赣江流域生态流量与地表水资源可利用量研究

邴 建 平，邓 鹏 鑫，吴 智，贾 建 伟，王 栋

(1.长江水利委员会 水文局，湖北 武汉 430010； 2.江西省水文监测中心，江西 南昌 330000)

0 引 言

水资源可利用量是从资源角度分析可被消耗利用的水量，是水资源合理分配、利用及支撑建立水资源刚性约束制度的重要基础。学界将地表水资源可利用量定义为：在统筹考虑河道内生态环境和其他用水的基础上，通过采取经济合理、技术可行的措施后，流域地表水资源量中可供河道外生活、生产、生态用水的一次性最大水量[1]。水资源开发利用应优先保证河道内最小生态环境需水要求，常以生态流量作为管控指标。生态流量指为维系河湖水生态系统的结构和功能，保留在河湖内的流量及其过程[2]。

近年来河湖生态流量管控已成为中国水资源管理与保护的一项重要工作，极大推动了河湖生态流量目标、满足程度及保障措施的相关研究发展，已成为水资源领域研究的热点。生态流量计算方法主要有水文学法、水力学法、生态栖息地法、整体分析法等[3]，其中水文学法在国内外应用最为广泛，其代表性方法包括Tennant法、RVA法、Q90法、历时曲线法、年内展布法等[3-8]。如黄彬彬等[4]采用RVA、Q90等多种方法估算了赣江下游生态流量；王鸿翔等[5]采用RVA阈值法和年内展布法等探讨了湘江湘潭站的生态流量阈值；李红清等[6]还采用Tennant法和流量历时曲线法计算厄瓜多尔主要河流生态流量，以指导水资源保护规划编制；王建华等[8]分析了中国重点河湖166个控制断面的生态流量，并针对其不达标成因提出相应管控建议。

近年来国内学者在不同区域开展了大量的地表水资源可利用量研究。地表水资源量包括了河道内生态环境需水及汛期超出工程最大调蓄量和河道外用水消耗量等不可能被利用水量，因此在确定地表水资源可利用量时应予以扣除，学界常采用扣损法计算水资源可利用量[9-19]。如秦涛等[10]采用扣损法计算陕西省宝鸡市千河流域地表水资源可利用率可达52.3%；郭海华等[11]考虑生态需水低方案和高方案，采用扣损法估算东北图们江流域地表水资源可利用率为44.2%和39.2%；白林龙[12]同样采用扣损法计算淮河上游地表水资源可利用率达45.0%；陈立华等[15]采用剔除入海河流感潮河段水量及汛期河道内最小生态水量的改进扣损法计算滨海城市钦州市地表水资源可利用率为34.6%。不少学者还将扣损法与其他方法进行对比，普遍认为扣损法分析结果较为合理。如张洪刚等[1]对比分析了国内外水资源可利用量计算方法的差异，认为扣损法充分考虑了水库调蓄影响，较基于优先水权制度的WAM模型法更加全面；段路松等[17]采用扣损法、斩头去尾法和弃水系数法比选计算云南省地表水资源可利用量，研究认为扣损法分析结果较为合理。显然扣损法已成为地表水资源可利用量计算的基础方法。

为进一步提高流域水资源利用率，不少学者还对汛期洪水资源可利用性开展了研究。如胡庆芳等[20]考虑流域洪水资源调控能力和洪水期河道内必要需水两方面的约束因素，提出洪水资源可利用量、可利用潜力的定义和评估方法；王宗志等[21]采用极限分析理论评价了南四湖流域洪水资源现状和理论可利用量与可利用潜力；Deng等[22]以扣损法为基础提出雨洪可利用性评价方法，评估了汉江流域洪水资源可利用量与可利用潜力，并探讨了洪水资源利用多寡与洪水调控能力及河道内外必要需水的定量响应关系。洪水资源可利用评价进一步丰富了流域地表水资源可利用量研究的深度和广度。

为更好指导赣江流域县市或地区级水资源合理开发和可持续利用，本文在综合已有研究基础上，采用国内常用的水文学方法，开展赣江流域干流及重要支流生态流量目标确定和地表水资源可利用量研究工作，对指导流域干支流水量分配与调度，加强水资源开发利用与保护管控，提高水资源集约节约利用水平，以及维护赣江和鄱阳湖河湖生态系统健康具有重要现实意义。

1 研究区概况

赣江流域位于长江中下游南岸，是鄱阳湖水系的第一大河，发源于江西省赣州市石城县洋地乡石寮岽，干流上游自东向西流，于赣州市汇合章水后，又自南向北流，在南昌市八一桥以下分4支注入鄱阳湖，流域面积8.18万km2。干流两岸有梅江、桃江、平江、章水、遂川江、禾水、乌江、袁水、锦江等较大支流，流域面积均在2 000 km2以上。

流域汛期为4～9月，非汛期为10月至次年2月，丰枯变化显著，汛期水量约占全年的73%～78%，11月至次年1月最枯3个月水量仅占全年的9%～11%，多年平均最大月径流量与最小月径流量比值为5～9。

