鰲江埭頭斷面生態(tài)流量保障現(xiàn)狀與措施研究

鄭德仁，楊輝斌，蘇龍強(qiáng)，王賀龍，溫進(jìn)化

（1.平陽(yáng)縣水利局，浙江 平陽(yáng) 325499；2.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310017）

0 引 言

河道內(nèi)生態(tài)流量是水資源開發(fā)利用、節(jié)約、保護(hù)、配置、調(diào)度管理的重要基礎(chǔ)性工作，保障河道內(nèi)生態(tài)流量是加強(qiáng)水資源開發(fā)利用管控、推進(jìn)河湖生態(tài)保護(hù)修復(fù)和水生態(tài)文明建設(shè)的基本要求。我國(guó)現(xiàn)行的水法、水污染防治法等明確規(guī)定，國(guó)務(wù)院有關(guān)部門和縣級(jí)以上地方人民政府開發(fā)、利用和調(diào)節(jié)、調(diào)度水資源時(shí)，應(yīng)當(dāng)統(tǒng)籌兼顧，維持江河的合理流量和湖泊、水庫(kù)以及地下水體的合理水位，保障基本生態(tài)用水，維護(hù)水體的生態(tài)功能。

經(jīng)過不斷的探索與實(shí)踐，國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《河湖生態(tài)需水評(píng)估導(dǎo)則》《河湖生態(tài)需水計(jì)算規(guī)范》《水資源保護(hù)規(guī)劃編制規(guī)程》分別給出了生態(tài)流量的概念，本研究所指的生態(tài)流量為《河湖生態(tài)需水計(jì)算規(guī)范》里所指的生態(tài)基流，生態(tài)基流是為維護(hù)河湖等水生態(tài)系統(tǒng)功能不喪失，需要保留的底限流量(水量、水位、水深)過程中的最小值[1]。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于生態(tài)流量的研究，更多的是在核定方法上的研究，有水文學(xué)法、水力學(xué)法、生態(tài)模擬法等，對(duì)于如何保障生態(tài)流量達(dá)標(biāo)的研究較少。王曉紅等[2]結(jié)合我國(guó)水利水電工程建設(shè)面臨主要生態(tài)環(huán)境問題和形勢(shì)，提出建立閘壩聯(lián)合調(diào)度體系、構(gòu)建水利水電工程下泄生態(tài)流量監(jiān)測(cè)預(yù)警體系、強(qiáng)化生態(tài)流量依法管控和執(zhí)法監(jiān)管等改進(jìn)措施和建議；劉丹丹等[3]結(jié)合變化情況下的來水、需水和考核管理要求，從管理上和技術(shù)上給出生態(tài)流量保障措施；國(guó)際上，N.LEROY等[4]提出一種新的生態(tài)流量確定框架（The ecological limits of hydrologic alteration，ELOHA），該方法綜合了許多現(xiàn)有的水文技術(shù)和生態(tài)流量方法，可以使科學(xué)家、水資源管理者和利益相關(guān)者能夠分析現(xiàn)有的科學(xué)信息并將其綜合成基于生態(tài)和社會(huì)可接受的環(huán)境流量管理目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)。Shi-ping F等[5]為保證河流生態(tài)基流量，建立了非線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，并將其應(yīng)用于蘇水河生態(tài)基流量的調(diào)控，結(jié)果表明，為滿足蘇水河生態(tài)基本流量，需降低灌區(qū)的引水量。國(guó)際上關(guān)于生態(tài)流量的研究也更側(cè)重于生態(tài)流量機(jī)理以及前期目標(biāo)的核定分析上[6-9]。

目前關(guān)于生態(tài)流量保障多偏向于宏觀方面的舉措[10-13]，具有范圍大、寬泛性等特點(diǎn)。本研究以鰲江埭頭斷面生態(tài)流量保障為研究對(duì)象，從生態(tài)流量核定方法和調(diào)度管理2個(gè)方面，提出山區(qū)性河流生態(tài)流量保障措施，為流域水資源保護(hù)與監(jiān)管提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

埭頭斷面位于平陽(yáng)縣南雁鎮(zhèn)埭頭村，所屬的鰲江水系為浙江省八大水系之一，是鰲江流域控制性斷面。斷面集水面積346 km2，多年平均降水量2 062.5 mm，生態(tài)流量目標(biāo)為1.0 m3/s。埭頭斷面上游有水庫(kù)6座、水電站36座、引水工程1座以及規(guī)模大小不等的數(shù)十座堰壩等水利工程，其中規(guī)模較大工程包括順溪水庫(kù)、礬巖水電站、苔湖水電站、五十丈引水工程和五十丈堰壩，位置分布見圖1，工程相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 埭頭斷面上游主要工程基本情況表

