太子河生態(tài)用水調(diào)度方案研究

吳 鶴

(遼寧省觀音閣水庫管理局有限責任公司，遼寧 本溪 117100)

遼寧省是中國北方缺水省之一，人均水資源量僅占全國平均水平的1/3，是一個缺水地區(qū)[1]。由于水資源分布不均、開發(fā)利用不平衡、水污染水生態(tài)問題較為突出，從而導致河道生態(tài)水量不足。隨著區(qū)域經(jīng)濟的突快發(fā)展，用水量逐漸增大，水庫等水利工程發(fā)揮了巨大作用，但是給河道生態(tài)也帶來了問題。水庫由于下泄生態(tài)水量不足，導致部分河段斷流或者干涸。當前，國內(nèi)對水庫調(diào)節(jié)調(diào)度生態(tài)水還處于初級階段，普遍在理論研究與試驗模型階段[2- 14]，在實踐中缺少一定的實施。對于生態(tài)水量下泄的調(diào)度主要是通過管理部門行政手段開展，缺少管理機制與長效機制。在此基礎上，為維持河流基本生態(tài)需水量，著力確保旱季生態(tài)基本流量，對太子河進行生態(tài)用水調(diào)節(jié)研究。

1 歷次設計審批生態(tài)水量

觀音閣水庫和葠窩水庫的原始設計沒有下游河道生態(tài)和環(huán)境供水的任務。根據(jù)批準的《遼寧省觀音閣水庫輸水工程環(huán)境影響報告書》，以Tennant法，生態(tài)水力學法、最小月均徑流量法、維持河流水環(huán)境質量所需最小稀釋水量7q10法等來計算成果，結合本溪水洞國家風景名勝區(qū)和本溪市區(qū)的景觀效應分析，確定觀音閣水庫不同時段的生態(tài)基流量下泄，10—次年3月下泄生態(tài)基流量3.33m2/s和4—9月下泄生態(tài)基流量6.66m2/s。目前，只有觀音閣水庫有審批批復的生態(tài)流量。根據(jù)觀音閣水庫2015—2019年的實際運行數(shù)據(jù)，按照給水、發(fā)電、洗沙排水、汛期棄水及生態(tài)用水的原則，將水庫實際下泄下游河道流量進行了統(tǒng)計，見表1。

表1 觀音閣水庫實際下泄下游河道水量 單位：萬m3

由表1可以看出水庫5—9月份生態(tài)流量要求滿足較好，僅個別月份不滿足要求；而10—次年4月生態(tài)流量要求滿足較差。

2 生態(tài)需水量分析

在計算河流生態(tài)需水量時，應考慮生態(tài)環(huán)境功能，生態(tài)環(huán)境條件，水資源條件和開發(fā)利用程度，從而確定生態(tài)目標，選擇合理的方法。根據(jù)太子河的生態(tài)調(diào)查數(shù)據(jù)，鯉科和鰍科是觀音閣水庫下游的主要魚類，無水生態(tài)環(huán)境敏感目標。同時，由于人類活動影響，水資源開發(fā)利用較大，用水戶用水矛盾較大。綜合以上，生態(tài)水量應包括生態(tài)基流和魚類需水要求，最后計算控制斷面生態(tài)水量。

2.1 基本生態(tài)水量

太子河屬于北方河流，冬季的冰期較長。結合實際情況，在冰封期間無需排放生態(tài)水。如果冬季釋放，水將在冰面上短時間凍結，冰層下的流動空間狹窄，將導致整個河道無法完全通水，并且流動性差，流量達不到預期效果。因此，冬季11—次年2月的冰凍期將不考慮觀音閣水庫，葠窩水庫和湯河水庫的生態(tài)流量。在其他月份中，為了確保下游的基本生態(tài)用水，按每年年徑流量的10%排放。各控制斷面基本生態(tài)需水量見表2。

