太子河生態用水調度方案研究

吳 鶴

(遼寧省觀音閣水庫管理局有限責任公司，遼寧 本溪 117100)

遼寧省是中國北方缺水省之一，人均水資源量僅占全國平均水平的1/3，是一個缺水地區[1]。由于水資源分布不均、開發利用不平衡、水污染水生態問題較為突出，從而導致河道生態水量不足。隨著區域經濟的突快發展，用水量逐漸增大，水庫等水利工程發揮了巨大作用，但是給河道生態也帶來了問題。水庫由于下泄生態水量不足，導致部分河段斷流或者干涸。當前，國內對水庫調節調度生態水還處于初級階段，普遍在理論研究與試驗模型階段[2- 14]，在實踐中缺少一定的實施。對于生態水量下泄的調度主要是通過管理部門行政手段開展，缺少管理機制與長效機制。在此基礎上，為維持河流基本生態需水量，著力確保旱季生態基本流量，對太子河進行生態用水調節研究。

1 歷次設計審批生態水量

觀音閣水庫和葠窩水庫的原始設計沒有下游河道生態和環境供水的任務。根據批準的《遼寧省觀音閣水庫輸水工程環境影響報告書》，以Tennant法，生態水力學法、最小月均徑流量法、維持河流水環境質量所需最小稀釋水量7q10法等來計算成果，結合本溪水洞國家風景名勝區和本溪市區的景觀效應分析，確定觀音閣水庫不同時段的生態基流量下泄，10—次年3月下泄生態基流量3.33m2/s和4—9月下泄生態基流量6.66m2/s。目前，只有觀音閣水庫有審批批復的生態流量。根據觀音閣水庫2015—2019年的實際運行數據，按照給水、發電、洗沙排水、汛期棄水及生態用水的原則，將水庫實際下泄下游河道流量進行了統計，見表1。

表1 觀音閣水庫實際下泄下游河道水量 單位：萬m3

由表1可以看出水庫5—9月份生態流量要求滿足較好，僅個別月份不滿足要求；而10—次年4月生態流量要求滿足較差。

2 生態需水量分析

在計算河流生態需水量時，應考慮生態環境功能，生態環境條件，水資源條件和開發利用程度，從而確定生態目標，選擇合理的方法。根據太子河的生態調查數據，鯉科和鰍科是觀音閣水庫下游的主要魚類，無水生態環境敏感目標。同時，由于人類活動影響，水資源開發利用較大，用水戶用水矛盾較大。綜合以上，生態水量應包括生態基流和魚類需水要求，最后計算控制斷面生態水量。

2.1 基本生態水量

太子河屬于北方河流，冬季的冰期較長。結合實際情況，在冰封期間無需排放生態水。如果冬季釋放，水將在冰面上短時間凍結，冰層下的流動空間狹窄，將導致整個河道無法完全通水，并且流動性差，流量達不到預期效果。因此，冬季11—次年2月的冰凍期將不考慮觀音閣水庫，葠窩水庫和湯河水庫的生態流量。在其他月份中，為了確保下游的基本生態用水，按每年年徑流量的10%排放。各控制斷面基本生態需水量見表2。

表2 基本生態需水量 單位：萬m3

2.2 適宜生態水量

在凍結期，適宜的生態流量與基本生態流量一致，冬季觀音閣水庫，伏窩水庫和塘河水庫在凍結期不考慮排放生態流量。根據調查，鯉科和鰍科是觀音閣水庫下游的主要魚類，產卵期大多為5—6月，產卵期一般為2個月左右。因此，適當增加產卵敏感期的水量，以滿足魚類產卵棲息地的需水量。為了避免對水庫原用水戶產生重大影響，魚類生態敏感期(5—6月中旬)的需水量按年平均流量的20%計算。經計算得到，葠窩水庫控制斷面13.86m3/s，湯河水庫控制斷面1.70m3/s。即劍窩水庫段的13.86m3/s和湯河水庫段的1.70m3/s。由于6、7、8月下旬處于汛期，因此排放的生態水按年平均流量的20%計算。在3、4、9、10月的剩余4個月中，為了確保下游的基本生態用水，排放量為年均徑流量的10%。各控制斷面的適宜生態需水量見表3。

表3 適宜生態需水量 單位：萬m3

2.3 水體自凈需水復核

根據基本和適宜的生態需水量，進一步復核水體的自凈能力。采用90%的最枯月平均流量作為設計流量，經過對徑流系列統計計算，觀音閣水庫、葠窩水庫、湯河水庫各控制斷面最枯月90%保證率平均流量分別為1.31、7.03、0.93m3/s。根據GB/T 25173—2010《水城納污能力計算規程》要求[15- 16]，有水利工程控制的河段，可采用最小下泄流量或生態基流作為設計流量。太子河觀音闊水庫以下至唐馬寨子斷已被水利工程控制，因此所選各斷面的下泄量均符合規范要求。

