奎濉河生态流量计算及保障措施分析

马 博

(安徽省宿州水文水资源局,安徽 宿州 234000)

在河流中保持足够的流动水是保持河流基本生态功能的前提,也是确保生态系统稳定和动态平衡的基础,维持河流生态系统运转的基本流量被定义为生态流量[1]。过度的人类开发利用活动降低了天然河流的自我修复能力,河流的生态环境遭到破坏。此外,水资源被过度开发利用、农业灌溉等也严重影响了天然河流的可持续性。因此,应保留一定的基本流量,以防止河流在水资源开发过程中萎缩或断流。

本文以奎濉河为例,选取伊桥、浍塘沟闸和枯河闸3个断面为奎濉河生态流量控制断面,分别采用水文学法中的QP法[2]、Tennant法[3]计算各控制断面的生态流量。根据计算成果,统筹考虑流域特性,综合确定各断面采用的生态流量目标值,并对各控制断面生态流量满足程度进行分析,提出相应的生态流量保障措施,旨在为奎濉河的河流健康和水资源可持续利用提供科学依据。

1 流域概况

1.1 自然地理

奎濉河位于淮北平原东部,为江苏、安徽跨省骨干排水河流,涉及安徽省淮北市、宿州市,江苏省徐州市、宿迁市的部分县(区)。奎濉河全长151.7km,流域面积3598km2,多年平均蒸发量1500mm,年平均气温14.4℃。多年平均降水量876.1mm,降水量年际变化大,年内分配不均,汛期7—9月降水占全年降水总量的80%左右。多年平均水资源总量10.58亿m3,其中地表水资源量6.20亿m3。

1.2 水资源及其开发利用

1.2.1 水资源总量

经分析计算,奎濉河流域1956—2016年多年平均水资源总量10.58亿m3,50%、75%、95%来水频率年水资源总量分别为9.54亿m3、6.73亿m3、4.54亿m3。奎濉河流域不同来水频率水资源总量见表1。

表1 奎濉河流域不同来水频率水资源总量 单位:亿m3

1.2.2 水资源利用情况

根据淮河片水资源公报及各省水资源公报,并参考各地市水资源公报,对奎濉河流域2006—2018年用水情况进行统计分析。从用水量增长趋势看,近13年来,奎濉河流域用水量呈振荡攀升态势。在国民经济各行业中,生态环境用水增长最快,城镇居民生活和公共生活次之,用水呈现增长势头的主要集中在刚性用水需求领域。农村生活用水受农村人口流出的影响呈减少趋势;农田灌溉用水随年型变化较大,总体基本稳定;工业用水和林牧渔畜用水呈下降趋势,符合节水型社会建设的需求。奎濉河流域2006—2018年用水结构变化见表2。

表2 奎濉河流域2006—2018年用水情况 单位:亿m3

1.2.3 水资源开发利用程度分析

根据调查统计,综合考虑地表水、地下水资源开发利用状况后,2006—2018年奎濉河流域各地区水资源开发利用率为23.9%(见表3)。

表3 奎濉河流域各地区水资源开发利用程度

2 资料处理及计算方法

2.1 资料的选取和处理

由于奎濉河流域径流受到的人类活动影响较大,测得的径流序列不一致,因此有必要进行恢复计算。本次计算以栏杆集水文站、浍塘沟闸水文站、泗洪(濉)水文站1956—2016年实测水文资料为基础,采用分项调查的方法将实测径流数据还原为天然径流序列[4]。计算公式为[5]

W天然=W实测+W灌溉+W工业+W生活+W库蒸发+

W库渗±W库蓄±W引水±W分洪

式中:W天然为控制断面天然径流量,亿m3;W实测为控制断面实测径流量,亿m3;W灌溉为地表水农业灌溉用水量,亿m3;W工业为地表水工业耗水量,亿m3;W生活为城镇与农村居民生活耗水量,亿m3;W库蒸发为水面蒸发量减去陆面蒸发量,亿m3;W库渗为水库、河道的渗漏量,亿m3;W库蓄为水库蓄水变量,亿m3;W引水为跨流域引水量,亿m3;W分洪为河道分洪决口水量,亿m3。

根据分析计算,得出1956—2016年奎濉河流域栏杆集、浍塘沟闸、泗洪(濉)3站多年平均实测径流量、多年平均还原水量和还原后天然径流量,见表4。

表4 奎濉河流域水文站点分项调查法还原计算成果

2.2 生态流量计算方法选取

2.2.1QP法

QP法又称不同频率最枯月平均值法,以长系列(n≥30年)天然月径流量为基础,用每年的最枯月径流量排频,选择不同频率下的最枯月平均流量作为控制断面基本生态流量[6]。

频率P根据河流水资源开发利用程度、规模、来水情况等实际情况确定,《河湖生态环境需水计算规范》(SL/T 712—2021)推荐取90%或95%,根据淮河流域河流生态流量计算经验,频率P通常选取90%。

2.2.2 Tennant法

Tennant法又称为蒙大拿法[7],其将年平均天然径流的一定百分比作为生态流量,当达到一定百分比时,河流的基本生态功能可以得到保证。综合淮河流域Tennant法的实际应用成果,本文采用控制断面多年平均流量的5%作为生态流量。

3 生态流量计算及保障程度分析

3.1 生态流量计算

3.1.1QP法

由于伊桥断面、枯河闸无天然径流资料,采用下游栏杆集和上游浍塘沟闸1956—2016年系列天然径流量资料,筛选每年最枯月径流量,依据最枯月径流量的系列值,绘制P-Ⅲ型频率曲线(见图1、图2),分别计算75%、90%、95%保证率下的生态流量,采用两个控制断面面积比法推测伊桥断面和枯河闸的生态流量。

