基于水库调节下沙河流域生态流量调度研究

王润钿，李泽君，黄本胜，邱 静，胡 培

(1.广东省水利水电科学研究院，广州 510635；2.河口水利技术国家地方联合工程实验室,广州 510635)

1 概述

1.1 研究意义

生态流量是河湖生态系统保持结构与过程完整、生态系统服务功能稳定发挥所需要的水文要素[1]，是统筹生活用水、生态用水、生产用水，优化配置水资源的重要基础[2]，也是控制流域水资源开发利用强度的重要指标之一[3-4]。党的十九大报告提出，建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计。保障河湖生态流量是推进河湖生态保护修复的基本要求，是生态文明建设的一项重要举措，对于强化水资源刚性约束、促进流域高质量发展具有重要意义[5-7]。

沙河是东江中下游右岸的一级支流，属于珠江三角洲地区，是惠州市博罗县境内主要河流之一，是博罗县生活、工农业生产的主要水源和排洪排涝的主要通道之一。随着博罗县经济社会的快速发展，沙河流域用水需求持续增加、水资源供需矛盾加剧，尤其在枯水期、农灌高峰期等特殊时段，河道内生态流量保障尤为重要。

为维系和改善河流生态环境，需在沙河流域内开展生态流量考核、管理断面设置，并开展调度研究，作为流域水量调度的重要参考[8]，以确保河流健康，促进经济社会的高质量发展。

1.2 区域概况

沙河流域集雨面积为1 020 km2，全长为85.1 km，干流平均坡降为0.81‰，共有18条一级支流或排渠，流域多年平均降雨量约为2 000 mm，多年平均径流深为1 100 mm，多年平均径流量为10.2亿m3，平均流量为32.34 m3/s。

沙河流域内有1座大(Ⅱ)型水库，为显岗水库；5座小(Ⅰ)型水库，分别为平山水库、粮坑水库、大洞水库、石坑水库和石峡水库；26座小(Ⅱ)型水库。水库总控制面积为407 km2，总库容为26 527万m3。显岗水库是沙河干流上游的骨干工程，起着重要的调蓄作用，属于年调节水库，水库控制集雨面积为295 km2，是以防洪、灌溉为主，兼顾发电、养殖等综合利用的大(Ⅱ)型水利工程;水库校核洪水位为28.01 m(珠基，下同)，相应总库容为14 065万m3；设计洪水位为27.30 m，相应库容为12 555万m3；正常蓄水位为24.00 m，相应库容为6 875万m3；死水位为15.55 m，相应库容为226万m3；水库兴利库容为6 649万m3，设计灌溉面积为0.77万hm2，主要有配套的鸡心岭和白勘角两处的拦河渠首闸工程(见图1)。

图1 沙河流域水系及主要水利工程示意

1.3 流域生态敏感区

沙河流域中下游无自然保护区、无水产种质资源保护区等生态敏感区。仅长宁水支流最上游涉及到惠州罗浮山省级自然保护区。

2 生态流量保障目标

2.1 生态流量控制断面的选取

沙河的干流上游有大型水库显岗水库，下游有鸡心岭水闸和白堪角水闸，流经湖镇镇、龙华镇等地，支流长宁水、福田河上游没有控制性工程且集雨面积较小，白堪角水闸为沙河流域的控制性节点，其过闸流量能够较大程度的代表流域中下流的生态流量保障情况，根据生态流量控制断面选取原则，综合考虑沙河流域生态保护与水量调度管理要求，选取在干流上的白堪角水闸(闸下)为生态流量考核断面，断面流量数据可利用水闸观测获取，并通过显岗水库、鸡心领水闸、白堪角水闸等骨干水利工程调度控制，以达到保障沙河的生态流量的目的。