3 河流生態需水量確定

確定太子河生態需水量分為基本生態需水量、適宜生態需水量兩個層面。各斷面生態水量過程如圖1—3所示。由圖1—3可知，3個水庫控制斷面逐月平均生態水量過程線基本一致。

圖1 太子河觀音閣水庫壩址斷面逐月平均生態水量過程

圖2 太子河葠窩水庫壩址斷面逐月平均生態水量過程

圖3 太子河湯河水庫壩址斷面逐月平均生態水量過程

4 不同情景下生態用水調度方案

為了使生態供水調度方案更具可操作性，分析不同初始水位，不同典型年份徑流過程和不同控制水位對應的生態供水調度方案。

4.1 湯河水庫生態用水調度

目前，湯河水庫的年取水指標為23198萬m3。根據長系列徑流調節結果，湯河水庫多年的平均供水量為21900萬m3。不能滿足城市生活和工業用水的要求，水庫沒有多余的水量來供應穩定的生態環境水，但是當水庫水位較高并且有更多的進水時，可以適當地釋放以減少棄水。

4.2 葠窩水庫生態用水調度

4.2.1確定調節水位

對于葠窩水庫和觀音閣水庫，按先小后大、先下游后上游的原則。在運行計算中，采用葠窩水庫先補水，不足部分由觀音閣水庫補給的方式。在死水位和正常水位之間插入3個水位，以劃分水庫的興利庫容。3個水位分別為85.10、89.90、93.52m，相應的初始起調庫容分別為1.24億、2.30億、3.36億m3。目前，葠窩水庫為病險水庫，汛期限水位為81.2m。目前，可調節庫容5700萬m3。因此，僅選擇最低水位85.10m進行分析。

4.2.2選擇典型年份

葠窩水庫主要承擔著農業灌溉，因此水庫的入庫水量受到下游農業缺水和觀音閣水庫泄洪的極大影響。但是，雨季下游的農業缺水要求從觀音閣水庫釋放的水較少；干旱年份下游農業供水受到破壞，因此觀音閣水庫需釋放的水最少。在正常年份，下游的農業需水量最大，觀音閣水庫需要釋放水量最大。葠窩水庫豐、平、枯的入庫水量分別為15.14億、16.08億、 13.11億m3。

4.2.3供水任務

根據調查，葠窩水庫對城市生活和工業的直接供水量為4378萬m3，并據此計算供水量。同時承擔下游農業供水任務，不足部分由觀音閣水庫補給。

4.2.4生態供水方案

生態需水量分為兩個層次：基本生態需水量和適宜生態需水量，見表4。

表4 生態需水量 單位：萬m3

4.2.5結果分析

表5給出了85.10 m水位的調節計算結果。從表5可以看出，水庫汛期產生了大量的棄水，當需要農業用水時觀音閣水庫需要大量補水。因此，可以適當增加汛期的用水量，以減少棄水量，減少非汛期的生態釋放和觀音閣的補償流量。

表5 葠窩水庫生態供水方案成果 單位：萬m3

4.3 觀音閣水庫生態用水調度

4.3.1確定調節水位

對于葠窩水庫和觀音閣水庫，按先小后大、先下游后上游的原則。在運行計算中，采用葠窩水庫先補水，不足部分由觀音閣水庫補給的方式。在死水位和正常水位之間插入三個水位，以劃分水庫的興利庫容。3個水位分別為96.68、102.12、1068.18m，相應的初始起調庫容分別為3.83億、7.29億、10.75億m3。

4.3.2選擇典型年份

采用葠窩水庫與觀音閣水庫共同選取的三個典型年。觀音閣水庫豐、平、枯的入庫水量分別為10.75億、8.74億、6.98億m3。

4.3.3供水任務

根據調查，觀音閣水庫對城市生活與工業的直接供水量為9401萬m3，并據此計算供水量。同時承擔葠窩水庫補水以及下游農業灌溉供水任務。

4.3.4生態供水方案

生態需水量分為兩個層次：基本生態需水量和適宜生態需水量，見表6。

表6 生態需水量 單位：萬m3

4.3.5結果分析

從表7可以看出，觀音閣水庫的下泄生態水量大，滿足所有方案。尤其是在中高水位的豐水年，水庫可以減少生態水量下泄。

表7 觀音閣水庫生態供水方案成果 單位：萬m3

5 結語

通過太子河生態用水調度研究，提出的生態用水調度方案能夠指導觀音閣水庫、葠窩水庫及湯河水庫生態水的調度實際運行，對改善水生態和水文狀況具有重要作用。但是，太子河流域原用水戶較多，下游農業用水量較大，即使水庫排放了足夠的生態水，在枯水年份，農業灌溉可能會與生態水爭奪水，導致控制斷面生態水不足，在提出的生態用水調度方案中尚未考慮該因素。對于這些問題需要相關部門進行督導、協調等，才能保證河流生態用水。