關(guān)于北江生態(tài)流量調(diào)度的對策與措施

陳 艷,陳 翔

(1.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司,廣東 廣州 510611;2.水利部珠江水利委員會珠江水利綜合技術(shù)中心,廣東 廣州 510610)

河湖生態(tài)流量是為了維系河流、湖泊、沼澤等生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能,需要保留在河流內(nèi)符合水質(zhì)要求的流量及過程。保障河湖生態(tài)流量是統(tǒng)籌水資源開發(fā)與保護,推進生態(tài)文明建設(shè)的基本要求,對維護國家水安全、生態(tài)安全、戰(zhàn)略安全具有重要意義[1]。針對中國河湖生態(tài)系統(tǒng)存在的河道斷流、湖泊萎縮干涸、生態(tài)流量保障不夠等問題,水利部將復蘇河湖生態(tài)環(huán)境作為推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的重要實施路徑[2],2020年4月,水利部印發(fā)了《關(guān)于做好河湖生態(tài)流量確定和保障工作的指導意見》,同年公布了全國第二批83個重要河湖斷面的生態(tài)流量目標,標志著中國生態(tài)流量正式從科學研究走向管理實踐階段[3]。

為實現(xiàn)河道生態(tài)流量目標,在河道外實施水資源消耗總量和強度雙控,在河道內(nèi)完善水庫、水電站和攔河閘壩的水量調(diào)度方案與調(diào)度計劃[4],以“生態(tài)優(yōu)先”為管控原則,保證生態(tài)流量目標實現(xiàn)。珠江流域雖然水資源總量豐沛,水生態(tài)環(huán)境總體較好,但依然存在部分河流生態(tài)流量保障不足的問題[5],由于水資源年際、年內(nèi)分布不均,枯水期部分時段達不到生態(tài)流量目標,如何利用流域內(nèi)現(xiàn)有的水利工程提高生態(tài)流量達標率是一項亟待解決的問題。

北江干流控制斷面為石角站,集水面積占流域面積的73%,石角站流量可表征整個北江流域生態(tài)流量的基本情況;在上游省界斷面中,江西、廣西面積占比小,人類活動影響不明顯,故選擇集水面積占比較大,且有水文監(jiān)測設(shè)施的湘粵斷面,以坪石站表征上游湖南省的生態(tài)流量達標情況。因此北江流域以坪石、石角站為生態(tài)流量調(diào)度控制斷面,本文通過分析兩站現(xiàn)狀生態(tài)流量達標情況,提出北江流域生態(tài)流量調(diào)度存在問題并提出對策與措施。

1 北江生態(tài)流量保障情況

1.1 保障目標

在生態(tài)流量管控指標體系中,“控制斷面最小生態(tài)流量”是生態(tài)流量管控指標體系中的核心指標[6],北江生態(tài)流量調(diào)度的調(diào)度目標即為實現(xiàn)坪石、石角2個控制斷面的生態(tài)流量目標。在實際工作中,確定生態(tài)流量目標需要充分考慮天然水文特征、生態(tài)保護需求以及經(jīng)濟社會發(fā)展因素,并與已有規(guī)劃、批復成果相銜接[7]。在《北江流域水量分配方案》中選取坪石(湘粵省界斷面)和石角(流域控制斷面)為流域生態(tài)流量控制斷面。根據(jù)《水利部關(guān)于印發(fā)第一批重點河湖生態(tài)流量保障目標的函》,坪石站的生態(tài)基流為10 m3/s,石角站的生態(tài)基流為211 m3/s。

北江發(fā)源于江西省信豐縣,流經(jīng)廣東省韶關(guān)市,與武江匯合后始稱北江,向下納左岸支流滃江、潖江,右岸支流南水、連江,出飛來峽后再納濱江、綏江,在三水思賢滘與西江相匯并進入珠江三角洲。思賢滘以上河道全長468 km,流域面積4.7萬km2,目前,流域已建成莽山、樂昌峽、小坑、錦江、錦譚、南水、長湖、潭嶺、孟洲壩、濛里、白石窯、飛來峽、清遠等13座大型水庫(工程),總庫容51.1億m3,興利庫容16.3億m3。在13座大型水庫(工程)中有4座水庫的興利庫容超過1億m3,分別為莽山水庫、樂昌峽水庫、南水水庫及飛來峽水庫,流域水系及已建大型水利水電工程位置見圖1。

