基于水庫(kù)調(diào)節(jié)下沙河流域生態(tài)流量調(diào)度研究

王潤(rùn)鈿，李澤君，黃本勝，邱 靜，胡 培

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635；2.河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,廣州 510635)

1 概述

1.1 研究意義

生態(tài)流量是河湖生態(tài)系統(tǒng)保持結(jié)構(gòu)與過程完整、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能穩(wěn)定發(fā)揮所需要的水文要素[1]，是統(tǒng)籌生活用水、生態(tài)用水、生產(chǎn)用水，優(yōu)化配置水資源的重要基礎(chǔ)[2]，也是控制流域水資源開發(fā)利用強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一[3-4]。黨的十九大報(bào)告提出，建設(shè)生態(tài)文明是中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計(jì)。保障河湖生態(tài)流量是推進(jìn)河湖生態(tài)保護(hù)修復(fù)的基本要求，是生態(tài)文明建設(shè)的一項(xiàng)重要舉措，對(duì)于強(qiáng)化水資源剛性約束、促進(jìn)流域高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義[5-7]。

沙河是東江中下游右岸的一級(jí)支流，屬于珠江三角洲地區(qū)，是惠州市博羅縣境內(nèi)主要河流之一，是博羅縣生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要水源和排洪排澇的主要通道之一。隨著博羅縣經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，沙河流域用水需求持續(xù)增加、水資源供需矛盾加劇，尤其在枯水期、農(nóng)灌高峰期等特殊時(shí)段，河道內(nèi)生態(tài)流量保障尤為重要。

為維系和改善河流生態(tài)環(huán)境，需在沙河流域內(nèi)開展生態(tài)流量考核、管理斷面設(shè)置，并開展調(diào)度研究，作為流域水量調(diào)度的重要參考[8]，以確保河流健康，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高質(zhì)量發(fā)展。

1.2 區(qū)域概況

沙河流域集雨面積為1 020 km2，全長(zhǎng)為85.1 km，干流平均坡降為0.81‰，共有18條一級(jí)支流或排渠，流域多年平均降雨量約為2 000 mm，多年平均徑流深為1 100 mm，多年平均徑流量為10.2億m3，平均流量為32.34 m3/s。

沙河流域內(nèi)有1座大(Ⅱ)型水庫(kù)，為顯崗水庫(kù)；5座小(Ⅰ)型水庫(kù)，分別為平山水庫(kù)、糧坑水庫(kù)、大洞水庫(kù)、石坑水庫(kù)和石峽水庫(kù)；26座小(Ⅱ)型水庫(kù)。水庫(kù)總控制面積為407 km2，總庫(kù)容為26 527萬(wàn)m3。顯崗水庫(kù)是沙河干流上游的骨干工程，起著重要的調(diào)蓄作用，屬于年調(diào)節(jié)水庫(kù)，水庫(kù)控制集雨面積為295 km2，是以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的大(Ⅱ)型水利工程;水庫(kù)校核洪水位為28.01 m(珠基，下同)，相應(yīng)總庫(kù)容為14 065萬(wàn)m3；設(shè)計(jì)洪水位為27.30 m，相應(yīng)庫(kù)容為12 555萬(wàn)m3；正常蓄水位為24.00 m，相應(yīng)庫(kù)容為6 875萬(wàn)m3；死水位為15.55 m，相應(yīng)庫(kù)容為226萬(wàn)m3；水庫(kù)興利庫(kù)容為6 649萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)灌溉面積為0.77萬(wàn)hm2，主要有配套的雞心嶺和白勘角兩處的攔河渠首閘工程(見圖1)。

圖1 沙河流域水系及主要水利工程示意

1.3 流域生態(tài)敏感區(qū)

沙河流域中下游無(wú)自然保護(hù)區(qū)、無(wú)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)等生態(tài)敏感區(qū)。僅長(zhǎng)寧水支流最上游涉及到惠州羅浮山省級(jí)自然保護(hù)區(qū)。

