億m3、6.73億m3、4.54億m3?？『恿饔虿煌瑏硭l率水資源總量見表1。

表1 奎濉河流域不同來水頻率水資源總量 單位:億m3

1.2.2 水資源利用情況

根據(jù)淮河片水資源公報(bào)及各省水資源公報(bào),并參考各地市水資源公報(bào),對奎濉河流域2006—2018年用水情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。從用水量增長趨勢看,近13年來,奎濉河流域用水量呈振蕩攀升態(tài)勢。在國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)中,生態(tài)環(huán)境用水增長最快,城鎮(zhèn)居民生活和公共生活次之,用水呈現(xiàn)增長勢頭的主要集中在剛性用水需求領(lǐng)域。農(nóng)村生活用水受農(nóng)村人口流出的影響呈減少趨勢;農(nóng)田灌溉用水隨年型變化較大,總體基本穩(wěn)定;工業(yè)用水和林牧漁畜用水呈下降趨勢,符合節(jié)水型社會(huì)建設(shè)的需求?？『恿饔?006—2018年用水結(jié)構(gòu)變化見表2。

表2 奎濉河流域2006—2018年用水情況 單位:億m3

1.2.3 水資源開發(fā)利用程度分析

根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì),綜合考慮地表水、地下水資源開發(fā)利用狀況后,2006—2018年奎濉河流域各地區(qū)水資源開發(fā)利用率為23.9%(見表3)。

表3 奎濉河流域各地區(qū)水資源開發(fā)利用程度

2 資料處理及計(jì)算方法

2.1 資料的選取和處理

由于奎濉河流域徑流受到的人類活動(dòng)影響較大,測得的徑流序列不一致,因此有必要進(jìn)行恢復(fù)計(jì)算。本次計(jì)算以欄桿集水文站、澮塘溝閘水文站、泗洪(濉)水文站1956—2016年實(shí)測水文資料為基礎(chǔ),采用分項(xiàng)調(diào)查的方法將實(shí)測徑流數(shù)據(jù)還原為天然徑流序列[4]。計(jì)算公式為[5]

W天然=W實(shí)測+W灌溉+W工業(yè)+W生活+W庫蒸發(fā)+

W庫滲±W庫蓄±W引水±W分洪

式中:W天然為控制斷面天然徑流量,億m3;W實(shí)測為控制斷面實(shí)測徑流量,億m3;W灌溉為地表水農(nóng)業(yè)灌溉用水量,億m3;W工業(yè)為地表水工業(yè)耗水量,億m3;W生活為城鎮(zhèn)與農(nóng)村居民生活耗水量,億m3;W庫蒸發(fā)為水面蒸發(fā)量減去陸面蒸發(fā)量,億m3;W庫滲為水庫、河道的滲漏量,億m3;W庫蓄為水庫蓄水變量,億m3;W引水為跨流域引水量,億m3;W分洪為河道分洪決口水量,億m3。

根據(jù)分析計(jì)算,得出1956—2016年奎濉河流域欄桿集、澮塘溝閘、泗洪(濉)3站多年平均實(shí)測徑流量、多年平均還原水量和還原后天然徑流量,見表4。

表4 奎濉河流域水文站點(diǎn)分項(xiàng)調(diào)查法還原計(jì)算成果

2.2 生態(tài)流量計(jì)算方法選取

2.2.1QP法

QP法又稱不同頻率最枯月平均值法,以長系列(n≥30年)天然月徑流量為基礎(chǔ),用每年的最枯月徑流量排頻,選擇不同頻率下的最枯月平均流量作為控制斷面基本生態(tài)流量[6]。

頻率P根據(jù)河流水資源開發(fā)利用程度、規(guī)模、來水情況等實(shí)際情況確定,《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范》(SL/T 712—2021)推薦取90%或95%,根據(jù)淮河流域河流生態(tài)流量計(jì)算經(jīng)驗(yàn),頻率P通常選取90%。

2.2.2 Tennant法

Tennant法又稱為蒙大拿法[7],其將年平均天然徑流的一定百分比作為生態(tài)流量,當(dāng)達(dá)到一定百分比時(shí),河流的基本生態(tài)功能可以得到保證。綜合淮河流域Tennant法的實(shí)際應(yīng)用成果,本文采用控制斷面多年平均流量的5%作為生態(tài)流量。