圖1 北江流域大型水庫及控制斷面位置

1.2 保障現(xiàn)狀

通過流域水文情勢分析,按照莽山水庫、樂昌峽水庫、南水水庫及飛來峽水庫等流域已建大型水庫現(xiàn)有興利調(diào)度為主的調(diào)度方式,對流域長系列來水過程進行逐月調(diào)節(jié)計算,坪石、石角斷面的長系列逐月的生態(tài)流量保證率分別為93.3%、85.0%;再計算典型年現(xiàn)有興利調(diào)度方式下逐日來水,一般年份坪石和石角斷面日均流量均能滿足生態(tài)流量要求,枯水年份則不能滿足生態(tài)流量目標要求,石角斷面生態(tài)流量容易遭到破壞。

1.3 解決思路

針對水資源匱乏,且缺乏水資源配置和調(diào)控工程的河流,水量統(tǒng)一調(diào)度效果很大程度上受制于天然來水過程[8],生態(tài)流量管控重點在于河道外用水管控[9]。北江流域?qū)儆诙嗨恿?且在生態(tài)流量控制斷面以上均有大型調(diào)蓄工程,可通過流域水庫群聯(lián)合調(diào)度,保障枯期重要斷面生態(tài)流量[10-12]。因此,枯水年北江生態(tài)流量目標不能完全保障問題,需通過優(yōu)化調(diào)整流域內(nèi)骨干水庫的調(diào)度方式,保證控制斷面生態(tài)流量目標。

目前,北江流域內(nèi)的水利工程按照原設(shè)計任務(wù),均以供水、發(fā)電、防洪等調(diào)度方式為主,不涉及河流生態(tài)補水任務(wù)。要保障流域生態(tài)流量,一是要開展流域統(tǒng)一調(diào)度管理,在水利部辦公廳印發(fā)《關(guān)于進一步加強流域水資源統(tǒng)一調(diào)度管理工作的通知》中也指出,要以流域為單元,統(tǒng)籌解決水災(zāi)害、水資源、水生態(tài)、水環(huán)境問題,要將生態(tài)流量等保障目標納入水資源調(diào)度方案、年度調(diào)度計劃,將生態(tài)用水調(diào)度納入水利水電、航運樞紐等工程日常運行調(diào)度規(guī)程,并要結(jié)合流域水情因地制宜相機開展生態(tài)補水;二是要優(yōu)化流域水資源調(diào)度方式,通過對北江流域大型水利工程的生態(tài)補水潛力進行分析,選擇合適的有能力的蓄水工程作為生態(tài)流量調(diào)度的骨干水庫,納入流域統(tǒng)一調(diào)度范疇,研究流域的生態(tài)流量調(diào)度方案,與現(xiàn)有興利調(diào)度方式結(jié)合,展開優(yōu)化調(diào)度研究,以同時滿足河道外“三生”用水及河道內(nèi)生態(tài)用水。

2 生態(tài)流量調(diào)度方案

2.1 調(diào)度目標

北江流域生態(tài)流量調(diào)度的目標即為在滿足流域內(nèi)非汛期生活、生產(chǎn)、生態(tài)等用水要求的基礎(chǔ)上,當天然來水不足情況下,利用骨干水庫蓄豐補枯,確?？菟谄菏⑹强刂茢嗝嫔鷳B(tài)流量符合控制指標要求。

2.2 骨干調(diào)度水庫選擇

生態(tài)流量的骨干調(diào)度水庫意味著在流域枯水期生態(tài)流量不達標時,具備生態(tài)補水能力,因此需要從水庫所在位置、調(diào)節(jié)庫容大小及生態(tài)補水潛力等方面進行篩選。北江流域調(diào)蓄庫容超過1億m3,具備較強調(diào)節(jié)能力的大型水庫有莽山、樂昌峽、南水、飛來峽等。其中莽山水庫(調(diào)節(jié)庫容1.05億m3)位于湖南省境內(nèi),為坪石以上唯一一座大型蓄水工程,可作為坪石斷面的生態(tài)流量調(diào)度骨干水庫;南水水庫(調(diào)節(jié)庫容7.14億m3)、飛來峽水利樞紐(調(diào)節(jié)庫容3.15億m3)和樂昌峽水利樞紐(調(diào)節(jié)庫容1.42億m3)為流域內(nèi)另外3座調(diào)節(jié)庫容較大的水庫,均位于石角斷面上游,可選為石角斷面生態(tài)流量調(diào)度骨干水庫。

