小型水庫生態補水調度方案研究

陸文秀，程 誠

(深圳市廣匯源環境水務有限公司，廣東 深圳 518020)

深圳市水庫大多興建于20世紀，主要用于農業灌溉及城市供水。隨著城市化及供水格局的變化，大部分水庫已演變為“都市型”水庫。隨著境外引水工程的實施、供水水廠的整合與優化，供水布局也將隨之發生變化，部分小型水庫原有供水、灌溉等功能逐步消失，而城市公共生態對水庫生態功能的需求則大幅提高。為充分發揮小型水庫對地表徑流的調節作用，提高水資源管理系統集約化程度，合理利用水生態及景觀資源，充分挖掘水庫生態補水潛力、實現本地水資源合理利用及調度是十分必要的。

1 水庫概況

石陂頭水庫位于寶安區石巖街道，屬茅洲河流域，為石陂頭支流的源頭，石陂頭支流是應人石河的一級支流。壩址以上集雨面積為0.95km2，河長1.65km，比降0.0904。

石陂頭水庫1975年4月建成投產，屬小(2)型水庫，4等工程。

水庫設計防洪標準為50年一遇，校核防洪標準為500年一遇。水庫死水位67.4m，死庫容21.5萬m3；興利庫容45.16萬m3；正常蓄水位74.44m，正常蓄水位相應庫容66.66萬m3；設計洪水位76.2m，相應庫容82.6萬m3；校核洪水位76.7m，總庫容88.75萬m3。水庫樞紐工程包括主壩、輸水涵管、溢洪道三部分工程，其它建筑物有上壩道路、管養房等。

2 生態補水保證率的選取

根據GB 50013—2006《室外給水設計規范》5.1.4“用地表水作為城市供水水源時，其設計枯水流量的年保證率應根據城市規模和工業用戶的重要性選定，宜用90%～97%”;根據GB 50288—1999《灌溉與排水工程設計規范》灌溉設計保證率可根據水文氣象、水土資源、作物組成、灌區規模、灌水方法及經濟效益等因素，按表1確定。其中溫潤地區或水資源豐富地區設計保證率為75%～95%。

表1 灌溉設計保證率 單位：%

根據SL/Z 712—2014《河湖生態環境需水計算規范》2.0.4“河道內基本生態環境需水量指維持河流、湖泊、沼澤給定生態環境保護目標所對應的生態環境功能不喪失，需要保留在河道內的最小水量。河道內基本生態環境需水量是河道內生態環境需水要求的下限值”；2.0.5“河道內目標生態環境需水量指河流、湖泊、沼澤給定的生態環境保護目標所對應的生態環境功能正常發揮，需要保留在河道內的水量。河道內目標生態環境需水量是河道外經濟社會消耗河湖水量的控制值”；3.0.8“河道內生態環境需水量的保證率系指不同來水頻率下的河道內生態環境需水量。為滿足不同來水頻率條件下生態環境用水配置和調度的需要，還可以計算不同來水頻率下的生態需水量。基本生態環境需水量和目標生態環境需水量的保證率一般不低于50%”。

綜上，借鑒城市供水及灌溉設計保證率，同時結合SL/Z 712—2014要求，河道生態補水保證率取75%。

3 河道生態需水量

生態需水量是一個流量區間，而不是一個特定的值，河道最小生態需水是指為維持河流生態系統健康所允許的最小需水量，該需水量是要保證水生生物的最低生存條件，也是天然狀況下水生生物所能忍受的極限程度。在極限水文狀況下，河流生態系統是可以恢復的，當河流的流量小于最小生態流量時，會導致物種消失，種群結構發生改變，生態系統可能不會恢復。適宜生態需水是指維持河流系統健康及生物多樣性的最適宜的流量過程，適宜生態流量具有上下限，當流量過程在此范圍內，河流生態系統是健康穩定的。

目前關于河道基本流量的計算方法較多，總結起來可以分為：水文學法、水力學法、生境模擬法和綜合分析法等。綜合評價現有計算方法可知，水文學法簡單、方便，但考慮因素單一，準確性較差；水力學法雖然考慮了水力學因素，但所需參數需要實測，不易操作；生境模擬法將其重點放在一些河流生物物種的保護，而沒有考慮諸如河流規劃以及包括河流兩岸在內的整個河流生態系統，由此計算出和推薦的流量范圍值，并不符合整個河流的管理要求。這四類方法中目前比較常用的方法有Tennant法、月(年)保證率法、河道濕周法和R2CROSS法等。

