雨源型河流生态流量计算与管控措施分析

于子波，张 丽，姚航斌，万东辉

(1.深圳市智慧水务综合智慧调度和保障中心，广东 深圳 518017；2.珠江水利委员会珠江水利科学研究院， 广州 510610)

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(水位)及其过程[1-2]。李原园等结合新时期新要求，明晰了生态流量确定的思路，提出了生态流量分区分类确定的准则[3-4]；林育青等围绕新时期河湖生态流量管控，阐述了当前生态流量保障的重点内容，提出了生态流量保障工作的难点问题[5]；苏训等结合珠江水资源特点及开发利用特点，阐述了珠江流域河湖生态流量目标制定、河湖生态流量保障研究及实践等[6]；孟帆等梳理了广东省保障生态流量等方面的主要工作及成效，明确了广东省生态流量保障工作的重点和方向[7]。作为水资源开发和优化调配、河湖生态修复等的基本依据之一，河湖生态流量管控对于生态文明建设和维护水安全具有重要意义。

深圳市河流为典型的雨源型河流，河流自身产流能力较差，生态基流不足，河流纳污能力和稀释自净能力低，无法满足城市水系休闲景观用水和维护水生物生存基本条件要求。深圳市作为中国特色社会主义先行示范区，其可持续发展先锋战略要求打造碧水蓝天的生态空间，而建立生态流量管控体系是实现碧水蓝天生态空间的重要手段之一，因此，有必要开展深圳市河流生态流量计算与管控研究，以实现经济发展与生态环境双提升。

生态流量确定应以明确河流生态保护的目标和要求为出发点，因此，针对不同区类河流的特征以及生态保护目标和经济社会用水需求因地制宜确定生态流量具有重要意义。本文通过分析深圳市河流生态流量存在的问题，在已有生态流量计算方法的基础上，以大沙河为例计算河流生态流量，研究确定适用于深圳市雨源型河流生态流量的计算方法，并提出生态流量管控措施，为深圳市河流生态保护提供科学指导。

1 研究区域概况

1.1 河流水系及生态流量存在的问题

深圳市河流水系以海岸山脉和羊台山为分水岭，按照河流的位置、流向，分为珠江三角洲水系、东江中下游水系、粤东沿海水系三大水系。以深圳市本土流域面积大于100 km2的河流为主线，划分为深圳河、茅洲河、观澜河、龙岗河、坪山河五大流域，以及深圳湾水系、珠江口水系、大鹏湾水系、大亚湾水系四大水系[8]。深圳市河流大多为比较短小的雨源型河流，径流受降雨影响明显，河流生态流量主要存在以下3方面的问题。

1) 河流自身流量匮乏。深圳市河流短小流急，自净能力低，河流生态基流保障程度不高；再加上降雨时空分布不均，枯季普遍存在生态基流匮乏问题，部分河流枯季基本断流，生态基流难以保证，且深圳市本地水库库容普遍较小，调蓄能力不足，缺乏清洁水源补给。

2) 现状生态基流不足。除部分山区河流有少量基流外，深圳市多数河流枯季基本没有生态基流，部分河流由污水处理厂尾水补充，河流生态基流的缺乏，不仅使其无法满足城市水系休闲景观用水和维护水生物生存基本条件要求，还进一步威胁水生生物栖息地。

3) 河流生态流量尚未系统确定。深圳市河流涵盖有山区河段、平原河段及感潮河段，不同河流根据水文气候特征、水资源禀赋条件和生态保护对象等要求，对生态流量时段、过程及总量的要求各不相同。目前深圳市河流补水主要考虑水环境容量需求、景观需求，尚未根据河流特征、定位等系统考虑确定河流生态流量。

大沙河纵贯深圳市南山区，上游多为山区地带，下游多为滩地和滨海平原，属于典型的雨源型河流。本文以大沙河为例，开展适用于雨源型河流的生态流量研究。

1.2 大沙河概况

大沙河位于深圳市西南部，发源于羊台山，流域面积为92.63 km2，约占南山区总面积的1/2，全长为18.8 km，其中干流河长为13.7 km，感潮河段长为3.6 km。大沙河流域内建有2座水库，分别为西丽水库和长岭皮水库，两座水库库区有渠道相连。其中西丽水库集雨面积为29 km2，总库容为3 238.81万m3；长岭皮水库集雨面积为9.93 km2，总库容为1 754万m3。大沙河具有流程较长、河面较宽的特点，属于典型的雨源型河流，其河道内流量随降雨陡涨陡落。