3 生態(tài)流量計(jì)算及保障程度分析

3.1 生態(tài)流量計(jì)算

3.1.1QP法

由于伊橋斷面、枯河閘無天然徑流資料,采用下游欄桿集和上游澮塘溝閘1956—2016年系列天然徑流量資料,篩選每年最枯月徑流量,依據(jù)最枯月徑流量的系列值,繪制P-Ⅲ型頻率曲線(見圖1、圖2),分別計(jì)算75%、90%、95%保證率下的生態(tài)流量,采用兩個(gè)控制斷面面積比法推測伊橋斷面和枯河閘的生態(tài)流量。

圖1 欄桿集1956—2016年天然最枯月徑流量P-Ⅲ型頻率曲線

圖2 澮塘溝閘1956—2016年天然最枯月徑流量P-Ⅲ型頻率曲線

3.1.2 Tennant法

采用欄桿集水文站1956—2016年系列天然徑流量資料,依據(jù)多年平均徑流量的百分比,根據(jù)面積比法推測伊橋斷面的多年平均天然徑流量為0.75億m3,生態(tài)流量為0.12m3/s?？莺娱l與下游泗洪(濉)集水面積僅相差19km2,與上游澮塘溝閘集水面積相差576km2,本文以泗洪(濉)多年平均天然徑流量為依據(jù),采用水文面積比擬法推測枯河閘生態(tài)流量。泗洪(濉)多年平均徑流量為5.12 億m3,算得枯河閘的多年平均天然徑流量為5.09 億m3,生態(tài)流量按多年平均天然流量的5%計(jì)算為0.81m3/s。

3.1.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過QP法、Tennant法分析計(jì)算奎濉河各控制斷面生態(tài)流量,見表5。

表5 奎濉河1956—2016年各控制站生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果匯總

根據(jù)表5計(jì)算結(jié)果,QP法計(jì)算的生態(tài)流量結(jié)果遠(yuǎn)小于Tennant法計(jì)算結(jié)果,分析原因是奎濉河降水年內(nèi)分配不均,天然狀況下水資源集中分布在汛期,奎濉河汛期7—9月降水占全年降水總量的80%左右?？紤]奎濉河現(xiàn)有閘壩對水資源的調(diào)節(jié)作用,建議生態(tài)流量采用多年平均流量的5%。奎濉河主要控制斷面生態(tài)流量保障目標(biāo)見表6。

表6 奎濉河主要控制斷面生態(tài)流量保障目標(biāo)

3.2 保障程度分析

3.2.1 月均保障程度分析

研究采用實(shí)測月平均流量與生態(tài)流量之比計(jì)算保證率[8]。根據(jù)各控制斷面2008—2022年實(shí)測月均水文數(shù)據(jù),計(jì)算各控制斷面月均生態(tài)流量滿足情況。伊橋、澮塘溝閘、枯河閘斷面Tennant法算的生態(tài)流量滿足程度分別為100%、90.0%、87.2%,奎濉河生態(tài)流量上段滿足程度高于下段,即伊橋>澮塘溝閘>枯河閘,究其原因,奎濉河上段多為山區(qū)性河流,受水利工程擾動(dòng)較小,奎濉河下段為平原區(qū),建設(shè)了大量的攔河閘壩,天然來水過程被高度控制。

圖3為奎濉河生態(tài)流量月滿足程度,從不同月份的保證率來看,保證率較低的時(shí)段既不是少水的枯水期,也不是生態(tài)流量較大的汛期,反而是正常流量期的5—6月之間的時(shí)段,且6月為保證率最低的時(shí)期,分析原因,一是因?yàn)?—6月研究區(qū)域尚未迎來汛期,降水量相對少;二是這一時(shí)期恰好是農(nóng)業(yè)用水的高峰期,需要引水灌溉。

圖3 奎濉河生態(tài)流量月滿足程度

3.2.2 日均滿足程度分析

日均滿足程度為日均流量大于等于生態(tài)流量的天數(shù)占系列總天數(shù)的比值[9],采用各控制斷面2008—2022年實(shí)測日均水文數(shù)據(jù),計(jì)算各控制斷面日均生態(tài)流量滿足情況。通過分析計(jì)算,伊橋、澮塘溝閘、枯河閘斷面采用Tennant法算的生態(tài)流量日滿足程度分別為100%、58.4%、53.2%,澮塘溝閘和枯河閘滿足程度較低,分析原因是澮塘溝閘和枯河閘在非汛期經(jīng)常處于關(guān)閉狀態(tài)所致。

