贛江流域生態(tài)流量與地表水資源可利用量研究

邴 建 平，鄧 鵬 鑫，吳 智，賈 建 偉，王 棟

(1.長(zhǎng)江水利委員會(huì) 水文局，湖北 武漢 430010； 2.江西省水文監(jiān)測(cè)中心，江西 南昌 330000)

0 引 言

水資源可利用量是從資源角度分析可被消耗利用的水量，是水資源合理分配、利用及支撐建立水資源剛性約束制度的重要基礎(chǔ)。學(xué)界將地表水資源可利用量定義為：在統(tǒng)籌考慮河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境和其他用水的基礎(chǔ)上，通過(guò)采取經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的措施后，流域地表水資源量中可供河道外生活、生產(chǎn)、生態(tài)用水的一次性最大水量[1]。水資源開(kāi)發(fā)利用應(yīng)優(yōu)先保證河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水要求，常以生態(tài)流量作為管控指標(biāo)。生態(tài)流量指為維系河湖水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，保留在河湖內(nèi)的流量及其過(guò)程[2]。

近年來(lái)河湖生態(tài)流量管控已成為中國(guó)水資源管理與保護(hù)的一項(xiàng)重要工作，極大推動(dòng)了河湖生態(tài)流量目標(biāo)、滿足程度及保障措施的相關(guān)研究發(fā)展，已成為水資源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。生態(tài)流量計(jì)算方法主要有水文學(xué)法、水力學(xué)法、生態(tài)棲息地法、整體分析法等[3]，其中水文學(xué)法在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛，其代表性方法包括Tennant法、RVA法、Q90法、歷時(shí)曲線法、年內(nèi)展布法等[3-8]。如黃彬彬等[4]采用RVA、Q90等多種方法估算了贛江下游生態(tài)流量；王鴻翔等[5]采用RVA閾值法和年內(nèi)展布法等探討了湘江湘潭站的生態(tài)流量閾值；李紅清等[6]還采用Tennant法和流量歷時(shí)曲線法計(jì)算厄瓜多爾主要河流生態(tài)流量，以指導(dǎo)水資源保護(hù)規(guī)劃編制；王建華等[8]分析了中國(guó)重點(diǎn)河湖166個(gè)控制斷面的生態(tài)流量，并針對(duì)其不達(dá)標(biāo)成因提出相應(yīng)管控建議。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者在不同區(qū)域開(kāi)展了大量的地表水資源可利用量研究。地表水資源量包括了河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水及汛期超出工程最大調(diào)蓄量和河道外用水消耗量等不可能被利用水量，因此在確定地表水資源可利用量時(shí)應(yīng)予以扣除，學(xué)界常采用扣損法計(jì)算水資源可利用量[9-19]。如秦濤等[10]采用扣損法計(jì)算陜西省寶雞市千河流域地表水資源可利用率可達(dá)52.3%；郭海華等[11]考慮生態(tài)需水低方案和高方案，采用扣損法估算東北圖們江流域地表水資源可利用率為44.2%和39.2%；白林龍[12]同樣采用扣損法計(jì)算淮河上游地表水資源可利用率達(dá)45.0%；陳立華等[15]采用剔除入海河流感潮河段水量及汛期河道內(nèi)最小生態(tài)水量的改進(jìn)扣損法計(jì)算濱海城市欽州市地表水資源可利用率為34.6%。不少學(xué)者還將扣損法與其他方法進(jìn)行對(duì)比，普遍認(rèn)為扣損法分析結(jié)果較為合理。如張洪剛等[1]對(duì)比分析了國(guó)內(nèi)外水資源可利用量計(jì)算方法的差異，認(rèn)為扣損法充分考慮了水庫(kù)調(diào)蓄影響，較基于優(yōu)先水權(quán)制度的WAM模型法更加全面；段路松等[17]采用扣損法、斬頭去尾法和棄水系數(shù)法比選計(jì)算云南省地表水資源可利用量，研究認(rèn)為扣損法分析結(jié)果較為合理。顯然扣損法已成為地表水資源可利用量計(jì)算的基礎(chǔ)方法。

為進(jìn)一步提高流域水資源利用率，不少學(xué)者還對(duì)汛期洪水資源可利用性開(kāi)展了研究。如胡慶芳等[20]考慮流域洪水資源調(diào)控能力和洪水期河道內(nèi)必要需水兩方面的約束因素，提出洪水資源可利用量、可利用潛力的定義和評(píng)估方法；王宗志等[21]采用極限分析理論評(píng)價(jià)了南四湖流域洪水資源現(xiàn)狀和理論可利用量與可利用潛力；Deng等[22]以扣損法為基礎(chǔ)提出雨洪可利用性評(píng)價(jià)方法，評(píng)估了漢江流域洪水資源可利用量與可利用潛力，并探討了洪水資源利用多寡與洪水調(diào)控能力及河道內(nèi)外必要需水的定量響應(yīng)關(guān)系。洪水資源可利用評(píng)價(jià)進(jìn)一步豐富了流域地表水資源可利用量研究的深度和廣度。

