基于生态水量保障的调度方案

刘蕊蕊，赵 雨，刘渊博

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065）

1 国内外研究进展

生态流量概念的提出,最早可追溯到20 年世纪40 年代初河道枯水流量（Low Flow）,主要是为了满足当地河流的航运功能[1]。1989 年,Gore[2]建议在河流系统中规定最小流量,并指出生物群落中最小流量需求仅是管理决策的一部分。Gleick[3]于1996 年明确给出了基本生态蓄水概念（Basic Ecology Water Requirement）：是指提供一定质量和一定数量的水给天然生态环境,以求最小程度地改变天然生态系统的过程,并保护物种多样性和生态整合性。国内关于生态流量的研究最早起源于20 世纪70 年代末的河流最小流量,不同专家学者从不同概念和定义,如：陈敏健（2007）提出适宜生态流量的概念,定义为“水生态系统的生物完整性随水量减少而发生演变,以生态系统衰退临界状态的水文条件定义为维持水体生物完整性的需水”；刘晓燕（2008）提出河流环境流量的概念,定义为“在维持河流自然功能和社会功能均衡发挥的前提下,能够将河流的河床、水质和生态维持在良好状态所需要的河川径流条件”；廖文根（2010）提出生态基流的概念,定义为“维持河流基本形态和基本生态功能的河道内最小流量”。

2 基本情况

广州市花都区地处广东省中部,珠江三角洲北部,广州市北部,东接从化区,南接白云区,西连佛山市三水区、南海区,北邻清远市清城区,有广州市“北大门”、“后花园”之称。区内水系发达,包含流溪河、白坭河、新街河、梯清河4大水系,有大小河涌165 条（其中主要河涌64条）,总长697 km；有中小型水库53 宗,总库容1.58 亿m3。花都区2018年水资源总量9.99 亿m3,用水总量4.99 亿m3,利用率为49.95%。用水虽低于广州市考核控制指标（5.50 亿m3）,但开发利用率已超过国际公认的河流开发利用率（40%）。水资源开发利用率较高,导致花都区部分河道生态水量被挤占,枯水期出现断流现象,生态基流难以保障,河道形状和许多生物赖以维持生存的自然特征消失,严重破坏河道形态多样性。严格遵循绿色发展原则,以生态保护为中心,充分发挥水利工程生态调度功能,为河道生态水量提供有效保障,促进水生态环境的良性发展和水资源可持续利用,有助于河道的自然发展。

3 生态水量调度

水十条提出要科学确定生态流量,加强江河湖库水量调度管理,维持河湖生态用水需求,重点保障枯水期生态基流。按照社会经济发展必须守住发展和生态两条底线中的生态底线要求,综合考虑水资源条件、生态环境保护要求、开发利用现状及需求,统筹协调河流生态环境功能与社会服务功能的关系,合理确定生态环境保护目标；依据生态环境需水计算方法,选用合适的方法进行生态流量控制指标计算,提出保障主要控制断面生态水量的调度方案。

3.1 生态保护目标

生态流量应以保障河道生态保护对象用水需求为出发点。花都区生态保护对象主要包括河道基本形态、基本栖息地、基本自净能力等基本生态保护对象,虽有广东省第一个桃花水母及其生态县级自然保护区,但不在本次工作范围内。除此,无国家级自然保护区、国家级自然文化遗产、国家级水产种质资源保护区等特殊保护区以及生态敏感与脆弱区等保护对象。因此,生态保护目标设定为河流基本功能的保护,即保证河流不干涸、断流,保持完整的河道断面形态,保障河流的生存功能,重点保障枯水期河道生态基流。

3.2 控制断面的选取

河道生态水量控制断面的选择,严格按照生态水量控制断面选取原则和广州市编制实施“基于生态流量保障的水量调度方案”的工作方案提出的选取方法,结合花都区河道的水文情势和生态需水情况等综合确定。生态水量控制断面控制集雨面积不宜过大也不宜过小,对于流域面积小于50 km2的河涌,原则上布设一个控制断面。

3.3 生态流量控制指标

根据《广州市编制实施“基于生态流量保障的水量调度方案”的工作方案》（穗水资源〔2017〕29号）[4],流域生态流量控制指标分为基本生态环境流量与目标生态环境流量。根据《河湖生态环境需水计算规范》（SL/T 272-2014）要求,本次控制断面的生态流量以基本生态环境流量为生态流量控制指标。

3.4 生态流量计算

本次选取花都区具有代表性的三条河道（四清河、大迳河和田美河）进行生态流量分析计算,结合周边水库、灌渠、闸坝、污水厂等水利设施提出生态基流的水量调度保障措施。

（1）径流量计算

由于花都区河涌均没有水文观测资料,生态流量依据花都区现有降雨资料,通过降雨～径流公式估算：

式中：Qm为降雨产生的径流量,m3；Q为集雨区的降雨深,mm；A为集雨区面积,m2；C为集雨区的径流系数。

则根据降雨资料计算的河道来水量见表1。

表1 设计径流量计算成果表

（2）生态基流计算

以花都区四清河、大迳河和田美河为例,采用近10年最枯月平均流量法、Tennant法（多年平均流量10%）、Q90 法计算生态基流。

①近10 年最枯月平均流量法

近10 年最枯月平均流量法一般以河流近10 年最小月平均实测径流量的平均值作为河流基本生态环境需水量,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：

式中：Wb为河流生态需水量,108m3；表示第i年第j个月的月均流量,m3/s；T为换算系数,其值为31.536×106s；n为统计年数。

②Tennant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。本次枯水期生态水量取多年平均流量10%。