4 生態(tài)流量保障措施

a.加強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo),落實(shí)責(zé)任?？『恿饔蜃鳛榭缡『恿?具有監(jiān)管難、實(shí)施難等特點(diǎn),相關(guān)管理部門要把奎濉河生態(tài)流量保障作為推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的重要舉措,納入落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度和推進(jìn)河長制工作的重要內(nèi)容,加強(qiáng)組織領(lǐng)導(dǎo),分解落實(shí)奎濉河生態(tài)流量保障責(zé)任,細(xì)化保障措施,確?？『由鷳B(tài)流量達(dá)標(biāo),逐步建立健全奎濉河生態(tài)水量保障長效機(jī)制。

b.統(tǒng)一調(diào)度,強(qiáng)化監(jiān)管。實(shí)施奎濉河流域水量統(tǒng)一調(diào)度與管理,把保障生態(tài)水量目標(biāo)作為硬約束,科學(xué)制定奎濉河流量調(diào)度方案和調(diào)度計(jì)劃,實(shí)施區(qū)域用水總量控制,加強(qiáng)用水管控,嚴(yán)格計(jì)劃用水管理。要加強(qiáng)對控制斷面生態(tài)流量達(dá)標(biāo)情況的監(jiān)管,組織開展現(xiàn)場監(jiān)督檢查。鑒于奎濉河下段受水工建筑物高度影響,建議采取限制取水、建設(shè)生態(tài)流量泄放設(shè)施等措施,確保達(dá)到生態(tài)流量目標(biāo)。

c.科技引領(lǐng),提高監(jiān)測能力。加強(qiáng)實(shí)時(shí)監(jiān)控,結(jié)合淮河流域水信息系統(tǒng)、淮河流域水資源管理信息平臺(tái)和國家水資源監(jiān)控體系建設(shè)部署,完善生態(tài)水量控制斷面的監(jiān)控能力建設(shè),逐步實(shí)現(xiàn)重要水利工程和重點(diǎn)用水單位的在線監(jiān)控,以及監(jiān)控圖像和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)報(bào)送。加強(qiáng)水文監(jiān)測預(yù)報(bào),提高測驗(yàn)和預(yù)報(bào)精度,依托全國“水情信息交換系統(tǒng)”,實(shí)現(xiàn)水情監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)報(bào)送,為奎濉河生態(tài)流量保障提供技術(shù)支撐。

d.強(qiáng)化評價(jià),嚴(yán)格考核。按照水利部有關(guān)生態(tài)流量考核要求,建立生態(tài)流量考核評價(jià)機(jī)制,組織開展奎濉河生態(tài)流量保障考核評價(jià)工作,將考核評價(jià)結(jié)論作為最嚴(yán)格水資源管理制度和河湖長制考核的重要依據(jù),督促各級落實(shí)相關(guān)責(zé)任。

5 結(jié) 語

本文根據(jù)奎濉河流域特點(diǎn),在流域水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀、生態(tài)保護(hù)需求和調(diào)度實(shí)施條件的基礎(chǔ)上,采用分項(xiàng)調(diào)查的方法將欄桿集水文站、澮塘溝閘水文站、泗洪(濉)實(shí)測徑流序列恢復(fù)為自然徑流序列,采用水文學(xué)法中的QP法、Tennant法分別計(jì)算奎濉河各控制斷面生態(tài)流量。研究結(jié)果表明,使用不同的計(jì)算方法得出的生態(tài)流量不同,由于奎濉河流域天然徑流量年內(nèi)分布極度不均,統(tǒng)籌考慮流域特性,Tennant法計(jì)算結(jié)果可作為奎濉河生態(tài)流量推薦值。本文生態(tài)流量計(jì)算方法屬于水文學(xué)方法,方法簡單高效,不需要現(xiàn)場監(jiān)測,但因素單一,精度較低。建議今后有條件時(shí)還需用水力-棲息地法和整體分析法等對奎濉河生態(tài)流量作深入地研究與分析。