2 生態(tài)流量保障目標(biāo)

2.1 生態(tài)流量控制斷面的選取

沙河的干流上游有大型水庫(kù)顯崗水庫(kù)，下游有雞心嶺水閘和白堪角水閘，流經(jīng)湖鎮(zhèn)鎮(zhèn)、龍華鎮(zhèn)等地，支流長(zhǎng)寧水、福田河上游沒有控制性工程且集雨面積較小，白堪角水閘為沙河流域的控制性節(jié)點(diǎn)，其過閘流量能夠較大程度的代表流域中下流的生態(tài)流量保障情況，根據(jù)生態(tài)流量控制斷面選取原則，綜合考慮沙河流域生態(tài)保護(hù)與水量調(diào)度管理要求，選取在干流上的白堪角水閘(閘下)為生態(tài)流量考核斷面，斷面流量數(shù)據(jù)可利用水閘觀測(cè)獲取，并通過顯崗水庫(kù)、雞心領(lǐng)水閘、白堪角水閘等骨干水利工程調(diào)度控制，以達(dá)到保障沙河的生態(tài)流量的目的。

此外，選取顯崗水庫(kù)(壩下)為生態(tài)流量管理斷面，以保障沙河的河流健康和白堪角水閘斷面生態(tài)基流具有重要意義。

2.2 生態(tài)流量計(jì)算方法

本文采用Qp法與Tennant法(取10%比例)計(jì)算，結(jié)合流域?qū)嶋H情況確定生態(tài)基流[9-11]。

由于沙河流域目前沒有長(zhǎng)序列流量觀測(cè)資料，因而采用沙河流域附近博羅雨量站1956—2016年降雨系列資料推算沙河流域平均降雨序列，再基于徑流系數(shù)和控制斷面集雨面積推求控制斷面年徑流量，以年徑流量的10%作為生態(tài)基流平均分配至12個(gè)月，剩余部分徑流量則以逐月降雨量比例進(jìn)行年內(nèi)分配，進(jìn)而得到逐月徑流量。計(jì)算公式如下。

年徑流量：

Q年=P年×A×α

(1)

年基流量：

Q基=Q年×10%

(2)

第i月徑流量：

Qi=Q基/12+Ki×(Q年-Q基)

(3)

式中：

α——降雨-徑流系數(shù)；

A——集水面積；

Ki——第i月的降水量占全年降水量比例，Ki=Pi/P年。

沙河流域中下游無(wú)自然保護(hù)區(qū)、無(wú)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)等生態(tài)敏感區(qū)，不考慮敏感生態(tài)流量，故本次生態(tài)流量目標(biāo)只考慮生態(tài)基流的計(jì)算。

2.3 生態(tài)流量控制目標(biāo)

沙河流域枯水期河流生態(tài)需水以維持河道基流、保護(hù)河道內(nèi)魚類生存空間為主。因此，沙河流域主要控制斷面生態(tài)流量控制目標(biāo)根據(jù)Qp法與Tennant法(取10%比例)兩種方案計(jì)算結(jié)果的外包值來(lái)確定，即白堪角水閘(閘下)生態(tài)流量控制目標(biāo)為2.5 m3/s，顯崗水庫(kù)(壩下)生態(tài)流量目標(biāo)為1.0 m3/s(結(jié)果見表1)。

表1 各斷面生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果 m3/s

3 生態(tài)流量設(shè)計(jì)保證率

根據(jù)《水利部辦公廳關(guān)于做好2020年重點(diǎn)河湖生態(tài)流量保障目標(biāo)確定工作的通知》等文件要求[12-13]，生態(tài)流量設(shè)計(jì)保證率應(yīng)不低于90%～95%，根據(jù)沙河的水資源條件、結(jié)合流域水量調(diào)度管理要求，本次選擇90%作為沙河流域生態(tài)流量的設(shè)計(jì)保證率，即一個(gè)水文年內(nèi)控制斷面生態(tài)流量達(dá)標(biāo)天數(shù)占比90%以上。

