基于适宜生态水位的通州区平原河网引排水研究

徐小溪，张秀菊，罗煜宁，纪鹏程

(1.河海大学 水文水资源学院，江苏 南京 210098；2.南通市通州区水利局，江苏 南通 226000)

平原河网地区地势平坦，缺少蓄水工程，干旱年份本地降雨及河槽蓄水无法满足河道内与河道外的用水需求，导致生产用水挤占生态用水[1]。为缓解区域用水紧张、改善河道水环境质量，河网地区多通过闸泵工程引水来保障枯季水量与水位需求，我国开展了大量的闸泵引水实践与研究[2]。崔广柏等以引水实验与水量水质模型为技术支撑，研究得到引水对河流水质改善率平均在20%～30%的结论[3]。潘小保等通过溢流堰和相关闸泵的联合调度，实现了城市水环境改善和提升[4]。闫毓等通过区域闸泵联合调度对河网进行适宜的水动力时空再造，为水环境改善提供了重要技术参考[5]。然而，现有的引水工程调度仍存在一些不足，例如，江苏省一些沿江地区长期利用闸泵工程引水，但这些地区尚未开展生态需水方面的研究，导致闸泵工程取水缺少指导依据；同时，这些地区引水主要依据经验判断或当下需求，并非根据时段余缺水量或水位高低来决定引水时机与引水量，导致引水过程欠科学。因此很有必要对河网地区生态需水开展研究，为沿江引水及维护河流健康提供科学依据。

研究确定河道内生态需水是引水调度改善水环境的前提与依据。生态需水是指维持水生生态系统健康所必要的流量或水位的大小、时机和水质[6]。国内外学者在生态需水方面的研究多集中在生态流量与生态水位方面，国外学者主要以野外实测数据及大量生物资料为基础，考虑指标物种对水体质量及对河道水位涨落的需求来确定生态需水量[7]。国内学者例如王鹏全等提出了考虑水文非一致性变异的河道基本生态流量阈值法[8]，亦有学者在生态水位方面提出了高低水位历时法[9]、湖泊形态法[10]，基于丰、平、枯水年的生态水位[11]等多种计算方法。

平原河网地区河道水位受水利工程引排水影响较大，且水流具有双向性、波动性等特点[12]，故生态流量难以确定。又因缺少水文测站，难以依据实测流量资料计算生态需水，因此研究确定河道生态水位，以此作为工程引调水的依据，是当前较为可行的办法。生态需水随季节与空间位置而变化，且具有一定的阈值性，然而现有的研究成果中，生态水位多为单一的特征值，鲜有考虑水位的波动变化，在引水工程调度中，未有考虑生态水位需求波动特征进行调控。本文针对现有研究方法的不足，以南通市通州区为例，分析沿江引水工程实际及存在的问题，研究确定区域内河流适宜生态水位区间，以期为引水工程调度提供指导。综合考虑区域生态水位管理便利及防洪安全需求，对计算的生态水位进行修正，以适宜生态水位区间为控制，针对近10 年水位现状及工程引、排水量情况，对引水调度策略进行修正，为区域科学利用水资源提供支撑。

1 研究区域概况

南通市通州区地处江苏省东南部，长江三角洲东北翼（120°41′E～121°25′E，31°52′N～32°15′N），境内水系发达，沿长江、靠黄海，境内一、二级河道是整个河网的骨干，共有一级河道6 条，二级河道26 条，三级河道229 条，四级河道1 230 条。先后建有九圩港闸、南通闸、营船港闸、新江海河闸（图1），闸泵提引长江水后输水至内河，保障了通州区的用水需求。

