沿海平原河网适宜生态配水量分析

盛海峰，周 芬，田传冲

（浙江省水利水电勘测设计院有限责任公司，浙江 杭州 310002）

1 问题的提出

近年来，为全面贯彻习近平总书记的生态文明思想和关于治水工作的重要论述精神，水利部以维护生态系统功能为目标，要求科学确定生态流量，严格生态流量管理，强化生态流量监测预警。但当前已开展的生态流量试点工作主要针对流域主要控制断面，鲜有针对平原河网的分析研究。

沿海地区是中国经济相对发达的地区，沿海城市是区域政治、经济、文化中心和人口的集聚区，但也是自然资源相对匮乏的区域。以浙江省为例，沿海平原土地面积仅占全省土地面积的15%，但人口占全省的50%，国内生产总值占全省的70%。传统粗放的经济发展方式带来的污染物排放量大，而平原河道固有坡降小、水体流动性差的特点，且水资源、水环境容量等自然资源和属性也并没有随着经济、人口的集聚而转移，导致沿海地区水资源禀赋条件和区域经济社会格局极不匹配，沿海平原地区的经济和人口总量超过本地水资源水环境的承载能力，沿海平原水资源供需矛盾日益突出、河网水生态环境持续恶化。

在当前现有经济产业结构、社会人居条件、入河污染物收集处理能力和水环境治理措施条件下，向河网生态配水是增加水体流动性、改善河网水环境、维持河网生态稳定最直接有效的措施，也是最常采用的措施之一。本文以浙江省沿海萧绍宁平原为例，探索提出沿海平原适宜生态配水量的分析方法。

2 分析方法

2.1 河湖生态环境需水量计算方法

针对流域或河道控制断面的生态环境需水量研究相对较多，形成了相对成熟的计算方法，主要可概括为水文学法、水力学法、整体分析法和栖息地法等[1]，SL/T 712—2021《河湖生态环境需水计算规范》[2]等相关规程规范也对各计算方法进行了整理说明。其中水文学方法是以河流水文数据为基础，由水文指标直接获取历史流量中年天然径流量的百分数作为河流生态需水量的推荐值，最常用的方法有Tennant法、近10 a最枯月流量法、QP法、流量历时曲线法、7Q10法等；水力学法是把流量变化与河道的各种水力几何学参数联系起来的求解生态需水的方法，常用的方法有湿周法、R2Cross法等。

2.2 平原河网生态配水量计算方法

当前，以改善河网水生态环境为目标的平原河网生态配水需求强烈，全国各地已实施较多的河网引配水工程。引江济太生态调水工程于2002年1月30日正式启动，工程实施为成功化解2003—2005年连续干旱、2003年黄浦江重大燃油污染事故、2007年无锡供水危机等发挥了重要支撑作用；杭州市引水入城工程包括西湖引配水工程、运河三堡引水工程和钱塘江引水入城工程，分别于2003年、2007年和2009年建成通水；浙东引水工程于2014年6月进入常态化运行，通过钱塘江向浙东地区多年平均年引水量8.9亿m3。类似工程的实施，不仅显著增加区域河网水体流动、改善河网水环境，更保障区域工农业用水，并提高防汛调度的灵活性，综合效益显著。

平原河网生态配水需求不同于流域控制断面的生态流量（水量），也不同于湖泊的生态水量（水位），更加注重平原河网水体的流动性。本文借鉴流域控制断面生态流量分析方法，提出平原河网生态需水可细分为基本生态需水和目标生态需水。其中基本生态需水侧重于维持平原河网的最小容积或最低水面面积所需要的水量，可采用Tennant法和水量平衡法估算水量，并认为其保障程度不应低于城镇生活供水；目标生态需水则是在基本生态需水的基础上，进一步分析促进河网水体流动、改善河网水环境所需水量，可采用目标流速法和换水频次法估算水量，不必设定保证率要求，视配水水源条件尽量满足需求即可。平原河网生态需水量分析方法见图1。

图1 平原河网生态需水量分析方法图

2.2.1 Tennant法

Tennant法是基于流量和河流生态状况的经验方法，常用于控制断面生态流量确定，对应河道内生态状况一般的经验取值为多年平均天然流量的10%~30%。沿海平原河网往往有沿江（海）外排闸门控制，洪涝期开闸排涝，非洪涝期关闸蓄水。将平原河网概化成整体，所有排涝出口作为一个控制断面，利用Tennant法计算基本生态流量。

2.2.2 水量平衡法

通过分析平原河网各水量输入、输出项的平衡关系，用水量平衡方法计算。

式 （1）中：Wi为日基本生态需水量，m3；n为典型年的天数，d；F为河网最小容积时对应的水面面积，m2；Ei为水面日蒸发量，mm；Pi为日降雨量，mm；Gi为河网日渗漏补给水量，m3；Wi用为用水户日取水量，m3/d。

水量平衡分析采用典型年法，即根据平原降雨量选取90%保证率的典型年进行河网逐日的水量平衡分析，考虑遭遇90%保证率时为维持河网最小容积而限制其他一般用水户从河网取水，即Wi用为0，河网的水量损失只有水面蒸发和河网渗漏补给水量。若当日的降雨量能够平衡河网蒸发和渗漏水量，则当日不需要补水，反之需要补水以维持河网的最小容积水量，即为当日的基本生态配水量。