此外，选取显岗水库(坝下)为生态流量管理断面，以保障沙河的河流健康和白堪角水闸断面生态基流具有重要意义。

2.2 生态流量计算方法

本文采用Qp法与Tennant法(取10%比例)计算，结合流域实际情况确定生态基流[9-11]。

由于沙河流域目前没有长序列流量观测资料，因而采用沙河流域附近博罗雨量站1956—2016年降雨系列资料推算沙河流域平均降雨序列，再基于径流系数和控制断面集雨面积推求控制断面年径流量，以年径流量的10%作为生态基流平均分配至12个月，剩余部分径流量则以逐月降雨量比例进行年内分配，进而得到逐月径流量。计算公式如下。

年径流量：

Q年=P年×A×α

(1)

年基流量：

Q基=Q年×10%

(2)

第i月径流量：

Qi=Q基/12+Ki×(Q年-Q基)

(3)

式中：

α——降雨-径流系数；

A——集水面积；

Ki——第i月的降水量占全年降水量比例，Ki=Pi/P年。

沙河流域中下游无自然保护区、无水产种质资源保护区等生态敏感区，不考虑敏感生态流量，故本次生态流量目标只考虑生态基流的计算。

2.3 生态流量控制目标

沙河流域枯水期河流生态需水以维持河道基流、保护河道内鱼类生存空间为主。因此，沙河流域主要控制断面生态流量控制目标根据Qp法与Tennant法(取10%比例)两种方案计算结果的外包值来确定，即白堪角水闸(闸下)生态流量控制目标为2.5 m3/s，显岗水库(坝下)生态流量目标为1.0 m3/s(结果见表1)。

表1 各断面生态基流计算结果 m3/s

3 生态流量设计保证率

根据《水利部办公厅关于做好2020年重点河湖生态流量保障目标确定工作的通知》等文件要求[12-13]，生态流量设计保证率应不低于90%～95%，根据沙河的水资源条件、结合流域水量调度管理要求，本次选择90%作为沙河流域生态流量的设计保证率，即一个水文年内控制断面生态流量达标天数占比90%以上。

3.1 典型年

根据生态流量控制断面生态流量目标和水库运行调度规程，结合流域河道外用水需求，对P=50%、75%、90%、95% 4个典型来水频率下控制断面流量进行计算，分析不同来水频率条件下控制断面生态流量保证率。

由于沙河流域暂无长序列流量观测资料，因此本方案基于降雨资料进行枯水期排频，并结合全年来水条件选取典型年。最终选取50%、75%、90%、95%典型年分别为：1981—1982年为50%典型年，1990—1991年为75%典型年，1962—1963年为90%典型年，1979—1980年为95%典型年。

3.2 天然径流量计算

考虑到1958—1959年上良站逐日流量数据与沙河流域水文特性较为贴合(汛期短时间内降水集中、强度大，流量变化强烈；非汛期降雨少、流量低)，代表性较高。本次采用1958—1959年年型，通过水文比拟法，根据集雨面积推算各断面逐日天然径流过程，再根据降雨量推算其他典型年逐日天然径流过程(结果见表2)。

表2 各断面典型年枯水期天然径流量 m3/s

3.3 生态流量保证率

天然径流情况下，显岗水库来多少水量则下泄多少水量，水库内取水在水库中解决，不纳入计算；水库上下游取水量则在天然径流中进行扣除。

白堪角水闸至显岗水库坝下共有4个取水户，合计许可水量为3.8万m3/d；显岗水库内共有3个取水户，合计许可水量为62.66万m3/d；显岗水库上游共有2个取水户，合计许可水量为1.54万m3/d。

根据以上计算原则对各典型年白堪角水闸(闸下)断面流量保证率进行计算，结果见表3，在天然径流条件下，显岗水库(坝下)断面各典型年全年破坏天数分别为0 d、17 d、71 d及85 d，保证率分别为100%、95.3%、80.5%、76.7%，可见天然径流条件下，显岗水库(坝下)断面在枯水年份(P=90%)及特枯水年份(P=95%)生态流量保证率不达标；白堪角水闸(闸下)断面各典型年全年破坏天数分别为0 d、17 d、71 d及85 d，保证率分别为100%、95.3%、80.5%、76.7%，即白堪角水闸(闸下)断面枯水年份(P=90%)及特枯水年份(P=95%)生态流量保证率不达标。