2.3 生態(tài)補水次序擬定

根據(jù)篩選出來的4座大型水庫調(diào)度對坪石、石角來水的影響分析:莽山水庫為坪石斷面的補水水庫;石角斷面上游按照水庫位置及有效庫容大小,首先選擇距離石角斷面最近、補水效果最明顯的飛來峽水庫作為補水水庫,水庫興利庫容有3億多m3,為不完全日調(diào)節(jié)水庫,水庫來水量大,補水后回蓄也快,再選擇距離較遠,但有效庫容最大的南水水庫為補水水庫,最后再根據(jù)需要選擇調(diào)節(jié)庫容較小,距離也更遠的樂昌峽水庫補水。不同斷面補水次序如下:坪石斷面,莽山水庫單庫補水;石角斷面,依次選擇飛來峽水庫、南水水庫、樂昌峽水庫作為補水水庫。

2.4 水庫群聯(lián)合調(diào)度模型的建立

a)模型建立。北江生態(tài)流量調(diào)度骨干工程為莽山、樂昌峽、南水及飛來峽水庫,首先建立各骨干水庫的單庫優(yōu)化調(diào)度模型,再對北江水系進行概化,按照水庫節(jié)點將流域劃分為不同區(qū)間,建立控制斷面以上的河網(wǎng)匯流模型。生態(tài)流量調(diào)度模型先按照單庫優(yōu)化調(diào)度模型,以各節(jié)點水庫下泄水量為變量,再用馬斯京根法演進到下游斷面,疊加區(qū)間流量得到生態(tài)流量控制斷面組合來水過程,并以滿足流域水資源調(diào)度需求為目標進行調(diào)度方案調(diào)整與優(yōu)化。調(diào)度水庫位置及控制斷面示意見圖2。

圖2 北江主要調(diào)度水庫及控制斷面示意

b)約束條件。

水位約束:

Ztmin≤Zt≤Ztmax

(1)

式中Ztmin——水庫調(diào)度期內(nèi)時段允許最低水位;Ztmax——水庫調(diào)度期內(nèi)時段允許最高水位;Zt——水庫時段水位。

出庫流量約束:

QCtmin≤QCt≤QCtmax

(2)

式中 QCtmin——水庫調(diào)度期內(nèi)時段允許最小出庫流量,該流量要與機組最小發(fā)電流量相協(xié)調(diào);QCtmax——水庫調(diào)度期內(nèi)時段允許最大出庫流量,該流量要與機組最大發(fā)電流量相協(xié)調(diào);QCt——水庫時段出庫流量。

c)計算步驟。在北江生態(tài)流量調(diào)度模型中,若骨干水庫按興利調(diào)度方式,下游控制斷面流量能夠滿足生態(tài)流量保障目標,則在該來水頻率下,骨干水庫可保持原有興利調(diào)度方式運行,興利調(diào)度與生態(tài)調(diào)度目標可同時滿足;若骨干水庫按興利調(diào)度方式運行,下游控制斷面生態(tài)流量出現(xiàn)破壞,則將控制斷面流量與生態(tài)目標的差值按照補水水庫次序反饋至上一層的單庫優(yōu)化調(diào)度模型,結(jié)合水庫補水次序、水庫的當前調(diào)節(jié)庫容及發(fā)電流量等自身用水需求,合理分配補水任務(wù),優(yōu)化調(diào)整各水庫的下泄水量,再通過河網(wǎng)匯流模型,計算到控制斷面,如此反復,直到控制斷面流量滿足生態(tài)流量目標,模型計算結(jié)束。北江生態(tài)流量調(diào)度模型按2個層面計算,一是坪石斷面以上,參與調(diào)度水庫為莽山水庫;二是石角斷面以上,參與調(diào)度的是南水、樂昌峽及飛來峽3座水庫,聯(lián)合調(diào)度模型框架均采用圖3方式。

