城市河湖生态流量计算与保障研究——以广州市越秀区为例

程 涛, 邱 静, 罗志发, 钟伟强, 刘 达, 龚 洁

(1.广东省水利水电科学研究院, 广州 510635; 2.广东工业大学 环境生态工程研究院, 广州 510006; 3.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广州 510635; 4.广东省水安全科技协同创新中心, 广州 510635;5.广州市越秀区建设和水务局, 广州 510080)

1 概述

河湖生态流量是指为了维系河流、湖泊等水生态系统的结构和功能，需要保留在河湖内符合水质要求的流量(水量、水位)及其过程[1]。剧烈的人类活动严重挤占了生态环境用水量，为保障生态环境基本用水需求，维护生态环境健康稳定，必须保障河湖水系基本生态流量，开展河湖生态流量确定和保障具有重大意义[2]。

越秀区是广州市中心城区，随着流域内经济社会及城市的快速发展，区域内经济发展用水存在不同程度挤占河道内生态用水、工业及城镇排污造成河道水污染严重等影响河流水生态环境的问题。通过一系列河涌整治工程，如截污工程、净水工程、调水工程等，区域内河涌湖泊一改往日脏、臭、黑的水质，实现了水清、水活的目标。但在补水工程非工作时段，或河道截污情况下，可能会出现河流断流的情况发生。为保障越秀区河流生态流量，维护河流水系健康，保护水生态环境安全，开展越秀区生态流量计算和保障研究具有重要意义。

以往的河湖生态流量相关研究主要针对较大的江河湖泊进行生态流量计算和保障分析，针对城市区域河湖生态流量的研究相对较少，不利于城市河湖生态流量保障的实际工作[3-5]。本文通过梳理越秀区河湖水系现状和主要水生态环境问题，提出生态环境保护的目标，进一步计算主要河湖生态流量保障目标，并提出针对性的生态流量保障的方案策略，以期为越秀区河湖生态保护提供科学指导。

2河湖水系现状

2.1 基本情况

越秀区地处南亚热带，属南亚热带典型的季风海洋气候，海洋性气候特别显著，年降水量为1 229.6～2 491.3 mm，年内降雨量分布十分不均，雨季(4—9月)降水量占全年的85%左右。

越秀区有东濠涌、新河浦涌、沙河涌、水均岗支涌、景泰涌等5条一类河涌(明涌)，总长为 11.26 km；境内无水库等蓄水工程，有东山湖、流花湖、麓湖3个人工湖，水面面积为0.81 km2。本文主要以沙河涌、景泰涌以及流花湖和越秀公园内的北秀湖、南秀湖和东秀湖为研究对象(如图1所示)。

图1 越秀区河湖水系示意

2.2 生态流量保障现状及存在问题分析

2河4湖所在的越秀区，人口密集程度高，生活污水排放量大，在进行清污分流后，无雨时段进入河涌湖泊的水量非常小，水域的基本生态水量很难得到保证。越秀区2河4湖水系各生态流量控制断面的保障目标分析如下。

1) 满足最小生态用水需求。沙河涌和景泰涌在枯水期的上游来水量小，沿河截污后会导致部分河段出现断流的情况，为维持河流不干涸、河道流畅、生物蛰伏等基本生态功能需要保障生态基流；4湖目前均具有景观用途，上游来水量少，水的置换周期长，容易形成藻类大量繁殖、水体发臭等水质问题，为保障湖泊水质健康和景观需求需要保障基本生态水位。

2) 需要保持河涌的自然属性。越秀区作为中心城区，随着人类活动影响的加剧，河涌湖泊的水情发生了很大变化，河流的季节特征变得不明显，导致河涌正常功能紊乱，湖泊的自然生态功能退化，为保障河涌正常的丰枯变化、季节脉动和湖泊自然生态功能，应重视枯水期河涌湖泊生态调度，保障枯水期河涌湖泊生态安全。

3) 2河4湖目前为景观用途，在越秀区范围内无重要生物保护区，以保障河道生态基流和湖泊基本生态水位为目标。

综上分析，生态流量保障目标设定为河涌湖泊基本功能的保护，即保证河涌不干涸、不断流，保持河道形态结构稳定，保障河涌的生态功能；保障湖泊基本生态水位和景观水位，因此以生态基流和基本生态水位为控制指标。

3 河湖生态流量计算

3.1 生态流量控制断面

依据《水利部关于做好河湖生态流量确定和保障工作的指导意见》要求，沙河涌和景泰涌生态流量控制断面选取原则如下：利用已有水利工程断面，便于对控制断面生态流量的调度及后期生态流量的监控，无水利工程断面的，考虑在行政区交界处或河流汇入点上游设置控制断面，用于生态流量监控。

