基于推進(jìn)城市網(wǎng)河生態(tài)流量保障工作的探討
——以三水區(qū)左岸涌生態(tài)流量保障項(xiàng)目為例

夏 威，鄭炎輝，龐家鋒,2

(1.廣州豐澤源水利科技有限公司，廣州 510663；(2.中山大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 珠海 519000)

1 概述

生態(tài)流量是維系河湖生態(tài)功能，控制水資源開(kāi)發(fā)強(qiáng)度的重要指標(biāo)，是統(tǒng)籌生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水，優(yōu)化配置水資源的重要基礎(chǔ)，事關(guān)水安全保障和生態(tài)文明建設(shè)大局[1-2]。生態(tài)流量的確定方法主要有水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地法和整體分析法四類(lèi)[3-4]。水文學(xué)法應(yīng)用廣泛，但需要較全的歷史水文數(shù)據(jù)，通過(guò)歷史流量數(shù)據(jù)推求生態(tài)流量；棲息地法和整體分析法需要用到大量的流量、河道水力學(xué)和生物特征等信息，且方法本身比較復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中常受到限制[5-7]。對(duì)于城市網(wǎng)河，由于水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布不均及站點(diǎn)少等原因，往往面臨著資料缺乏導(dǎo)致無(wú)法計(jì)算，即便運(yùn)用數(shù)學(xué)模型也會(huì)遇到無(wú)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)的率定驗(yàn)證等問(wèn)題。水力學(xué)法中的濕周法相較其他方法數(shù)據(jù)要求較高、易受人類(lèi)活動(dòng)影響、操作復(fù)雜等問(wèn)題受限相對(duì)較少，因此應(yīng)用比較廣泛[8-9]。

目前生態(tài)流量工作的推進(jìn)多以區(qū)域內(nèi)重要河湖為對(duì)象，對(duì)于城市網(wǎng)河生態(tài)流量保障工作尚未有切實(shí)的抓手，因此，探索城市網(wǎng)河生態(tài)流量的確定方法、有效推進(jìn)城市網(wǎng)河區(qū)域生態(tài)流量保障工作、積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)逐步健全河湖生態(tài)流量管控體系、保障河湖生態(tài)健康具有重要意義。本文中，以三水區(qū)左岸涌為例，通過(guò)濕周法核算河涌生態(tài)流量，確定生態(tài)流量管控目標(biāo)，健全生態(tài)流量保障體系，可為城市網(wǎng)河區(qū)生態(tài)流量保障工作的開(kāi)展提供借鑒。

2 研究區(qū)域概況

2.1 河涌概況

左岸涌屬于城市網(wǎng)河，是三水區(qū)樂(lè)平鎮(zhèn)的主要排灌涌道，貫穿樂(lè)平鎮(zhèn)湖崗、保安、竹山、念德、大崗5個(gè)村委會(huì)和南豐勞教所、三水農(nóng)場(chǎng)，起于黃塘進(jìn)水閘，與北江連接，止于鳳崗水閘，匯入西南涌，全長(zhǎng)約為23.52 km，流域面積約為86.86 km2。

2.2 主要控制斷面

根據(jù)《水利部關(guān)于做好河湖生態(tài)流量確定和保障工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》(水資管〔2020〕67)要求，本次控制斷面的選擇立足代表性、可行性、綜合性，選擇湖崗橋斷面、禮義大道交匯斷面、農(nóng)場(chǎng)橋斷面為生態(tài)流量控制斷面(見(jiàn)圖1)。