圖1 埭頭斷面上游水利工程分布圖

2 生態(tài)流量保障問題分析

2.1 目標(biāo)滿足程度分析

埭頭斷面生態(tài)流量滿足程度不高。根據(jù)埭頭斷面1961—2021年共61 a的實(shí)測(cè)流量資料，分析斷面現(xiàn)狀生態(tài)流量目標(biāo)的滿足程度。依據(jù)斷面上游主要工程建成時(shí)期，將流量時(shí)序劃分成3個(gè)時(shí)期，分別是純天然時(shí)期（1961—2001年），即沒有主要控制性工程影響時(shí)期；五十丈引水工程建成運(yùn)行影響時(shí)期（2002—2014年）；順溪水庫(kù)和五十丈引水工程共同影響時(shí)期（2015—2021年）。

按照日平均流量大于等于1.0 m3/s為達(dá)標(biāo)的原則，統(tǒng)計(jì)3個(gè)時(shí)期年達(dá)標(biāo)天數(shù)超過90%的年數(shù)及滿足程度，結(jié)果見表2。由表2可知，隨著主要控制性工程的建成，埭頭斷面生態(tài)流量滿足程度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中2015—2021年時(shí)期生態(tài)流量滿足程度較低，僅有28.6%。

表2 不同時(shí)期埭頭斷面生態(tài)流量滿足程度分析結(jié)果表

2.2 目標(biāo)協(xié)調(diào)性分析

埭頭區(qū)域供用水矛盾突出，河道外用水侵占河道內(nèi)生態(tài)用水。埭頭斷面上游區(qū)域用水戶較多，有城鄉(xiāng)供水、農(nóng)業(yè)灌溉用水、水電站發(fā)電用水以及河道內(nèi)生態(tài)用水等。枯水期來水不足，各用水戶用水矛盾突出，特別是城鄉(xiāng)供水需求大，對(duì)河道內(nèi)生態(tài)用水影響較大。本研究通過建立區(qū)域水量平衡模型，估算五十丈引水工程的實(shí)際引水量，分析區(qū)域引水工程對(duì)埭頭斷面生態(tài)流量的影響程度。

2.2.1 實(shí)際引水量分析

1）區(qū)域水資源系統(tǒng)概化。根據(jù)區(qū)域取用水及重要水利工程情況，將埭頭區(qū)域水資源系統(tǒng)概化為4個(gè)部分（見圖2），分別為順溪水庫(kù)、區(qū)間徑流、五十丈引水工程、埭頭斷面。

圖2 埭頭區(qū)域水資源系統(tǒng)概化圖

2）區(qū)間徑流量計(jì)算。以埭頭水文站為參證站，采用水文比擬法估算順溪水庫(kù)—五十丈堰區(qū)間徑流、五十丈堰—埭頭斷面區(qū)間徑流，計(jì)算方式如下。

式中：Q為徑流量，萬m3；F為集水面積，km2；H為降雨量，mm。

3）順溪水庫(kù)和埭頭斷面水量計(jì)算。順溪水庫(kù)以水庫(kù)的放水情況作為區(qū)域的來水量，埭頭斷面則以實(shí)測(cè)的徑流量作為區(qū)域的出水量。

4）工程實(shí)際引水量估算。根據(jù)概化的區(qū)域水資源系統(tǒng)，按照式（2）逐日演算五十丈引水工程的實(shí)際引水量。

式中：q五，i為第i日五十丈引水工程取水量，萬m3；q順，i為第i日順溪水庫(kù)實(shí)際放水量，萬m3；q區(qū)1，i為第i日順溪水庫(kù)—五十丈堰區(qū)間徑流，萬m3；q區(qū)2，i為第i日五十丈堰—埭頭斷面區(qū)間徑流，萬m3；q埭，i為第i日埭頭斷面徑流量，萬m3；n為計(jì)算的總天數(shù)，d。

按照上述方法得到五十丈引水工程2017—2019年的實(shí)際日平均引水量（見表3）。2017—2019年五十丈引水工程的實(shí)際引水量分別為15.5萬m3/d、16.1萬m3/d、13.2萬m3/d，平均引水量14.9萬m3/d。

