鳳山水庫(kù)工程生態(tài)調(diào)度探索

馮慧娟 李建玲 王喆 李丹

1 概 況

1.1 工程基本情況

鳳山水庫(kù)位于貴州省黔南州福泉市重安江干流上游河段。水庫(kù)總庫(kù)容1.04 億m3，死水位868 m，正常蓄水位909 m。水庫(kù)多年平均供水量為7 310萬(wàn)m3，為多年調(diào)節(jié)水庫(kù)。工程任務(wù)以城鄉(xiāng)生活、工業(yè)供水為主，兼顧發(fā)電等綜合利用。

1.2 研究河段水生生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查及代表性魚類生態(tài)習(xí)性

根據(jù)對(duì)鳳山水庫(kù)所在重安江干流河段及部分支流水生生態(tài)現(xiàn)狀調(diào)查及歷史資料收集，該區(qū)域分布有34 種魚類，隸屬于4 目8 科27 屬，以鯉形目為主，其次為鲇形目。產(chǎn)黏性卵魚類是調(diào)查水域最主要類群，多在卵石、礫石、砂質(zhì)或巖縫間隙等底質(zhì)中產(chǎn)卵。

調(diào)查水域，鲇、黃顙魚、白甲魚、大眼鱖等魚類具有重要種質(zhì)資源價(jià)值和漁業(yè)資源價(jià)值。其中，鲇、黃顙魚、白甲魚繁殖季節(jié)為4—6 月，大眼鱖繁殖季節(jié)為3—4 月。

魚類產(chǎn)卵需一定流速刺激，研究河段魚類產(chǎn)卵流速一般不小于0.2 m/s，水深一般不小于0.5 m，水溫不低于18～20 ℃。

2 鳳山水庫(kù)下游減水河段一維河道模型構(gòu)建

采用一維非恒定流水動(dòng)力模型HEC-RAS，模擬研究河段不同水文過(guò)程下流速、水深過(guò)程。與研究河段重要魚類種質(zhì)資源產(chǎn)卵期的棲息生境條件耦合，推薦適合魚類產(chǎn)卵期生態(tài)調(diào)度過(guò)程，以滿足魚類產(chǎn)卵需求。

2.1 控制方程

鳳山水庫(kù)下游減水河段模型為河道一維非恒定水流模擬，主要基于連續(xù)方程與運(yùn)行方程進(jìn)行迭代計(jì)算，通過(guò)河道上游流量、下游水位確定水位變化過(guò)程。主要計(jì)算公式如下。

式中B——河流橫斷面寬度，m；

z——河流水位， m；

Q——河流流量， m3/s；

t——時(shí)間，s；

x——河流斷面縱向間距，m；

q——單位河長(zhǎng)流入或流出的流量，m2/s；

u——流速，m/s；

ρ——水的密度，kg/m3；

f——單位質(zhì)量力，m/s2；

p——壓強(qiáng)，Pa；

ν——運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)，m2/s。

2.2 模型構(gòu)建

本次模擬河段為重安江干流鳳山水庫(kù)壩址斷面至羊昌河斷面，河道總長(zhǎng)約22.85 km。選取阿里堡河口上游斷面（壩下6 km）、三江口斷面（壩下10 km）、豆腐橋斷面（壩下14 km）、鴨爪壩斷面（壩下15 km）、羊昌河斷面（壩下22 km）5 個(gè)典型斷面進(jìn)行模擬，各典型斷面位置分布如圖1 所示。

圖1 各典型斷面位置分布圖

采用一維非恒定流水動(dòng)力模型HEC-RAS 計(jì)算典型水文過(guò)程。各斷面地形剖面由現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)獲得，模型上邊界為流量邊界，下邊界為水位邊界。

2.3 模型率定

提取模型計(jì)算結(jié)果，對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，調(diào)整糙率值，使得模擬值最大限度接近實(shí)測(cè)值，最終河道糙率系數(shù)取0.036～0.040，鳳山水庫(kù)主體設(shè)計(jì)河道糙率基本一致。對(duì)比模擬與實(shí)測(cè)值，鳳山水庫(kù)壩址斷面水位流量曲線關(guān)系模擬值與實(shí)測(cè)值擬合效果較好，如圖2 所示。