表2 基本生態(tài)需水量 單位：萬m3

2.2 適宜生態(tài)水量

在凍結期，適宜的生態(tài)流量與基本生態(tài)流量一致，冬季觀音閣水庫，伏窩水庫和塘河水庫在凍結期不考慮排放生態(tài)流量。根據(jù)調(diào)查，鯉科和鰍科是觀音閣水庫下游的主要魚類，產(chǎn)卵期大多為5—6月，產(chǎn)卵期一般為2個月左右。因此，適當增加產(chǎn)卵敏感期的水量，以滿足魚類產(chǎn)卵棲息地的需水量。為了避免對水庫原用水戶產(chǎn)生重大影響，魚類生態(tài)敏感期(5—6月中旬)的需水量按年平均流量的20%計算。經(jīng)計算得到，葠窩水庫控制斷面13.86m3/s，湯河水庫控制斷面1.70m3/s。即劍窩水庫段的13.86m3/s和湯河水庫段的1.70m3/s。由于6、7、8月下旬處于汛期，因此排放的生態(tài)水按年平均流量的20%計算。在3、4、9、10月的剩余4個月中，為了確保下游的基本生態(tài)用水，排放量為年均徑流量的10%。各控制斷面的適宜生態(tài)需水量見表3。

表3 適宜生態(tài)需水量 單位：萬m3

2.3 水體自凈需水復核

根據(jù)基本和適宜的生態(tài)需水量，進一步復核水體的自凈能力。采用90%的最枯月平均流量作為設計流量，經(jīng)過對徑流系列統(tǒng)計計算，觀音閣水庫、葠窩水庫、湯河水庫各控制斷面最枯月90%保證率平均流量分別為1.31、7.03、0.93m3/s。根據(jù)GB/T 25173—2010《水城納污能力計算規(guī)程》要求[15- 16]，有水利工程控制的河段，可采用最小下泄流量或生態(tài)基流作為設計流量。太子河觀音闊水庫以下至唐馬寨子斷已被水利工程控制，因此所選各斷面的下泄量均符合規(guī)范要求。

3 河流生態(tài)需水量確定

確定太子河生態(tài)需水量分為基本生態(tài)需水量、適宜生態(tài)需水量兩個層面。各斷面生態(tài)水量過程如圖1—3所示。由圖1—3可知，3個水庫控制斷面逐月平均生態(tài)水量過程線基本一致。

圖1 太子河觀音閣水庫壩址斷面逐月平均生態(tài)水量過程

圖2 太子河葠窩水庫壩址斷面逐月平均生態(tài)水量過程

圖3 太子河湯河水庫壩址斷面逐月平均生態(tài)水量過程

4 不同情景下生態(tài)用水調(diào)度方案

為了使生態(tài)供水調(diào)度方案更具可操作性，分析不同初始水位，不同典型年份徑流過程和不同控制水位對應的生態(tài)供水調(diào)度方案。

4.1 湯河水庫生態(tài)用水調(diào)度

目前，湯河水庫的年取水指標為23198萬m3。根據(jù)長系列徑流調(diào)節(jié)結果，湯河水庫多年的平均供水量為21900萬m3。不能滿足城市生活和工業(yè)用水的要求，水庫沒有多余的水量來供應穩(wěn)定的生態(tài)環(huán)境水，但是當水庫水位較高并且有更多的進水時，可以適當?shù)蒯尫乓詼p少棄水。

4.2 葠窩水庫生態(tài)用水調(diào)度

4.2.1確定調(diào)節(jié)水位

對于葠窩水庫和觀音閣水庫，按先小后大、先下游后上游的原則。在運行計算中，采用葠窩水庫先補水，不足部分由觀音閣水庫補給的方式。在死水位和正常水位之間插入3個水位，以劃分水庫的興利庫容。3個水位分別為85.10、89.90、93.52m，相應的初始起調(diào)庫容分別為1.24億、2.30億、3.36億m3。目前，葠窩水庫為病險水庫，汛期限水位為81.2m。目前，可調(diào)節(jié)庫容5700萬m3。因此，僅選擇最低水位85.10m進行分析。