2 生态流量计算方法

目前国内外已有200多种生态流量计算方法，主要可归纳为水文学法、水力学法、生境模拟法和整体分析法，各种计算方法均有各自的适应条件，不同的分析方法适用于不同的河流[9-10]。根据深圳市河流特点，现阶段深圳市河流生态保护目标以维持河流基本形态、基本栖息地、基本自净能力等为主[11-12]；根据生态流量计算方法的特点，本文拟采用Tennant法[13-14]、Qp法[15]、近10 a最枯月平均流量法[15]、年内展布法[17]、湿周法[18-19]开展深圳市雨源型河流生态流量计算方法适用性研究。

2.1 Tennant法

Tennant法是在考虑保护鱼类、野生动物、休闲和有关环境资源的河流流量状况下，按照年平均流量的百分数来推荐河流基流。Tennant法根据流量级别及其对生态的有利程度，将河流生态需水量确定为不同的级别，从“极差”到“最大”共8个级别，并针对不同级别推荐了河流生态用水流量占多年平均流量的百分比，不同流量百分比对应河道内生态环境状况见表1所示。

表1 Tennant法不同流量百分比对应河道内生态环境状况

2.2 Qp法

Qp法是基于长系列最枯月平均流量进行P-Ⅲ线型排频计算，选择90%和95%频率下的最枯月平均流量作为生态流量。Qp法适用于水资源量小，且开发利用程度已经较高的河流。

2.3 近10 a最枯月平均流量法

近10 a最枯月平均流量法以10 a中的最小流量或径流量为基础，作为生态流量的最小值。近10 a最枯月平均流量法适用于缺乏长系列水文资料河流。

2.4 年内展布法

年内展布法以各月最小流量为基础，根据时间序列内的天然月均径流量，获得同期均值比，将多年月均径流量与同期均值比的乘积作为生态流量值。计算公式如下：

qmin(j)=min(qij)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：

qmin(j)——第j月的最小月均流量，m3/s；

qij——第i年第j月的月均流量，m3/s；

η——同期均值比；

qjs——第j月的最小生态流量，m3/s。

2.5 湿周法

湿周法是假设水面以下湿润河床为水生生物栖居的主要生境，将湿周作为衡量水生生境质量的指标。其基于河流实测断面及水位、流量等水力参数，以曼宁公式计算不同流量对应的湿周，并点绘流量与湿周关系曲线，将关系曲线拐点对应的流量作为河流生态流量。

3 大沙河生态流量计算与保障

3.1 生态流量控制断面选取

现状大沙河建设有2处补水设施工程，分布在大沙河干流西丽净化水厂下游和沙头河支流汇入口处(见图1)。其中西丽净化水厂为净化水厂尾水，设计补水水量为5.0万m3/d(折合流量约为0.57 m3/s)；沙头河支流汇入口为海水补水，补水水量为10.0万m3/d(折合流量约为1.14 m3/s)。

图1 大沙河生态流量断面及补水设施工程分布示意

根据大沙河流域水系及流域内水利工程、补水设施分布情况，结合生态流量主要控制断面选取的原则，选取西丽水质净化厂下游(西丽桥断面)以及海水泵站补水上游-北环大道(北环桥断面)作为大沙河生态流量控制断面(见图1)。西丽桥断面承接长岭皮水库、西丽水库及西丽水质净化厂尾水，且位于支流长岭皮河汇入口下游；北环桥断面位于海水泵站补水点上游(海水补水量能满足大沙河河口生态需求)，承接上游来水。

a 西丽桥断面

3.2 生态流量计算结果分析

根据采用的生态流量计算方法及大沙河生态流量控制断面，计算大沙河生态流量。湿周法拟合结果见图2所示，大沙河西丽桥、北环桥断面不同生态流量方法的计算结果汇总见表2和表3，计算方法结果对比情况见图3所示。

a 西丽桥断面

表2 基于不同生态流量计算方法的大沙河生态流量控制断面计算结果

表3 基于年内展布法的大沙河生态流量控制断面计算结果

分析不同生态流量计算方法得到的控制断面生态流量，结果表明：

1) 年内展布法不适用于雨源型河流

年内展布法计算结果是根据多年平均月流量的比例进行换算，而大沙河属于雨源型河流，汛期河道内流量受暴雨影响明显，暴雨过后河道内流量较小，难以达到该法计算的生态流量目标。

