全椒縣襄河生態(tài)流量計算與調(diào)度

楊 嵐

（滁州水文水資源局，安徽 滁州 239000）

1 流域概況

1.1 河流主要支流及攔蓄工程

襄河主要有5 條支流匯入，左岸主要支流有石沛河、新龍河、土橋西河，右岸主要支流有趙店河、東王河。流域內(nèi)建有大（2）水庫1座（黃栗樹水庫），總庫容2.3 033億m3，控制集雨面積262 km2，占襄河流域面積的36.4%；中型水庫兩座：趙店水庫和土橋水庫，流域面積分別為32 km2、37 km2，總庫容3 262.5 km3，另有32座小型水庫，總控制集雨面積約156 km2，總庫容3 699.6萬m3。水庫群建成，調(diào)節(jié)攔蓄了襄河大量的水量，不僅大大提高了襄河中下游的防洪標準，而且還起到了輔助襄河干流蓄洪的作用。

襄河上主要建有城北一級泵站（裝機6臺，裝機流量21.04 m3/s，裝機功率1240 kW，設計揚程2.8 m）、襄河排澇（裝機8 臺，裝機流量2.1 m3/s，裝機功率450 kW，設計揚程12 m）、龍江排澇（裝機6臺，裝機流量17.0 m3/s，裝機功率1080 kW，設計揚程3 m）、王村排澇（裝機1臺，裝機流量0.32 m3/s，裝機功率55 kW，設計揚程8 m）、郭村排澇（裝機2臺，裝機流量1.24 m3/s，裝機功率180 kW，設計揚程9.5 m）、何柳排澇（裝機2 臺，裝機流量1.25 m3/s，裝機功率185 kW，設計揚程10.8 m）、秦村排澇泵站（裝機3臺，裝機流量2.5 m3/s，裝機功率225 kW，設計揚程5 m）。

1.2 水資源狀況

根據(jù)滁州市水資源公報，整理分析得出2007—2020年全椒縣水資源量系列成果（見圖1）。2007—2020年全椒縣平均地表水資源量為6.48億m3，地下水資源量為1.17億m3，地表水與地下水重復量1.08億m3，水資源總量為6.57 億m3?？梢娙房h主要為地表水資源，地下水資源貧乏。

圖1 2007-2020年全椒縣水資源量

1.3 流域水資源及開發(fā)利用現(xiàn)狀

根據(jù)《2020年滁州市水資源公報》，2020年全椒縣水資源概況為：全縣平均降水量1 456.0 mm，降水折合水量22.829 億m3，全縣水資源總量11.126 億m3，其中地表水資源量10.592 億m3，地下水資源量1.579 億m3，重復計算量1.045 億m3，全縣人均水資源量2 785.8 m3。

根據(jù)全椒縣2007—2020 年14 年平均的水資源總量以及同期平均的當?shù)厮Y源供水量的分析計算，全椒縣水資源開發(fā)利用率為45%，地下水資源開發(fā)利用率為21%，當?shù)厮Y源開發(fā)利用潛力有限。與安徽省江淮地區(qū)的許多縣市相似，全椒縣綜合用水水平及城鄉(xiāng)居民人均生活用水量指標較低，農(nóng)業(yè)灌溉效率和工業(yè)用水循環(huán)利用水平也不高，用水水平與國內(nèi)外先進水平相比還有較大差距?？傮w而言，雖然近些年來，隨著產(chǎn)業(yè)布局和經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整、技術(shù)進步與產(chǎn)業(yè)升級及用水管理和節(jié)水水平不斷提高，全椒縣水資源利用水平與效率在不斷提高，但水資源利用方式還很粗放，節(jié)水減排工作任重而道遠。2020年全椒縣用水組成見圖2。

圖2 2020年全椒縣用水組成

2 主要水生態(tài)問題

（1）攔蓄控制面積過大。水庫、閘壩在防洪、灌溉、供水、發(fā)電等方面發(fā)揮了巨大的社會經(jīng)濟效益，但也在一定程度上對河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負面影響。長期以來，人們對河流水資源的開發(fā)利用主要考慮農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活等方面的需求，而忽視了維持河流水生態(tài)系統(tǒng)平衡對河流水量、水質(zhì)的需求，對河流生態(tài)系統(tǒng)的干擾程度不斷提高，河道水量日益減少甚至斷流，污染及生態(tài)環(huán)境退化日益嚴重。襄河上游為山丘區(qū)，河道坡降大，匯流歷時短，洪峰流量大；下游河道坡降平緩，設計標準低，過流斷面小，再加上滁河干流水位的頂托，洪水下泄緩慢；襄河上游地貌為低山高丘區(qū)地形，崗沖相間，山巒起伏，耕地率大致為30%～50%，流域植被良好，山坡多為人工針葉林，郁郁蔥蔥，流域中上游森林覆蓋率30%以上，有少量基巖裸露。