圖2 壩址斷面水位流量曲線關(guān)系擬合效果

3 生態(tài)流量的確定

根據(jù)生態(tài)環(huán)境部批復(fù)的鳳山水庫(kù)工程環(huán)境影響報(bào)告書，明確不同水期生態(tài)流量泄放要求。

3.1 生態(tài)流量計(jì)算方法

3.1.1 水文學(xué)法

根據(jù)Tennant 法，水庫(kù)壩址斷面最小生態(tài)流量為多年平均流量的10%，即0.681 m3/s。

根據(jù)最枯月平均徑流法，水庫(kù)壩址斷面最小生態(tài)流量為90%保證率最枯月平均流量，即1.43 m3/s。

3.1.2 水力學(xué)法

通過(guò)5 個(gè)斷面特征水文參數(shù)變化論證減水河段所需最小生態(tài)流量。考慮多年平均流量條件下的壩下區(qū)間支流匯入，以壩址下泄多年平均流量的10%、15%、20%、30%、35%、50%、100% 以及90%最枯月平均流量的生態(tài)基流計(jì)算水力參數(shù)，結(jié)合水位流量關(guān)系曲線確定斷面相應(yīng)的水面寬度、平均流速、平均水深、濕周等，與魚類棲息生境要求對(duì)比分析。

3.2 維持河流水環(huán)境功能的用水量確定

3.2.1 90%最枯月流量

枯水期（10 月—翌年3 月）最低下泄流量為壩址斷面90%保證率最枯月平均流量，即1.43 m3/s，豐水期（4—9 月）最低下泄流量為30%壩址多年平均流量，即為 2.04 m3/s。

3.2.2 保障下游水環(huán)境自凈需水流量

采用穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型，將鳳山水庫(kù)壩址至鳳山橋邊國(guó)控?cái)嗝孀鳛檎w單元，按規(guī)劃水平年2030 年區(qū)域水資源利用、水污染防治條件下的退水及污染負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，得到鳳山水庫(kù)保障下游水環(huán)境納污能力的下泄流量為1.82 m3/s。

3.3 下泄流量綜合分析

綜合考慮生態(tài)需水、水環(huán)境自凈需水，取最大值為各時(shí)段生態(tài)流量推薦值。鳳山水庫(kù)壩下重安江干流主要斷面不同計(jì)算方法計(jì)算及推薦生態(tài)流量見(jiàn)表1。

表1 重安江下游關(guān)鍵斷面生態(tài)基本流量 m3/s

鳳山水庫(kù)壩址斷面枯水期（10 月—翌年3 月）最低下泄流量為1.82 m3/s，占多年平均流量的27%，在豐水期（4—9 月）最低下泄流量為30%壩址多年平均流量，即為2.04 m3/s；在4—5 月，根據(jù)下游魚類產(chǎn)卵需求進(jìn)行人造脈沖過(guò)程。

4 生態(tài)調(diào)度方案

4.1 生態(tài)調(diào)度初步方案

4.1.1 典型過(guò)程選擇

根據(jù)1958—2014 年間4—5 月最大日流量資料，采用水文排頻法，選取20%頻率最大日流量（P=20%）14.45 m3/s 作為生態(tài)調(diào)度方案峰值流量。

4.1.1.1 3 d 典型過(guò)程選擇

生態(tài)調(diào)度初步計(jì)算以天然狀態(tài)下典型水文過(guò)程為主。首先篩選1958—2014 年間4、5 月份中，洪峰流量大于14.45 m3/s 的小洪水水文過(guò)程。選取1974 年 5 月 、 1960 年 5 月 、 1982 年 4 月 連 續(xù) 3 d 流量過(guò)程為典型水文過(guò)程，分別設(shè)置為典型過(guò)程1、2、3。見(jiàn)表2。

表2 鳳山水庫(kù)生態(tài)調(diào)度典型3 d水文過(guò)程

4.1.1.2 其他典型過(guò)程選擇

3 d 過(guò)程小洪水需水量較少，通過(guò)庫(kù)區(qū)調(diào)蓄可實(shí)現(xiàn)，主要適用于枯水年。對(duì)于平水年和豐水年來(lái)水較為充沛，可適當(dāng)延長(zhǎng)生態(tài)調(diào)度時(shí)間，或加大生態(tài)流量泄放。本次選取1982 年4 月5 日流量過(guò)程、2002 年5 月7 日流量過(guò)程為其他典型水文過(guò)程，分別設(shè)置為典型過(guò)程4、5，以研究水量充沛年份的生態(tài)調(diào)度過(guò)程。