圖3 水庫聯(lián)合調(diào)度模型計算框架示意

2.5 生態(tài)流量調(diào)度計算

按照生態(tài)流量考核要求,需對枯水年來水情況進行逐日調(diào)節(jié),可選取P=90%的枯水年及P=95%的特枯年為例,進行逐日的調(diào)節(jié)計算,先以骨干工程現(xiàn)有的興利調(diào)度方式,驗證坪石、石角控制斷面的生態(tài)流量達標情況,若出現(xiàn)了生態(tài)流量不達標的情況,再按照上述生態(tài)流量調(diào)度模型進行補水調(diào)度。

a)水庫興利調(diào)度方式下生態(tài)流量保障程度分析。北江流域莽山、南水、樂昌峽及飛來峽水庫按照原有興利調(diào)度方式運行,90%來水頻率的枯水年,上游坪石控制斷面的生態(tài)流量全部達標,下游石角控制斷面有40 d低于生態(tài)流量指標211 m3/s,不達標月份共計3個月(不得超過2個月(含),具體見3.2節(jié),下同),不滿足生態(tài)流量保障目標要求;95%來水頻率的特枯年,上游坪石控制斷面的生態(tài)流量共計18 d低于生態(tài)流量指標10 m3/s,不達標月份共計2個月,下游石角控制斷面低于生態(tài)流量指標211 m3/s的天數(shù)有60 d,不達標月份共計3個月,坪石、石角斷面均不能達到生態(tài)流量保障目標要求,枯水年及特枯年興利調(diào)度后的調(diào)度效果見表1。

表1 典型年興利調(diào)度后控制斷面破壞天數(shù)及缺水量統(tǒng)計

b)生態(tài)補水調(diào)度方案擬定?？菟晔菙嗝嫔鷳B(tài)流量均遭不同程度的破壞,按照水庫補水次序優(yōu)先采用飛來峽水庫進行補水調(diào)度,視補水效果再選擇南水、樂昌峽等水庫開展生態(tài)補水調(diào)度;特枯年坪石斷面生態(tài)流量也不能滿足生態(tài)流量保障目標,可利用莽山水庫進行補水。在實際補水過程中,由于無法準確預報后期來水情況,可先按照“應(yīng)補盡補”方式補水,即一旦出現(xiàn)生態(tài)流量低于控制指標的情況,就進行補水,以滿足當下生態(tài)流量目標,只有出現(xiàn)水庫削落水位較大,影響自身用水,且所有骨干水庫均無補水潛力后,方考慮生態(tài)流量破壞。經(jīng)此法調(diào)算后,P=90%典型年,枯水期石角斷面生態(tài)流量遭破壞天數(shù)為40 d,缺水量合計0.98億m3,利用飛來峽水庫補水后即可達到石角斷面全部天數(shù)最小下泄流量均不低于211 m3/s的目標;P=95%典型年,枯水期坪石斷面生態(tài)流量遭破壞天數(shù)為18 d,缺水量合計為0.02億m3,整體缺水量較小,利用上游的莽山水庫補水后可滿足坪石斷面生態(tài)流量目標要求。石角斷面生態(tài)流量遭破壞天數(shù)為60 d,缺水量合計3.08億m3,由于缺水量大,單獨用飛來峽水庫補水會出現(xiàn)水庫水位削落過大的情況,為防止后續(xù)難以回蓄,根據(jù)飛來峽水庫多年來水規(guī)律,設(shè)置不同月份的生態(tài)補水限制線,當庫水位低于補水限制線后由南水水庫接力補水。在特枯年,由飛來峽、南水水庫補水后石角斷面生態(tài)流量可滿足目標。

c)生態(tài)補水調(diào)度影響評價。飛來峽水庫為北江生態(tài)流量調(diào)度的主力生態(tài)補水水庫,補水對飛來峽水庫的發(fā)電等造成了一定的影響,以P=90%的枯水年為例,在補水期間飛來峽水庫的平均運行水位為23.1 m,比按照水庫原調(diào)度規(guī)則的平均運行水位24.0 m低了0.9 m。雖發(fā)電水頭有所降低,但是枯水期加大泄量,也能增加時段發(fā)電量,且在補水過程中也考慮了時段下泄水量與機組發(fā)電流量相協(xié)調(diào),補水時段水庫不會產(chǎn)生額外棄水,總體看來對其發(fā)電量影響不大。