（2）河道控制工程阻斷。襄河流域有大中型水庫3座，小型水庫32座，各級支流8條。襄河主源匯薛家河、昌家灣河、蔣家河之水于黃栗樹水庫，其它中小型水庫散布在8條各級支流上。部分河段由于非汛期流量較小，水深較小，難以滿足水生動、植物生存條件，嚴重影響了河湖健康。

（3）水資源過度開發(fā)。上述流域內(nèi)大中型水庫3座，其中1座省級重要飲用水源地（黃栗樹水庫），流域內(nèi)農(nóng)業(yè)種植面積大，灌溉需水量大；流域內(nèi)各縣、區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)迅速發(fā)展，工業(yè)化用水量持續(xù)攀升等等，經(jīng)濟發(fā)展、人口和鄉(xiāng)鎮(zhèn)城市化與匱乏的水資源矛盾日益尖銳。致使流域內(nèi)水資源處于過度開發(fā)狀況。

（4）未建立河道生態(tài)水量調(diào)度制度。襄河長期處于過度開發(fā)狀況，過去對河道管理處于放任狀態(tài)，未能建立有效的監(jiān)測與管理調(diào)度機制。近年來，隨著人們保護生態(tài)環(huán)境和維護生物多樣性意識的增強，人們認識到在水資源的開發(fā)利用中必須維持河道一定的流量，河流生態(tài)需水量研究，已成為當前的一個熱點問題。

（5）水環(huán)境惡化。過度的開發(fā)利用，河道長期得不到水源補充，水位持續(xù)處于低水位，河道自凈能力降低，襄河曾經(jīng)一度被稱為“臭水溝”，一年之中有3/4時間處于劣Ⅴ類水質(zhì)。隨著近年政府對水環(huán)境治理的重視、“一河一策”河長制落實，襄河水質(zhì)發(fā)生巨大變化。

3 生態(tài)流量分析計算

根據(jù)實地勘測和資料收集情況，選取襄河可操作性強的3個控制斷面，各斷面信息見表1。

表1 各斷面信息

根據(jù)區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有的水文資料情況，本次生態(tài)流量計算采用多年平均流量的10%（蒙大拿法）、90%保證率最枯月平均流量法和濕周法3種方法。

按照月平均流量系列，即年、汛期（5～9月）、非汛期（1～4 月，10～12 月）平均流量的10%、10%、10%計算，或90%保證率最枯月平均流量法分析估算。

對于無水文測站的斷面，需要借用其他流域的計算結(jié)果，由于流量與流域面積關(guān)系密切，將黃栗樹水庫和全椒站的年、汛期、非汛期多年平均流量的10%和90%保證率最枯平均流量與流域面積建立相關(guān)關(guān)系，根據(jù)相關(guān)斷面的流域面積，計算得各斷面生態(tài)流量[1]。10%年平均流量公式為y=0.0 008x+0.0 482（式中y為流量，x為面積），10%汛期平均流量公式為y=0.0 014x-0.0 260，10%非汛期平均流量公式為y=0.00 036x+0.0 390。

參照《安徽省水資源調(diào)查評價》《安徽省水資源綜合規(guī)劃》、“淮河流域主要河流水量分配方案”等已有成果，分析確定最小生態(tài)流量。

3.1 計算方法

本次使用系列年資料截至2019年，2020年全椒縣境內(nèi)發(fā)生超歷史洪水，洪水期間破圩泄洪，對于計算襄河生態(tài)流量意義不大，故不計入本次計算范疇。

3.1.1 蒙大拿法

蒙大拿法考慮我縣水資源供需實際情況，選擇第7 級別（棲息地、最?。┳鳛橛嬎銟藴始慈『恿魃鷳B(tài)用水流量占多年平均流量的百分比為汛期10%、非汛期10%、全年10%。