3.1 典型年

根據(jù)生態(tài)流量控制斷面生態(tài)流量目標(biāo)和水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度規(guī)程，結(jié)合流域河道外用水需求，對(duì)P=50%、75%、90%、95% 4個(gè)典型來(lái)水頻率下控制斷面流量進(jìn)行計(jì)算，分析不同來(lái)水頻率條件下控制斷面生態(tài)流量保證率。

由于沙河流域暫無(wú)長(zhǎng)序列流量觀測(cè)資料，因此本方案基于降雨資料進(jìn)行枯水期排頻，并結(jié)合全年來(lái)水條件選取典型年。最終選取50%、75%、90%、95%典型年分別為：1981—1982年為50%典型年，1990—1991年為75%典型年，1962—1963年為90%典型年，1979—1980年為95%典型年。

3.2 天然徑流量計(jì)算

考慮到1958—1959年上良站逐日流量數(shù)據(jù)與沙河流域水文特性較為貼合(汛期短時(shí)間內(nèi)降水集中、強(qiáng)度大，流量變化強(qiáng)烈；非汛期降雨少、流量低)，代表性較高。本次采用1958—1959年年型，通過水文比擬法，根據(jù)集雨面積推算各斷面逐日天然徑流過程，再根據(jù)降雨量推算其他典型年逐日天然徑流過程(結(jié)果見表2)。

表2 各斷面典型年枯水期天然徑流量 m3/s

3.3 生態(tài)流量保證率

天然徑流情況下，顯崗水庫(kù)來(lái)多少水量則下泄多少水量，水庫(kù)內(nèi)取水在水庫(kù)中解決，不納入計(jì)算；水庫(kù)上下游取水量則在天然徑流中進(jìn)行扣除。

白堪角水閘至顯崗水庫(kù)壩下共有4個(gè)取水戶，合計(jì)許可水量為3.8萬(wàn)m3/d；顯崗水庫(kù)內(nèi)共有3個(gè)取水戶，合計(jì)許可水量為62.66萬(wàn)m3/d；顯崗水庫(kù)上游共有2個(gè)取水戶，合計(jì)許可水量為1.54萬(wàn)m3/d。

根據(jù)以上計(jì)算原則對(duì)各典型年白堪角水閘(閘下)斷面流量保證率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3，在天然徑流條件下，顯崗水庫(kù)(壩下)斷面各典型年全年破壞天數(shù)分別為0 d、17 d、71 d及85 d，保證率分別為100%、95.3%、80.5%、76.7%，可見天然徑流條件下，顯崗水庫(kù)(壩下)斷面在枯水年份(P=90%)及特枯水年份(P=95%)生態(tài)流量保證率不達(dá)標(biāo)；白堪角水閘(閘下)斷面各典型年全年破壞天數(shù)分別為0 d、17 d、71 d及85 d，保證率分別為100%、95.3%、80.5%、76.7%，即白堪角水閘(閘下)斷面枯水年份(P=90%)及特枯水年份(P=95%)生態(tài)流量保證率不達(dá)標(biāo)。

表3 各斷面典型年天然生態(tài)流量保證率

4 生態(tài)流量調(diào)度計(jì)算

沙河流域在天然徑流條件下白堪角水閘(閘下)斷面枯水年份(P=90%)及特枯水年份(P=95%)生態(tài)流量保證率均不達(dá)標(biāo)。實(shí)際上顯崗水庫(kù)具有年調(diào)節(jié)特性，下游水量受水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度影響，因此需要開展調(diào)度計(jì)算。

4.1 調(diào)度范圍與對(duì)象

本次沙河流域生態(tài)流量調(diào)度范圍為白堪角水閘(閘下)斷面上游，集雨面積764 km2。調(diào)度對(duì)象為主要為顯崗水庫(kù)、白堪角水閘、雞心嶺水閘，其余水庫(kù)均為小型水庫(kù)，調(diào)蓄能力較弱，暫不納入調(diào)度范圍。