表3 不同時(shí)期埭頭斷面生態(tài)流量滿足程度分析結(jié)果表 單位：萬m3

2.2.2 協(xié)調(diào)性分析

根據(jù)五十丈引水工程的設(shè)計(jì)資料可知，工程設(shè)計(jì)引水量為7.4萬m3/d，而現(xiàn)狀估算的實(shí)際引水量約為14.9萬m3/d，盡管在一定誤差范圍內(nèi)，但現(xiàn)狀實(shí)際引水量仍遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)引水量。在豐水期，對(duì)河道內(nèi)生態(tài)用水的影響并不明顯，但在枯水期，由于工程引水量的提高，一定程度上侵占了河道內(nèi)的生態(tài)用水，造成引水工程取用水量與下游生態(tài)用水的不協(xié)調(diào)。

2.3 調(diào)度合理性分析

埭頭區(qū)域水資源調(diào)度規(guī)則尚未完善，通過實(shí)地調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的調(diào)度規(guī)則存在2方面問題。一是現(xiàn)有順溪水庫(kù)調(diào)度規(guī)則中缺乏生態(tài)調(diào)度內(nèi)容，水庫(kù)雖已核定生態(tài)流量目標(biāo)，但在枯水期，由于前期的興利調(diào)度未充分考慮后期下游生態(tài)用水情況，導(dǎo)致枯水期水庫(kù)蓄水能力不足，無法補(bǔ)充下游生態(tài)用水；二是區(qū)域水庫(kù)、水電站、堰壩等水利工程未形成聯(lián)合調(diào)度，存在上游水庫(kù)放水，中游水電站、堰壩等攔截蓄水，未形成統(tǒng)一、有效的調(diào)度機(jī)制。

3 生態(tài)流量保障措施研究

3.1 生態(tài)流量目標(biāo)系統(tǒng)核定

3.1.1 方法原理

針對(duì)目標(biāo)斷面生態(tài)流量目標(biāo)滿足程度問題，本研究提出一套生態(tài)流量目標(biāo)逆向確定方法。以目標(biāo)斷面生態(tài)流量目標(biāo)為目標(biāo)，根據(jù)區(qū)域水量平衡原理，扣除上游各控制斷面之間的區(qū)間徑流，得到各控制斷面的生態(tài)流量目標(biāo)，方法過程如下。

1）控制斷面確定。按照“有工程控制、有單位管理”的原則以及工程調(diào)蓄規(guī)模大小，確定生態(tài)流量控制斷面。

2）區(qū)間徑流量計(jì)算。按照式（1）方法得到區(qū)間的月徑流量，選取最枯月徑流量進(jìn)行水文頻率分析，取90%頻率下的最枯月徑流量作為區(qū)間徑流量。

3）生態(tài)流量目標(biāo)分配。根據(jù)目標(biāo)區(qū)域水資源系統(tǒng)概化結(jié)果，將目標(biāo)斷面生態(tài)流量目標(biāo)換算成水量，按照式（3）~（4）計(jì)算得到上游各控制斷面生態(tài)水量，再換算成為生態(tài)流量目標(biāo)。

式中：q為斷面需要泄放的生態(tài)水量，萬m3；q目為目標(biāo)斷面需要泄放的生態(tài)水量，萬m3；q區(qū)，1為順溪水庫(kù)—五十丈堰區(qū)間徑流，萬m3；q區(qū)，礬巖—五十丈為礬巖水電站—五十丈堰區(qū)間徑流，萬m3。

3.1.2 結(jié)果分析

經(jīng)過實(shí)地調(diào)查分析，確定順溪水庫(kù)、五十丈堰、苔湖水電站、礬巖水電站為埭頭區(qū)域控制斷面，通過收集區(qū)域1991—2020年共計(jì)30 a的流量、降雨等長(zhǎng)系列逐日觀測(cè)資料，按照上述方法計(jì)算得到區(qū)域各控制斷面生態(tài)流量目標(biāo)，結(jié)果見表4。對(duì)比3種生態(tài)流量計(jì)算方法，可以發(fā)現(xiàn)逆向確定法計(jì)算的生態(tài)流量目標(biāo)偏高。主要原因在于逆向確定法是以整個(gè)埭頭區(qū)域?yàn)橄到y(tǒng)進(jìn)行生態(tài)流量目標(biāo)計(jì)算，在計(jì)算過程中由于枯水期區(qū)間來水的不確定性，弱化了區(qū)間來水量，即公式（3）~（4）中q區(qū)項(xiàng)變小，從而導(dǎo)致各控制斷面生態(tài)流量目標(biāo)偏高。雖然逆向確定法計(jì)算結(jié)果偏高，但與Tennant法計(jì)算結(jié)果較為接近，為提高枯水期埭頭斷面生態(tài)流量的保障程度，最終本研究選用逆向確定法的計(jì)算結(jié)果作為埭頭斷面的生態(tài)流量控制目標(biāo)。

