基于水庫調節下沙河流域生態流量調度研究

王潤鈿，李澤君，黃本勝，邱 靜，胡 培

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635；2.河口水利技術國家地方聯合工程實驗室,廣州 510635)

1 概述

1.1 研究意義

生態流量是河湖生態系統保持結構與過程完整、生態系統服務功能穩定發揮所需要的水文要素[1]，是統籌生活用水、生態用水、生產用水，優化配置水資源的重要基礎[2]，也是控制流域水資源開發利用強度的重要指標之一[3-4]。黨的十九大報告提出，建設生態文明是中華民族永續發展的千年大計。保障河湖生態流量是推進河湖生態保護修復的基本要求，是生態文明建設的一項重要舉措，對于強化水資源剛性約束、促進流域高質量發展具有重要意義[5-7]。

沙河是東江中下游右岸的一級支流，屬于珠江三角洲地區，是惠州市博羅縣境內主要河流之一，是博羅縣生活、工農業生產的主要水源和排洪排澇的主要通道之一。隨著博羅縣經濟社會的快速發展，沙河流域用水需求持續增加、水資源供需矛盾加劇，尤其在枯水期、農灌高峰期等特殊時段，河道內生態流量保障尤為重要。

為維系和改善河流生態環境，需在沙河流域內開展生態流量考核、管理斷面設置，并開展調度研究，作為流域水量調度的重要參考[8]，以確保河流健康，促進經濟社會的高質量發展。

1.2 區域概況

沙河流域集雨面積為1 020 km2，全長為85.1 km，干流平均坡降為0.81‰，共有18條一級支流或排渠，流域多年平均降雨量約為2 000 mm，多年平均徑流深為1 100 mm，多年平均徑流量為10.2億m3，平均流量為32.34 m3/s。

沙河流域內有1座大(Ⅱ)型水庫，為顯崗水庫；5座小(Ⅰ)型水庫，分別為平山水庫、糧坑水庫、大洞水庫、石坑水庫和石峽水庫；26座小(Ⅱ)型水庫。水庫總控制面積為407 km2，總庫容為26 527萬m3。顯崗水庫是沙河干流上游的骨干工程，起著重要的調蓄作用，屬于年調節水庫，水庫控制集雨面積為295 km2，是以防洪、灌溉為主，兼顧發電、養殖等綜合利用的大(Ⅱ)型水利工程;水庫校核洪水位為28.01 m(珠基，下同)，相應總庫容為14 065萬m3；設計洪水位為27.30 m，相應庫容為12 555萬m3；正常蓄水位為24.00 m，相應庫容為6 875萬m3；死水位為15.55 m，相應庫容為226萬m3；水庫興利庫容為6 649萬m3，設計灌溉面積為0.77萬hm2，主要有配套的雞心嶺和白勘角兩處的攔河渠首閘工程(見圖1)。

圖1 沙河流域水系及主要水利工程示意

1.3 流域生態敏感區

沙河流域中下游無自然保護區、無水產種質資源保護區等生態敏感區。僅長寧水支流最上游涉及到惠州羅浮山省級自然保護區。

2 生態流量保障目標

2.1 生態流量控制斷面的選取

沙河的干流上游有大型水庫顯崗水庫，下游有雞心嶺水閘和白堪角水閘，流經湖鎮鎮、龍華鎮等地，支流長寧水、福田河上游沒有控制性工程且集雨面積較小，白堪角水閘為沙河流域的控制性節點，其過閘流量能夠較大程度的代表流域中下流的生態流量保障情況，根據生態流量控制斷面選取原則，綜合考慮沙河流域生態保護與水量調度管理要求，選取在干流上的白堪角水閘(閘下)為生態流量考核斷面，斷面流量數據可利用水閘觀測獲取，并通過顯崗水庫、雞心領水閘、白堪角水閘等骨干水利工程調度控制，以達到保障沙河的生態流量的目的。

此外，選取顯崗水庫(壩下)為生態流量管理斷面，以保障沙河的河流健康和白堪角水閘斷面生態基流具有重要意義。

2.2 生態流量計算方法

本文采用Qp法與Tennant法(取10%比例)計算，結合流域實際情況確定生態基流[9-11]。

由于沙河流域目前沒有長序列流量觀測資料，因而采用沙河流域附近博羅雨量站1956—2016年降雨系列資料推算沙河流域平均降雨序列，再基于徑流系數和控制斷面集雨面積推求控制斷面年徑流量，以年徑流量的10%作為生態基流平均分配至12個月，剩余部分徑流量則以逐月降雨量比例進行年內分配，進而得到逐月徑流量。計算公式如下。

