基于生态流量保障的水库综合调度方案编制及应用

高雪山，刘树锋，关 帅，陈记臣，冯 平

(1.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2.广东省水利厅，广州 510610；3.广东省水利水电科学研究院，广州 510610)

1 研究背景

广东省水利工程数量众多，截至2019年底，仅水库工程就有8 413座，其中大型水库39座，中型水库348座，小型水库8 026座(约占全国小型水库总数的8.6%)，小型水库主要分布在粤东、粤西、粤北地区和珠三角部分经济薄弱地区。全省的小型水库中，有7 464座(占93%)承担着农业灌溉任务；有6 662座(占83%)具有区域防洪功能；有883座(占11%)承担着城乡供水任务，年供水量约占全省供水总量的15%；有964座(占12%)具有发电功能。这些水库形成了以农田灌溉、区域防洪、城镇供水和水资源保护为主的配置体系，为广东省乡村振兴工作的持续稳定发展提供了坚实的保障。

传统的水库等水利工程在调度中过度地追求防洪、灌溉、供水等社会效益，未充分考虑生态环境的需水量，因此以往水利工程在发挥社会效益的同时，受开发理念、技术、资金等因素制约，不可避免地会对河流的自然演进、水环境、水动力甚至水温等产生影响[1-3]，主要表现在：一是改变河流水文特征，局部河段减水脱流，影响河流生态[4]；二是闸坝形成阻隔，破坏河流连通性，影响洄游鱼类等水生生物生境[5]。国外在20世纪50年代开始了针对生态流量的研究，并从70年代起，针对生态流量的计算与调度等领域开展了大量的理论研究与实践探索[6-8]。我国20世纪70年代开始从国外引入相关概念，开始对生态流量进行探索，但目前大量的研究仍主要集中在生态流量计算方法和生态流量需水过程的理论研究上，针对水库调度的实例研究偏少[9-12]。

国务院印发的《水污染防治行动计划》[13]明确提出“科学确定生态流量，维持河湖基本生态用水需求，重点保障枯水期生态基流”，而且在我国治水主要矛盾“从改变自然、征服自然为主转向调整人的行为、纠正人的错误行为为主”的大背景下，亟需开展基于生态流量保障的水库调度方案研究。传统的水库调度方案是根据《水利工程水利计算规范》(SL 104—2015)[14]与《水库调度设计规范》(GB/T 50587—2010)[15]进行编制的，但是现行的规范还不够完善，编制调度方案中存在一些方法不明确、结果不够精准,以及调度方案需要经过反复校正等难以满足设计要求的问题[16-18]。相关研究针对水库优化调度提出了逐步优化算法、自适应遗传算法等优化调度模型[19-20]，但是通常只是计算出调度的结果，缺乏可实际应用的调度策略，无法直接指导生产生活。王平[16]在规范方法的基础上，提出了灌溉与供水、灌溉结合发电等水库调度方案的改进算法，但均未考虑水库的生态功能。

鉴于此，本文选取北江流域内的茂墩水库为试点，在考虑水库原有供水、灌溉等兴利功能的同时，综合保障下游河道的生态需水过程，制定茂墩水库基于生态流量保障的调度方案，以期对珠江流域水利工程生态需水的研究提供一种新的思路与研究视角。

2 研究区域概况及数据来源

2.1 研究区域概况

茂墩水库位于从化市西部鳌头镇的茂墩村，属潖江河流域，水库拦蓄潖江河上游的茂墩水。水库于1966年3月建成，集雨面积为12.9 km2，是一座以灌溉为主，结合防洪、发电、供水、养殖等综合利用的年调节水库。水库总库容为1 414万m3，设计洪水位99.1 m(黄海高程，下同)，校核洪水位100.5 m，正常蓄水位为97.5 m，防洪限制水位4—6月份为96.3 m，7—9月份为97.5 m，死水位78.6 m；死库容23万m3。水库的水位-库容关系与水位-泄量关系见图1。

图1 茂墩水库水位与库容及泄量的关系曲线Fig.1 Storage-capacity curve and water level-dischargecurve of Maodun reservoir

茂墩水库是广州市主要饮用水源之一，是广州市重点保护水库，现为从化市鳌头镇自来水厂的取水水源。该水厂位于茂墩水库东南侧，地面标高约为78 m，取水口位于茂墩水库大坝背水坡左侧，茂墩水库及自来水厂取水口位置示意见图2。现水厂设计供水规模约为1.0万m3/d，实际日供水量约为0.77万m3/d，总服务人口约为9.3万人。

