基于生态流量保障的青山水库调度方案研究

李强伟，黄扬程，徐竞喆，张 巍

（1. 水利部农村电气化研究所，浙江 杭州 310012；2. 水利部农村水电工程技术研究中心，浙江 杭州 310012；3. 诸暨市水利局，浙江 诸暨 311800）

0 引 言

早年建设的水库等水利工程，因受当时经济社会条件和开发理念等因素制约，规划设计时过度追求供水、灌溉和发电等兴利效益，较少考虑工程拦河筑坝（闸）对河流健康状态的影响，造成部分河段减脱水，影响了河流连通性和水生生物生境［1］。《中华人民共和国水法》明确规定：开发、利用水资源，应当首先满足城乡生活用水，并兼顾农业、工业、生态环境用水以及航运需求。生态环境用水以法的形式纳入到水资源开发利用之中；《中华人民共和国长江保护法》明确规定：长江流域水资源保护与利用，应当根据流域综合规划，优先满足城乡居民生活用水，保障基本生态用水，并统筹农业、工业用水以及航运等需要。长江流域高质量发展对水资源开发利用中生态用水提出了更高的要求。

目前，综合利用水库调度方案中很少将生态用水单独作为用水需求进行考虑，即使考虑了，也未明确生态用水次序，容易与生活、灌溉等用水产生矛盾。高雪山等［2］研究了基于生态流量保障的水库综合调度方案编制，明确了生态用水次序，但确定供水防破坏线和生态流量防破坏线时未考虑天然来水情况，导致水位线物理意义不明确。雍婷等［3］研究了基于生态流量要求的调度图优化，提出了生态库容和水库调度的优化算法，但研究只给出了计算调度的结果，无实际调度策略，尚无法直接指导水库运行调度。

因此，开展基于生态流量保障的水库调度方案研究以指导综合利用水库日常运行调度是必要和迫切的。本文以长江流域浙江省诸暨市的青山水库为例，绘制基于生态流量保障的水库调度图，以期对流域内其他综合利用水库调度方案编制提供有益的借鉴。

1 生态流量计算研究

1.1 生态流量计算方法

国内外学者已提出了上百种河流生态流量核定的计算方法。按照计算原理可分为：水文学法、水力学法、栖息地法、整体分析法4 大类［4-7］；其中水文学方法因所需数据少、使用方便，是目前最为广泛使用的一种方法。本文采用水文学方法中的Tennant 法核定生态流量［8-9］。

Tennant 法一般以多年平均流量的百分比作为生态流核定值，未考虑天然径流节律变化。丰水期、枯水期都采用统一计算基准，而不是对应时段的多年平均流量，这种核定方法对丰水期影响不大。但对于枯水期，由于综合利用水库还要承担生活供水、灌溉等兴利功能，生态流量值相较于同时段天然来水比值较大，且占用一定的兴利库容，容易造成用水矛盾。因此，有必要对水库入库径流资料进行分析，明确水文年（由丰水期起至枯水期讫的连续12 个月）的丰水期和枯水期，采用相应时段的多年平均流量的一定百分比作为生态流量核定值。本文采用刘赛艳等［10］提出的累计距平法，基于长系列水文资料，将工程所在流域水文年划分为丰水期和枯水期，然后以此为计算基准分别核定不同时段对应的生态流量。

1.2 累计距平法

设某水库工程长系列入库径流序列为｛Qi（Δt）｝（i =1，2，…，m*n），Δt 代表单位时段时长，一般取月或旬；m 代表每个水文年单位时段的个数，一般取12 或24；n 代表长系列径流资料的年数，一般至少要求30 a；Qi（Δt）代表长系列径流数据按照时间顺序排列后（从第一年的1 月份或1 月上旬开始），第i 个单位时段的平均流量。假定T0为水文年的起始时段，以长系列径流数据第一年的T0开始，以m 为间隔，对径流序列进行截取；若T0为1 月或1 月上旬，则可以得到n 个水文年的径流过程，若T0为其他日期，则可以得到n-1 个水文年径流过程；对得到的水文年按照时间顺序排列，第k（k =1，2，…，N/（N = n 或（n-1））个水文年的年径流平均值为Qk，逐时段（一个水文年有m 个时段）径流量为Qlk（l = 1，2，…，m），逐时段径流量累计距平为Slk（l =1，2，…，m），累计距平的和指数为t+k，各代表式计算关系如下：

则对长系列径流资料，以不同的T0作为水文年起始时段，可得到m 个累计距平的平均和指数计算公式如下：

水文年从丰水期开始至枯水期结束，若假定的水文年起始日期T0是合理的，那么Slk～τ的关系曲线应该是一个完整的递增阶段和一个完整的递减阶段，递增阶段对应丰水期，递减阶段对应枯水期。若要出现完整的递增和递减阶段，则只有在关系曲线取得最大值或最小值时，即当取得最大值对应的即为丰水期的起始日期；当取得最小值对应的即为枯水期的开始，一个水文年中至之间为丰水期，其余时段为枯水期。