圖1 左岸涌主要控制斷面位置示意

3 生態(tài)流量計(jì)算

3.1 濕周法計(jì)算生態(tài)流量的流程

濕周法是水力學(xué)法中的一種常用方法，其將濕周作為衡量水生生境質(zhì)量的指標(biāo)，假設(shè)只要保護(hù)好臨界區(qū)域水生生境的濕周，即可滿(mǎn)足臨界區(qū)域水生生物的正常生存需求，也可對(duì)非臨界區(qū)的棲息地提供足夠的保護(hù)。通過(guò)收集水生生物棲息地的河道尺寸及對(duì)應(yīng)的流量數(shù)據(jù)，建立濕周流量關(guān)系，將濕周與流量關(guān)系中由陡峭轉(zhuǎn)變?yōu)槠骄彽墓拯c(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量作為河流的最小生態(tài)需水，具體計(jì)算方法敘述如下：

1) 水力學(xué)參數(shù)計(jì)算

濕周～流量關(guān)系主要取決于河流斷面的形狀，一般可利用實(shí)測(cè)流量及斷面資料得到。在沒(méi)有實(shí)測(cè)流量資料時(shí)，可采用明渠均勻流方法利用曼寧公式計(jì)算得到：

(1)

式中：

Q——流量，m3/s；

A——過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；

P——濕周，m；

J——水力坡度；

n——粗糙系數(shù)。

根據(jù)實(shí)測(cè)大斷面資料，假定不同的水深，計(jì)算各控制站點(diǎn)相應(yīng)的水力學(xué)參數(shù)。

2) 擬合相對(duì)濕周—流量關(guān)系

為消除確定臨界點(diǎn)時(shí)坐標(biāo)軸比例的影響，將流量和濕周無(wú)量綱化，根據(jù)不同河槽斷面的濕周—流量關(guān)系的分析，可知三角形斷面以及拋物線形斷面的濕周與流量呈現(xiàn)出冪函數(shù)關(guān)系；而矩形和梯形斷面的濕周與流量呈現(xiàn)出對(duì)數(shù)關(guān)系，濕周流量關(guān)系可以按照這兩種關(guān)系進(jìn)行擬合[10]。

對(duì)于規(guī)則斷面，q與p的關(guān)系可以表示為冪函數(shù)或?qū)?shù)函數(shù)關(guān)系。

對(duì)數(shù)函數(shù)：

p=alnq+b

(2)

冪函數(shù)：

p=cqd

(3)

其中，

(4)

式中：

a、b、c、d——均為常數(shù)；

q、p——分別為相對(duì)生態(tài)流量、相對(duì)濕周；

Qm、Pm——分別為某一特征流量及其對(duì)應(yīng)的濕周。

3) 確定臨界點(diǎn)，得到生態(tài)流量

運(yùn)用曲率法和斜率法確定臨界點(diǎn)。在曲率法和斜率法中，河流生態(tài)流量分別按照p～q曲線上曲率絕對(duì)值最大點(diǎn)和斜率為1的點(diǎn)確定。

斜率1法求得的最小生態(tài)流量公式如下。

對(duì)數(shù)函數(shù)：

q=a

(5)

冪函數(shù)：

(6)

曲率最大法求得的最小生態(tài)流量公式如下。

對(duì)數(shù)函數(shù)：

(7)

冪函數(shù)：

(8)

除上述兩種確定拐點(diǎn)的方法之外，現(xiàn)行《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范》(SL/Z 712—2014)還推薦了1種經(jīng)驗(yàn)方法，即以濕周率80%對(duì)應(yīng)的流量或以最接近濕周率80%的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量作為河流最小生態(tài)流量[11]。

3.2 利用濕周法計(jì)算左岸涌生態(tài)流量

濕周法目前應(yīng)用中是采用斷面實(shí)測(cè)或一維的水力分析計(jì)算結(jié)果作為計(jì)算依據(jù)。本文通過(guò)收集左岸涌不同形態(tài)斷面的實(shí)測(cè)資料，采用濕周法計(jì)算分析各斷面的最小生態(tài)流量。