流花湖、北秀湖、南秀湖和东秀湖控制断面均选取排水闸(出口水闸)作为控制断面，按照湖泊景观和生态要求，进行生态水位监控。根据生态流量(水位)控制断面的选取原则，结合2河4湖的实际状况，确定其生态流量(水位)控制断面(见表1、表2和图2)。

表1 沙河涌生态流量断面

表2 景泰涌生态流量断面

图2 越秀区2河4湖生态流量控制断面示意

3.2 基础数据

1) 气象水文数据

由于本研究涉及的2河4湖均未设置流量水文站，河涌无流量资料，湖泊无水位监测，因此2条河涌流量资料通过区域降雨资料估算得来，本研究搜集到2河附近的广州气象站具有1965—2016年的逐月降雨量数据(如图3所示)。

图3 广州气象站1965—2016年逐月降雨数据(缺2002年)

4湖的水位有关资料主要根据湖泊管理方有关管理记录获取，其中，流花湖湖面总面积约为 0.33 km2，流域面积为4.51 km2，湖底高程约为4.0 m，平均水深为1.57 m，正常蓄水位为5.6～5.8 m，汛期最低控制水位为5.5 m，枯水期最低控制水位为5.8 m，水量主要受降雨补给并受与流花湖相连的驷马涌排水渠涵闸控制和调节。根据《广州市越秀区水系规划(2012—2020年)》，流花湖水位—面积曲线如图4所示。

图4 流花湖水位—面积关系示意

2) 数据处理

广州气象站位于广东省广州市天河区天河村，可用广州气象站历年降雨资料计算河涌的历年月径流水位过程，径流估算公式如下：

Qm=10-3C×H×A

(1)

式中：

Qm——降雨产生的径流量，m3/a；

C——集雨区的径流系数；

H——集雨区的降雨量，mm；

A——集雨区面积，m2。

根据《室外排水设计规范》[6]规定，给排水设计中雨水设计径流系数可按表3取值(本规范适用于新建、扩建和改建的城镇、工业区和居住区的永久性的室外排水工程设计)。根据2条河涌所在区域的下垫面分布情况，沙河涌上游具有较多的不透水面，而景泰涌范围内几乎为密集建筑区，因此，选取径流系数指标如下：沙河涌取0.8，景泰涌取0.85。

表3 不同区域径流系数

3.3 生态流量计算方法

根据《河湖生态环境需水计算规范》(SL/272—2014)，河流生态流量的计算方法主要包括历史流量法、水力学法、生境模拟法等，湖泊生态水位的计算方法主要包括湖泊形态法、水量平衡法、栖息地法、换水周期法[1]。对比分析不同方法计算生态流量的差异、研究区实际情况和数据掌握的情况，本研究选择历史流量法计算河流各断面的生态流量，采用湖泊形态法计算湖泊的生态水位，并结合河湖实际情况确定生态流量(水位)。

3.3.1河流生态流量计算方法

生态流量的计算需要用到流域径流资料，本文采用降雨量反演的径流资料计算生态流量。计算方法选用水文学法，水文学方法又称快速评价法或标准设定法，该法以河流历史水文数据为基础，根据简单的水文指标确定河道生态基流[7-8]。该方法操作简单，无需现场测定数据，但未考虑生态栖息地、水质、水温、季节变化、水域景观及河床形状变化等因素[9-10]。水文学方法主要有近10 a最枯月平均流量法、Tennant法、Qp法等。

1) 最小月平均实测径流法

最小月平均实测径流法一般以河流最小月平均实测径流量的多年平均值作为河流基本生态环境需水量，以维持水生生物的正常生长，并满足河流排盐、排沙、入渗补给与污染物自净能力等方面的需求。该方法比较适应河流具有明显的季节性特点地区，在我国海滦河、东辽河等的研究中得到广泛应用[11-12]。一般采用河流每年中最小月平均实测径流量的多年平均值作为河流生态需水量，其计算公式为：

(2)

式中:

Wb——河流生态需水量,108m3；

Qij——表示第i年第j个月的月均流量,m3/s；

T——换算系数，其值为31.536×106s；

n——统计年数。

2) Tennant法

Tennant法，也称为“Montana法”，以平均年流量的百分比作为推荐流量，在不同的月份采取不同的百分比(见表4)[13-14]。其中，10%的平均流量对大多数水生生命体来说，是建议的支撑短期生存栖息地的最小瞬时流量。此时，河槽宽度、水深及流速显著地减少，水生栖息地已经退化，河流底质或湿周有近一半暴露，支流河道将严重或全部缺水。本研究主要针对城市河流，主要考虑维持河道基本形态，因此取年平均径流量的10%作为生态流量。