2 青山水库调度方案研究

2.1 工程背景

青山水库位于浙江省诸暨市浦阳江支流渎溪江流域，坝址以上集水面积50 km2，正常蓄水位和防洪限制水位均为76.16 m，死水位59.66 m，兴利库容813.0 万m3，具备年调节性能。工程以防洪、供水为主，结合灌溉、发电等综合利用功能。青山水库供水保证率为95%，灌溉为季节性灌溉（5 ～10月），灌溉用水一般以电站尾水的方式进入灌渠，以提高水资源利用率，获得季节性电能。

2.2 生态流量计算

青山水库有1965—2014 年连续50 a 的逐月入库径流数据资料，以月为单位时段，采用累计距平法计算，渎溪江流域关系曲线如下所示（见图1）。可以看出，当T0取为3 月时，得最大值，取为8 月时得最小值，即渎溪江流域的丰水期为3 月至7 月，枯水期为8 月至次年2 月。以3 月为水文年的起始日期，计算多年月平均流量的逐月径流累计距平指数曲线（见图2）。可以看出，逐月径流累计距平指数有完整的递增和递减段，且在7 月末出现最大值，也验证了8 月为枯水期的开始日期。

选用Tennant 法，以多年平均径流量的10%作为青山水库生态流量计算标准。考虑天然径流丰水期和枯水期变化，分别选取对应时段的多年平均径流量作为生态流量计算基准，青山水库各月生态流量核定值如下（见表1）。

表1丰水期和枯水期生态流量核定值

2.3 生态调度方案制定

水库生态调度方案核心在于明确各用水部门用水次序，然后绘制调度图指导水库调度运行。因浙江省属于长江经济带省份，故引用《中华人民共和国长江保护法》相关规定，结合青山水库兴利功能，明确青山水库须优先满足生活供水，在保障生态用水的基础上，满足灌溉和发电用水需求。

选用青山水库1965—2014 年连续50 a 的逐月实测入库径流资料，采用设计代表年法，选取入库径流接近95%保证率的3 个年份作为设计代表年。设计代表年入库径流修正后作为来水过程，以供水、生态需水、灌溉（发电）、蒸发（渗漏）为用水过程，逆时序调节计算，得到控制性水位过程线，绘制青山水库基于生态流量保障的调度图。

2.3.1 保证供水线和限制供水线确定

青山水库首先要保证生活供水，故单独以生活供水为用水过程，设计代表年净来水量（净来水量=修正后入库净流量-蒸发（渗漏））为来水过程，以2 月末死水位59.66 m 作为起调水位线，逆时序调节计算，得到上包线和下包线；上包线即为保证供水线，下包线为限制供水线。

保证供水线与限制供水线之间为保障生活供水区，即设计保证率以内的年份水位落在此区域内，暂停其他需水部门供水，优先保证正常生活供水；限制供水线与死水位之间为限制供水区，即水位落在此区域，暂停其他需水部门供水的同时，降低生活供水比例。

2.3.2 生态流量保障线

生态流量的供水优先级仅次于生活供水，按照与生活供水同等的保证率，以生活供水和生态流量为用水过程，再次逆时序调节计算，取上包线作为生态流量保障线；取上包线作为生态流量保障线，考虑到了上包线对应的是较枯月份对应的水位，即在优先满足生活供水的前提下，保障了枯水时段生态流量的需求，符合实际情况。

生态流量保障线和保证供水线之间为生态流量保障区，水位位于此区间，生态流量须足额连续泄放，保障下游生态需水。

2.3.3 限制灌溉线

青山水库兼顾灌溉功能，因灌溉为次要供水任务，灌溉保障率远小于生活供水保证率，即在生活供水保障率的来水条件下，灌溉用水是允许破坏的，允许破坏深度一般为正常灌溉需水的40% ～60%，本文取60%。即以正常生活供水、生态需水、破坏后的灌溉需水为用水过程，再次逆时序调节，取上包线作为限制灌溉线；取上包线作为限制灌溉线原因同生态流量保障线取用规则，要确保枯水月份的灌溉需水。

限制灌溉线与生态流量保障线之间为限制灌溉区，水位位于此区间，应按照正常灌溉需水的0.6倍供水，生态流量和生活用水正常供应。

因限制灌溉线是按照95%保证率来水条件下，折减灌溉用水调节水量所得，因此限制灌溉线与正常蓄水位（防洪限制水位）之间的区域为正常供水区，即水位位于此区间，各用水部门均可正常供水，若有需要，可以适当加大生活供水量，但灌溉供水需参考水文预报，及时调节灌溉供水比例，在预测来水较枯的月份，仍需要对灌溉用水进行削减，避免生活供水和生态流量遭到破坏（见图3）。

3 结 论

（1）采用累计距平法对长系列水文资料进行分析，确定生态流量控制断面水文年的丰、枯水期；采用Tennant 法取对应时段的年平均径流量为基准计算生态流量，更符合水文节律。

（2）以青山水库为例，引用《中华人民共和国长江保护法》相关规定，明确了青山水库优先满足生活供水，在保障生态需水的基础上，满足灌溉和发电用水的用水次序。

（3）在调度图中明确了丰、枯水期间的保障生态流量线和生态流量保障区，保障了枯水时段生态流量的需求，这对水库调度方案中如何保障生态流量具有指导意义。

（4）采用Tennant 法计算生态流量，丰、库水期均采用多年平均流量的10%，未考虑不同时期河流的实际生态需水情况，有待进一步研究。