2) 近10 a最枯月平均流量法、Qp法对补水后的大沙河适用性不强

其次，中华门城堡城墙上上下下的旅游项目十分丰富——游客既可以在箭场射箭，也可以在书店小憩；喜欢军事的还可以在藏兵洞探险，在城墙上观赏名目多样的攻城守城用具；如果运气好的话，还可以看到石锁表演。当然，如果游客对城墙文化了解不多的话，可以雇个导游好好为其讲解一番。

西丽桥、北环桥断面近10 a最枯月平均流量法生态流量计算结果分别为0.04 m3/s、0.05 m3/s。西丽桥、北环桥断面Qp法90%和95%设计频率下的生态流量计算结果分别为0.19 m3/s、 0.08 m3/s和0.22 m3/s、0.09 m3/s。两者生态流量计算结果均偏小，适用于丰枯变化剧烈、工程调控能力弱的河流。而大沙河自建设补水工程后，河道内流量已远大于该法生态流量计算结果。

3) Tennant法和湿周法更适应于大沙河现状

西丽桥断面Tennant法生态环境状况为差时，枯期、汛期生态流量均为0.19 m3/s；生态环境状况为中时，枯期、汛期生态流量分别为0.19 m3/s、0.57 m3/s；生态环境状况为好时，枯期、汛期生态流量分别为0.38 m3/s、0.76 m3/s。北环桥断面Tennant法生态环境状况为差枯期、汛期生态流量均为0.24 m3/s；生态环境状况为中时，枯期、汛期生态流量分别为0.24 m3/s、0.72 m3/s；生态环境状况为好时，枯期、汛期生态流量分别为0.48 m3/s、0.95 m3/s；西丽桥、北环桥断面湿周法生态流量计算结果分别为0.22 m3/s、0.33 m3/s。

湿周法由河流断面水力参数推求，其计算结果充分考虑河流断面生境情况，能满足大沙河基本生态需求，因此，其计算结果可作为大沙河的生态基流。

根据大沙河实际补水数据可知，实际补水流量约为0.25～0.55 m3/s，已基本满足大沙河生态基流。因此，选取Tennant法生态环境状况为中和好计算结果作为大沙河生态流量最为合适，该值不仅满足河流基本生态需求，还能促进大沙河生态环境状况改善，助推大沙河成为“水清岸绿，鱼翔浅底”的城市幸福河。

3.3 生态流量管控措施

3.3.1不同来水保证率调度规则

1) 预报10月—翌年3月来水频率P<90%时调度方案

2) 预报10月—翌年3月来水频率P≥90%时调度方案

一是启动特枯来水年份调度方案。长岭皮、西丽水库实施动态调度，合理安排水库汛期调度以及优化当年枯水期调度。枯水期对西丽桥断面、北环桥断面的流量进行目标控制。西丽桥断面和北环桥断面按先长岭皮水库后西丽水库顺序进行动态调度。

二是受水区加大节水力度，适当压减用水。在优先保障生活用水的基础上，先限制工业用水，必要时限制生活用水，工业、生活用水破坏深度原则上均不超过30%。

3.3.2常规调度管理

1) 年度生态流量调度方案制订程序

年度生态流量调度方案结合大沙河流域年度水量调度计划进行编制。市水务局于每年调度期开始前，开展本年度流域水情预测，会同市深圳河湾流域管理中心制订大沙河流域年度水量调度计划(生态流量调度方案)，下达至相关水工程管理单位执行。

2) 年度生态调度计划和实时调度指令相结合

根据控制断面预报来水、水库蓄水情况、流域用水需求等因素，每周对年度或关键调度期取水计划、水库下泄流量要求进行动态调整、滚动修正。当控制断面发生预警时，应加密雨水情预测，做好实时滚动方案，长岭皮、西丽等水库按实时调度指令增加下泄流量。

4 结语

本文选取大沙河为典型河流，开展了关于雨源型河流生态流量计算方法适用性研究，为深圳市其他雨源型河流的生态流量确定及保障工作奠定基础，得到结论如下：

1) 结合大沙河补水设施工程现状及水利工程情况，湿周法计算结果能满足河流基本生态需求，而Tennant法生态环境状况为中和好的计算结果更有利于大沙河的环境改善和可持续发展。

2) 为保证大沙河生态基流，应采取不同来水保证率调度、常规调度管理等管控措施，以此来保证河流水生态系统健康可持续发展。