年徑流量：

Q年=P年×A×α

(1)

年基流量：

Q基=Q年×10%

(2)

第i月徑流量：

Qi=Q基/12+Ki×(Q年-Q基)

(3)

式中：

α——降雨-徑流系數；

A——集水面積；

Ki——第i月的降水量占全年降水量比例，Ki=Pi/P年。

沙河流域中下游無自然保護區、無水產種質資源保護區等生態敏感區，不考慮敏感生態流量，故本次生態流量目標只考慮生態基流的計算。

2.3 生態流量控制目標

沙河流域枯水期河流生態需水以維持河道基流、保護河道內魚類生存空間為主。因此，沙河流域主要控制斷面生態流量控制目標根據Qp法與Tennant法(取10%比例)兩種方案計算結果的外包值來確定，即白堪角水閘(閘下)生態流量控制目標為2.5 m3/s，顯崗水庫(壩下)生態流量目標為1.0 m3/s(結果見表1)。

表1 各斷面生態基流計算結果 m3/s

3 生態流量設計保證率

根據《水利部辦公廳關于做好2020年重點河湖生態流量保障目標確定工作的通知》等文件要求[12-13]，生態流量設計保證率應不低于90%～95%，根據沙河的水資源條件、結合流域水量調度管理要求，本次選擇90%作為沙河流域生態流量的設計保證率，即一個水文年內控制斷面生態流量達標天數占比90%以上。

3.1 典型年

根據生態流量控制斷面生態流量目標和水庫運行調度規程，結合流域河道外用水需求，對P=50%、75%、90%、95% 4個典型來水頻率下控制斷面流量進行計算，分析不同來水頻率條件下控制斷面生態流量保證率。

由于沙河流域暫無長序列流量觀測資料，因此本方案基于降雨資料進行枯水期排頻，并結合全年來水條件選取典型年。最終選取50%、75%、90%、95%典型年分別為：1981—1982年為50%典型年，1990—1991年為75%典型年，1962—1963年為90%典型年，1979—1980年為95%典型年。

3.2 天然徑流量計算

考慮到1958—1959年上良站逐日流量數據與沙河流域水文特性較為貼合(汛期短時間內降水集中、強度大，流量變化強烈；非汛期降雨少、流量低)，代表性較高。本次采用1958—1959年年型，通過水文比擬法，根據集雨面積推算各斷面逐日天然徑流過程，再根據降雨量推算其他典型年逐日天然徑流過程(結果見表2)。

表2 各斷面典型年枯水期天然徑流量 m3/s

3.3 生態流量保證率

天然徑流情況下，顯崗水庫來多少水量則下泄多少水量，水庫內取水在水庫中解決，不納入計算；水庫上下游取水量則在天然徑流中進行扣除。

白堪角水閘至顯崗水庫壩下共有4個取水戶，合計許可水量為3.8萬m3/d；顯崗水庫內共有3個取水戶，合計許可水量為62.66萬m3/d；顯崗水庫上游共有2個取水戶，合計許可水量為1.54萬m3/d。

根據以上計算原則對各典型年白堪角水閘(閘下)斷面流量保證率進行計算，結果見表3，在天然徑流條件下，顯崗水庫(壩下)斷面各典型年全年破壞天數分別為0 d、17 d、71 d及85 d，保證率分別為100%、95.3%、80.5%、76.7%，可見天然徑流條件下，顯崗水庫(壩下)斷面在枯水年份(P=90%)及特枯水年份(P=95%)生態流量保證率不達標；白堪角水閘(閘下)斷面各典型年全年破壞天數分別為0 d、17 d、71 d及85 d，保證率分別為100%、95.3%、80.5%、76.7%，即白堪角水閘(閘下)斷面枯水年份(P=90%)及特枯水年份(P=95%)生態流量保證率不達標。

