鳌江埭头断面生态流量保障现状与措施研究

郑德仁，杨辉斌，苏龙强，王贺龙，温进化

（1.平阳县水利局，浙江 平阳 325499；2.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310017）

0 引 言

河道内生态流量是水资源开发利用、节约、保护、配置、调度管理的重要基础性工作，保障河道内生态流量是加强水资源开发利用管控、推进河湖生态保护修复和水生态文明建设的基本要求。我国现行的水法、水污染防治法等明确规定，国务院有关部门和县级以上地方人民政府开发、利用和调节、调度水资源时，应当统筹兼顾，维持江河的合理流量和湖泊、水库以及地下水体的合理水位，保障基本生态用水，维护水体的生态功能。

经过不断的探索与实践，国内相关行业标准《河湖生态需水评估导则》《河湖生态需水计算规范》《水资源保护规划编制规程》分别给出了生态流量的概念，本研究所指的生态流量为《河湖生态需水计算规范》里所指的生态基流，生态基流是为维护河湖等水生态系统功能不丧失，需要保留的底限流量(水量、水位、水深)过程中的最小值[1]。目前国内外关于生态流量的研究，更多的是在核定方法上的研究，有水文学法、水力学法、生态模拟法等，对于如何保障生态流量达标的研究较少。王晓红等[2]结合我国水利水电工程建设面临主要生态环境问题和形势，提出建立闸坝联合调度体系、构建水利水电工程下泄生态流量监测预警体系、强化生态流量依法管控和执法监管等改进措施和建议；刘丹丹等[3]结合变化情况下的来水、需水和考核管理要求，从管理上和技术上给出生态流量保障措施；国际上，N.LEROY等[4]提出一种新的生态流量确定框架（The ecological limits of hydrologic alteration，ELOHA），该方法综合了许多现有的水文技术和生态流量方法，可以使科学家、水资源管理者和利益相关者能够分析现有的科学信息并将其综合成基于生态和社会可接受的环境流量管理目标和标准。Shi-ping F等[5]为保证河流生态基流量，建立了非线性规划数学模型，并将其应用于苏水河生态基流量的调控，结果表明，为满足苏水河生态基本流量，需降低灌区的引水量。国际上关于生态流量的研究也更侧重于生态流量机理以及前期目标的核定分析上[6-9]。

目前关于生态流量保障多偏向于宏观方面的举措[10-13]，具有范围大、宽泛性等特点。本研究以鳌江埭头断面生态流量保障为研究对象，从生态流量核定方法和调度管理2个方面，提出山区性河流生态流量保障措施，为流域水资源保护与监管提供决策依据。

1 研究区域概况

埭头断面位于平阳县南雁镇埭头村，所属的鳌江水系为浙江省八大水系之一，是鳌江流域控制性断面。断面集水面积346 km2，多年平均降水量2 062.5 mm，生态流量目标为1.0 m3/s。埭头断面上游有水库6座、水电站36座、引水工程1座以及规模大小不等的数十座堰坝等水利工程，其中规模较大工程包括顺溪水库、矾岩水电站、苔湖水电站、五十丈引水工程和五十丈堰坝，位置分布见图1，工程相关参数见表1。

表1 埭头断面上游主要工程基本情况表

图1 埭头断面上游水利工程分布图

2 生态流量保障问题分析

2.1 目标满足程度分析

埭头断面生态流量满足程度不高。根据埭头断面1961—2021年共61 a的实测流量资料，分析断面现状生态流量目标的满足程度。依据断面上游主要工程建成时期，将流量时序划分成3个时期，分别是纯天然时期（1961—2001年），即没有主要控制性工程影响时期；五十丈引水工程建成运行影响时期（2002—2014年）；顺溪水库和五十丈引水工程共同影响时期（2015—2021年）。

按照日平均流量大于等于1.0 m3/s为达标的原则，统计3个时期年达标天数超过90%的年数及满足程度，结果见表2。由表2可知，随着主要控制性工程的建成，埭头断面生态流量满足程度呈现下降趋势，其中2015—2021年时期生态流量满足程度较低，仅有28.6%。

表2 不同时期埭头断面生态流量满足程度分析结果表

2.2 目标协调性分析

埭头区域供用水矛盾突出，河道外用水侵占河道内生态用水。埭头断面上游区域用水户较多，有城乡供水、农业灌溉用水、水电站发电用水以及河道内生态用水等。枯水期来水不足，各用水户用水矛盾突出，特别是城乡供水需求大，对河道内生态用水影响较大。本研究通过建立区域水量平衡模型，估算五十丈引水工程的实际引水量，分析区域引水工程对埭头断面生态流量的影响程度。