图2 茂墩水库及自来水厂取水口平面位置Fig.2 Maodun reservoir and water-intake location

茂墩水库的农业灌溉对象为茂墩水库灌区，灌区设计灌溉面积约为840 hm2，有效灌溉面积约为740 hm2，灌溉设计保证率为90%。

2.2 数据来源与分析

采用茂墩雨量站作为茂墩水库的参证站，从广东省气象局与茂墩水库管理处获取到了茂墩站1976—2017年逐月的降雨资料。采用Mann-Kendall法(简称M-K法)对茂墩站进行变异性检验，茂墩站的降雨量统计量Z1值为-1.01，说明茂墩站降雨序列呈现下降趋势，而其绝对值<1.96，说明下降趋势不明显。

3 研究方法

3.1 生态流量计算方法

目前生态流量的研究方法较多，据不完全统计，全球生态流量计算方法已超过200种，按计算原理可概括为：水文学法、水力学法、栖息地法、整体分析法4类[21-23]。本文选取水文学法中的Tennant法[22]进行计算，Tennant法所需资料少且计算简便，在国内外应用最为广泛。

Tennant法最早是由美国学者Tennant和美国渔业野生动物协会于1976年共同提出的水文学计算方法。Tennant法在计算的时候,国内学者经常遇到如下几个误区。

(1)Tennant法计算生态流量的基准是自然水流，即受人类大规模影响之前的状态，因此在采用Tennant法计算时，除了需要收集足够长的水文序列，还需要对其进行变异性分析，对发生变异的水文序列进行还原。

(2)无论是枯水期还是丰水期，Tennant法计算的基准都是天然流量的全年平均流量，而不是同时段多年平均天然流量。这一点上《河湖生态环境蓄水计算规范》(SL/Z 712—2014)[24]中也出现了错误，目前该规范正在进行修编。

(3)Tennant法最初是基于小型河流提出的，在应用于大中型河流时，需要进行修订与论证。

3.2 生态流量优先级确定

汛期时，在河流无特殊保护目标时，水利工程的最小生态流量一般均可得到满足，因此水库在丰水期的防洪功能与最小生态流量的矛盾并不突出；但在非汛期，当水库工程同时具备供水、灌溉、发电等功能时，生态用水势必会占用部分兴利库容，生态功能与各种兴利功能之间优先次序的确定是开展调度的前提与基础。

《中华人民共和国水法》(2016年)[25]第21条规定：开发、利用水资源，应当首先满足城乡居民生活用水，并兼顾农业、工业、生态环境用水以及航运等需要。《中华人民共和国水污染防治法》(2017年)[26]第27条规定：国务院有关部门和县级以上地方人民政府开发、利用和调节、调度水资源时，应当统筹兼顾，维持江河的合理流量和湖泊、水库以及地下水体的合理水位，保障基本生态用水，维护水体。

可见在法律的规定中，居民生活用水的优先级最高，结合生态优先的发展理念，本文将生态流量的优先级确定为仅次于居民生活用水的第2级；水库的其他灌溉、发电等功能根据水库的设计功能再具体分析确定。

3.3 水库调度方案编制

水库调度方案是采用长序列历史径流资料，编制确定出水库调度图来指导水库的调度运行。水库调度的数学表达式为

q=f(V，t) 。

(1)

式中：q为水库的下泄或取水流量；V为蓄水量；t为调度的时段;f(V，t)为关于V、t的函数。

为方便应用，将式(1)中的表达方式转换成水库的q与t的函数，即为水库调度图，其表达式为

Vi(t)=fi(qi(t)，t) 。

(2)