表3 各斷面典型年天然生態流量保證率

4 生態流量調度計算

沙河流域在天然徑流條件下白堪角水閘(閘下)斷面枯水年份(P=90%)及特枯水年份(P=95%)生態流量保證率均不達標。實際上顯崗水庫具有年調節特性，下游水量受水庫運行調度影響，因此需要開展調度計算。

4.1 調度范圍與對象

本次沙河流域生態流量調度范圍為白堪角水閘(閘下)斷面上游，集雨面積764 km2。調度對象為主要為顯崗水庫、白堪角水閘、雞心嶺水閘，其余水庫均為小型水庫，調蓄能力較弱，暫不納入調度范圍。

4.2 調度模型

本次沙河流域生態流量調度主要依靠顯崗水庫。在常規調度模擬情況下，水庫調度模型基于不同頻率來水條件，在水量平衡約束和水庫特征水位約束等狀態條件下，迭代更新水庫水位、庫容變化情況，并計算得出水庫出庫流量。先對沙河流域顯崗水庫進行調節計算，再結合區間來水和河道外用水情況，求得生態流量控制斷面來水過程，調度模型示意見圖2。

圖2 沙河流域水庫調度及控制斷面示意

4.3 調度規則

顯崗水庫在4月1日至6月30日，防洪限制水位為23.00 m，相應庫容為5 502萬m3；7月1日至7月31日，防洪限制水位為23.50 m，相應庫容為 6 180萬m3；8月1日至翌年3月31日，防洪限制水位為24.00 m，相應庫容為6 875萬m3。非汛期水庫一般應盡可能維持高水位運行，提高水能利用率。因此，當水庫水位低于防洪限制水位時按近10 a最低出庫流量(1.0 m3/s)進行泄水；當水庫水位達到防洪限制水位時，來多少水量則下泄多少水量。

4.4 調度計算結果

1) 常規調度

根據以上常規調度規則，并結合區間來水量及取水量，對各典型年白堪角水閘(閘下)斷面生態流量保證率進行計算。水庫起調水位采用近10 a統計的4月份平均水位22.07 m，對應庫容為4 320萬m3。計算結果見表4，顯崗水庫常規調度條件下，白堪角水閘(閘下)斷面各典型年全年破壞天數分別為0 d、17 d、75 d及85 d，保證率分別為100%、95.3%、79.5%、76.7%，即白堪角水閘(閘下)斷面枯水年份(P=90%)及特枯水年份(P=95%)生態流量保證率仍不達標。

表4 顯崗水庫按最低1.0 m3/s流量下泄后白堪角水閘斷面典型年生態流量保證率

2) 優化調度

常規調度情況下白堪角水閘(閘下)斷面生態流量保證率無法達到要求，因此需要開展優化調度，利用水庫的調節庫容，適當降低蓄水水位，加大顯崗水庫出庫流量。經過一個水文年調節計算后，白堪角水閘(閘下)斷面生態流量保證率有所提高(見表5)。

表5 調度后典型年白堪角水閘斷面生態流量保證率統計

P=50%來水年在正常取水條件下經過常規調度后，白堪角水閘(閘下)斷面生態流量保證率能達到100%，無需進行優化調度，顯崗水庫按常規調度規則運行。

P=75%來水年在正常取水及常規調度條件下，白堪角水閘(閘下)斷面破壞天數為17 d。經優化調度后，破壞天數為10 d，生態流量保證率達標。此時顯崗水庫補水流量為1.47m3/s。因水庫河道外取水量較大，在不到一個水文年期間，顯崗水庫水位降至死庫容226萬m3，說明偏枯水年水庫優化調度在保證白堪角水閘(閘下)斷面生態流量保證率達標的情況下，對水庫供水造成一定影響影響。

P=90%來水年在正常取水及常規調度條件下，白堪角水閘(閘下)斷面破壞天數為75 d。經優化調度后，破壞天數為35 d，生態流量保證率達標。此時顯崗水庫補水流量為1.92 m3/s，水位降至死庫容226萬m3，說明枯水年水庫優化調度在保證白堪角水閘(閘下)斷面生態流量保證率達標的情況下，對水庫供水造成一定影響影響。