图1 栏杆集1956—2016年天然最枯月径流量P-Ⅲ型频率曲线

图2 浍塘沟闸1956—2016年天然最枯月径流量P-Ⅲ型频率曲线

3.1.2 Tennant法

采用栏杆集水文站1956—2016年系列天然径流量资料,依据多年平均径流量的百分比,根据面积比法推测伊桥断面的多年平均天然径流量为0.75亿m3,生态流量为0.12m3/s。枯河闸与下游泗洪(濉)集水面积仅相差19km2,与上游浍塘沟闸集水面积相差576km2,本文以泗洪(濉)多年平均天然径流量为依据,采用水文面积比拟法推测枯河闸生态流量。泗洪(濉)多年平均径流量为5.12 亿m3,算得枯河闸的多年平均天然径流量为5.09 亿m3,生态流量按多年平均天然流量的5%计算为0.81m3/s。

3.1.3 计算结果分析

通过QP法、Tennant法分析计算奎濉河各控制断面生态流量,见表5。

表5 奎濉河1956—2016年各控制站生态流量计算结果汇总

根据表5计算结果,QP法计算的生态流量结果远小于Tennant法计算结果,分析原因是奎濉河降水年内分配不均,天然状况下水资源集中分布在汛期,奎濉河汛期7—9月降水占全年降水总量的80%左右。考虑奎濉河现有闸坝对水资源的调节作用,建议生态流量采用多年平均流量的5%。奎濉河主要控制断面生态流量保障目标见表6。

表6 奎濉河主要控制断面生态流量保障目标

3.2 保障程度分析

3.2.1 月均保障程度分析

研究采用实测月平均流量与生态流量之比计算保证率[8]。根据各控制断面2008—2022年实测月均水文数据,计算各控制断面月均生态流量满足情况。伊桥、浍塘沟闸、枯河闸断面Tennant法算的生态流量满足程度分别为100%、90.0%、87.2%,奎濉河生态流量上段满足程度高于下段,即伊桥>浍塘沟闸>枯河闸,究其原因,奎濉河上段多为山区性河流,受水利工程扰动较小,奎濉河下段为平原区,建设了大量的拦河闸坝,天然来水过程被高度控制。

图3为奎濉河生态流量月满足程度,从不同月份的保证率来看,保证率较低的时段既不是少水的枯水期,也不是生态流量较大的汛期,反而是正常流量期的5—6月之间的时段,且6月为保证率最低的时期,分析原因,一是因为5—6月研究区域尚未迎来汛期,降水量相对少;二是这一时期恰好是农业用水的高峰期,需要引水灌溉。

图3 奎濉河生态流量月满足程度

3.2.2 日均满足程度分析

日均满足程度为日均流量大于等于生态流量的天数占系列总天数的比值[9],采用各控制断面2008—2022年实测日均水文数据,计算各控制断面日均生态流量满足情况。通过分析计算,伊桥、浍塘沟闸、枯河闸断面采用Tennant法算的生态流量日满足程度分别为100%、58.4%、53.2%,浍塘沟闸和枯河闸满足程度较低,分析原因是浍塘沟闸和枯河闸在非汛期经常处于关闭状态所致。

4 生态流量保障措施

a.加强领导,落实责任。奎濉河流域作为跨省河流,具有监管难、实施难等特点,相关管理部门要把奎濉河生态流量保障作为推进生态文明建设的重要举措,纳入落实最严格水资源管理制度和推进河长制工作的重要内容,加强组织领导,分解落实奎濉河生态流量保障责任,细化保障措施,确保奎濉河生态流量达标,逐步建立健全奎濉河生态水量保障长效机制。

b.统一调度,强化监管。实施奎濉河流域水量统一调度与管理,把保障生态水量目标作为硬约束,科学制定奎濉河流量调度方案和调度计划,实施区域用水总量控制,加强用水管控,严格计划用水管理。要加强对控制断面生态流量达标情况的监管,组织开展现场监督检查。鉴于奎濉河下段受水工建筑物高度影响,建议采取限制取水、建设生态流量泄放设施等措施,确保达到生态流量目标。

c.科技引领,提高监测能力。加强实时监控,结合淮河流域水信息系统、淮河流域水资源管理信息平台和国家水资源监控体系建设部署,完善生态水量控制断面的监控能力建设,逐步实现重要水利工程和重点用水单位的在线监控,以及监控图像和数据的实时报送。加强水文监测预报,提高测验和预报精度,依托全国“水情信息交换系统”,实现水情监测数据实时报送,为奎濉河生态流量保障提供技术支撑。

d.强化评价,严格考核。按照水利部有关生态流量考核要求,建立生态流量考核评价机制,组织开展奎濉河生态流量保障考核评价工作,将考核评价结论作为最严格水资源管理制度和河湖长制考核的重要依据,督促各级落实相关责任。

5 结 语

本文根据奎濉河流域特点,在流域水资源开发利用现状、生态保护需求和调度实施条件的基础上,采用分项调查的方法将栏杆集水文站、浍塘沟闸水文站、泗洪(濉)实测径流序列恢复为自然径流序列,采用水文学法中的QP法、Tennant法分别计算奎濉河各控制断面生态流量。研究结果表明,使用不同的计算方法得出的生态流量不同,由于奎濉河流域天然径流量年内分布极度不均,统筹考虑流域特性,Tennant法计算结果可作为奎濉河生态流量推荐值。本文生态流量计算方法属于水文学方法,方法简单高效,不需要现场监测,但因素单一,精度较低。建议今后有条件时还需用水力-栖息地法和整体分析法等对奎濉河生态流量作深入地研究与分析。