表4 埭頭區(qū)域控制斷面生態(tài)流量目標(biāo)表 單位：m3/s

3.2 生態(tài)流量預(yù)警機(jī)制建立

3.2.1 預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)目標(biāo)斷面，設(shè)置生態(tài)流量預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。以流量為預(yù)警指標(biāo)，根據(jù)斷面生態(tài)流量不足時(shí)刻前1 d流量波動(dòng)范圍概率分布情況，劃分生態(tài)流量預(yù)警等級(jí)。根據(jù)埭頭斷面近7 a的實(shí)測(cè)資料，分析埭頭斷面生態(tài)流量不足前1 d流量波動(dòng)范圍的概率分布情況，結(jié)果見表5。當(dāng)埭頭斷面生態(tài)流量處于1.00~1.10 m3/s時(shí)，發(fā)生生態(tài)流量不足的概率為51.2%，以此類推，當(dāng)埭頭斷面生態(tài)流量大于1.60 m3/s時(shí)，發(fā)生生態(tài)流量不足的概率為7.3%。因此當(dāng)埭頭斷面發(fā)生生態(tài)流量不足概率為60.0%時(shí)，設(shè)置為紅色預(yù)警，其前1 d生態(tài)流量波動(dòng)范圍為1.00~1.15 m3/s；當(dāng)埭頭斷面發(fā)生生態(tài)流量不足概率為30.0%時(shí)，設(shè)置為橙色預(yù)警，其前1 d生態(tài)流量波動(dòng)范圍為1.15~1.60 m3/s；當(dāng)埭頭斷面發(fā)生生態(tài)流量不足概率為10.0%時(shí)，不設(shè)預(yù)警。

表5 埭頭斷面生態(tài)流量預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置表

3.2.2 預(yù)警響應(yīng)流程

根據(jù)預(yù)警等級(jí)，制定響應(yīng)流程及措施。埭頭斷面生態(tài)流量預(yù)警響應(yīng)流程（圖3）及措施如下。

圖3 埭頭斷面生態(tài)流量預(yù)警流程圖

若埭頭斷面發(fā)生橙色預(yù)警，生態(tài)流量領(lǐng)導(dǎo)小組組織監(jiān)督檢查各相關(guān)單位生態(tài)流量泄放情況；順溪水庫(kù)管理處會(huì)商決定是否啟用生態(tài)調(diào)度方案；五十丈引水管理單位適當(dāng)減少五十丈堰引水；鄉(xiāng)鎮(zhèn)鎮(zhèn)政府組織巡查轄區(qū)范圍內(nèi)水電站、堰壩等攔水建筑物的生態(tài)泄放情況。

若埭頭斷面發(fā)生紅色預(yù)警，順溪水庫(kù)管理處啟用生態(tài)調(diào)度方案，根據(jù)預(yù)警所處月份埭頭斷面可能缺少的生態(tài)水量，進(jìn)行補(bǔ)充；鄉(xiāng)鎮(zhèn)鎮(zhèn)政府增加巡查次數(shù)，保證河道水流暢通（特別是主干河流），使順溪水庫(kù)的生態(tài)調(diào)度方案有效發(fā)揮；各水電站管理單位不得關(guān)閉生態(tài)泄流孔，保持上下游河道水系聯(lián)通。

上述生態(tài)流量預(yù)警機(jī)制于2023年3月15日在鰲江埭頭斷面得到應(yīng)用，3月15日斷面發(fā)生生態(tài)流量不足紅色預(yù)警，相關(guān)單位及時(shí)作出預(yù)警響應(yīng)，埭頭斷面生態(tài)流量得到及時(shí)補(bǔ)充。

3.3 生態(tài)流量調(diào)度規(guī)則制定

3.3.1 方法原理

針對(duì)目標(biāo)斷面生態(tài)流量不足問題，本研究提出一種預(yù)留生態(tài)水量的調(diào)度方法。根據(jù)斷面生態(tài)流量不足的時(shí)間分布規(guī)律，在水庫(kù)前期調(diào)度中預(yù)留目標(biāo)斷面所需的生態(tài)水量，待目標(biāo)斷面發(fā)出生態(tài)流量預(yù)警時(shí)，補(bǔ)充目標(biāo)斷面生態(tài)水量，方法過程如下。