3 生態(tài)流量調(diào)度實施與考核

3.1 生態(tài)流量調(diào)度實踐

在實際調(diào)度管理中,北江生態(tài)流量調(diào)度目標是通過北江流域水資源調(diào)度方案、年度調(diào)度計劃,將生態(tài)用水調(diào)度納入水利水電、航運樞紐等工程日常運行調(diào)度來實現(xiàn)。

目前《北江流域水量調(diào)度方案(試行)》已印發(fā),與生態(tài)流量調(diào)度方案不同的是,水量調(diào)度方案中控制目標為斷面的最小下泄流量。由于北江水量調(diào)度方案提出的坪石、石角的最小下泄流量為10、211 m3/s,與生態(tài)流量調(diào)度目標一致,因此基于同樣目標,北江水量調(diào)度的骨干工程選擇及補水方案也基本一致:調(diào)度工程包括莽山水庫、南水水庫、樂昌峽水庫及飛來峽水庫等水利水電工程,在一般來水年份,骨干水庫可按照原有調(diào)度規(guī)則調(diào)度;枯水年則利用飛來峽水庫按照石角站缺水量,進行動態(tài)補水調(diào)度;特枯年在全流域采用節(jié)水措施的基礎(chǔ)上,依靠莽山水庫保障坪石最小下泄流量(10 m3/s),按飛來峽水庫—南水水庫—樂昌峽水庫順序按照石角站來水進行動態(tài)調(diào)度,以滿足石角站最小下泄流量(211 m3/s)要求。

在北江流域每年開展的水資源年度調(diào)度計劃中,則是按照當年的來水預測,判斷來水頻率,再選擇不同的調(diào)度方案作為本年度的調(diào)度計劃,當實際調(diào)度過程中,出現(xiàn)控制斷面來水不達標的情況時,結(jié)合來水預報,實時開展“動態(tài)調(diào)度”,確保斷面最小下泄流量目標滿足要求。由于北江流域的生態(tài)流量與最小下泄流量一致,因此最小下泄流量目標的實現(xiàn)也表征了生態(tài)流量目標的實現(xiàn)。

3.2 生態(tài)流量考核

生態(tài)流量的考核標準近幾年略有變化,在最新的《水利部水資源管理司關(guān)于做好2021年度實行最嚴格水資源管理制度考核有關(guān)工作的通知》中,生態(tài)流量保障目標完成情況的判定是以月為單位,按逐日平均流量進行評價,每月斷面日均下泄流量小于目標值的天數(shù)多于3 d的,則該斷面當月視為不達標;同一個斷面累計超過2個月(含)不達標,認定該斷面本年度生態(tài)流量不達標[13]。

本次北江生態(tài)流量調(diào)度,到控制斷面生態(tài)流量遭遇破壞時,采用的“應(yīng)補盡補”方式補水,即只要補水水庫有能力,則要把不達標的生態(tài)流量全部補齊。由于北江流域的骨干水庫補水能力較強,采用此調(diào)度方法,有利于生態(tài)流量調(diào)度目標考核達標。

4 結(jié)論

通過上文分析,北江流域枯水年在豐水年或平水年,當坪石及石角斷面來水滿足生態(tài)流量要求時,流域內(nèi)各蓄水工程按照原有調(diào)度方式運行;枯水年當坪石斷面不達標時,選擇莽山水庫對坪石生態(tài)流量目標進行補水,當石角斷面不達標時,優(yōu)先選擇飛來峽水庫為生態(tài)補水水庫,利用飛來峽水庫補水后,一般年份的枯水期,石角斷面全部天數(shù)均可滿足生態(tài)流量保障要求,特枯年份在增加南水水庫接力補水后,也能滿足石角斷面生態(tài)考核要求。

在北江流域的生態(tài)流量調(diào)度方案中充分體現(xiàn)了流域統(tǒng)一調(diào)度管理的重要性,只有統(tǒng)一調(diào)度,方能實現(xiàn)流域供水、發(fā)電、航運、生態(tài)等多贏目標;同時也反映出骨干水庫是生態(tài)流量調(diào)度的重要抓手,骨干水庫汛末蓄水調(diào)度是枯水期生態(tài)調(diào)度的關(guān)鍵[14],在制定北江流域水資源年度調(diào)度計劃時,需合理安排骨干水庫等汛末蓄水,以保障枯水期生態(tài)流量調(diào)度的順利實施。