图1 通州区地理位置Fig.1 Geographical location of Tongzhou District

通州区降水与用水均呈现过度集中的特点，年内主要集中在汛期5—9 月，汛期降水量占全年降水量的65.7%。2009 年南通市开始实施城乡一体化供水，通州区生活用水及大部分工业用水由长江水厂供给，农业、生态环境、少量工业用水取自内河，其中，农业用水占内河供水量的80%以上。根据《淮河流域下游区（洪泽湖以下）水文年鉴》统计数据，4 个闸泵多年平均总引水量21.62 亿m3，根据通州区水利部门提供的分流系数估算，引江水量中补给通州区的水量约6.43 亿m3，引水集中于5 —10 月，占全年引水量的73%，主要用于满足水稻生长用水需求；4 个闸泵多年平均总排水量4.67 亿m3，折算后通州区多年平均排水量约1.39 亿m3，排水集中在汛期6—10 月，占全年排水量的82%。

由于通州区尚未对河道生态水位及区域余缺水量进行深入研究，工程引水时多根据工作经验及局地用水需求，导致引排水数量、过程与实际需求不完全相符，现以丰水年（2014 年，年降雨频率P=20%）、平水年（1974 年，P=50%）、枯水年（1979 年，P=75%）分析工程引、排水调度合理性，具体见图2。

（1）整体上，丰水年引水量最小，平水年引水量次之，枯水年引水量最多，3 个典型年引水量变化与降水多寡规律相符；排水量变化规律则不同，枯水年排水量最大，丰水年排水次之，平水年排水量最小，3 个典型年排水规律与降水量并无明显关系。从年型上看，枯水年引水量最大，排水量亦最大，其引、排水时机与水量是否合理，需深入分析研究。

（2）年内引排水高峰时段为6—10 月，而区域年内降水主要集中于6—9 月，引排水高峰期与降水集中时段高度重合。依据图2(a)，在丰平枯3 个典型年中，6 月中旬、9 月上旬、10 月上旬均为引水峰值，其中，6 月中旬为该地区水稻生长期中需水量最大时段，然而9 月上旬、10 月上旬水稻及其他作物需水量均较小，该时段引水量大与地区的用水需求并不相符。根据图2(b)，各典型年的排水集中时段与降水集中时段相同，符合汛期以防洪排涝为主的要求，但部分时段排水与引水高峰时间有重叠，引、排同期同量造成了水资源的浪费，也增加了汛期的防洪排涝压力，工程引水与排水时机有待完善。因此，分析通州区引排水规律及存在问题，研究确定适宜的河流生态水位，为工程引、排水调度提供建议，十分必要也十分迫切。

图2 3 种典型年工程引、排水情况Fig.2 Diversion and drainage conditions in three typical years

2 研究方法

通州区河流现主要为农业供水，而近些年农业节水的推进使得内河取水量减少，同时，闸泵工程的引排水规模大，调度频繁，内河水位受影响较为显著，通州区内河实测水位已不再是天然水位情况。根据《南通市通州区生态水位确定及水量分配方案研究》报批稿报告，通州区水位在2001 年发生突变，用水量持续减少及取水水源变化是突变后水位持续在较高水平的原因。本文在分析水位变化时，将1964—2000 年作为基准期，2001—2017 年作为对比期，并将基准期内水位视为天然状态下的水位；以天然系列水位为依据，以25%、75%作为适宜生态水位的上、下限，结合防洪安全及管理便利考虑，修正、确定水位适宜阈值区间；以适宜区间为控制，分析对比期2001—2017 年工程引排水状况及存在问题，提出工程调度调整建议。

2.1 适宜生态水位计算

河流生态水位具有阈值性特点，即河道水过多或过少都对河流生境不利[13]，同时，河道生态水位亦具有稳定性及弹性特征，为便于水利部门管理，生态水位不宜频繁变化。故根据河道高低水位发生与持续时间将年内生态水位划分为3 个时期，即高水位时期、低水位时期、过渡时期。其中高水位（hH）对应于长系列日均水位频率低于25%的水位，高水位时期为月均水位第一次大于hH至月均水位最后一次大于hH所持续的时间；低水位（hL）对应于长系列日均水位频率高于75%的水位，低水位时期为月均水位第一次低于hL至月均水位最后一次低于hL所持续的时间；剩余月份即为过渡时期[14]。