1）目標(biāo)斷面生態(tài)流量不足時(shí)間規(guī)律分析。根據(jù)目標(biāo)斷面近年的實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)，按月份統(tǒng)計(jì)目標(biāo)斷面不足的月份分布情況以及不足的生態(tài)水量。

式中：Rj為第j月生態(tài)流量不足占比率，%；T為統(tǒng)計(jì)總年數(shù)，a；tj為第j月T年來生態(tài)流量不足天數(shù)，d；m為T年來生態(tài)流量不足總天數(shù)，d。

2）水庫(kù)預(yù)留生態(tài)水量分析。根據(jù)目標(biāo)斷面生態(tài)流量不足的月份分布情況以及缺少的水量，劃定水庫(kù)生態(tài)專用庫(kù)容，在前期調(diào)度中預(yù)留目標(biāo)斷面生態(tài)不足水量。

3）生態(tài)流量調(diào)度。根據(jù)目標(biāo)斷面生態(tài)流量預(yù)警等級(jí)，決定水庫(kù)是否進(jìn)行生態(tài)調(diào)度，泄放預(yù)留的生態(tài)水量。

3.3.2 結(jié)果分析

1）分析埭頭斷面生態(tài)流量不足月份的分布規(guī)律。根據(jù)2015—2021年埭頭水文站的流量資料，統(tǒng)計(jì)不同月份埭頭斷面生態(tài)流量不足情況，結(jié)果見圖4。由圖4可知，近7年埭頭生態(tài)流量不足出現(xiàn)的月份主要集中在1—2月和11—12月，4個(gè)月份缺少的生態(tài)水量分別為18.22萬m3、10.63萬m3、14.83萬m3、23.65萬m3。

圖4 埭頭斷面生態(tài)流量不足月份分布情況

2）順溪水庫(kù)預(yù)留生態(tài)水量。根據(jù)埭頭斷面4個(gè)月份不足的生態(tài)水量，在考慮河道輸水損失情況下，劃定上游順溪水庫(kù)生態(tài)水量專用庫(kù)容。參照埭頭區(qū)域總水量損失率（20%），估算順溪水庫(kù)至埭頭斷面的河道輸水損失率約15%。然后由埭頭斷面缺少的生態(tài)水量及河道輸水損失，得到順溪水庫(kù)1月、2月、11月和12月應(yīng)預(yù)留的水量為21.44萬m3、12.51萬m3、17.45萬m3、27.82萬m3（見表6）。

表6 順溪水庫(kù)補(bǔ)充埭頭生態(tài)預(yù)留水量表 單位：萬m3

3.4 生態(tài)流量供水能力提升

針對(duì)埭頭區(qū)域供用水矛盾突出，侵占生態(tài)用水的問題，本研究提出一種挖掘用水戶節(jié)水潛力，從而調(diào)節(jié)區(qū)域水資源供需矛盾的解決思路。即以區(qū)域?yàn)閱卧?，在區(qū)域供水端不變的基礎(chǔ)上，通過某一用水戶的節(jié)水，降低該用水戶的取水，從而提高區(qū)域其他用水戶的供水占比，實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源矛盾調(diào)節(jié)。

由埭頭區(qū)域目標(biāo)協(xié)調(diào)性分析結(jié)果可知，枯水期五十丈引水工程一定程度上侵占了河道生態(tài)用水，并且工程引水漏損較為嚴(yán)重，漏損率約37.6%。通過五十丈引水工程節(jié)水改造（管道維修、替換等），工程年度可節(jié)水1 205萬m3。根據(jù)埭頭斷面近7 年的資料分析，斷面年度生態(tài)缺水約591萬m3，通過五十丈引水工程節(jié)水，降低河道取水，多余水量補(bǔ)充埭頭斷面生態(tài)用水，從而提高區(qū)域生態(tài)供水能力。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)山區(qū)性重點(diǎn)河湖斷面枯水期生態(tài)流量保障問題，以埭頭斷面生態(tài)流量保障為例，技術(shù)上，從生態(tài)流量目標(biāo)核定出發(fā)，提出一套逆向生態(tài)流量目標(biāo)確定方法，提高了河湖斷面生態(tài)流量的保障程度，但增加了斷面上游調(diào)蓄工程的生態(tài)負(fù)擔(dān)，有待進(jìn)一步優(yōu)化；管理上，從生態(tài)流量實(shí)際管理出發(fā)，提出生態(tài)流量預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置和生態(tài)調(diào)度方法，在實(shí)際應(yīng)用中取得了一定成效。