2.2.1 实际引水量分析

1）区域水资源系统概化。根据区域取用水及重要水利工程情况，将埭头区域水资源系统概化为4个部分（见图2），分别为顺溪水库、区间径流、五十丈引水工程、埭头断面。

图2 埭头区域水资源系统概化图

2）区间径流量计算。以埭头水文站为参证站，采用水文比拟法估算顺溪水库—五十丈堰区间径流、五十丈堰—埭头断面区间径流，计算方式如下。

式中：Q为径流量，万m3；F为集水面积，km2；H为降雨量，mm。

3）顺溪水库和埭头断面水量计算。顺溪水库以水库的放水情况作为区域的来水量，埭头断面则以实测的径流量作为区域的出水量。

4）工程实际引水量估算。根据概化的区域水资源系统，按照式（2）逐日演算五十丈引水工程的实际引水量。

式中：q五，i为第i日五十丈引水工程取水量，万m3；q顺，i为第i日顺溪水库实际放水量，万m3；q区1，i为第i日顺溪水库—五十丈堰区间径流，万m3；q区2，i为第i日五十丈堰—埭头断面区间径流，万m3；q埭，i为第i日埭头断面径流量，万m3；n为计算的总天数，d。

按照上述方法得到五十丈引水工程2017—2019年的实际日平均引水量（见表3）。2017—2019年五十丈引水工程的实际引水量分别为15.5万m3/d、16.1万m3/d、13.2万m3/d，平均引水量14.9万m3/d。

表3 不同时期埭头断面生态流量满足程度分析结果表 单位：万m3

2.2.2 协调性分析

根据五十丈引水工程的设计资料可知，工程设计引水量为7.4万m3/d，而现状估算的实际引水量约为14.9万m3/d，尽管在一定误差范围内，但现状实际引水量仍远超设计引水量。在丰水期，对河道内生态用水的影响并不明显，但在枯水期，由于工程引水量的提高，一定程度上侵占了河道内的生态用水，造成引水工程取用水量与下游生态用水的不协调。

2.3 调度合理性分析

埭头区域水资源调度规则尚未完善，通过实地调查分析，发现现有的调度规则存在2方面问题。一是现有顺溪水库调度规则中缺乏生态调度内容，水库虽已核定生态流量目标，但在枯水期，由于前期的兴利调度未充分考虑后期下游生态用水情况，导致枯水期水库蓄水能力不足，无法补充下游生态用水；二是区域水库、水电站、堰坝等水利工程未形成联合调度，存在上游水库放水，中游水电站、堰坝等拦截蓄水，未形成统一、有效的调度机制。

3 生态流量保障措施研究

3.1 生态流量目标系统核定

3.1.1 方法原理

针对目标断面生态流量目标满足程度问题，本研究提出一套生态流量目标逆向确定方法。以目标断面生态流量目标为目标，根据区域水量平衡原理，扣除上游各控制断面之间的区间径流，得到各控制断面的生态流量目标，方法过程如下。

1）控制断面确定。按照“有工程控制、有单位管理”的原则以及工程调蓄规模大小，确定生态流量控制断面。

2）区间径流量计算。按照式（1）方法得到区间的月径流量，选取最枯月径流量进行水文频率分析，取90%频率下的最枯月径流量作为区间径流量。

3）生态流量目标分配。根据目标区域水资源系统概化结果，将目标断面生态流量目标换算成水量，按照式（3）~（4）计算得到上游各控制断面生态水量，再换算成为生态流量目标。

式中：q为断面需要泄放的生态水量，万m3；q目为目标断面需要泄放的生态水量，万m3；q区，1为顺溪水库—五十丈堰区间径流，万m3；q区，矾岩—五十丈为矾岩水电站—五十丈堰区间径流，万m3。

3.1.2 结果分析

经过实地调查分析，确定顺溪水库、五十丈堰、苔湖水电站、矾岩水电站为埭头区域控制断面，通过收集区域1991—2020年共计30 a的流量、降雨等长系列逐日观测资料，按照上述方法计算得到区域各控制断面生态流量目标，结果见表4。对比3种生态流量计算方法，可以发现逆向确定法计算的生态流量目标偏高。主要原因在于逆向确定法是以整个埭头区域为系统进行生态流量目标计算，在计算过程中由于枯水期区间来水的不确定性，弱化了区间来水量，即公式（3）~（4）中q区项变小，从而导致各控制断面生态流量目标偏高。虽然逆向确定法计算结果偏高，但与Tennant法计算结果较为接近，为提高枯水期埭头断面生态流量的保障程度，最终本研究选用逆向确定法的计算结果作为埭头断面的生态流量控制目标。

表4 埭头区域控制断面生态流量目标表 单位：m3/s

3.2 生态流量预警机制建立

3.2.1 预警标准

针对目标断面，设置生态流量预警标准。以流量为预警指标，根据断面生态流量不足时刻前1 d流量波动范围概率分布情况，划分生态流量预警等级。根据埭头断面近7 a的实测资料，分析埭头断面生态流量不足前1 d流量波动范围的概率分布情况，结果见表5。当埭头断面生态流量处于1.00~1.10 m3/s时，发生生态流量不足的概率为51.2%，以此类推，当埭头断面生态流量大于1.60 m3/s时，发生生态流量不足的概率为7.3%。因此当埭头断面发生生态流量不足概率为60.0%时，设置为红色预警，其前1 d生态流量波动范围为1.00~1.15 m3/s；当埭头断面发生生态流量不足概率为30.0%时，设置为橙色预警，其前1 d生态流量波动范围为1.15~1.60 m3/s；当埭头断面发生生态流量不足概率为10.0%时，不设预警。