赣江流域内现有各类大中小型供水设施52.7万座(处)，其中赣江干流建有万安、峡江等8座大中型水库，支流建有团结、长冈、上犹江、江口等17座大中型水库。袁水上游山口岩水库还向湘江流域萍乡市供水。

赣江流域2010～2018年年用水量105.1亿～114.8亿m3，平均年用水量109.2亿m3，地表水供水量占总供水量的95%以上，2018年地表水水资源开发利用率15%左右，下游水资源开发利用率最高。

2 生态流量确定

2.1 计算分析方法

采用Qp法、Tennant 法等[3]水文学法中常用的代表方法计算流域控制断面生态流量，并视流域水文情势年内、年际变化剧烈程度综合确定。Qp法取频率90%流量作为生态流量，即Q90；Tennant法取多年平均流量的10%作为生态流量。

生态流量满足程度分析是为了评价生态流量保证率和目标的可达性，采用水文站或水利工程监测设施的近10 a的日均流量资料，计算出评价期日均流量大于生态流量目标值的天数占评价期总天数的百分比，以长历时保证率表示。

2.2 生态流量目标及满足程度分析

在赣江干流及主要支流的水系节点、水利工程、重要城市等选择生态流量目标确定的控制断面，选取赣江干流峡山、栋背、吉安、峡江、樟树、外洲等6个断面和梅江、袁水等主要支流上的汾坑、江口等9个断面为生态流量主要控制断面，以附近水文站作为分析依据站。

根据上述生态流量计算方法，采用水文依据站1956～2016年流量系列，计算出赣江干流及主要支流控制断面生态流量，考虑河流水资源禀赋条件及上下游、干支流协调性，并与已批复的流域规划、取水许可或环评中成果相协调，综合确定保证基本生态用水需求的生态流量目标，见表1。

表1 控制断面生态流量目标及满足程度Tab.1 Ecological flow target of important control sections and guarantee rate

除上游峡山断面外，赣江干流各断面生态流量目标接近Q90法计算值，生态流量目标为148～281 m3/s，占多年平均流量比例为11.7%～13.6%，而峡山断面生态流量占多年平均流量比例为10%。支流生态流量目标接近Tennant法计算值，各支流控制断面生态流量目标为6.03～19.8 m3/s，占多年平均流量比例为9.4%～10.0%。

由水文站2010～2019年近10 a日均流量数据分析，赣江干流及主要支流的控制断面生态流量日满足程度均可达92%以上，保证程度较高。

3 地表水资源可利用量评价

3.1 评价方法

赣江流域面积较大，水利调蓄工程较多，地表水资源可利用量评价以独立水系为计算单元，并遵循水资源可持续利用、统筹兼顾生态环境需水及因地制宜原则，以保持成果的独立性、完整性。考虑流域地表水资源量中不可以被利用的水量和不可能被利用的水量，采用扣损法估算地表水资源可利用量：

Wk(t)=W(t)-max[We(t)，Wp(t)]-Wnu(t)

(1)

Wnu(t)=Wf(t)-Wm(t)

(2)

式中：Wk(t)为地表水资源可利用量；W(t)为地表水资源量；We(t)、Wp(t)分别为非汛期河道内生态环境需水量、生产需水量，两者外包值为河道内总需水量Wep(t)；Wnu(t)为汛期难于控制利用的洪水量；Wf(t)为汛期天然径流量；Wm(t)为汛期流域调蓄和耗用的最大水量；t为计算时段。

We(t)需考虑基本生态环境需水量Wq(t)、维持河湖水生生物生存的保护水量Wb(t)以及河道冲沙输沙水量Ws(t)等，计算时取外包值。

Wp(t)主要包括航运和水力发电用水量。根据河道航道等级标准及航道条件，采用综合历时曲线法计算相应设计最低通航水深保证率的流量，作为航运需水量Wo(t)。水力发电用水量Wh(t)由生态环境需水量和航运用水量兼顾考虑。

由于河道内需水具有基本不消耗水量、可满足多项功能以及水量重复利用等特点，因此在河道内生态环境需水量和生产需水量中选择最大的作为Wep(t)。Wm(t)由近10 a流域河道外用水消耗量分析确定。

3.2 河道内需水量

河道基本生态环境需水量由表1中的生态流量成果计算确定。考虑赣江干支流水生生物需水特性，按照河道多年平均流量的30%估算水生生物保护水量。冲沙输沙水量是为了维持河流中下游侵蚀与淤积的动态平衡而必须保持的河道内水量，根据河道水沙特性分析，按照多年平均流量的15%估算。综合考虑赣江河道内需水情况，计算出赣江干支流非汛期河道内生态环境需水量(见表2)，其中赣江干流下游出口控制断面外洲和支流锦江河道内生态环境需水总量分别为68.9亿、8.2亿m3。

表2 赣江流域多年平均地表水资源可利用量Tab.2 Annual average availability of surface water resources in the Ganjiang River Basin