式中：qi(t)为供水、灌溉或生态需水量;fi(qi(t)，t)为关于qi(t)和t的函数；Vi(t)为水库容量。

通过计算绘制出Vi-qi-t的关系曲线即为水库的调度线，根据灌溉、供水与生态等不同的需求取调度线的外包线，即为水库的调度图，可直接用来指导水库的调度运行。

为了避免规范中的调度方案编制方法可能带来的诸如代表年选取不准确、降低供水线与保证供水线不协调、调度图校正工作量太大等问题，本文从以下几个方面对其进行改进。

(1)采用长序列时历法代替代表年法，避免由于代表年的数量差异和不同的人对代表年采用不同的修正方法引起的不确定性。

(2)先行计算供水或灌溉正常保证率之外的限制供水线，在保证限制供水能够得到满足的前提下再计算供水或灌溉的保证供水线，确保限制供水线与保证供水线不交叉。

(3)在水库调度方案计算时，在保障自来水厂取水的前提下，考虑水库下游河道的生态需水量，增加一条生态流量防破坏线，在传统的减小供水区、正常供水区与加大供水区的基础上引入生态供水区的概念。在库水位低于水厂保证供水线时，仅利用库容来保障水厂的取水需求，不单独为生态流量增加水库放水量；在库水位高于水厂保证供水线时，则按照下游河道生态流量要求泄放流量使其满足生态需求；若此时还有多余水量，则继续增大泄放水量使其满足灌溉需水要求。

4 结果分析与讨论

4.1 来水量计算

由于缺乏茂墩水库实测入库径流资料，将采用降雨径流关系进行来水量估算。根据1976—2017年茂墩水库逐月降雨量资料，其多年平均降雨量为1 934 mm，而查《广东省水文图集》(1991年)[27]，得茂墩水库集雨面积中心位置的多年平均降雨量为1 850 mm，与1976—2017年系列均值相差仅5.9%，差异很小，故本次计算可采用《广东省水文图集》(1991年)中相关参数确定茂墩水库坝址处降雨径流关系，并估算来水量。

根据《广东省水文图集》(1991年)，茂墩水库多年平均降雨量1 850 mm，变差系数Cv为0.20。多年平均径流深为1 200 mm，变差系数为0.29。取偏差系数Cs=2Cv，分别采用P-Ⅲ型曲线估算不同频率下的降雨量和径流深，然后拟合同频率下的降雨量和径流深，得到降雨-径流深关系(图3)。

图3 茂墩水库降雨-径流深关系Fig.3 Relationship between rainfall and runoffdepth of Maodun reservoir

根据茂墩水库逐年降雨量及图3，可以推求得到茂墩水库坝址处逐年平均流量，即来水量。计算结果见图4。

图4 茂墩水库坝址处年径流过程Fig.4 Year runoff process at the dam site ofMaodun reservoir

4.2 生态流量计算

由于茂墩水库及附近未设置水位站点，因此本次计算选取茂墩雨量站作为参证站，且对茂墩站逐年的降雨资料采用M-K法进行了变异性分析，结果显示降雨未发生变异，所以不需要对其进行还原计算。而且茂墩水库位于潖江河上游的茂墩水，属于小型河流，满足Tennant法的使用条件。

根据图4的计算结果，茂墩水库坝址处多年平均流量为0.52 m3/s，采用Tennant法，以坝址处多年平均流量为基准，计算得到茂墩水库坝址处生态流量，结果见表1。

表1 Tennant法生态流量计算结果Table 1 Ecological flow calculated by Tennant method

由于茂墩水库下游无特别的保护目标，综合考虑水库兴利要求及生态功能，本次计算选取表1中的第7级，即均采用多年平均流量的10%作为茂墩水库需要下泄的生态流量。

4.3 生态流量优先级确定

根据3.2节确定的原则，考虑《中华人民共和国防洪法》(2016年)[28]的相关规定，结合水库的现有功能，确定茂墩水库各类功能的优先级分别为自来水厂用水、下游河道生态需水、灌区灌溉需水与发电用水。养殖功能为河道内用水，不消耗水资源总量，本次不对其进行考虑，同时由于水库的坝后电站主要利用灌溉用水进行发电，本次计算中不再对发电用水进行考虑。

4.4 水库调度方案确定

茂墩水库目前仅有针对丰水期的防汛调度方案，枯水期的兴利调度主要依靠经验进行调蓄，无明确的调度规则，且未考虑水库下游河道的生态需水量。本文在基于生态流量保障的基础上，采用改进的水库调度方案编制方法，制定茂墩水库的调度运行方案。

4.4.1 水厂取水及生态流量防破坏线确定

水库首先保证鳌头镇自来水厂的取水，由于水厂取水保证率较高，因此按照全额满足水厂需水的方案进行调度，不再对其制定降低供水线，将自来水厂各月所需库容对应水位的连线即为水厂取水防破坏线。同理可计算出水库在满足下游河道生态流量时的防破坏线，计算得到死水位为78.6 m，死库容为23.00万m3。饮用功能对应的需水量、库容、水位分别为23.64万m3、46.64万m3、80.10 m。生态功能对应的需水量、库容、水位分别为12.96万m3、59.60万m3、80.68 m。

