凤山水库工程生态调度探索

冯慧娟 李建玲 王喆 李丹

1 概 况

1.1 工程基本情况

凤山水库位于贵州省黔南州福泉市重安江干流上游河段。水库总库容1.04 亿m³，死水位868 m，正常蓄水位909 m。水库多年平均供水量为7 310万m³，为多年调节水库。工程任务以城乡生活、工业供水为主，兼顾发电等综合利用。

1.2 研究河段水生生态系统调查及代表性鱼类生态习性

根据对凤山水库所在重安江干流河段及部分支流水生生态现状调查及历史资料收集，该区域分布有34 种鱼类，隶属于4 目8 科27 属，以鲤形目为主，其次为鲇形目。产黏性卵鱼类是调查水域最主要类群，多在卵石、砾石、砂质或岩缝间隙等底质中产卵。

调查水域，鲇、黄颡鱼、白甲鱼、大眼鳜等鱼类具有重要种质资源价值和渔业资源价值。其中，鲇、黄颡鱼、白甲鱼繁殖季节为4—6 月，大眼鳜繁殖季节为3—4 月。

鱼类产卵需一定流速刺激，研究河段鱼类产卵流速一般不小于0.2 m/s，水深一般不小于0.5 m，水温不低于18～20 ℃。

2 凤山水库下游减水河段一维河道模型构建

采用一维非恒定流水动力模型HEC-RAS，模拟研究河段不同水文过程下流速、水深过程。与研究河段重要鱼类种质资源产卵期的栖息生境条件耦合，推荐适合鱼类产卵期生态调度过程，以满足鱼类产卵需求。

2.1 控制方程

凤山水库下游减水河段模型为河道一维非恒定水流模拟，主要基于连续方程与运行方程进行迭代计算，通过河道上游流量、下游水位确定水位变化过程。主要计算公式如下。

式中B——河流横断面宽度，m；

z——河流水位， m；

Q——河流流量， m³/s；

t——时间，s；

x——河流断面纵向间距，m；

q——单位河长流入或流出的流量，m²/s；

u——流速，m/s；

ρ——水的密度，kg/m³；

f——单位质量力，m/s²；

p——压强，Pa；

ν——运动黏滞系数，m²/s。

2.2 模型构建

本次模拟河段为重安江干流凤山水库坝址断面至羊昌河断面，河道总长约22.85 km。选取阿里堡河口上游断面（坝下6 km）、三江口断面（坝下10 km）、豆腐桥断面（坝下14 km）、鸭爪坝断面（坝下15 km）、羊昌河断面（坝下22 km）5 个典型断面进行模拟，各典型断面位置分布如图1 所示。

图1 各典型断面位置分布图

采用一维非恒定流水动力模型HEC-RAS 计算典型水文过程。各断面地形剖面由现场勘测获得，模型上边界为流量边界，下边界为水位边界。

2.3 模型率定

提取模型计算结果，对比实测数据，调整糙率值，使得模拟值最大限度接近实测值，最终河道糙率系数取0.036～0.040，凤山水库主体设计河道糙率基本一致。对比模拟与实测值，凤山水库坝址断面水位流量曲线关系模拟值与实测值拟合效果较好，如图2 所示。

图2 坝址断面水位流量曲线关系拟合效果

3 生态流量的确定

根据生态环境部批复的凤山水库工程环境影响报告书，明确不同水期生态流量泄放要求。

3.1 生态流量计算方法

3.1.1 水文学法

根据Tennant 法，水库坝址断面最小生态流量为多年平均流量的10%，即0.681 m³/s。

根据最枯月平均径流法，水库坝址断面最小生态流量为90%保证率最枯月平均流量，即1.43 m³/s。

3.1.2 水力学法

通过5 个断面特征水文参数变化论证减水河段所需最小生态流量。考虑多年平均流量条件下的坝下区间支流汇入，以坝址下泄多年平均流量的10%、15%、20%、30%、35%、50%、100% 以及90%最枯月平均流量的生态基流计算水力参数，结合水位流量关系曲线确定断面相应的水面宽度、平均流速、平均水深、湿周等，与鱼类栖息生境要求对比分析。