4.2.2選擇典型年份

葠窩水庫主要承擔著農(nóng)業(yè)灌溉，因此水庫的入庫水量受到下游農(nóng)業(yè)缺水和觀音閣水庫泄洪的極大影響。但是，雨季下游的農(nóng)業(yè)缺水要求從觀音閣水庫釋放的水較少；干旱年份下游農(nóng)業(yè)供水受到破壞，因此觀音閣水庫需釋放的水最少。在正常年份，下游的農(nóng)業(yè)需水量最大，觀音閣水庫需要釋放水量最大。葠窩水庫豐、平、枯的入庫水量分別為15.14億、16.08億、 13.11億m3。

4.2.3供水任務

根據(jù)調(diào)查，葠窩水庫對城市生活和工業(yè)的直接供水量為4378萬m3，并據(jù)此計算供水量。同時承擔下游農(nóng)業(yè)供水任務，不足部分由觀音閣水庫補給。

4.2.4生態(tài)供水方案

生態(tài)需水量分為兩個層次：基本生態(tài)需水量和適宜生態(tài)需水量，見表4。

表4 生態(tài)需水量 單位：萬m3

4.2.5結果分析

表5給出了85.10 m水位的調(diào)節(jié)計算結果。從表5可以看出，水庫汛期產(chǎn)生了大量的棄水，當需要農(nóng)業(yè)用水時觀音閣水庫需要大量補水。因此，可以適當增加汛期的用水量，以減少棄水量，減少非汛期的生態(tài)釋放和觀音閣的補償流量。

表5 葠窩水庫生態(tài)供水方案成果 單位：萬m3

4.3 觀音閣水庫生態(tài)用水調(diào)度

4.3.1確定調(diào)節(jié)水位

對于葠窩水庫和觀音閣水庫，按先小后大、先下游后上游的原則。在運行計算中，采用葠窩水庫先補水，不足部分由觀音閣水庫補給的方式。在死水位和正常水位之間插入三個水位，以劃分水庫的興利庫容。3個水位分別為96.68、102.12、1068.18m，相應的初始起調(diào)庫容分別為3.83億、7.29億、10.75億m3。

4.3.2選擇典型年份

采用葠窩水庫與觀音閣水庫共同選取的三個典型年。觀音閣水庫豐、平、枯的入庫水量分別為10.75億、8.74億、6.98億m3。

4.3.3供水任務

根據(jù)調(diào)查，觀音閣水庫對城市生活與工業(yè)的直接供水量為9401萬m3，并據(jù)此計算供水量。同時承擔葠窩水庫補水以及下游農(nóng)業(yè)灌溉供水任務。

4.3.4生態(tài)供水方案

生態(tài)需水量分為兩個層次：基本生態(tài)需水量和適宜生態(tài)需水量，見表6。

表6 生態(tài)需水量 單位：萬m3

4.3.5結果分析

從表7可以看出，觀音閣水庫的下泄生態(tài)水量大，滿足所有方案。尤其是在中高水位的豐水年，水庫可以減少生態(tài)水量下泄。

表7 觀音閣水庫生態(tài)供水方案成果 單位：萬m3

5 結語

通過太子河生態(tài)用水調(diào)度研究，提出的生態(tài)用水調(diào)度方案能夠指導觀音閣水庫、葠窩水庫及湯河水庫生態(tài)水的調(diào)度實際運行，對改善水生態(tài)和水文狀況具有重要作用。但是，太子河流域原用水戶較多，下游農(nóng)業(yè)用水量較大，即使水庫排放了足夠的生態(tài)水，在枯水年份，農(nóng)業(yè)灌溉可能會與生態(tài)水爭奪水，導致控制斷面生態(tài)水不足，在提出的生態(tài)用水調(diào)度方案中尚未考慮該因素。對于這些問題需要相關部門進行督導、協(xié)調(diào)等，才能保證河流生態(tài)用水。