4.2 調(diào)度模型

本次沙河流域生態(tài)流量調(diào)度主要依靠顯崗水庫(kù)。在常規(guī)調(diào)度模擬情況下，水庫(kù)調(diào)度模型基于不同頻率來(lái)水條件，在水量平衡約束和水庫(kù)特征水位約束等狀態(tài)條件下，迭代更新水庫(kù)水位、庫(kù)容變化情況，并計(jì)算得出水庫(kù)出庫(kù)流量。先對(duì)沙河流域顯崗水庫(kù)進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，再結(jié)合區(qū)間來(lái)水和河道外用水情況，求得生態(tài)流量控制斷面來(lái)水過程，調(diào)度模型示意見圖2。

圖2 沙河流域水庫(kù)調(diào)度及控制斷面示意

4.3 調(diào)度規(guī)則

顯崗水庫(kù)在4月1日至6月30日，防洪限制水位為23.00 m，相應(yīng)庫(kù)容為5 502萬(wàn)m3；7月1日至7月31日，防洪限制水位為23.50 m，相應(yīng)庫(kù)容為 6 180萬(wàn)m3；8月1日至翌年3月31日，防洪限制水位為24.00 m，相應(yīng)庫(kù)容為6 875萬(wàn)m3。非汛期水庫(kù)一般應(yīng)盡可能維持高水位運(yùn)行，提高水能利用率。因此，當(dāng)水庫(kù)水位低于防洪限制水位時(shí)按近10 a最低出庫(kù)流量(1.0 m3/s)進(jìn)行泄水；當(dāng)水庫(kù)水位達(dá)到防洪限制水位時(shí)，來(lái)多少水量則下泄多少水量。

4.4 調(diào)度計(jì)算結(jié)果

1) 常規(guī)調(diào)度

根據(jù)以上常規(guī)調(diào)度規(guī)則，并結(jié)合區(qū)間來(lái)水量及取水量，對(duì)各典型年白堪角水閘(閘下)斷面生態(tài)流量保證率進(jìn)行計(jì)算。水庫(kù)起調(diào)水位采用近10 a統(tǒng)計(jì)的4月份平均水位22.07 m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容為4 320萬(wàn)m3。計(jì)算結(jié)果見表4，顯崗水庫(kù)常規(guī)調(diào)度條件下，白堪角水閘(閘下)斷面各典型年全年破壞天數(shù)分別為0 d、17 d、75 d及85 d，保證率分別為100%、95.3%、79.5%、76.7%，即白堪角水閘(閘下)斷面枯水年份(P=90%)及特枯水年份(P=95%)生態(tài)流量保證率仍不達(dá)標(biāo)。

表4 顯崗水庫(kù)按最低1.0 m3/s流量下泄后白堪角水閘斷面典型年生態(tài)流量保證率

2) 優(yōu)化調(diào)度

常規(guī)調(diào)度情況下白堪角水閘(閘下)斷面生態(tài)流量保證率無(wú)法達(dá)到要求，因此需要開展優(yōu)化調(diào)度，利用水庫(kù)的調(diào)節(jié)庫(kù)容，適當(dāng)降低蓄水水位，加大顯崗水庫(kù)出庫(kù)流量。經(jīng)過一個(gè)水文年調(diào)節(jié)計(jì)算后，白堪角水閘(閘下)斷面生態(tài)流量保證率有所提高(見表5)。

表5 調(diào)度后典型年白堪角水閘斷面生態(tài)流量保證率統(tǒng)計(jì)

P=50%來(lái)水年在正常取水條件下經(jīng)過常規(guī)調(diào)度后，白堪角水閘(閘下)斷面生態(tài)流量保證率能達(dá)到100%，無(wú)需進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，顯崗水庫(kù)按常規(guī)調(diào)度規(guī)則運(yùn)行。