（1）黃栗樹水庫溢洪道斷面。黃栗樹水庫溢洪道斷面無流量資料，該處流域面積為262 km2，采用相關(guān)公式計算平均流量及生態(tài)流量，計算結(jié)果：多年平均流量為2.43 m3/s，汛期平均流量為4.15 m3/s，非汛期平均流量為0.77 m3/s；其中生態(tài)流量：汛期（10%）為0.42 m3/s、非汛期（10%）為0.08 m3/s、全年（10%）為0.24 m3/s。

（2）X032襄河公路橋上游60 m斷面。X032襄河公路橋上游60 m斷面無流量資料，該處流域面積為384 km2，采用相關(guān)公式計算生態(tài)流量，計算結(jié)果：多年平均流量為3.56 m3/s，汛期平均流量為6.09 m3/s，非汛期平均流量為1.12 m3/s；其中生態(tài)流量：汛期（10%）為0.61 m3/s、非汛期（10%）為0.11 m3/s、全年（10%）為0.36 m3/s。

（3）全椒水文站流量測驗斷面。全椒水文站于2016 年投入使用，資料系列短，不足以支撐本次計算結(jié)果，但由于襄河上下游關(guān)系較好，缺失年份可采用相關(guān)公式計算其生態(tài)流量。根據(jù)全椒水文站2016—2019 年流量實測資料計算分析，4 年平均流量為6.98 m3/s，汛期平均流量為7.64 m3/s，非汛期平均流量為5.17 m3/s。生態(tài)流量：汛期（10%）為0.76 m3/s、非汛期（10%）為0.52 m3/s、全年（10%）為0.70 m3/s。1980—2015年系列資料由上下游關(guān)系計算推得，該處流域面積為685 km2，采用相關(guān)公式計算生態(tài)流量，多年平均流量為6.79 m3/s，汛期平均流量為8.96 m3/s，非汛期平均流量為2.00 m3/s。生態(tài)流量：汛期（10%）為0.90 m3/s、非汛期（10%）為0.20 m3/s、全年（10%）為0.68 m3/s。綜合分析，全椒水文站1980-2019 年流量資料分析，多年平均流量為6.89 m3/s，汛期平均流量為8.30 m3/s，非汛期平均流量為3.59 m3/s。生態(tài)流量：汛期（10%）為0.83 m3/s、非汛期（10%）為0.36 m3/s，全年（10%）為0.69 m3/s。

3.1.2 90%保證率最枯月平均流量法

結(jié)合當前流量資料及襄河實際情況，使用90%保證率年最小月平均流量作為生態(tài)流量計算結(jié)果無實際意義，故本次將90%保證率最枯月平均流量法進行改進，充分保證河道生態(tài)流量。采用的流量為天然流量，此生態(tài)流量為維持河道基本形態(tài)、防止河道斷流、避免河流水生生物群落遭到無法恢復的破壞所需的最小流量[2]。

襄河黃栗樹水庫下X032 襄河公路橋無流量站點，屬于無資料地區(qū)，全椒水文站建站時間較短，系列資料不足，需要借用黃栗樹站點的計算結(jié)果。由于流量與流域面積關(guān)系密切，將黃栗樹水庫站計算的90%保證率平均流量與流域面積建立相關(guān)關(guān)系，根據(jù)襄河相關(guān)斷面流域面積，計算得襄河下游各斷面生態(tài)流量，相關(guān)關(guān)系計算公式為：y=0.0 013x+0.0 615。

（1）黃栗樹水庫溢洪道斷面。選取1980-2019年月平均流量進行統(tǒng)計分析，在90%保證率情況下，月平均流量為0.80 m3/s。

（2）X032 襄河公路橋上游60 m 斷面。由于X032襄河公路橋上游60 m斷面與黃栗樹水庫站溢洪道斷面流量面積關(guān)系較好，根據(jù)面積流量關(guān)系得出X032 襄河公路橋上游60 m 斷面流量，在90%保證率情況下，月平均流量為0.90 m3/s。

（3）全椒水文站流量測驗斷面。根據(jù)面積流量關(guān)系得出全椒水文站流量測驗斷面流量，在90%保證率情況下，最小月平均流量為1.10 m3/s。

3.1.3 濕周法

濕周流量關(guān)系曲線是河流斷面幾何形態(tài)、流量和水深的函數(shù)。根據(jù)曼寧公式和謝才公式（假設河流為明渠恒定均勻流），可得濕周流量關(guān)系為：