前人提出基于丰平枯3 种来水情形的生态水位计算方法[11]，但对于槽蓄能力较小的平原河网地区来说，丰水年汛期水位偏高，此阶段以防洪、排涝为主要管理目标，故本文仅以平水年、枯水年为考虑年型，确定其生态水位适宜区间，具体步骤为：

（1）平水年、枯水年范围确定。采用频率分析法（P-Ⅲ曲线）确定统计参数和各频率设计值，使其作为划分平枯序列的标准，取37.5%＜p≤62.5%为平水年范围，62.5%＜p＜90%为枯水年范围。

（2）逐月生态水位上、下限确定。以月为时段，对各平水年、枯水年范围年际系列该月的日均水位进行频率分析，取25%频率对应的日均水位为该月生态水位上限，75%频率对应的日均水位为该月生态水位下限，得到逐月适宜生态水位过程，取每个水位管理期对应月份的适宜生态水位最高值、最低值作为该水位管理期的适宜生态水位上、下限。

（3）适宜生态水位修正。根据实际水位情况及防汛排涝的要求，结合Tennant 法[15]的最佳范围即适宜水位占多年平均水位的60%～100%作为约束条件；从防汛角度考虑适宜生态水位不应超过警戒水位；为避免水位波动过于频繁，且逐月适宜生态水位线尽可能平滑，以相邻月份适宜生态水位差不超过0.2 m，同时12 月下旬与1 月上旬水位应保持基本一致等作为约束条件，对适宜生态水位进行修正。因平、枯水年确定的适宜生态水位存在重叠情况，且不利于管理，故以修正后的平水年适宜生态水位上限作为适宜生态水位上限，修正后的枯水年适宜生态水位下限作为适宜生态水位下限。

2.2 工程引、排水量计算

由于极低水位比高水位对河道生态系统破坏性更大，因此本文重点分析极低水位下工程调度情况。通州区主要依靠工程引水维持河道水位，闸泵维持常态化运行，工程调度灵活，故在调度过程中根据实际水位情况灵活选用计算时段，本研究认为低水位持续时间超过5 天，则按5 天内水位均值对工程调度进行调整，计算时段为候；若水位一直维持在较高水平，则按月均水位对工程调度进行调整，计算时段为月。计算采用的水位序列为实测数据，为河道外农业、工业取水后的水位，调整后仍可满足河道外用水需求，故可直接对河道水位进行调整，具体思路如下：

（3）将对比期实际最低水位与适宜生态水位上、下限对比，满足进一步判断对比期平均水位与适宜生态水位大小，若对比期平均水位满足则现状调度合理，若不满足，则需减少河道水量。

通州区地势平坦，河道比降为0，且水系连通，故以石港站水位代替通州区二、三、四级河道水位，根据通州区水利局提供河道断面资料，河道断面多为梯形，则需对工程调度进行调整的水量为：

式中：ΔWj为第j条河道需调整的水量；lj为第j河道的长度；bj为第j河道的河底宽；m为第j河道的坡度；h为该时段水位的平均值；ΔW为n条河道共需调整的水量，ΔW＜0表示需增加河道水量，ΔW＞0表示需减少河道水量，ΔW=0表示无需调整；n为河道总条数。

3 结果与分析

3.1 适宜生态水位确定

经统计，石港站水位年内最大变幅为2.29 m，最小变幅为1.18 m，平均年内变幅为1.57 m。水位年内变化为单峰分布，水位在1—5 月期间波动不大，呈缓慢上升的趋势，5—6 月水位略有下降，6—7 月水位上升，随后基本维持在较高水位，至11 月后水位逐步下降。根据统计，石港水位站高水位一般开始于7 月份，结束于10 月份；低水位一般开始于12 月份，结束于次年3 月份，其余月份为过渡期。

受降雨随机性变化影响，为避免水位波动过于频繁，需要对水位进行修正。适宜生态水位应不超警戒水位，结合Tennant 法对应的最佳范围，适宜生态水位不应超过1.99 m，为使逐月适宜生态水位变化过程线尽可能平滑，3 个水位管理期水位变幅不宜超过0.2 m，同时1 月与12 月适宜生态水位基本保持一致，综合得到高水位时期修正系数为0.855，过渡时期修正系数为0.895，低水位时期修正系数为0.905，水位管理期划分及适宜生态水位修正结果见表1。