1) 斷面資料獲取

計(jì)算中所需主要資料為斷面基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，項(xiàng)目過(guò)程中采用 SonTek M9 聲學(xué)多普勒水流剖面儀對(duì)目標(biāo)斷面開(kāi)展測(cè)流工作。M9采用全新的電子電路、軟硬件設(shè)施，專(zhuān)為河流流量測(cè)驗(yàn)而設(shè)計(jì)，體積小巧、功能強(qiáng)大、易于操作，是迄今為止世界上最先進(jìn)的測(cè)流儀器。

左岸涌為城市內(nèi)河涌，河涌?jī)?nèi)流量受水閘等建筑物影響。在左岸涌上游有一黃塘水閘，測(cè)流期間水閘處于開(kāi)啟狀態(tài)(現(xiàn)場(chǎng)測(cè)流如圖2所示，M9數(shù)據(jù)界面如圖3所示)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)流

圖3 M9數(shù)據(jù)界面示意

2) 各斷面濕周流量關(guān)系的建立

通過(guò)測(cè)流資料得到的斷面數(shù)據(jù)如圖4所示。對(duì)斷面數(shù)據(jù)分析可知，湖崗橋斷面、禮義大道交界斷面、農(nóng)場(chǎng)橋斷面近似為拋物線斷面，按照拋物線形斷面擬合成冪函數(shù)的原則，分別對(duì)上述各斷面的相對(duì)濕周與相對(duì)流量關(guān)系進(jìn)行曲線擬合，各斷面擬合結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖4 ADCP實(shí)測(cè)的各斷面形式示意

圖5 各斷面濕周流量關(guān)系擬合結(jié)果示意

3) 最小生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果

分別按照斜率1法、曲率最大法和經(jīng)驗(yàn)法(濕周率80%對(duì)應(yīng)的點(diǎn))得到各控制斷面的最小生態(tài)基礎(chǔ)流量。各斷面計(jì)算得到的最小生態(tài)流量成果見(jiàn)表1。

表1 左岸涌各斷面最小生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果 m3/s

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，斜率法和曲率法計(jì)算得到的生態(tài)流量相對(duì)接近，二者與經(jīng)驗(yàn)頻率法計(jì)算結(jié)果比較差異較大。吉小盼[12]等用濕周法對(duì)西南地區(qū)河流生態(tài)流量的研究發(fā)現(xiàn)，采用經(jīng)驗(yàn)法確定拐點(diǎn)，其生態(tài)學(xué)意義不明顯，不同形態(tài)斷面下計(jì)算的生態(tài)流量結(jié)果差異較大且無(wú)規(guī)律，在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)造成較大誤差。王慶國(guó)、Gippel[13-14]等認(rèn)為采用斜率法確定拐點(diǎn)較為合適，一般情況下可選擇斜率為1的點(diǎn)。斜率法和曲率法確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)的方法在實(shí)際應(yīng)用中均可采用，但由于曲率法確定的最小生態(tài)需水較斜率法偏小，部分?jǐn)嗝娴乃ι硡?shù)可能會(huì)低于檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，為更好保護(hù)河流生境，故本項(xiàng)目中重點(diǎn)關(guān)注斜率1法確定的生態(tài)流量結(jié)果。

4) 生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果合理性檢驗(yàn)

對(duì)于重點(diǎn)河湖的生態(tài)流量確定，一般需要采用多種計(jì)算進(jìn)行結(jié)果比對(duì)，綜合考慮流域水資源配置情況及相關(guān)規(guī)劃要求，最終確定生態(tài)流量管控目標(biāo)。對(duì)于城市網(wǎng)河區(qū)域，多數(shù)缺少水文、生境等資料，可采用的計(jì)算方法有限。由于生態(tài)流量與該流量條件下代表斷面處的水深、流速等相關(guān)，為確定計(jì)算結(jié)果合理性，在此借鑒現(xiàn)行《水電工程生態(tài)流量計(jì)算規(guī)范》(NB/T 35091—2016)推薦的R2-CROSS法和生態(tài)水力學(xué)法的基本原理和參數(shù)要求[15]，綜合確定生境參數(shù)的校核標(biāo)準(zhǔn)。