4.4.2 灌溉限制供水线确定

茂墩灌区的灌溉设计保证率为90%，根据3.3节中的方案编制及改进原则，首先按照正常灌溉需水量的一定比例(一般为40%～60%)确定降低供水量，本次计算按60%计。在满足水厂取水及生态流量泄放的基础上，按照降低灌溉供水量对全序列进行逆时序径流调节计算，得到长系列逐月的灌溉降低库水位，取其上包线即为灌溉限制供水线。考虑生态流量保障的灌溉限制供水线会高于不考虑生态流量的情况，说明生态流量的泄放挤占了部分灌溉用水量，这主要是由方案制定中生态流量的优先级决定的。

此方法与规范中取代表年库水位下包线的方法相比在原理与对应关系上更准确，而且避免了采用相对较丰来水条件库水位的下包线来调度枯水时段的不足。

4.4.3 灌溉防破坏线确定

基于生态流量保障的灌溉防破坏线应以满足灌溉设计保证率之外限制供水线的要求为前提，将设计保证率的需水量作为约束条件，按照设计保证率需水再次对全序列进行逆时序径流调节计算，在计算中将超过灌溉需水的加大供水时段调整为正常供水量，得到长系列逐月的灌溉正常供水位。同时为了避免灌溉限制供水线与防破坏线交叉，在计算时应确保各时段的限制供水线低于保证水位。取历年逐月同期保证水位的上包线即为灌溉放破坏线。

此方法与规范提供的计算方法相比，在计算中剔除了加大供水时段，可确定需水量更加合理，同时防止限制供水线与防破坏线交叉，避免了由此造成调度图不准确的问题。茂墩水库基于生态流量保障的综合调度图见图5。

图5 茂墩水库基于生态流量保障的综合调度图Fig.5 Comprehensive operation chart of MaodunReservoir based on ecological runoff assurance

根据图5可直接对茂墩水库开展生态调度，当库水位在死水位与水厂取水防破坏线之间时，水库全部用来保障鳌头镇自来水厂的取水需求，不泄放任何水量；当库水位在水厂取水防破坏线与生态流量防破坏线之间时，水库在保障自来水厂取水要求的前提下，仅用于保障下游河流的生态需水，水厂取水防破坏线与生态流量防破坏线之间的区域即为生态供水区；当库水位在生态流量防破坏线与灌溉限制供水线之间时，水库足额保障自来水厂的取水与下游河道的生态取水，对茂墩灌区的灌溉用水进行限制，尽可能使库水位保持在正常供水区；当库水位在灌溉限制供水线与灌溉防破坏线之间时，可按保证率对茂墩灌区进行供水；当库水位高于灌溉防破坏线时，则可加大供水。

5 结 论

本文以北江流域内的茂墩水库为例，选取在国内外应用最为广泛的Tennant法进行生态流量计算，并采用改进后的水库调度方案编制方法，对茂墩水库进行基于生态流量保障的水库调度方案编制，主要结论如下。

(1)采用Tennant法计算生态流量普遍存在几个误区：一是计算生态流量的基准是自然水流，计算前需要对水文序列进行变异性分析，并对发生变异的水文序列进行还原；二是Tennant法计算的基准是全年平均流量，而不是同时段多年平均流量；三是Tennant法最初是基于小型河流提出的，在应用于大中型河流时，需要进行论证。

(2)基于《中华人民共和国水法》(2016年)、《中华人民共和国防洪法》(2016年)的相关规定以及茂墩水库的设计功能，茂墩水库各类功能的优先级分别为自来水厂用水、下游河道生态需水、灌区灌溉需水与发电用水。

(3)采用改进的水库调度方案编制方法，制定了茂墩水库基于生态流量保障的水量调度方案。改进的方法避免了采用相对较丰来水条件库水位的下包线来调度枯水时段的不足，同时在计算中剔除了加大供水时段，确定的需水量更加合理，此外还可防止限制供水线与防破坏线交叉，避免了由此造成调度图不准确的问题，提高了时历法编制综合调度方案的实用价值。具有灌溉任务的水库在制作基于生态流量保障的调度方案时，该改进方法可得到普遍应用。