4.1.2 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)模擬天然小洪水過(guò)程，得出不同水文條件下研究河段流速、水深，分析是否滿足魚類產(chǎn)卵需求。

4.1.2.1 流速

典型水文過(guò)程1 各斷面3 d 流速范圍0.24～3.49 m/s，均滿足魚類產(chǎn)卵流速要求。

典型水文過(guò)程2 各斷面3 d 流速范圍0.25～3.48 m/s，均滿足魚類產(chǎn)卵流速要求。

典型水文過(guò)程3 各斷面3 d 流速范圍0.20～3.49 m/s，均滿足魚類產(chǎn)卵流速要求。

典型水文過(guò)程4 各斷面5 d 流速范圍0.17～10.19 m/s。斷面2、斷面5 部分時(shí)間不滿足魚類產(chǎn)卵流速要求。

典型水文過(guò)程5 各斷面7 d 流速范圍0.13～12.49 m/s。斷面2、斷面5 部分?jǐn)?shù)據(jù)不滿足魚類產(chǎn)卵流速要求。

4.1.2.2 水深

典型水文過(guò)程1 各斷面3 d 水深范圍0.258～3.633 m，除斷面4 外其他斷面滿足魚類產(chǎn)卵水深要求。

典型水文過(guò)程2 各斷面3 d 水深范圍0.422～3.788 m，除斷面4 外其他斷面滿足魚類產(chǎn)卵水深要求。

典型水文過(guò)程3 各斷面3 d 水深范圍0.169～3.839 m，除斷面4 外其他斷面均滿足魚類產(chǎn)卵水深要求。

典型水文過(guò)程4 各斷面5 d 水深范圍0.152～3.841 m，除斷面4 外其他斷面均滿足魚類產(chǎn)卵水深要求。

典型水文過(guò)程5 各斷面7 d 水深范圍0.114～4.133 m，除斷面4 外其他斷面均滿足魚類產(chǎn)卵水深要求。

4.2 生態(tài)調(diào)度推薦方案

4.2.1 推薦水文過(guò)程

結(jié)合天然狀態(tài)典型水文過(guò)程分析結(jié)果，設(shè)計(jì)生態(tài)調(diào)度推薦水文過(guò)程。對(duì)于典型水文過(guò)程，滿足魚類習(xí)性指標(biāo)的最小日流量為11.21 m3/s，以此作為生態(tài)調(diào)度水文過(guò)程的最小值；典型過(guò)程中的4 個(gè)峰值流量均滿足魚類習(xí)性指標(biāo)，分別為17.63、16.72、15.48、15.27 m3/s，選取其中偏大的3 個(gè)洪峰值以此作為7、5、3 d 的洪峰流量；水文過(guò)程中其他流量則以天然水量為主。調(diào)整后的生態(tài)調(diào)度推薦過(guò)程（如圖3 所示）具體如下。

圖3 鳳山水庫(kù)生態(tài)調(diào)度推薦水文過(guò)程曲線

推薦過(guò)程1：生態(tài)調(diào)度時(shí)長(zhǎng)持續(xù)3 d，峰值流量15.48 m3/s，相應(yīng)水量 327.47 萬(wàn) m3，適用于枯水年等來(lái)水量較少的情況。

推薦過(guò)程2：生態(tài)調(diào)度時(shí)長(zhǎng)持續(xù)5 d，峰值流量16.72 m3/s，相應(yīng)水量 543.28 萬(wàn) m3，主要適用于平水年等來(lái)水量一般的情況。

推薦過(guò)程3：生態(tài)調(diào)度時(shí)長(zhǎng)持續(xù)7 d，峰值流量17.63 m3/s，相應(yīng)水量 791.16 萬(wàn) m3，主要適用于豐水年等來(lái)水量較充沛的情況。

4.2.2 推薦過(guò)程1

推薦水文過(guò)程1 各斷面3 d 流速及水深計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。各斷面流速在0.26～3.49 m/s，均滿足流速0.2 m/s 要求。各斷面水深在0.523～3.756 m，均滿足水深0.5 m 要求。見(jiàn)表3。

表3 推薦水文過(guò)程1各斷面3 d流速及水深計(jì)算結(jié)果

4.2.3 推薦過(guò)程2

推薦水文過(guò)程2 各斷面5 d 流速及水深計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。各斷面流速在0.24～3.53 m/s，均滿足流速0.2 m/s 要求。各斷面水深在0.523～4.213 m，均滿足水深0.5 m 要求。