表5 埭头断面生态流量预警标准设置表

3.2.2 预警响应流程

根据预警等级，制定响应流程及措施。埭头断面生态流量预警响应流程（图3）及措施如下。

图3 埭头断面生态流量预警流程图

若埭头断面发生橙色预警，生态流量领导小组组织监督检查各相关单位生态流量泄放情况；顺溪水库管理处会商决定是否启用生态调度方案；五十丈引水管理单位适当减少五十丈堰引水；乡镇镇政府组织巡查辖区范围内水电站、堰坝等拦水建筑物的生态泄放情况。

若埭头断面发生红色预警，顺溪水库管理处启用生态调度方案，根据预警所处月份埭头断面可能缺少的生态水量，进行补充；乡镇镇政府增加巡查次数，保证河道水流畅通（特别是主干河流），使顺溪水库的生态调度方案有效发挥；各水电站管理单位不得关闭生态泄流孔，保持上下游河道水系联通。

上述生态流量预警机制于2023年3月15日在鳌江埭头断面得到应用，3月15日断面发生生态流量不足红色预警，相关单位及时作出预警响应，埭头断面生态流量得到及时补充。

3.3 生态流量调度规则制定

3.3.1 方法原理

针对目标断面生态流量不足问题，本研究提出一种预留生态水量的调度方法。根据断面生态流量不足的时间分布规律，在水库前期调度中预留目标断面所需的生态水量，待目标断面发出生态流量预警时，补充目标断面生态水量，方法过程如下。

1）目标断面生态流量不足时间规律分析。根据目标断面近年的实测流量数据，按月份统计目标断面不足的月份分布情况以及不足的生态水量。

式中：Rj为第j月生态流量不足占比率，%；T为统计总年数，a；tj为第j月T年来生态流量不足天数，d；m为T年来生态流量不足总天数，d。

2）水库预留生态水量分析。根据目标断面生态流量不足的月份分布情况以及缺少的水量，划定水库生态专用库容，在前期调度中预留目标断面生态不足水量。

3）生态流量调度。根据目标断面生态流量预警等级，决定水库是否进行生态调度，泄放预留的生态水量。

3.3.2 结果分析

1）分析埭头断面生态流量不足月份的分布规律。根据2015—2021年埭头水文站的流量资料，统计不同月份埭头断面生态流量不足情况，结果见图4。由图4可知，近7年埭头生态流量不足出现的月份主要集中在1—2月和11—12月，4个月份缺少的生态水量分别为18.22万m3、10.63万m3、14.83万m3、23.65万m3。

图4 埭头断面生态流量不足月份分布情况

2）顺溪水库预留生态水量。根据埭头断面4个月份不足的生态水量，在考虑河道输水损失情况下，划定上游顺溪水库生态水量专用库容。参照埭头区域总水量损失率（20%），估算顺溪水库至埭头断面的河道输水损失率约15%。然后由埭头断面缺少的生态水量及河道输水损失，得到顺溪水库1月、2月、11月和12月应预留的水量为21.44万m3、12.51万m3、17.45万m3、27.82万m3（见表6）。

表6 顺溪水库补充埭头生态预留水量表 单位：万m3

3.4 生态流量供水能力提升

针对埭头区域供用水矛盾突出，侵占生态用水的问题，本研究提出一种挖掘用水户节水潜力，从而调节区域水资源供需矛盾的解决思路。即以区域为单元，在区域供水端不变的基础上，通过某一用水户的节水，降低该用水户的取水，从而提高区域其他用水户的供水占比，实现区域水资源矛盾调节。

由埭头区域目标协调性分析结果可知，枯水期五十丈引水工程一定程度上侵占了河道生态用水，并且工程引水漏损较为严重，漏损率约37.6%。通过五十丈引水工程节水改造（管道维修、替换等），工程年度可节水1 205万m3。根据埭头断面近7 年的资料分析，断面年度生态缺水约591万m3，通过五十丈引水工程节水，降低河道取水，多余水量补充埭头断面生态用水，从而提高区域生态供水能力。

4 结 语

针对山区性重点河湖断面枯水期生态流量保障问题，以埭头断面生态流量保障为例，技术上，从生态流量目标核定出发，提出一套逆向生态流量目标确定方法，提高了河湖断面生态流量的保障程度，但增加了断面上游调蓄工程的生态负担，有待进一步优化；管理上，从生态流量实际管理出发，提出生态流量预警标准设置和生态调度方法，在实际应用中取得了一定成效。