R2-CROSS法以河流平均水深、流速及濕周率等水利生境參數(shù)評(píng)估魚(yú)類(lèi)生境狀況，可以用于計(jì)算分析小型河流的生態(tài)基流；河寬0.5～30.5 m的非季節(jié)性河流水利生境參數(shù)要求，平均水深不小于1/100的河寬、濕周率不小于50%、流速不小于0.3 m/s。生態(tài)水力學(xué)法主要以魚(yú)類(lèi)對(duì)河流水深、流速等水力生境參數(shù)及急流、緩流、淺灘、深潭等水力形態(tài)指標(biāo)的要求評(píng)估河流生境狀況，可以用于分析計(jì)算各類(lèi)型河流的生態(tài)基流；其生境參數(shù)最低要求為平均水深不小于0.3 m，平均流速不小于0.3 m/s，濕周率不小于50%。綜合兩種計(jì)算方法指標(biāo)要求，確定生境參數(shù)的校核標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算結(jié)果合理性校核標(biāo)準(zhǔn)

各斷面采用濕周法的計(jì)算結(jié)果所對(duì)應(yīng)的水力生境參數(shù)見(jiàn)表3。由計(jì)算結(jié)果可知，各斷面對(duì)應(yīng)生態(tài)流量下的生境參數(shù)均能滿(mǎn)足檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，所選擇生態(tài)流量處于合理范圍。

表3 計(jì)算結(jié)果對(duì)應(yīng)的水力生境參數(shù)

4 生態(tài)流量管控目標(biāo)確定

選擇斜率1法計(jì)算的生態(tài)流量結(jié)果作為左岸涌生態(tài)流量的管控目標(biāo)。左岸涌上游設(shè)有水閘，考慮關(guān)閘情況下流量基本為0，在此條件下考慮生態(tài)流量并不合適。因此，對(duì)于左岸涌這種城市內(nèi)河涌，建議增加生態(tài)水位對(duì)相應(yīng)流域生態(tài)管控方案進(jìn)行補(bǔ)充說(shuō)明。由于左岸涌流域內(nèi)缺少相應(yīng)生物及水文資料，本方案中采用景觀水位定義生態(tài)水位。參考廣州市河涌整治總體規(guī)劃中首次提出的“景觀水位”為珠基0.2～0.8 m，在旱季如有新水源，在沒(méi)有防洪排澇需要情況下，可以提高到堤頂以下0.5 m，一般水深可以增加到1.5～2.5 m，有條件應(yīng)盡量抬高水位[16]。本項(xiàng)目中，取0.5 m作本次生態(tài)水位高程值，控制斷面農(nóng)場(chǎng)橋斷面河底高程約-1 m，對(duì)應(yīng)水深為1.5 m，與城市河涌規(guī)劃要求推薦值基本吻合，故暫取0.5 m高程作為本次控制斷面生態(tài)水位要求值。

左岸涌有3個(gè)控制斷面，后續(xù)有建監(jiān)測(cè)站的計(jì)劃，考慮工程量及工程投入，本方案將主要控制斷面分為考核斷面和管理斷面，考核斷面需要對(duì)生態(tài)流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)、預(yù)警、保障和考核，管理斷面的保障要求與考核斷面基本一致，但不參與生態(tài)流量達(dá)標(biāo)考核。對(duì)于本階段，第一步將主要針對(duì)考核斷面開(kāi)展生態(tài)流量監(jiān)測(cè)及保障實(shí)施工作，后續(xù)再可對(duì)其余斷面加強(qiáng)監(jiān)控，逐步實(shí)現(xiàn)生態(tài)流量全面有效管控。左岸涌生態(tài)流量(水位)管控目標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 左岸涌生態(tài)流量(水位)管控目標(biāo)