3.2 维持河流水环境功能的用水量确定

3.2.1 90%最枯月流量

枯水期（10 月—翌年3 月）最低下泄流量为坝址断面90%保证率最枯月平均流量，即1.43 m³/s，丰水期（4—9 月）最低下泄流量为30%坝址多年平均流量，即为 2.04 m³/s。

3.2.2 保障下游水环境自净需水流量

采用稳态水质模型，将凤山水库坝址至凤山桥边国控断面作为整体单元，按规划水平年2030 年区域水资源利用、水污染防治条件下的退水及污染负荷进行计算，得到凤山水库保障下游水环境纳污能力的下泄流量为1.82 m3/s。

3.3 下泄流量综合分析

综合考虑生态需水、水环境自净需水，取最大值为各时段生态流量推荐值。凤山水库坝下重安江干流主要断面不同计算方法计算及推荐生态流量见表1。

表1 重安江下游关键断面生态基本流量 m³/s

凤山水库坝址断面枯水期（10 月—翌年3 月）最低下泄流量为1.82 m³/s，占多年平均流量的27%，在丰水期（4—9 月）最低下泄流量为30%坝址多年平均流量，即为2.04 m³/s；在4—5 月，根据下游鱼类产卵需求进行人造脉冲过程。

4 生态调度方案

4.1 生态调度初步方案

4.1.1 典型过程选择

根据1958—2014 年间4—5 月最大日流量资料，采用水文排频法，选取20%频率最大日流量（P=20%）14.45 m³/s 作为生态调度方案峰值流量。

4.1.1.1 3 d 典型过程选择

生态调度初步计算以天然状态下典型水文过程为主。首先筛选1958—2014 年间4、5 月份中，洪峰流量大于14.45 m³/s 的小洪水水文过程。选取1974 年 5 月 、 1960 年 5 月 、 1982 年 4 月 连 续 3 d 流量过程为典型水文过程，分别设置为典型过程1、2、3。见表2。

表2 凤山水库生态调度典型3 d水文过程

4.1.1.2 其他典型过程选择

3 d 过程小洪水需水量较少，通过库区调蓄可实现，主要适用于枯水年。对于平水年和丰水年来水较为充沛，可适当延长生态调度时间，或加大生态流量泄放。本次选取1982 年4 月5 日流量过程、2002 年5 月7 日流量过程为其他典型水文过程，分别设置为典型过程4、5，以研究水量充沛年份的生态调度过程。

4.1.2 计算结果

通过模拟天然小洪水过程，得出不同水文条件下研究河段流速、水深，分析是否满足鱼类产卵需求。

4.1.2.1 流速

典型水文过程1 各断面3 d 流速范围0.24～3.49 m/s，均满足鱼类产卵流速要求。

典型水文过程2 各断面3 d 流速范围0.25～3.48 m/s，均满足鱼类产卵流速要求。

典型水文过程3 各断面3 d 流速范围0.20～3.49 m/s，均满足鱼类产卵流速要求。

典型水文过程4 各断面5 d 流速范围0.17～10.19 m/s。断面2、断面5 部分时间不满足鱼类产卵流速要求。

典型水文过程5 各断面7 d 流速范围0.13～12.49 m/s。断面2、断面5 部分数据不满足鱼类产卵流速要求。

4.1.2.2 水深

典型水文过程1 各断面3 d 水深范围0.258～3.633 m，除断面4 外其他断面满足鱼类产卵水深要求。

典型水文过程2 各断面3 d 水深范围0.422～3.788 m，除断面4 外其他断面满足鱼类产卵水深要求。

典型水文过程3 各断面3 d 水深范围0.169～3.839 m，除断面4 外其他断面均满足鱼类产卵水深要求。

典型水文过程4 各断面5 d 水深范围0.152～3.841 m，除断面4 外其他断面均满足鱼类产卵水深要求。

典型水文过程5 各断面7 d 水深范围0.114～4.133 m，除断面4 外其他断面均满足鱼类产卵水深要求。

4.2 生态调度推荐方案

4.2.1 推荐水文过程

结合天然状态典型水文过程分析结果，设计生态调度推荐水文过程。对于典型水文过程，满足鱼类习性指标的最小日流量为11.21 m³/s，以此作为生态调度水文过程的最小值；典型过程中的4 个峰值流量均满足鱼类习性指标，分别为17.63、16.72、15.48、15.27 m³/s，选取其中偏大的3 个洪峰值以此作为7、5、3 d 的洪峰流量；水文过程中其他流量则以天然水量为主。调整后的生态调度推荐过程（如图3 所示）具体如下。