表3 各断面典型年天然生态流量保证率

4 生态流量调度计算

沙河流域在天然径流条件下白堪角水闸(闸下)断面枯水年份(P=90%)及特枯水年份(P=95%)生态流量保证率均不达标。实际上显岗水库具有年调节特性，下游水量受水库运行调度影响，因此需要开展调度计算。

4.1 调度范围与对象

本次沙河流域生态流量调度范围为白堪角水闸(闸下)断面上游，集雨面积764 km2。调度对象为主要为显岗水库、白堪角水闸、鸡心岭水闸，其余水库均为小型水库，调蓄能力较弱，暂不纳入调度范围。

4.2 调度模型

本次沙河流域生态流量调度主要依靠显岗水库。在常规调度模拟情况下，水库调度模型基于不同频率来水条件，在水量平衡约束和水库特征水位约束等状态条件下，迭代更新水库水位、库容变化情况，并计算得出水库出库流量。先对沙河流域显岗水库进行调节计算，再结合区间来水和河道外用水情况，求得生态流量控制断面来水过程，调度模型示意见图2。

图2 沙河流域水库调度及控制断面示意

4.3 调度规则

显岗水库在4月1日至6月30日，防洪限制水位为23.00 m，相应库容为5 502万m3；7月1日至7月31日，防洪限制水位为23.50 m，相应库容为 6 180万m3；8月1日至翌年3月31日，防洪限制水位为24.00 m，相应库容为6 875万m3。非汛期水库一般应尽可能维持高水位运行，提高水能利用率。因此，当水库水位低于防洪限制水位时按近10 a最低出库流量(1.0 m3/s)进行泄水；当水库水位达到防洪限制水位时，来多少水量则下泄多少水量。

4.4 调度计算结果

1) 常规调度

根据以上常规调度规则，并结合区间来水量及取水量，对各典型年白堪角水闸(闸下)断面生态流量保证率进行计算。水库起调水位采用近10 a统计的4月份平均水位22.07 m，对应库容为4 320万m3。计算结果见表4，显岗水库常规调度条件下，白堪角水闸(闸下)断面各典型年全年破坏天数分别为0 d、17 d、75 d及85 d，保证率分别为100%、95.3%、79.5%、76.7%，即白堪角水闸(闸下)断面枯水年份(P=90%)及特枯水年份(P=95%)生态流量保证率仍不达标。

表4 显岗水库按最低1.0 m3/s流量下泄后白堪角水闸断面典型年生态流量保证率

2) 优化调度

常规调度情况下白堪角水闸(闸下)断面生态流量保证率无法达到要求，因此需要开展优化调度，利用水库的调节库容，适当降低蓄水水位，加大显岗水库出库流量。经过一个水文年调节计算后，白堪角水闸(闸下)断面生态流量保证率有所提高(见表5)。

表5 调度后典型年白堪角水闸断面生态流量保证率统计

P=50%来水年在正常取水条件下经过常规调度后，白堪角水闸(闸下)断面生态流量保证率能达到100%，无需进行优化调度，显岗水库按常规调度规则运行。

P=75%来水年在正常取水及常规调度条件下，白堪角水闸(闸下)断面破坏天数为17 d。经优化调度后，破坏天数为10 d，生态流量保证率达标。此时显岗水库补水流量为1.47m3/s。因水库河道外取水量较大，在不到一个水文年期间，显岗水库水位降至死库容226万m3，说明偏枯水年水库优化调度在保证白堪角水闸(闸下)断面生态流量保证率达标的情况下，对水库供水造成一定影响影响。

P=90%来水年在正常取水及常规调度条件下，白堪角水闸(闸下)断面破坏天数为75 d。经优化调度后，破坏天数为35 d，生态流量保证率达标。此时显岗水库补水流量为1.92 m3/s，水位降至死库容226万m3，说明枯水年水库优化调度在保证白堪角水闸(闸下)断面生态流量保证率达标的情况下，对水库供水造成一定影响影响。