為更好指導(dǎo)贛江流域縣市或地區(qū)級(jí)水資源合理開(kāi)發(fā)和可持續(xù)利用，本文在綜合已有研究基礎(chǔ)上，采用國(guó)內(nèi)常用的水文學(xué)方法，開(kāi)展贛江流域干流及重要支流生態(tài)流量目標(biāo)確定和地表水資源可利用量研究工作，對(duì)指導(dǎo)流域干支流水量分配與調(diào)度，加強(qiáng)水資源開(kāi)發(fā)利用與保護(hù)管控，提高水資源集約節(jié)約利用水平，以及維護(hù)贛江和鄱陽(yáng)湖河湖生態(tài)系統(tǒng)健康具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

贛江流域位于長(zhǎng)江中下游南岸，是鄱陽(yáng)湖水系的第一大河，發(fā)源于江西省贛州市石城縣洋地鄉(xiāng)石寮崠，干流上游自東向西流，于贛州市匯合章水后，又自南向北流，在南昌市八一橋以下分4支注入鄱陽(yáng)湖，流域面積8.18萬(wàn)km2。干流兩岸有梅江、桃江、平江、章水、遂川江、禾水、烏江、袁水、錦江等較大支流，流域面積均在2 000 km2以上。

流域汛期為4～9月，非汛期為10月至次年2月，豐枯變化顯著，汛期水量約占全年的73%～78%，11月至次年1月最枯3個(gè)月水量?jī)H占全年的9%～11%，多年平均最大月徑流量與最小月徑流量比值為5～9。

贛江流域內(nèi)現(xiàn)有各類大中小型供水設(shè)施52.7萬(wàn)座(處)，其中贛江干流建有萬(wàn)安、峽江等8座大中型水庫(kù)，支流建有團(tuán)結(jié)、長(zhǎng)岡、上猶江、江口等17座大中型水庫(kù)。袁水上游山口巖水庫(kù)還向湘江流域萍鄉(xiāng)市供水。

贛江流域2010～2018年年用水量105.1億～114.8億m3，平均年用水量109.2億m3，地表水供水量占總供水量的95%以上，2018年地表水水資源開(kāi)發(fā)利用率15%左右，下游水資源開(kāi)發(fā)利用率最高。

2 生態(tài)流量確定

2.1 計(jì)算分析方法

采用Qp法、Tennant 法等[3]水文學(xué)法中常用的代表方法計(jì)算流域控制斷面生態(tài)流量，并視流域水文情勢(shì)年內(nèi)、年際變化劇烈程度綜合確定。Qp法取頻率90%流量作為生態(tài)流量，即Q90；Tennant法取多年平均流量的10%作為生態(tài)流量。

生態(tài)流量滿足程度分析是為了評(píng)價(jià)生態(tài)流量保證率和目標(biāo)的可達(dá)性，采用水文站或水利工程監(jiān)測(cè)設(shè)施的近10 a的日均流量資料，計(jì)算出評(píng)價(jià)期日均流量大于生態(tài)流量目標(biāo)值的天數(shù)占評(píng)價(jià)期總天數(shù)的百分比，以長(zhǎng)歷時(shí)保證率表示。

2.2 生態(tài)流量目標(biāo)及滿足程度分析

在贛江干流及主要支流的水系節(jié)點(diǎn)、水利工程、重要城市等選擇生態(tài)流量目標(biāo)確定的控制斷面，選取贛江干流峽山、棟背、吉安、峽江、樟樹(shù)、外洲等6個(gè)斷面和梅江、袁水等主要支流上的汾坑、江口等9個(gè)斷面為生態(tài)流量主要控制斷面，以附近水文站作為分析依據(jù)站。

根據(jù)上述生態(tài)流量計(jì)算方法，采用水文依據(jù)站1956～2016年流量系列，計(jì)算出贛江干流及主要支流控制斷面生態(tài)流量，考慮河流水資源稟賦條件及上下游、干支流協(xié)調(diào)性，并與已批復(fù)的流域規(guī)劃、取水許可或環(huán)評(píng)中成果相協(xié)調(diào)，綜合確定保證基本生態(tài)用水需求的生態(tài)流量目標(biāo)，見(jiàn)表1。

表1 控制斷面生態(tài)流量目標(biāo)及滿足程度Tab.1 Ecological flow target of important control sections and guarantee rate