P=95%來水年在正常取水及常規調度條件下，白堪角水閘(閘下)斷面破壞天數為85 d。經優化調度后，破壞天數為44 d，生態流量保證率不達標。此時顯崗水庫補水流量為2.07 m3/s，水位降至死庫容226萬m3，說明特枯水年即使顯崗水庫進行優化調度，白堪角水閘(閘下)斷面生態流量保證率仍不達標，同時對水庫供水造成一定影響。

5 生態流量調度方案

為進一步提高白堪角水閘(閘下)斷面生態流量保證率，需對沙河流域內水利工程、取用水戶等制定生態流量調度方案，具體方案如下。

1) 來水頻率P<90%年份調度方案

預報10月—翌年4月來水頻率P<90%時，啟動平水、偏枯水年份調度方案，顯崗水庫以常規調度為主。在枯季，白堪角水閘(閘下)斷面能滿足生態流量用水需求時，顯崗水庫按照現行調度規則運行；常規調度不能滿足生態流量用水需求時，由顯崗水庫在優先保障生活用水的基礎上，適當減少農業灌溉取水，并按照白堪角水閘(閘下)斷面所需補水量(P=50%時為1 m3/s，P=75%時為1.47 m3/s)向下游補水，保障生態流量。

2) 來水頻率P=90%年份調度方案

預報10月—翌年4月來水頻率P=90%時，啟動枯水年份調度方案。在后汛期及汛后通過調蓄洪水資源，盡量增加水庫有效蓄水量為供水期調度提供充足的調度水量。在枯季，白堪角水閘(閘下)斷面能滿足生態流量用水需求時，顯崗水庫按照現行調度規則運行；常規調度不能滿足生態流量用水需求時，由顯崗水庫在優先保障生活用水的基礎上按照白堪角水閘(閘下)斷面所需補水量(1.92 m3/s)向下游補水，保障生態流量。干流攔河閘(白堪角水閘與雞心嶺水閘)在實施生態流量調度期間(除去水位調蓄時間段)需要將水位控制在正常水位以內，按來多少放多少進行運行調度。

3) 來水頻率P>90%年份調度方案

預報10月—次年4月來水頻率P>90%時，啟動特枯年份調度方案。在后汛期及汛后通過調蓄洪水資源，盡量增加水庫有效蓄水量為供水期調度提供充足的調度水量。在枯季，白堪角水閘(閘下)斷面能滿足生態流量用水需求時，顯崗水庫按照現行調度規則運行；常規調度不能滿足生態流量用水需求時，由顯崗水庫在優先保障生活用水的基礎上按照白堪角水閘(閘下)斷面所需補水量(2.07 m3/s)向下游補水，保障生態流量。同時，為減少水文不確定性等因素帶來的風險，流域采取節水措施，并適當壓減用水量，盡量保證控制斷面日均下泄流量不低于管理目標，采取節水和限制取水措施后仍無法滿足斷面生態流量要求時，允許破壞。干流攔河閘在實施生態流量調度期間(除去水位調蓄時間段)需要將水位控制在正常水位以內，按來多少放多少進行運行調度。

6 結語

本文綜合流域上下游生態保護用水需求，依據生態流量控制斷面選取原則，確定沙河流域生態流量保障考核斷面為白堪角水閘(閘下)，管理斷面為顯崗水庫(壩下)。并按照生態流量計算規程選擇Qp法與Tennant法兩種方案確定顯崗水庫(壩下)、白堪角水閘(閘下)生態流量保障目標、調度管理目標分別為1.0 m3/s、2.5 m3/s。同時按照相關文件要求，確定沙河流域生態流量保證率為90%。

天然徑流及顯崗水庫常規運行條件下，白堪角水閘(閘下)斷面枯水年份及特枯水年份生態流量保證率均不達標，因此需開展優化調度，加大顯崗水庫下泄流量。當來水頻率P<90%且白堪角水閘(閘下)斷面不能滿足生態流量用水時，按照所需補水量(P=50%時為1 m3/s，P=75%時為1.47 m3/s)向下游補水；當來水頻率P≥90%且白堪角水閘(閘下)斷面不能滿足生態流量用水時，由顯崗水庫在優先保障生活用水的基礎上按照白堪角水閘(閘下)斷面所需補水量(P=90%時為1.92 m3/s，P=95%時為2.07 m3/s)向下游補水，流域內需采取節水措施，并適當減少用水量，保障白堪角水閘斷面生態流量。