表4 Tennant法对栖息地质量和流量关系的描述

3)QP法

QP法基于历史流量资料来构建各月流量频率曲线，将某个累积频率相应的流量QP作为生态流量。QP的频率P可取90%或95%，也可根据实际需要作适当调整。Q90为通常采用的水生栖息地的最小流量，被当成警告水资源管理者的危险流量条件的临界值。根据计算所得各月的累积频率绘制流量频率曲线。根据各月流量频率曲线，以90%来水频率下的平均流量作为河涌的生态基流。

本研究以月均流量系列为基础数据，首先对河流月均流量分别从大到小排序，计算月均流量对应累积频率，计算公式如下：

(3)

式中:

i=1,2,…,N;

q1、qN——序列中的最大、最小月均流量值；

Q——实测月均流量。

3.3.2湖泊生态水位计算方法

城市湖泊生态水位计算采用湖泊形态法，通过分析湖泊水面面积变化率与湖泊水位关系来确定维持湖泊基本形态需水量对应的最低水位。首先通过实测的湖泊水位H和湖泊面积F资料，构建湖泊水位H与湖泊水面面积变化率dF/dH的关系曲线(见图5)。在湖泊枯水期低水位附近的最大值对应水位为湖泊最低生态水位。如果湖泊水位和dF/dH关系无最大值，则不能使用本方法。

图5 湖泊水位和湖泊面积变化率关系曲线示意

湖泊最低生态水位计算可采用下式计算：

F=f(H)

(4)

(5)

(Hmin-a)≤H≤(Hmin+b)

(6)

式中：

F——湖面面积，m2；

H——湖泊水位，m；

Hmin——湖泊天然状态下的多年最低水位，m；

a、b——和湖泊水位变幅相比较小的一个正数，m。

3.4 两河四湖生态流量确定

越秀区作为城市区域，地表硬化使雨水入渗量极小，降雨难以渗入地下形成地下径流，进而无法在无雨时段补给河涌湖泊；同时区域涉及的京溪污水处理厂补水、3河涌补水和白云山清水补给等工程均不在越秀区境内，河涌湖泊补水的保障难度较大。

因此，本方案将上述各种方法计算所得河道各生态断面生态基流(最小月平均实测径流法、Tennant法、Q90法)的较小值作为各河道生态断面的生态基流。由于区域内排水系统经过清污分流后，无雨季节几乎没有排水进入河涌，加之境内无补水工程措施，而河涌水面蒸发和下渗会消耗水量，故河涌出口断面的生态流量取值与上游断面的生态流量取值相同，为方便测量和管理，对生态流量值适当取整。

河涌出口有生态水位要求，一般以河道景观水位为生态水位；湖泊的生态水位较难确定，同样以前述确定的景观或水闸闸顶水位作为生态水位。

1) 沙河涌

根据前述生态流量的确定方法，沙河涌生态流量计算结果和最终取值见表5。由于沙河涌下游对景观水位有要求，因此沙河涌水闸提出生态水位控制指标，生态水位取景观水位5.2 m。

表5 沙河涌计算结果汇总 m3/s

2) 景泰涌

根据前述生态流量的确定方法，景泰涌生态流量计算结果和最终取值见表6，由于景泰涌出口设置了临时气盾坝防止外江潮水倒灌，根据《景泰涌应急抢险工程方案设计》(2018)，临时气盾坝设计蓄水位为7.3 m，因此景泰涌出口气盾坝(临时)生态流量同时以水位为控制指标，生态水位取气盾坝设计蓄水位7.3 m。

表6 景泰涌计算结果汇总 m3/s

3) 流花湖

由于暂未获取到流花湖历史水位监测数据，根据前述湖泊生态水位计算方法中的湖泊形态法，利用图4中的水位—面积曲线，得出斜率最大的点为H=4.6 m的位置。

通过湖泊形态法计算的生态水位偏小，考虑到流花湖常水位在5.6～5.8 m，且流花湖水质总体一般，生态保障的压力较大，需要较高的水位以保持湖区水生态良好，本方案以5.8 m为流花湖生态水位，该水位是湖泊管理单位为保证湖泊适宜景观和生态功能日常保持的水位最小值，在汛期遇强降雨天气，可提前腾空至5.5 m汛限水位，可操作性较好。