除上游峽山斷面外，贛江干流各斷面生態(tài)流量目標(biāo)接近Q90法計(jì)算值，生態(tài)流量目標(biāo)為148～281 m3/s，占多年平均流量比例為11.7%～13.6%，而峽山斷面生態(tài)流量占多年平均流量比例為10%。支流生態(tài)流量目標(biāo)接近Tennant法計(jì)算值，各支流控制斷面生態(tài)流量目標(biāo)為6.03～19.8 m3/s，占多年平均流量比例為9.4%～10.0%。

由水文站2010～2019年近10 a日均流量數(shù)據(jù)分析，贛江干流及主要支流的控制斷面生態(tài)流量日滿足程度均可達(dá)92%以上，保證程度較高。

3 地表水資源可利用量評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)方法

贛江流域面積較大，水利調(diào)蓄工程較多，地表水資源可利用量評(píng)價(jià)以獨(dú)立水系為計(jì)算單元，并遵循水資源可持續(xù)利用、統(tǒng)籌兼顧生態(tài)環(huán)境需水及因地制宜原則，以保持成果的獨(dú)立性、完整性?？紤]流域地表水資源量中不可以被利用的水量和不可能被利用的水量，采用扣損法估算地表水資源可利用量：

Wk(t)=W(t)-max[We(t)，Wp(t)]-Wnu(t)

(1)

Wnu(t)=Wf(t)-Wm(t)

(2)

式中：Wk(t)為地表水資源可利用量；W(t)為地表水資源量；We(t)、Wp(t)分別為非汛期河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量、生產(chǎn)需水量，兩者外包值為河道內(nèi)總需水量Wep(t)；Wnu(t)為汛期難于控制利用的洪水量；Wf(t)為汛期天然徑流量；Wm(t)為汛期流域調(diào)蓄和耗用的最大水量；t為計(jì)算時(shí)段。

We(t)需考慮基本生態(tài)環(huán)境需水量Wq(t)、維持河湖水生生物生存的保護(hù)水量Wb(t)以及河道沖沙輸沙水量Ws(t)等，計(jì)算時(shí)取外包值。

Wp(t)主要包括航運(yùn)和水力發(fā)電用水量。根據(jù)河道航道等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及航道條件，采用綜合歷時(shí)曲線法計(jì)算相應(yīng)設(shè)計(jì)最低通航水深保證率的流量，作為航運(yùn)需水量Wo(t)。水力發(fā)電用水量Wh(t)由生態(tài)環(huán)境需水量和航運(yùn)用水量兼顧考慮。

由于河道內(nèi)需水具有基本不消耗水量、可滿足多項(xiàng)功能以及水量重復(fù)利用等特點(diǎn)，因此在河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量和生產(chǎn)需水量中選擇最大的作為Wep(t)。Wm(t)由近10 a流域河道外用水消耗量分析確定。

3.2 河道內(nèi)需水量

河道基本生態(tài)環(huán)境需水量由表1中的生態(tài)流量成果計(jì)算確定?？紤]贛江干支流水生生物需水特性，按照河道多年平均流量的30%估算水生生物保護(hù)水量。沖沙輸沙水量是為了維持河流中下游侵蝕與淤積的動(dòng)態(tài)平衡而必須保持的河道內(nèi)水量，根據(jù)河道水沙特性分析，按照多年平均流量的15%估算。綜合考慮贛江河道內(nèi)需水情況，計(jì)算出贛江干支流非汛期河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量(見(jiàn)表2)，其中贛江干流下游出口控制斷面外洲和支流錦江河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水總量分別為68.9億、8.2億m3。

表2 贛江流域多年平均地表水資源可利用量Tab.2 Annual average availability of surface water resources in the Ganjiang River Basin

贛江干流通航河段主要為贛州以下河道，航道等級(jí)為Ⅱ～Ⅲ級(jí)，設(shè)計(jì)最低通航流量保證率為98%。支流現(xiàn)狀有通航要求的僅桃江、錦江、袁水，通航條件較差，航道等級(jí)較低，設(shè)計(jì)最低通航流量保證率為90%。采用綜合歷時(shí)曲線法計(jì)算的贛江干支流最低航運(yùn)用水量均小于河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量，如贛江干流外洲和支流錦江非汛期航運(yùn)用水量分別為56.5億、7.6 億m3。

綜上，確定贛江干支流河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量即為河道內(nèi)總需水量。

3.3 汛期難于控制利用水量

考慮贛江流域汛期時(shí)間、工程的調(diào)蓄能力和用戶在不同時(shí)段的需水量，汛期難于控制利用洪水量按4～6月和7～9月兩個(gè)時(shí)段分別計(jì)算。