③Q90法

Qp法,又称不同频率最枯月平均值法,以节点长系列天然月平均流量、月平均水位或径流量为基础,用每年的最枯月排频,选择不同频率下的最枯月平均流量、月平均水位或径流量作为节点生态环境需水量的最小值。

频率p根据河湖水资源开发利用程度、规模、来水情况等实际情况确定,宜取90%或95%。本次取90%。

经计算,三种计算方法的生态基流结果见表2。

表2 生态基流计算成果表

3.5 生态基流合理性分析

生态基流计算采用的计算方法为水文学法,符合《河湖生态环境需水计算规范》（SL/T 272-2014）规范要求。根据《水工程规划设计生态指标体系与应用指导意见》,我国南方河流,生态基流应不小于90%保证率最枯月平均流量和多年平均天然径流量的10%两者之间的大值。通过对比分析发现,Tennant法计算成果偏大,推荐作为生态流量最终成果也是合理的。

另外,根据收集到大迳河和田美河“河长制”生态基流成果,与其对比发现,本次计算成果与“河长制”生态基流成果相差小于10%,可能因为采用降雨时间序列长度不一致引起的。综上所述,推荐Tennant法计算成果作为生态基流最终成果也是合理的。

表3 与“河长制”生态基流成果对比表

4 生态调度方案

4.1 四清河生态流量调度方案

四清河,发源于银窿西麓,由东坎布折向东南,流经花东镇的七星村、四联村、水口营村和港头村,是九湾潭排洪河下游最大的一条支流,在距离流溪河出口635 m处汇入九湾潭河,控制断面四清河位于河口附近,集雨面积13.13 km2,河长8.95 km。四清河河道外并无明显占用生态用水情况,河流来水量维持天然状态。选取典型枯水年（90%）分析四清河河口控制断面生态水量的保障情况,见表4。

表4 四清河河口断面生态水量保障情况

典型枯水年四清河汛期生态水量能得到满足,但非汛期由于降水量少,11月～12月份的来水量不能满足生态水量需求,缺水量为0.66万m3～2.59 万m3。四清河上游与九湾潭水库西干渠相交,九湾潭西干渠与四清河交汇处预留有控制闸门。经分析,九湾潭水库水量充足,在满足下游灌溉用水及坝下生态用水的需求同时,也能满足四清河枯水期生态用水调度要求。因此,枯水期四清河的生态水量调度方案为：九湾潭水库的水通过右侧放水口下放至西干渠,可结合干渠补充下放九湾潭坝下生态水量和四清河需求的生态水量。

4.2 大迳河调度方案

大迳河全长16.05 km,发源于西头石场,流经西头村、军田村、前进村、联合村,秀全街大布村,最终汇入天马河。流域总集雨面积43.79 km2。大迳河主要有苏屋河、西群河、下迳河三条支流。大迳河上游三座水库,分别为红崩岗水库（集雨面积3.60 km2）、葛麻坑水库（集雨面积2.25 km2）、吊钟形水库（集雨面积1.32 km2）。大迳河水库下游区间集雨面积为36.62 km2,区间来水量通过区间降雨量计算。选取典型年（90%）计算大迳河河口断面生态水量的保障情况,见表5。

表5 大迳河河口断面生态水量保障情况 单位：万m3

枯水年大迳河区间来水量不能保障大迳河河口断面生态水量需求,11月～12月份缺水量8.22万m3～13.53 万m3。现状大迳河中游有一座污水处理厂——狮岭污水处理厂一、二期,设计污水处理量11.9 万m3/d,中水排放量远大于大迳河生态缺水量。因此,考虑直接通过狮岭污水处理厂中水排放补充大迳河生态水量。

4.3 田美河调度方案

田美河位于花都区新华街和花山镇辖区内,全流域总集雨面积30.50 km2,田美干流全长12 km,平均坡降1‰,现状河面宽度20 m～30 m,田美河上游有抗美河和长岗排洪河两条支流。采用典型枯水年（90%）降水量计算田美河来水量,分析田美河河口断面生态流量的保障情况,详见表6。

表6 田美河河口断面生态流量保障情况 单位：万m3

典型枯水年田美河汛期来水量能满足河口断面的生态流量,但非汛期来水量较小,尤其是11月～12月份,不能满足生态流量的需求,缺水量1.66 万m3～6.07 万m3。田美河上游支流抗美河与流溪河花干渠西八支渠通过闸门相连。因此,拟提出田美河生态补水调度方案：通过控制流溪河花干渠八支渠分水闸下放水量,通过支流抗美河补充田美河生态水量,维持下游河道自然水量。流溪河花干渠属于流域外引水工程,需在跨流域调水调度方案中考虑生态补水,然后提出调度水量。

5 结语

花都区河涌、渠系纵横,水库较多,在生态水量调度上,应优先利用周边污水厂处理达标后的中水,其次尽量利用已有水利设施进行生态流量调度,在水量充足,可调配的情况下,改扩建已有水利设施,连通河渠进行生态补水,减少工程投资。上下游闸、坝之间需通力合作,按调度方案统筹协调运行,若上游水闸未按照要求进行调度,可能造成下游坝上水位降低,蓄水量减少,造成不必要的经济损失。因此,应尽快进行水资源监测监控设施建设,建立监控网络,落实计量设施以及监控措施,确保控制断面水量,维持断面基本生态水量。

另外,需完善流域管理体制,设施取水许可总量控制,加强流域内外水库、闸坝、灌溉引水渠以及河口工程的统一调控[4],比如通过流溪河花干渠从外流域调水,在年度水量分配中应充分考虑生态补水调度所需水量。同时,将控制断面取水量纳入政府绩效考核约束性指标进行考核,确保控制断面水量和水质双达标。