4) 越秀公园3湖

北秀湖、南秀湖和东秀湖分别位于越秀公园内的西北、西南和东南角，湖内多年来一直存在落叶、投喂食物和汇水面积小而使水体更新慢等问题，水环境质量保障存在风险。由于未获取到3湖的水位—面积曲线信息，本次将3湖的多年平均水位作为生态水位，即北秀湖生态水位为11.8 m，南秀湖生态水位为7.8 m，东秀湖生态水位为6.3 m。

4 生态流量保障策略

针对越秀区2河4湖水系，分析流域所有可调水的水利工程的基本现状，根据流域防洪、生态流量、景观等多方面的需求，以保障生态流量为目标，编制流域水量调度方案。遵循因地制宜、统筹兼顾和生态保障的原则，开展生态流量调度。

考虑到越秀公园3湖的生态环境已形成较为独立的系统，且管理方已采取了物理、生物、化学等方法进行水环境改善，仅对2河1湖提出生态流量保障的方案。

4.1 沙河涌调度方案

1) 调度目标

保障广州大道中断面生态流量0.10 m3/s、上游河道不断流不干涸；保障出口水闸断面生态流量0.10 m3/s，且生态水位满足5.2 m。

2) 调度工程

根据《广州市越秀区沙河涌(越秀段)“一河一策”实施方案(2017—2020年)》，位于沙河涌上游白云区境内的京溪污水处理厂实际补水量约为1.0 m3/s，排放至沙河涌左支流，直接作为沙河涌景观补水。“沙河涌等3条河涌联合补水工程”从东圃大桥附近的珠江前航道取水，通过修建两级提升泵站，利用输水管道，3涌补水工程可给沙河涌出口以上10 km处提供补水流量：正常为4.2 m3/s、应急为8.4 m3/s，现运行考虑上游京溪净水厂尾水，实际补水流量为 2.1 m3/s，每天从8:00—20:00补水12 h。

3) 调度方案

根据《广州市中心城区重点河涌预腾空预案》(2017)[13]，当接收到预腾空启动的指令时，市河涌管理中心停止沙河涌补水。预腾空应急响应结束后，恢复正常补水流量4.2 m3/s，连续向下游河涌补水。具体操作指引见表7所示。

现阶段调度方案：京溪污水处理厂补水工程可 24 h 给沙河涌上游补充净化水，补水量为1.0 m3/s；3河涌补水工程每天8：00～20：00进行12 h的调水、补水、净水循环，通过泵站从珠江前航道抽取潮水经二次提升后向沙河涌进行补给，补水量为2.1 m3/s。

下阶段调度方案：现阶段补水基本能够满足沙河涌生态流量要求，但补水点与生态流量断面之间的区间有排水汇入，可能会增加沙河涌污染负荷，应考虑增加京溪污水处理厂补水能力或延长3河涌补水工程补水点位置；延长3河涌补水时间，调整为6:00～22:00进行16 h补水，补水量按照2.1 m3/s，20:00～次日6:00进行8 h补水，补水量适当减少为0.5 m3/s。建议在涌口水闸设置泵站(或利用已有泵站)，沙河涌出口水位根据闸内和闸外水位情况调度，闸内水位低于5.2 m且低于闸外水位时，开启闸门引入珠江水至5.2 m以上；闸内水位低于5.2m且高于闸外水位时，设置泵站提水，抽取珠江水至闸内。

表7 3涌补水操作指引(应急响应生效期间)

4.2 景泰涌调度方案

1) 调度目标

保障三元里大道断面生态流量0.02 m3/s；涌口气盾坝(临时)断面0.02 m3/s，生态水位为7.3 m。

2) 调度工程

景泰涌暂无固定的补水工程，目前主要是将白云山清水、矿泉泳场置换的泳池水作为补给水源引入沙河涌。

3) 调度方案

现阶段补水方案：根据“广州白云发布”公众号2018年的信息，2018年白云山清水每日供水量为3 000 m3，流量约为0.035 m3/s；三元里矿泉游泳场4个游泳场(馆)池水量约为4 000 m3，根据《游泳场所卫生规范》并询问游泳场管理方，游泳场每周更换1～2次池水，计算得到补水当天的补水流量约为0.046 m3/s，可每周间断性地对河涌水体进行冲洗更换。白云山清水由沙河涌源头补水，三元里矿泉游泳场置换水由三元里大道断面处补水。