考慮贛江流域現(xiàn)狀水資源開(kāi)發(fā)利用程度及水利工程調(diào)蓄供水能力，分析近10 a來(lái)實(shí)際用水消耗量的最大值，結(jié)合贛江流域綜合規(guī)劃中2030年規(guī)劃年需水量以及新增龍頭山等大中型水庫(kù)調(diào)節(jié)能力和向外流域調(diào)水量，綜合確定汛期最大用水消耗量，其中贛江外洲以上和錦江汛期控制利用的最大水量分別為101.2億、7.9億m3。用公式(2)計(jì)算出贛江流域分區(qū)1956～2016年逐年汛期難于控制利用水量，統(tǒng)計(jì)出贛江外洲以上和錦江汛期多年平均難于控制利用水量分別為463.3億、45.2億m3(見(jiàn)表2)?？梢钥闯?，汛期難于控制利用的下泄水量已超過(guò)年徑流量的60%，可以滿足河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量。

3.4 地表水資源可利用量

基于全國(guó)第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)的地表水資源量成果和前述計(jì)算成果，用公式(1)計(jì)算出贛江流域分區(qū)1956～2016年逐年地表水資源可利用量。

贛江外洲以上流域多年平均地表水資源可利用量為224.2億m3，可利用率為29.6%(見(jiàn)表2)。從三級(jí)水資源分區(qū)看，贛江棟背以上、棟背至峽江、峽江至外洲多年平均地表水資源可利用量分別為88.8億、61.6億m3和73.8億m3，可利用率為25.8%～34.1%，贛江下游水資源可利用率最高。平江、錦江等支流多年平均地表水資源可利用量為7.1億～22.1億m3，可利用率為22.4%～29.3%，袁水可利用率最高，烏江最低。贛江流域多年平均地表水資源可利用量空間分布見(jiàn)圖1。

圖1 贛江流域多年平均地表水資源可利用量分布(單位：億m3)Fig.1 Distribution of annual average availability of surface water resources in the Ganjiang River Basin

在多年平均分析基礎(chǔ)上，進(jìn)一步估算不同來(lái)水頻率可利用量，以期進(jìn)行比較參考。75%頻率來(lái)水條件下，贛江外洲以上流域天然徑流量588.0億m3，地表水資源可利用量為199.7億m3，可利用率達(dá)34.0%；贛江棟背以上、棟背至峽江、峽江至外洲可利用量分別為77.1億、53.1億m3和69.5億m3。90%頻率來(lái)水條件下，贛江外洲以上流域天然徑流量536.4億m3，地表水資源可利用量為184.1億m3，可利用率達(dá)到34.3%；贛江棟背以上、棟背至峽江、峽江至外洲可利用量分別為69.1億、48.3億m3和66.7億m3。贛江流域75%和90%頻率地表水資源可利用量空間分布見(jiàn)圖2和3。

圖2 贛江流域75%頻率地表水資源可利用量分布(單位：億m3)Fig.2 Distribution of surface water resources availability at 75% frequency in the Ganjiang River Basin

圖3 贛江流域90%頻率地表水資源可利用量分布(單位：億m3)Fig.3 Distribution of surface water resources availability at 90% frequency in the Ganjiang River Basin

本次估算的贛江流域地表水可利用量充分考慮了流域生態(tài)環(huán)境需水量、現(xiàn)狀耗水量、已建和規(guī)劃水利工程供水能力，以及水量分配方案中贛江流域用水總量控制指標(biāo)，可利用率29.6%仍低于國(guó)內(nèi)其他類似地區(qū)[12-13，18]，估算結(jié)果總體合理，可作為強(qiáng)化流域水資源剛性約束與優(yōu)化流域水資源配置的基礎(chǔ)依據(jù)。

4 結(jié) 論

(1) 采用水文學(xué)法分析確定贛江干流及主要支流控制斷面生態(tài)流量，干流棟背至外洲各控制斷面生態(tài)流量目標(biāo)占多年平均流量比例為11.7%～13.6%，各支流控制斷面為9.4%～10.0%，基本反映了河流水文特性和水生態(tài)系統(tǒng)需水特征，且近年日滿足程度均在92%以上，可作為生態(tài)流量管控依據(jù)。

(2) 采用扣損法估算出贛江外洲以上流域多年平均地表水資源可利用量為224.2億m3，可利用率為29.6%，下游區(qū)間可利用率最高；75%，90%頻率可利用量分別為199.7億，184.1億m3。主要支流多年平均地表水資源可利用量為7.1億～22.1億m3，可利用率為22.4%～29.3%，袁水可利用率最高，烏江最低。隨著流域洪水資源高效利用能力提升，水資源可利用量可進(jìn)一步增加。

(3) 贛江流域分區(qū)水資源承載能力及水資源剛性約束管控措施，尚需進(jìn)一步深入研究。