2.2.3 目标流速法

平原河网由于坡降小，沿江（海）口门长期关闸蓄水导致水体流动性差。提高水体流速有利于水体的复氧过程，增强水体自净能力，改善河网水环境。国内学者关于流速与藻类生长、水质的响应关系开展了一系列的研究。廖平安等[3]以北京筒子河为例，通过模拟实验研究发现，流速从0.05 m/s增加到0.20 m/s时，流速的增大对藻类生长具有抑制作用；王利利[4]以嘉陵江为例，通过实验模拟研究分析得到在0.08~0.14 m/s存在临界流速，当河流流速大于此临界流速时，藻类含量随着流速的增大而减小；焦世珺等[5]以三峡库区某水库水为样本，通过实验模拟分析得到三峡库区下游低速河道水华爆发的临界流速为0.05 m/s；蒋文清[6]通过藻类生长实验研究表明，水体发生水华的流速临界值在0.08~0.10 m/s；莫祖澜等[7]以太湖流域嘉兴城区内河道为例，通过实验模拟监测，分析不同流速（0.05 m/s、0.10 m/s、0.20 m/s）下总氮、氨氮、总磷及溶解氧的变化情况，确定控制流速在0.10 m/s以内为城区河流的最佳流速；朱红伟等[8]通过水槽实验和理论研究水动力条件对水体自净作用的影响，发现水流流速是影响水体自净作用的主要因素之一，水深则对水体自净作用并不明显，但当流速超过一个临界值使得底泥再悬浮发生时，水体自净作用在短时间内会急剧降低；闫少锋等[9]基于汉北河2个典型断面的鱼类调查资料与长时间序列实测数据（水深、流量、断面等），认为最小生态流速为0.10 m/s。

参考已有成果，结合浙江沿海平原河网实际情况，建议通过引配水使平原河网骨干河道达到的适宜目标流速为0.05~0.10 m/s，实际配水调度可以根据河网水系格局和改善效果进行轮流配水，利用建立的整体河网水动力学模型计算达到拟定的目标流速所需的配水流量作为目标生态配水流量。

2.2.4 换水频次法

换水频次法是针对河网地区多年来河湖配水实践总结的经验方法。平原河网/（湖）年配水量的计算公式为：

式（2）中：T为年换水频次，次/a；W河网容积为湖泊河网正常水位以下蓄水量，亿m3；W环境配水为河湖年补水量，亿m3。

年换水频次过多或过少都会对水生态环境产生不利影响。换水频次过少，易导致污染物在水体中不断累积，不利于河湖水生态环境改善；换水频次过多，不利于水生生物的生长，影响河湖水生态系统的稳定。通过调查发现，各地已实施的引调水工程换水频次也不尽相同；配水水源条件相对较好的区域换水频次相对较多，而河网容积越大的区域往往换水频次越少。如浙江西湖配水工程年引水量1.3亿m3，依靠引水使西湖水体换水频次约为9.3 次/a；钱塘江引水入城工程设计引水流量25 m3/s，年引水量3.9亿m3，依靠引水使运西片水体换水频次为6.0 次/a；浙东引水工程多年平均引水量8.9亿m3，依靠引水使浙东平原河网换水频次约为1.6 次/a；宁波市区河网引配水工程每年向市区河网总的可配水量为1.9亿~4.3亿m3，依靠引水使平原河网换水频次为2.8~6.4 次 /a。

平原河网的换水频次T应根据河网容积W河网容积、本地年均径流量W年均径流量（包括平原区净雨和汇水到平原的山区径流量之和）综合确定。W河网容积与W年均径流量的比值越大，说明自身径流补给条件较差，则通过配水进行换水频次也可相对较少，W河网容积与W年均径流量的比值越小，则通过配水进行换水频次可相对较多。结合上述浙江省已有调水工程实际，提出平原河网通过引配水实现的换水频次平均不应超过6.0次/a，并进一步提出换水频次的经验参考公式：

3 分析案例

浙江省萧绍宁平原位于钱塘江右岸、杭州湾南岸，涉及杭州市、宁波市和绍兴市，区域总面积8 300 km2。本研究将萧绍宁平原分为萧山平原片、绍兴平原片、虞余慈北部平原片和宁波市区三江平原片（见图2），根据各片平原水源条件和水系格局拟定配水格局（见图3）。

图2 萧绍宁平原分片位置示意图

图3 萧绍宁平原配水线路示意图

各片平原的特征参数及配水水源见表1[10]。

表1 萧绍宁平原河网特征值及配水水源表

根据上述沿海平原河网生态配水量需求分析方法和计算公式，计算各片平原河网的基本生态需水和目标生态配水量（见表2）。

表2 萧绍宁平原河网生态配水量需求分析成果表

计算过程需要注意的是，基本生态需水采用水量平衡法和Tennant法（仅考虑平原区径流量的10%），计算值均为水量；目标生态配水中目标流速法计算值为流量，转换成水量时可以考虑结合本地降水量确定实际需配水天数再转换成年配水量，表中成果按照年均需配水考虑。

4 结 语

根据浙江沿海平原河网的特点，提出采用Tennant法和水量平衡法、目标流速法和换水频次法相结合分别计算平原河网的基本生态需水和目标生态需水，并以浙江省沿海平原为例提出水量平衡法和换水频次法的经验公式，类似地区开展河网生态配水分析可以结合实际情况借鉴优化，并最终结合配水水源可配水量综合确定工程配水规模和适配水量。