5 生態(tài)流量保障體系構(gòu)建

5.1 制定生態(tài)流量保障方案

考慮生態(tài)流量滿(mǎn)足程度及河涌?jī)?nèi)的灌溉調(diào)度等需求，確保主要控制斷面水量調(diào)度目標(biāo)，應(yīng)不低于生態(tài)基流要求。在分析梳理流域現(xiàn)有調(diào)度方案的基礎(chǔ)上，提出生態(tài)流量保障方案。

1) 左岸涌生態(tài)流量保障要求

開(kāi)閘狀態(tài)下，需保障農(nóng)場(chǎng)橋考核斷面生態(tài)流量>5.79 m3/s；如遇特殊情況，如閘門(mén)檢修、特枯年北江水位較低或受北江最小下瀉流量管控要求等，導(dǎo)致河道流量低于生態(tài)流量要求，此時(shí)可考慮通過(guò)西邊涌(左岸涌支流，連接樂(lè)平涌、左岸涌)從樂(lè)平涌引水。先關(guān)閉樂(lè)平涌下游的海州水閘，同時(shí)通過(guò)古云泵站往樂(lè)平涌補(bǔ)水，在滿(mǎn)足樂(lè)平涌生態(tài)需求前提下，經(jīng)西邊涌來(lái)補(bǔ)充左岸涌生態(tài)流量。實(shí)際左岸涌生態(tài)流量受上游黃塘水閘和出口西南涌潮汐水位所影響，在閘門(mén)關(guān)閉狀態(tài)下，主要受下游潮汐水位影響，農(nóng)場(chǎng)橋斷面生態(tài)水位要求不低于0.5 m，當(dāng)水位低于0.5 m時(shí)，與上述方法相同，可考慮利用西邊涌通過(guò)古云泵站進(jìn)行補(bǔ)水。

2) 主要取水戶(hù)控制要求

主要取水戶(hù)指泵站灌溉取水，須嚴(yán)格執(zhí)行各取水許可管理等有關(guān)規(guī)定：日取水量不超過(guò)取水許可核定的日最大取水規(guī)模，年取水量不超過(guò)取水許可核定的最大取水規(guī)模。在正常來(lái)水年份，各用水戶(hù)可按計(jì)劃正常取水；在枯水年份，積極采取節(jié)水措施，必要時(shí)限制農(nóng)業(yè)用水，農(nóng)業(yè)用水深度破壞不超過(guò)50%，古云泵站和黃塘水閘按最大取水量進(jìn)行補(bǔ)水，調(diào)度后仍無(wú)法滿(mǎn)足最小生態(tài)流量要求時(shí)，允許破壞，但破壞深度不超過(guò)20%。

3) 加強(qiáng)水資源管理

左岸涌流域的水資源開(kāi)發(fā)利用和管理過(guò)程中，要把生態(tài)流量作為硬性約束指標(biāo)，流域內(nèi)涉水工程建設(shè)要充分論證和評(píng)估對(duì)生態(tài)流量的影響，確保生態(tài)流量不被破壞，守住河流生態(tài)底線。

5.2 生態(tài)流量監(jiān)測(cè)與預(yù)警

左岸涌生態(tài)流量預(yù)警共設(shè)置藍(lán)色、橙色、紅色等3個(gè)預(yù)警級(jí)別。從便于操作、易實(shí)現(xiàn)角度出發(fā)，根據(jù)主要控制斷面實(shí)測(cè)流量進(jìn)行預(yù)警判斷，預(yù)警的閾值線以主要控制斷面生態(tài)管控目標(biāo)為基準(zhǔn)，按比例(80%、100%、120%)進(jìn)行設(shè)置。水主管部門(mén)主導(dǎo)生態(tài)流量預(yù)警，逐日進(jìn)行生態(tài)流量預(yù)警分析判斷，重點(diǎn)關(guān)注非汛期(10月至次年3月)，根據(jù)主要控制斷面的實(shí)測(cè)流量，按照表5設(shè)定的預(yù)警級(jí)別進(jìn)行預(yù)警判斷、定級(jí)，并形成相應(yīng)的響應(yīng)機(jī)制。