表1 石港水位站适宜生态水位Tab.1 The suitable ecological water level of Shigang water level station

3.2 工程引、排水量调整研究

将石港站2001—2017 年最低水位及平均水位与适宜生态水位进行对比，年内半数月份最低水位位于适宜生态区间内，3—8 月最低水位低于适宜生态水位下限，而月均水位均高于适宜生态水位上限（图3），这表明工程现状调度方案无法使河道水位位于适宜生态水位内，应根据实际情况对工程调度进行调整。

（1）最低水位位于适宜生态水位区间内，月均水位高于上限的月份为1 月、2 月、9—12 月，该时段需减少河道水量，使河道水位降低至适宜生态水位区间内。以减少水资源及能源消耗为目标，相较于多排水，减少引水可降低能耗，因此以上时段以减少引水为主。

（2）最低水位低于适宜生态水位下限，月均水位高于上限的月份为3—8 月。进一步统计低于下限水位的持续时间，仅6 月中、下旬低于下限持续时间超过5 天，余下时段低于下限水位的持续时间均较短，则6 月中、下旬需增加河道水量，余下时段仍应减少工程引水量。

因此，除6 月中旬、6 月下旬需增加河道水量外，年内余下时段均应减少引水量。根据图3，6 月中、下旬以适宜生态水位下限作为目标水位，余下时段均以适宜生态水位上限作为目标水位，根据式（1）计算得到工程调度需调整的水量，计算结果见表2。

图3 2001—2017 年实测水位与适宜生态水位对比Fig.3 Comparison of the measured water level and the suitable ecological water level from 2001 to 2017

表2 工程需调整水量Tab.2 Adjusted water demand of the project

6 月中、下旬调整的水量为287.56 万m3、399.56 万m3，6 月中旬、6 月下旬均为作物需水量较大时段，在现状基础上增加河道水量较为合理，可通过增加引水以使河道水位达到适宜生态水位下限。余下时段均应减少工程引水量，根据前面分析结果可见，7—9 月既是引水高峰又为排水高峰，造成了水资源的浪费，7—9 月需减少的引水量最大，共1 181.07 万m3。年内工程共需减少引水量为6 064.11 万m3，增加引水量为687.12 万m3。

自2009 年实施一体化供水以来，通州区2009—2017 年河道内生态环境用水及河道外总用水量约为7.55 亿m3，而通州区多年平均水资源量为6.47 亿m3，年排水量为1.15 亿m3，引江水量中补给通州区的水量约6.43 亿m3，对调度水量进行调整后减少引水量0.61 亿m3，综合考虑引、排水量及本地水资源量仍能满足河道内及河道外用水需求，因而认为引排水的调整方案是合理的。

4 结语

（1）对多年日均水位进行处理，将通州区水位划分为3 个时期：高水位时期（7—10 月），适宜生态水位区间为1.77～1.99 m；过渡时期（4—6 月及11 月），适宜生态水位区间为1.54～1.95 m；低水位时期（12 月—次年3 月），适宜生态水位区间为1.46～1.77 m。

（2）以适宜生态水位区间作为工程调度目标，将2001—2017 年实际水位情况与水位目标进行对比，提出工程调度意见，6 月中旬及下旬需在现状基础上增加引水量，增加的水量分别为287.56 和399.56 万m3；1—6 月上旬、7—12 月应在现状引水基础上减少引水量，需减少引水总量6 064.11 万m3。

（3）在后续工作中，分析计算引、排水量时不仅要考虑河道内生态环境需水量，还应结合地区实际，将改善水环境质量所需的水流速度、流量等需求纳入计算范围，并对调度结果进行优化。在保障农业灌溉及水环境改善用水需求的前提下，基于水资源及能源节约考虑，如何通过闸泵进行生态调度，逐月、逐旬工程科学引水，仍需深入研究。