表4 推薦水文過(guò)程2各斷面5 d流速計(jì)算結(jié)果

4.2.4 推薦過(guò)程3

推薦水文過(guò)程3 各斷面7 d 流速計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。各斷面流速在0.24～3.53 m/s，均滿足流速0.2 m/s要求。各斷面水深在0.523～4.463 m，均滿足水深0.5 m 要求。

表5 推薦水文過(guò)程3各斷面7 d流速計(jì)算結(jié)果

5 生態(tài)調(diào)度運(yùn)行管理

生態(tài)調(diào)度主要是采用人造洪水脈沖的方式來(lái)營(yíng)造近自然的水文過(guò)程，保障下游水生生物產(chǎn)卵期水文需求。鳳山水庫(kù)應(yīng)優(yōu)先滿足生活用水和下游河道生態(tài)用水，其次滿足工業(yè)用水，多余水量用于發(fā)電。水庫(kù)全年下泄流量不低于1.82 m3/s，4—9月下泄流量不低于2.04 m3/s。

5.1 生態(tài)調(diào)度與庫(kù)容水位關(guān)系

圖4 為鳳山水庫(kù)生態(tài)優(yōu)化后的運(yùn)行調(diào)度圖。當(dāng)庫(kù)區(qū)水位在Ⅰ級(jí)區(qū)域時(shí)來(lái)水量較少，僅保證生態(tài)基流與生活供水，該工況可通過(guò)水庫(kù)年調(diào)節(jié)能力避免；當(dāng)庫(kù)區(qū)水位在Ⅱ級(jí)區(qū)域時(shí)，滿足Ⅰ區(qū)供水前提下，可滿足3 d 生態(tài)調(diào)度用水量；當(dāng)庫(kù)區(qū)水位在Ⅲ級(jí)區(qū)域時(shí)，可額外滿足發(fā)電用水需求以及一定工業(yè)用水；當(dāng)庫(kù)區(qū)水位在Ⅳ級(jí)區(qū)域時(shí)，為庫(kù)區(qū)正常蓄水位，生態(tài)流量、生態(tài)調(diào)度、發(fā)電用水、工業(yè)用水均能滿足，多余水量下泄可用于加大生態(tài)用水以及其他供水，在4—5 月可根據(jù)水庫(kù)水位和來(lái)水進(jìn)行5 d 和7 d 的生態(tài)調(diào)度。

圖4 鳳山水庫(kù)生態(tài)優(yōu)化后的供水調(diào)度與庫(kù)區(qū)水位關(guān)系

5.2 生態(tài)調(diào)度運(yùn)行管理

本次生態(tài)調(diào)度分為3 個(gè)推薦過(guò)程，分別如下。

推薦過(guò)程1：生態(tài)調(diào)度時(shí)長(zhǎng)持續(xù)3 d，峰值流量15.48 m3/s，相應(yīng)水量為 327.47 萬(wàn) m3，主要適用于枯水年來(lái)水量較少的情況。

推薦過(guò)程2：生態(tài)調(diào)度時(shí)長(zhǎng)持續(xù)5 d，峰值流量16.72 m3/s，相應(yīng)水量為 543.28 萬(wàn) m3，主要適用于平水年來(lái)水量一般的情況。

推薦過(guò)程3：生態(tài)調(diào)度時(shí)長(zhǎng)持續(xù)7 d，峰值流量17.63 m3/s，相應(yīng)水量為 791.16 萬(wàn) m3，主要適用于豐水年來(lái)水量較充沛的情況。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文采用數(shù)值模擬方法探索鳳山水庫(kù)生態(tài)流量及生態(tài)調(diào)度方案。基于河流水動(dòng)力模型HECRAS，建立鳳山水庫(kù)下游減水河段模型，結(jié)合壩址斷面水位流量曲線進(jìn)行參數(shù)率定和模型驗(yàn)證。結(jié)合天然水文過(guò)程提出生態(tài)流量調(diào)度初步方案，經(jīng)生境指標(biāo)比對(duì)和方案優(yōu)化，得出鳳山水庫(kù)生態(tài)調(diào)度推薦方案。根據(jù)枯水年、平水年、豐水年來(lái)水條件，分別實(shí)施3、5、7 d 生態(tài)調(diào)度，相應(yīng)峰值分別為15.48、16.72、17.63 m3/s，相應(yīng)水量分別為327.47萬(wàn)、543.28 萬(wàn)、791.16 萬(wàn) m3。