表5 主要控制斷面生態(tài)流量預(yù)警判斷條件

5.3 明確保障責(zé)任主體與考核要求

1) 責(zé)任主體

左岸涌生態(tài)流量保障的責(zé)任主體包括監(jiān)管責(zé)任主體、保障責(zé)任主體以及調(diào)度執(zhí)行單位。各級(jí)水行政主管部門(mén)為監(jiān)管責(zé)任主體，按職權(quán)負(fù)責(zé)本區(qū)域內(nèi)調(diào)度及生態(tài)水量保障方案的監(jiān)督管理工作；地方人民政府為保障責(zé)任主體，按職權(quán)負(fù)責(zé)保障主要控制斷面生態(tài)流量達(dá)到管控要求；流域主要控制性工程的管理單位為生態(tài)流量調(diào)度執(zhí)行單位，應(yīng)按水行政主管部門(mén)下達(dá)的調(diào)度指令，執(zhí)行生態(tài)調(diào)度、保障河涌生態(tài)流量。

2) 考核要求

考核評(píng)價(jià)是加強(qiáng)生態(tài)流量管控的重要舉措，原則上每年(水文年)開(kāi)展1次生態(tài)流量保障情況考核，必要時(shí)按季度進(jìn)行評(píng)價(jià)總結(jié)。以考核斷面的實(shí)測(cè)日均流量系列為樣本數(shù)據(jù)，根據(jù)生態(tài)基流的日均流量滿(mǎn)足程度和最大破壞深度進(jìn)行考核評(píng)價(jià)。根據(jù)枯水期來(lái)水保障率確定考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，考核評(píng)價(jià)結(jié)果分為“合格”與“不合格”2種，當(dāng)考核斷面的年度考核不合格時(shí)，相關(guān)保障責(zé)任主體應(yīng)組織調(diào)度執(zhí)行單位，根據(jù)實(shí)際情況分析斷面生態(tài)流量不滿(mǎn)足的原因，并提出相應(yīng)整改措施。

6 結(jié)語(yǔ)與展望

本文以三水區(qū)左岸涌生態(tài)流量保障項(xiàng)目為例，通過(guò)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)流工作獲取河涌斷面數(shù)據(jù)，采用濕周法確定了河涌生態(tài)流量管控目標(biāo)，并將濕周法的生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果對(duì)應(yīng)的水力生境參數(shù)與R2-CROSS法和生態(tài)水力學(xué)法要求的水力生境參數(shù)進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，結(jié)果表明濕周法中以斜率1法確定的生態(tài)流量滿(mǎn)足水力生境參數(shù)的要求，并以此作為左岸涌生態(tài)流量的流量管控目標(biāo)。

考慮到城市網(wǎng)河受閘泵等水利工程影響的特殊性，特增加生態(tài)水位作為城市網(wǎng)河生態(tài)流量管控目標(biāo)體系的補(bǔ)充，使生態(tài)流量管控工作更加合理化與可操作化。

在分析梳理流域現(xiàn)有調(diào)度方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合生態(tài)流量管控目標(biāo)需求，提出左岸涌生態(tài)流量保障方案。

制定生態(tài)流量監(jiān)測(cè)與預(yù)警體系，明確生態(tài)流量明確保障責(zé)任主體，確定生態(tài)流量考核方式及要求。

當(dāng)前河湖生態(tài)流量保障工作的推進(jìn)多以區(qū)域重點(diǎn)河湖為對(duì)象，對(duì)城市網(wǎng)河生態(tài)流量保障工作尚無(wú)完善的指導(dǎo)體系，三水區(qū)左岸涌生態(tài)流量保障工作的實(shí)施，對(duì)進(jìn)一步開(kāi)展城市網(wǎng)河生態(tài)流量保障工作、完善河湖生態(tài)流量管控體系、保障河湖生態(tài)健康具有一定推動(dòng)與借鑒意義。