P=95%来水年在正常取水及常规调度条件下，白堪角水闸(闸下)断面破坏天数为85 d。经优化调度后，破坏天数为44 d，生态流量保证率不达标。此时显岗水库补水流量为2.07 m3/s，水位降至死库容226万m3，说明特枯水年即使显岗水库进行优化调度，白堪角水闸(闸下)断面生态流量保证率仍不达标，同时对水库供水造成一定影响。

5 生态流量调度方案

为进一步提高白堪角水闸(闸下)断面生态流量保证率，需对沙河流域内水利工程、取用水户等制定生态流量调度方案，具体方案如下。

1) 来水频率P<90%年份调度方案

预报10月—翌年4月来水频率P<90%时，启动平水、偏枯水年份调度方案，显岗水库以常规调度为主。在枯季，白堪角水闸(闸下)断面能满足生态流量用水需求时，显岗水库按照现行调度规则运行；常规调度不能满足生态流量用水需求时，由显岗水库在优先保障生活用水的基础上，适当减少农业灌溉取水，并按照白堪角水闸(闸下)断面所需补水量(P=50%时为1 m3/s，P=75%时为1.47 m3/s)向下游补水，保障生态流量。

2) 来水频率P=90%年份调度方案

预报10月—翌年4月来水频率P=90%时，启动枯水年份调度方案。在后汛期及汛后通过调蓄洪水资源，尽量增加水库有效蓄水量为供水期调度提供充足的调度水量。在枯季，白堪角水闸(闸下)断面能满足生态流量用水需求时，显岗水库按照现行调度规则运行；常规调度不能满足生态流量用水需求时，由显岗水库在优先保障生活用水的基础上按照白堪角水闸(闸下)断面所需补水量(1.92 m3/s)向下游补水，保障生态流量。干流拦河闸(白堪角水闸与鸡心岭水闸)在实施生态流量调度期间(除去水位调蓄时间段)需要将水位控制在正常水位以内，按来多少放多少进行运行调度。

3) 来水频率P>90%年份调度方案

预报10月—次年4月来水频率P>90%时，启动特枯年份调度方案。在后汛期及汛后通过调蓄洪水资源，尽量增加水库有效蓄水量为供水期调度提供充足的调度水量。在枯季，白堪角水闸(闸下)断面能满足生态流量用水需求时，显岗水库按照现行调度规则运行；常规调度不能满足生态流量用水需求时，由显岗水库在优先保障生活用水的基础上按照白堪角水闸(闸下)断面所需补水量(2.07 m3/s)向下游补水，保障生态流量。同时，为减少水文不确定性等因素带来的风险，流域采取节水措施，并适当压减用水量，尽量保证控制断面日均下泄流量不低于管理目标，采取节水和限制取水措施后仍无法满足断面生态流量要求时，允许破坏。干流拦河闸在实施生态流量调度期间(除去水位调蓄时间段)需要将水位控制在正常水位以内，按来多少放多少进行运行调度。

6 结语

本文综合流域上下游生态保护用水需求，依据生态流量控制断面选取原则，确定沙河流域生态流量保障考核断面为白堪角水闸(闸下)，管理断面为显岗水库(坝下)。并按照生态流量计算规程选择Qp法与Tennant法两种方案确定显岗水库(坝下)、白堪角水闸(闸下)生态流量保障目标、调度管理目标分别为1.0 m3/s、2.5 m3/s。同时按照相关文件要求，确定沙河流域生态流量保证率为90%。

天然径流及显岗水库常规运行条件下，白堪角水闸(闸下)断面枯水年份及特枯水年份生态流量保证率均不达标，因此需开展优化调度，加大显岗水库下泄流量。当来水频率P<90%且白堪角水闸(闸下)断面不能满足生态流量用水时，按照所需补水量(P=50%时为1 m3/s，P=75%时为1.47 m3/s)向下游补水；当来水频率P≥90%且白堪角水闸(闸下)断面不能满足生态流量用水时，由显岗水库在优先保障生活用水的基础上按照白堪角水闸(闸下)断面所需补水量(P=90%时为1.92 m3/s，P=95%时为2.07 m3/s)向下游补水，流域内需采取节水措施，并适当减少用水量，保障白堪角水闸断面生态流量。