P=75%來(lái)水年在正常取水及常規(guī)調(diào)度條件下，白堪角水閘(閘下)斷面破壞天數(shù)為17 d。經(jīng)優(yōu)化調(diào)度后，破壞天數(shù)為10 d，生態(tài)流量保證率達(dá)標(biāo)。此時(shí)顯崗水庫(kù)補(bǔ)水流量為1.47m3/s。因水庫(kù)河道外取水量較大，在不到一個(gè)水文年期間，顯崗水庫(kù)水位降至死庫(kù)容226萬(wàn)m3，說明偏枯水年水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度在保證白堪角水閘(閘下)斷面生態(tài)流量保證率達(dá)標(biāo)的情況下，對(duì)水庫(kù)供水造成一定影響影響。

P=90%來(lái)水年在正常取水及常規(guī)調(diào)度條件下，白堪角水閘(閘下)斷面破壞天數(shù)為75 d。經(jīng)優(yōu)化調(diào)度后，破壞天數(shù)為35 d，生態(tài)流量保證率達(dá)標(biāo)。此時(shí)顯崗水庫(kù)補(bǔ)水流量為1.92 m3/s，水位降至死庫(kù)容226萬(wàn)m3，說明枯水年水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度在保證白堪角水閘(閘下)斷面生態(tài)流量保證率達(dá)標(biāo)的情況下，對(duì)水庫(kù)供水造成一定影響影響。

P=95%來(lái)水年在正常取水及常規(guī)調(diào)度條件下，白堪角水閘(閘下)斷面破壞天數(shù)為85 d。經(jīng)優(yōu)化調(diào)度后，破壞天數(shù)為44 d，生態(tài)流量保證率不達(dá)標(biāo)。此時(shí)顯崗水庫(kù)補(bǔ)水流量為2.07 m3/s，水位降至死庫(kù)容226萬(wàn)m3，說明特枯水年即使顯崗水庫(kù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，白堪角水閘(閘下)斷面生態(tài)流量保證率仍不達(dá)標(biāo)，同時(shí)對(duì)水庫(kù)供水造成一定影響。

5 生態(tài)流量調(diào)度方案

為進(jìn)一步提高白堪角水閘(閘下)斷面生態(tài)流量保證率，需對(duì)沙河流域內(nèi)水利工程、取用水戶等制定生態(tài)流量調(diào)度方案，具體方案如下。

1) 來(lái)水頻率P<90%年份調(diào)度方案

預(yù)報(bào)10月—翌年4月來(lái)水頻率P<90%時(shí)，啟動(dòng)平水、偏枯水年份調(diào)度方案，顯崗水庫(kù)以常規(guī)調(diào)度為主。在枯季，白堪角水閘(閘下)斷面能滿足生態(tài)流量用水需求時(shí)，顯崗水庫(kù)按照現(xiàn)行調(diào)度規(guī)則運(yùn)行；常規(guī)調(diào)度不能滿足生態(tài)流量用水需求時(shí)，由顯崗水庫(kù)在優(yōu)先保障生活用水的基礎(chǔ)上，適當(dāng)減少農(nóng)業(yè)灌溉取水，并按照白堪角水閘(閘下)斷面所需補(bǔ)水量(P=50%時(shí)為1 m3/s，P=75%時(shí)為1.47 m3/s)向下游補(bǔ)水，保障生態(tài)流量。

2) 來(lái)水頻率P=90%年份調(diào)度方案

預(yù)報(bào)10月—翌年4月來(lái)水頻率P=90%時(shí)，啟動(dòng)枯水年份調(diào)度方案。在后汛期及汛后通過調(diào)蓄洪水資源，盡量增加水庫(kù)有效蓄水量為供水期調(diào)度提供充足的調(diào)度水量。在枯季，白堪角水閘(閘下)斷面能滿足生態(tài)流量用水需求時(shí)，顯崗水庫(kù)按照現(xiàn)行調(diào)度規(guī)則運(yùn)行；常規(guī)調(diào)度不能滿足生態(tài)流量用水需求時(shí)，由顯崗水庫(kù)在優(yōu)先保障生活用水的基礎(chǔ)上按照白堪角水閘(閘下)斷面所需補(bǔ)水量(1.92 m3/s)向下游補(bǔ)水，保障生態(tài)流量。干流攔河閘(白堪角水閘與雞心嶺水閘)在實(shí)施生態(tài)流量調(diào)度期間(除去水位調(diào)蓄時(shí)間段)需要將水位控制在正常水位以內(nèi)，按來(lái)多少放多少進(jìn)行運(yùn)行調(diào)度。