式中：Q為流量，m3/s；n為糙率；A為斷面面積，m2；S為水面比降；P為濕周，m。

天然河道可以有相當不規(guī)則的幾何形狀，但它可以接近地用矩形、梯形、三角形以及拋物線形等斷面來近似表達。根據(jù)不同河流斷面形態(tài)，得出具體濕周流量關(guān)系曲線（見表2）。

表2 不同形狀河流斷面濕周流量關(guān)系[3]

為消除確定變化點時坐標軸比例的影響，本文將流量和濕周無量綱化，分別取相對值Q′、P′，即

根據(jù)實地勘測，對襄河3個斷面進行了測量，各流量測驗斷面及流量濕周關(guān)系圖見圖3。

圖3 各流量測驗斷面及流量濕周關(guān)系圖

利用現(xiàn)有資料，用濕周法計算生態(tài)流量，計算結(jié)果：黃栗樹水庫溢洪道斷面生態(tài)流量0.26 m3/s、X032襄河公路橋上游60 m斷面生態(tài)流量0.33 m3/s，全椒水文站流量測驗斷面生態(tài)流量0.81 m3/s。

3.2 成果比較

3.2.1 3種方法成果比較

通過以上3 種方法，計算出各控制斷面生態(tài)流量（見表3）。

表3 襄河各控制斷面生態(tài)流量計算結(jié)果表

由表3 可以看出，蒙大拿法與濕周法計算的3個斷面生態(tài)流量比較接近，90%保證率最枯月平均流量法計算的3個斷面生態(tài)流量與另外兩種方法的計算成果相差較大。

3.2.2 與其他相關(guān)報告成果比較

《大滁城供水規(guī)劃報告》（安徽省水利水電勘測設計院2012年編）的計算成果見表4。

表4 各保證率條件下河道生態(tài)需水量計算成果

與《大滁城供水規(guī)劃報告》中襄河黃栗樹水庫壩下至干流全城段90%保證率下生態(tài)基流0.69 m3/s比較，上述計算中蒙大拿法相較濕周法分汛期、非汛期調(diào)控河道生態(tài)流量，較為符合襄河現(xiàn)狀河道管理的模式，且蒙大拿法計算的全椒水文站全年生態(tài)流量0.69 m3/s 與《大滁城供水規(guī)劃報告》計算的襄河干流黃栗樹水庫壩下—干流全城段生態(tài)流量0.69 m3/s 成果相符，故本次生態(tài)流量采用蒙大拿法計算成果。

3.3 生態(tài)流量的確定

3 個斷面的控制指標分別為：黃栗樹水庫溢洪道斷面最小生態(tài)流量0.24 m3/s、旬控制水量20.74萬m3；X032 襄河公路橋上游60 m 斷面最小生態(tài)流量0.36 m3/s、旬控制水量31.10 萬m3；全椒水文站流量測驗斷面最小生態(tài)流量0.69 m3/s、旬控制水量59.62萬m3。

生態(tài)流量主要依據(jù)實測流量計算，受水利工程影響較大。由于襄河境內(nèi)水利工程較多，蓄水能力較強，可調(diào)節(jié)能力好，同時也是依據(jù)襄河生態(tài)建設的實際需要，建議按蒙大拿法計算的流量作為襄河的生態(tài)基流。

4 監(jiān)測和調(diào)度

為了保障生態(tài)流量，實現(xiàn)襄河3 個控制斷面流量能夠達到其最小生態(tài)流量的要求，建議以河流主要水庫、閘壩斷面為關(guān)鍵節(jié)點，綜合納污、防洪、灌溉等功能需求，開展生態(tài)流量監(jiān)測，強化水庫、閘壩調(diào)度管理，合理制定水庫、閘壩調(diào)度方案，維護河道生態(tài)功能。

4.1 控制指標

考慮當?shù)厮Y源豐富程度、閘壩的調(diào)蓄能力以及目前水文監(jiān)測能力，建議采用旬水量進行控制?？紤]沿途工業(yè)、居民生活取水，需在上斷面加大放水量。

4.2 監(jiān)測方案

為滿足生態(tài)流量控制管理，應布設必要的生態(tài)流量控制斷面，新建流量自動測報系統(tǒng)，加強對生態(tài)流量的監(jiān)控。

4.2.1 監(jiān)測方案

結(jié)合各斷面現(xiàn)有流量監(jiān)測方式、流量測驗儀器設備配備現(xiàn)狀，提出流量監(jiān)測方式、增加水位及流量測驗儀器的建議方案（見表5）。