下阶段补水方案：增加新的补水水源，协调游泳场补水时间，保障沙河涌24 h补水，提高生态流量保障率。

4.3 流花湖调度方案

流花湖调度目标为保障5.8 m的景观水位，增强水体自净能力。利用流花湖2、3号排水闸和补水泵站，通过水闸的调度和补水泵站补水可维持水域一定的景观水位。

根据《广州市中心城区重点河涌预腾空预案》(2017)，流花湖出湖闸正常情况时关闭，非汛期湖内水位保持在5.8 m，汛期湖内水位保持在5.6 m，高于5.6 m即通过排水中心协调打开彩虹桥37截污闸降低流花湖水位。

流花湖上游驷马涌可为流花湖补给一定的水量，但考虑其水质较差，可在完成驷马涌清污分流且水质优于流花湖后，将其作为流花湖的补水水源。汛期时，按照汛期调度规则，流花湖内水位保持在5.5 m，超过的部分通过排水闸排除。

越秀区河涌生态流量补水点位置如图6所示。

图6 越秀区河涌生态流量补水点位置示意

4.4 保障措施

为了保障河流控制断面生态流量，维护河道水生态环境，可考虑实施以下工程和非工程措施。

1) 工程措施

① 加强补水泵站的隔音措施，减少泵站工作对居民生活造成的影响，以便净水厂及二级泵站夜间正常运行，保障沙河涌上游河道的生态流量。

② 增加景泰涌水源补充渠道，协调三元里矿泉游泳场池水置换时间，保障沙河涌生态流量和水质。

③ 流花湖是越秀区最大的景观人工湖，通过驷马涌补水，受驷马涌来水水质不确定性影响，还应增加新的补水来源，提高流花湖生态水位保障水平。

④ 越秀公园3湖的汇水面积较小，应考虑增加新的补水水源，提高公园景观和生态水位保障水平。

2) 非工程措施

① 完善管理体制与机制，提升管理能力

按照流域统一管理与行政区域管理相结合的原则，进一步建立并完善计划用水制度、水量分配监控制度及监督考核评估制度。完善计划用水制度，严格重要用水户用水计划申报与审批制度；建立完善水量分配相关的水资源监控制度，加强控制断面、重要取用水户监控，完善监控体系运行、维护管理办法、预警方案和监控措施、管理单位和监测对象权责等；制定监督考核评估制度，明确水量分配监督内容和方法、考核目标和原则、考核对象、考核流程和方法等。

② 建立水量年度分配计划

根据水量分配方案、用水定额以及经济技术条件，制定年度用水计划，对本行政区域内的年度用水实行总量控制。越秀区水行政主管部门根据批准的水量分配方案和年度预测来水量以及用水需求，结合工程运行情况，制定年度水量调度计划，确定用水时段和用水量，实施年度总量控制和水量统一调度。当出现旱情紧急情况或者其他突发公共事件时，应当按照经批准的旱情紧急情况下的水量调度预案或者突发公共事件应急处置预案进行调度或处置。

③ 加强水资源统一调度

生态流量的保障离不开流域水资源统一调度，市水务局负责市级层面水资源统一调度，实施广州市用水总量控制与区界断面出境水量监督管理，越秀区应当积极配合。在此基础上，执行保障生态流量的水量调度方案，保障制定的生态流量。

④ 加强水资源管理能力建设

要加快建设水资源监测监控设施，建立监控网络，并落实计量设施以及监控措施。建立主要控制断面流量、水质目标要求责任制，确保控制断面下泄流量。本次方案选定的各生态流量控制断面，监测结果须报广州市水务局，并由市水务局汇总备用。

5 结语

本研究以城市河湖生态流量分析和保障为研究目标，通过调查分析越秀区2河4湖的水利工程设施及其调度运行现状，结合补水工程的补水断面，划定了河涌湖泊的生态流量(水位)控制断面，选用广州气象站历年降雨资料计算沙河涌和景泰涌月均径流过程。采用最小月平均实测径流法、Tennant法、Q90法等计算各控制断面的生态流量；生态水位的确定受限于基础资料缺乏，主要基于湖泊地形信息，考虑河湖景观、防汛和常水位等因素综合取得。河涌生态流量计算的3种方法结果较为接近，取计算结果中较小值作为控制断面的生态流量，涌口水闸断面以景观水位为控制指标，并根据区域内及流域上下游情况，制定了沙河涌、景泰涌和流花湖的生态流量保障方案，提出了针对性的工程和非工程保障措施。本研究可为高度城市化区域的河湖生态流量保障提供参考。需要说明的是，本文仅为科学研究成果，相关生态流量的确定与保障仍需有关部门根据实际情况开展进一步工作。