3) 來(lái)水頻率P>90%年份調(diào)度方案

預(yù)報(bào)10月—次年4月來(lái)水頻率P>90%時(shí)，啟動(dòng)特枯年份調(diào)度方案。在后汛期及汛后通過調(diào)蓄洪水資源，盡量增加水庫(kù)有效蓄水量為供水期調(diào)度提供充足的調(diào)度水量。在枯季，白堪角水閘(閘下)斷面能滿足生態(tài)流量用水需求時(shí)，顯崗水庫(kù)按照現(xiàn)行調(diào)度規(guī)則運(yùn)行；常規(guī)調(diào)度不能滿足生態(tài)流量用水需求時(shí)，由顯崗水庫(kù)在優(yōu)先保障生活用水的基礎(chǔ)上按照白堪角水閘(閘下)斷面所需補(bǔ)水量(2.07 m3/s)向下游補(bǔ)水，保障生態(tài)流量。同時(shí)，為減少水文不確定性等因素帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，流域采取節(jié)水措施，并適當(dāng)壓減用水量，盡量保證控制斷面日均下泄流量不低于管理目標(biāo)，采取節(jié)水和限制取水措施后仍無(wú)法滿足斷面生態(tài)流量要求時(shí)，允許破壞。干流攔河閘在實(shí)施生態(tài)流量調(diào)度期間(除去水位調(diào)蓄時(shí)間段)需要將水位控制在正常水位以內(nèi)，按來(lái)多少放多少進(jìn)行運(yùn)行調(diào)度。

6 結(jié)語(yǔ)

本文綜合流域上下游生態(tài)保護(hù)用水需求，依據(jù)生態(tài)流量控制斷面選取原則，確定沙河流域生態(tài)流量保障考核斷面為白堪角水閘(閘下)，管理斷面為顯崗水庫(kù)(壩下)。并按照生態(tài)流量計(jì)算規(guī)程選擇Qp法與Tennant法兩種方案確定顯崗水庫(kù)(壩下)、白堪角水閘(閘下)生態(tài)流量保障目標(biāo)、調(diào)度管理目標(biāo)分別為1.0 m3/s、2.5 m3/s。同時(shí)按照相關(guān)文件要求，確定沙河流域生態(tài)流量保證率為90%。

天然徑流及顯崗水庫(kù)常規(guī)運(yùn)行條件下，白堪角水閘(閘下)斷面枯水年份及特枯水年份生態(tài)流量保證率均不達(dá)標(biāo)，因此需開展優(yōu)化調(diào)度，加大顯崗水庫(kù)下泄流量。當(dāng)來(lái)水頻率P<90%且白堪角水閘(閘下)斷面不能滿足生態(tài)流量用水時(shí)，按照所需補(bǔ)水量(P=50%時(shí)為1 m3/s，P=75%時(shí)為1.47 m3/s)向下游補(bǔ)水；當(dāng)來(lái)水頻率P≥90%且白堪角水閘(閘下)斷面不能滿足生態(tài)流量用水時(shí)，由顯崗水庫(kù)在優(yōu)先保障生活用水的基礎(chǔ)上按照白堪角水閘(閘下)斷面所需補(bǔ)水量(P=90%時(shí)為1.92 m3/s，P=95%時(shí)為2.07 m3/s)向下游補(bǔ)水，流域內(nèi)需采取節(jié)水措施，并適當(dāng)減少用水量，保障白堪角水閘斷面生態(tài)流量。