表5 各斷面建議監(jiān)測方案

4.2.2 建立生態(tài)流量信息平臺

建立全椒縣生態(tài)流量信息平臺，與滁州市生態(tài)流量信息平臺聯(lián)網(wǎng)。建設生態(tài)流量信息實時監(jiān)控系統(tǒng)，配置信息平臺硬件設備，開發(fā)管理軟件，配置網(wǎng)絡與安全設備，完善計算機網(wǎng)絡與安全保障體系；配置存儲設備，完善和提高數(shù)據(jù)存儲能力；配置服務器，提供數(shù)據(jù)庫和應用系統(tǒng)運行硬件環(huán)境；配置商業(yè)軟件，提供系統(tǒng)運行支撐環(huán)境；配備相關(guān)調(diào)度會商設備，滿足水資源調(diào)度會商環(huán)境的需要。

4.3 調(diào)度方案

合理制定主要河流生態(tài)流量的調(diào)度方案，總體上按旬控制、按月通報。加強生態(tài)流量監(jiān)測，建立生態(tài)流量實時監(jiān)測預警機制，在干旱季節(jié)，當實時流量小于生態(tài)基流控制流量時，適當限制生產(chǎn)用水，開閘放水，滿足旬生態(tài)水量需求。

建議將襄河生態(tài)流量控制指標納入黃栗樹水庫、趙店水庫、上石壩水庫灌溉水量分配中。黃栗樹水庫有生態(tài)放水底洞，無需重建，趙店水庫、上石壩水庫可以利用灌溉渠放水，在渠道接近河道位置處建設引放水設施，建議安裝在線監(jiān)控，襄河周邊小水庫群可作為臨時補給供應站。

（1）黃栗樹水庫溢洪道斷面最小生態(tài)流量0.24 m3/s。2019 年遭遇自1978 年以來最嚴重的旱情，“引江入滁”抗旱調(diào)水工程現(xiàn)已建成，通過駟馬山引江工程提引長江水到滁河取水口，再利用現(xiàn)有泵站逐級提水進全椒新龍河，為全椒縣二水廠和滁州市三水廠供水，日供水約20萬t。在枯水年份或月份，可分擔黃栗樹水庫人飲工程供水的需求。故生態(tài)流量保持在0.24 m3/s是可行的。

（2）X032 襄河公路橋上游60 m 斷面最小生態(tài)流量0.36 m3/s。在保證黃栗樹水庫站溢洪道斷面的生態(tài)流量基礎(chǔ)上。石沛河上游?。?）型上石壩（集水面積20 km2，總庫容925 萬m3）、?。?）型中石壩、烏鴉水庫等以灌溉為主，結(jié)合防洪、養(yǎng)殖效益的小水庫群，可以保證0.12 m3/s生態(tài)流量。

（3）全椒水文站流量測驗斷面最小生態(tài)流量0.69 m3/s。斷面以上有新龍河、趙店河、東王河，其中新龍河上游及周邊有長洼、興云、耿橋等小水庫可供蓄水調(diào)配，東王河上游及周邊有朱洼、神山等小二型水庫可聯(lián)調(diào)聯(lián)動，趙店河上游中型水庫趙店水庫可補充供水。干旱年份有兩套方案可供補充區(qū)間內(nèi)生態(tài)用水：①方案一，引滁河水經(jīng)趙店水庫入襄河，這部分調(diào)水同時可作為趙店河入襄河河口至新襄河閘閘上區(qū)間的生態(tài)用水，同時下游有土橋西河匯入襄河，可補充部分區(qū)間生態(tài)流量，基本滿足區(qū)間0.33 m3/s 生態(tài)需求；②方案二，考慮利用全椒縣污水處理廠的中水回用，全椒縣污水處理廠出水口入襄河，距全椒水文站流量測驗斷面約5.0 km。污水處理廠經(jīng)2018—2019年提升改造，目前已達到日處理10 萬m3/d，利用中水回用，節(jié)省優(yōu)質(zhì)水為他用，可以滿足0.33 m3/s 區(qū)間生態(tài)需水。綜上所述，能夠滿足全椒水文站流量測驗斷面及下游至襄河入滁河口段枯水年份最小0.33 m3/s 流量生態(tài)補水的需求。

在放水過程中，要充分考慮沿途居民生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水及輸水損失等因素，當下一個斷面達不到生態(tài)用水需求時，上游要加大放水量，滿足下游生態(tài)用水需求。