赣江干流通航河段主要为赣州以下河道，航道等级为Ⅱ～Ⅲ级，设计最低通航流量保证率为98%。支流现状有通航要求的仅桃江、锦江、袁水，通航条件较差，航道等级较低，设计最低通航流量保证率为90%。采用综合历时曲线法计算的赣江干支流最低航运用水量均小于河道内生态环境需水量，如赣江干流外洲和支流锦江非汛期航运用水量分别为56.5亿、7.6 亿m3。

综上，确定赣江干支流河道内生态环境需水量即为河道内总需水量。

3.3 汛期难于控制利用水量

考虑赣江流域汛期时间、工程的调蓄能力和用户在不同时段的需水量，汛期难于控制利用洪水量按4～6月和7～9月两个时段分别计算。

考虑赣江流域现状水资源开发利用程度及水利工程调蓄供水能力，分析近10 a来实际用水消耗量的最大值，结合赣江流域综合规划中2030年规划年需水量以及新增龙头山等大中型水库调节能力和向外流域调水量，综合确定汛期最大用水消耗量，其中赣江外洲以上和锦江汛期控制利用的最大水量分别为101.2亿、7.9亿m3。用公式(2)计算出赣江流域分区1956～2016年逐年汛期难于控制利用水量，统计出赣江外洲以上和锦江汛期多年平均难于控制利用水量分别为463.3亿、45.2亿m3(见表2)。可以看出，汛期难于控制利用的下泄水量已超过年径流量的60%，可以满足河道内生态环境需水量。

3.4 地表水资源可利用量

基于全国第三次水资源调查评价的地表水资源量成果和前述计算成果，用公式(1)计算出赣江流域分区1956～2016年逐年地表水资源可利用量。

赣江外洲以上流域多年平均地表水资源可利用量为224.2亿m3，可利用率为29.6%(见表2)。从三级水资源分区看，赣江栋背以上、栋背至峡江、峡江至外洲多年平均地表水资源可利用量分别为88.8亿、61.6亿m3和73.8亿m3，可利用率为25.8%～34.1%，赣江下游水资源可利用率最高。平江、锦江等支流多年平均地表水资源可利用量为7.1亿～22.1亿m3，可利用率为22.4%～29.3%，袁水可利用率最高，乌江最低。赣江流域多年平均地表水资源可利用量空间分布见图1。

图1 赣江流域多年平均地表水资源可利用量分布(单位：亿m3)Fig.1 Distribution of annual average availability of surface water resources in the Ganjiang River Basin

在多年平均分析基础上，进一步估算不同来水频率可利用量，以期进行比较参考。75%频率来水条件下，赣江外洲以上流域天然径流量588.0亿m3，地表水资源可利用量为199.7亿m3，可利用率达34.0%；赣江栋背以上、栋背至峡江、峡江至外洲可利用量分别为77.1亿、53.1亿m3和69.5亿m3。90%频率来水条件下，赣江外洲以上流域天然径流量536.4亿m3，地表水资源可利用量为184.1亿m3，可利用率达到34.3%；赣江栋背以上、栋背至峡江、峡江至外洲可利用量分别为69.1亿、48.3亿m3和66.7亿m3。赣江流域75%和90%频率地表水资源可利用量空间分布见图2和3。

图2 赣江流域75%频率地表水资源可利用量分布(单位：亿m3)Fig.2 Distribution of surface water resources availability at 75% frequency in the Ganjiang River Basin

图3 赣江流域90%频率地表水资源可利用量分布(单位：亿m3)Fig.3 Distribution of surface water resources availability at 90% frequency in the Ganjiang River Basin

本次估算的赣江流域地表水可利用量充分考虑了流域生态环境需水量、现状耗水量、已建和规划水利工程供水能力，以及水量分配方案中赣江流域用水总量控制指标，可利用率29.6%仍低于国内其他类似地区[12-13，18]，估算结果总体合理，可作为强化流域水资源刚性约束与优化流域水资源配置的基础依据。

4 结 论

(1) 采用水文学法分析确定赣江干流及主要支流控制断面生态流量，干流栋背至外洲各控制断面生态流量目标占多年平均流量比例为11.7%～13.6%，各支流控制断面为9.4%～10.0%，基本反映了河流水文特性和水生态系统需水特征，且近年日满足程度均在92%以上，可作为生态流量管控依据。

(2) 采用扣损法估算出赣江外洲以上流域多年平均地表水资源可利用量为224.2亿m3，可利用率为29.6%，下游区间可利用率最高；75%，90%频率可利用量分别为199.7亿，184.1亿m3。主要支流多年平均地表水资源可利用量为7.1亿～22.1亿m3，可利用率为22.4%～29.3%，袁水可利用率最高，乌江最低。随着流域洪水资源高效利用能力提升，水资源可利用量可进一步增加。

(3) 赣江流域分区水资源承载能力及水资源刚性约束管控措施，尚需进一步深入研究。