图3 凤山水库生态调度推荐水文过程曲线

推荐过程1：生态调度时长持续3 d，峰值流量15.48 m³/s，相应水量 327.47 万 m³，适用于枯水年等来水量较少的情况。

推荐过程2：生态调度时长持续5 d，峰值流量16.72 m³/s，相应水量 543.28 万 m³，主要适用于平水年等来水量一般的情况。

推荐过程3：生态调度时长持续7 d，峰值流量17.63 m³/s，相应水量 791.16 万 m³，主要适用于丰水年等来水量较充沛的情况。

4.2.2 推荐过程1

推荐水文过程1 各断面3 d 流速及水深计算结果见表3。各断面流速在0.26～3.49 m/s，均满足流速0.2 m/s 要求。各断面水深在0.523～3.756 m，均满足水深0.5 m 要求。见表3。

表3 推荐水文过程1各断面3 d流速及水深计算结果

4.2.3 推荐过程2

推荐水文过程2 各断面5 d 流速及水深计算结果见表4。各断面流速在0.24～3.53 m/s，均满足流速0.2 m/s 要求。各断面水深在0.523～4.213 m，均满足水深0.5 m 要求。

表4 推荐水文过程2各断面5 d流速计算结果

4.2.4 推荐过程3

推荐水文过程3 各断面7 d 流速计算结果见表5。各断面流速在0.24～3.53 m/s，均满足流速0.2 m/s要求。各断面水深在0.523～4.463 m，均满足水深0.5 m 要求。

表5 推荐水文过程3各断面7 d流速计算结果

5 生态调度运行管理

生态调度主要是采用人造洪水脉冲的方式来营造近自然的水文过程，保障下游水生生物产卵期水文需求。凤山水库应优先满足生活用水和下游河道生态用水，其次满足工业用水，多余水量用于发电。水库全年下泄流量不低于1.82 m³/s，4—9月下泄流量不低于2.04 m³/s。

5.1 生态调度与库容水位关系

图4 为凤山水库生态优化后的运行调度图。当库区水位在Ⅰ级区域时来水量较少，仅保证生态基流与生活供水，该工况可通过水库年调节能力避免；当库区水位在Ⅱ级区域时，满足Ⅰ区供水前提下，可满足3 d 生态调度用水量；当库区水位在Ⅲ级区域时，可额外满足发电用水需求以及一定工业用水；当库区水位在Ⅳ级区域时，为库区正常蓄水位，生态流量、生态调度、发电用水、工业用水均能满足，多余水量下泄可用于加大生态用水以及其他供水，在4—5 月可根据水库水位和来水进行5 d 和7 d 的生态调度。

图4 凤山水库生态优化后的供水调度与库区水位关系

5.2 生态调度运行管理

本次生态调度分为3 个推荐过程，分别如下。

推荐过程1：生态调度时长持续3 d，峰值流量15.48 m³/s，相应水量为 327.47 万 m³，主要适用于枯水年来水量较少的情况。

推荐过程2：生态调度时长持续5 d，峰值流量16.72 m³/s，相应水量为 543.28 万 m³，主要适用于平水年来水量一般的情况。

推荐过程3：生态调度时长持续7 d，峰值流量17.63 m³/s，相应水量为 791.16 万 m³，主要适用于丰水年来水量较充沛的情况。

6 结 语

本文采用数值模拟方法探索凤山水库生态流量及生态调度方案。基于河流水动力模型HECRAS，建立凤山水库下游减水河段模型，结合坝址断面水位流量曲线进行参数率定和模型验证。结合天然水文过程提出生态流量调度初步方案，经生境指标比对和方案优化，得出凤山水库生态调度推荐方案。根据枯水年、平水年、丰水年来水条件，分别实施3、5、7 d 生态调度，相应峰值分别为15.48、16.72、17.63 m³/s，相应水量分别为327.47万、543.28 万、791.16 万 m³。