考慮到城市河流基本上都是小河流，并且具有明顯的人工干擾特點，目前河道基本生態流量計算中Tennant法相對于其它方法，應用范圍廣，而且能考慮汛期和非汛期流量差別。它不僅適用于有水文站點的季節性河流，而且適用于沒有水文站點的河流，可通過水文技術來獲得平均流量。因此，本研究重點介紹Tennant法在計算生態需水中的應用。

Tennant法(Montana法)是一種非現場測定類型的標準設定法。Tennant在分析了美國11條河流的斷面數據后發現河寬、流速和水深在流量小于年平均流量的10%時增加幅度較大，當流量大于年平均流量的10%時，對應水力參數的增長幅度下降。提出以年平均流量的10%作為水生生物生長最低標準下限，年平均流量的30%作為水生生物的滿意流量。該法是不需要現場測定數據類型的經驗設定法，河道推薦流量以預先確定的年均流量百分比為基準，這是一種更多的依賴于統計的方法，這種方法建立在歷史流量記錄的基礎上，并將平均每年自然流量的簡單百分比作為基流。劃分的流量等級標準設定見表2。

表2 Tennant法不同流量百分比對應的河道內生態環境狀況

參考Tennant法，石陂頭水庫對應人石河補水不同河道內生態環境狀況對應的流量值見表3。

表3 應人石河河道內生態環境狀況對應流量值統計表

4 水庫可補水量計算

4.1 來水量分析

石陂頭水庫無整編降雨資料，因此水庫選取鄰近的鐵崗雨量站進行分析。鐵崗水庫雨量站設立于1957年，系列59年，滿足SL 278—2002《水利水電工程水文計算規范》要求，本次收集該站1957—2016年共59年實測降雨系列資料。

石陂頭水庫集雨面積為0.95km2，所在流域無實測長序列降雨、徑流資料，降雨、徑流的分析計算采用《廣東省水文圖集》(1991年)成果。經查算，石陂頭水庫流域多年平均徑流深為900mm，徑流變差系數Cv=0.38，Cs=2Cv。水庫各頻率下設計徑流量見表4。

4.2 用水量分析

4.2.1下游河道生態用水

參考Tennant法，水庫下放的最低生態流量應滿足下游河道多年平均徑流量的10%，下游應人石河多年平均徑流量為472.5萬m3，日均徑流量為1.29萬m3。故最小生態流量為0.129萬m3/d。

4.2.2水量損失

由于缺少水庫水位-面積對應曲線，故庫損量(蒸發和滲漏損失)按水庫正常蓄水位對應庫容的5%計，并將年庫損量均勻分配至各月。石陂頭水庫正常蓄水位為75.44m，對應庫容為66.66萬m3，故庫損量為3.33萬m3。

4.3 調節計算

本次通過水量平衡調節計算水庫可補水量，以月為調節計算時段。選取枯水年P=97%、偏枯水年P=75%、平水年P=50%三個典型年，求水庫的可補水量。起調水位取近4年(2014—2017年)4月份運行水位平均值，為69.04m。以石陂頭水庫來水量、用水量及水庫調蓄庫容，用列表法逐月進行調節計算，成果見表5—7。

表4 石陂頭水庫設計年徑流量表

表5 石陂頭水庫典型年調節計算成果表(P=97%)

表6 石陂頭水庫典型年調節計算成果表(P=75%)

表7 石陂頭水庫典型年調節計算成果表(P=50%)

注：石陂頭水庫輸水涵進口底檻高程為65.56m。

4.4 可補水量成果

石陂頭水庫現狀無供水需求，余水可用于應人石河生態補水，應人石河最小生態流量為多年平均徑流量的10%，即0.129萬m3/d。經計算得出如下結論：

枯水年P=97%，非汛期(10月—次年3月)下放生態水量為0.112萬m3/d，小于應人石河最小生態水量需求；汛期(4—9月)下放生態水量為0.129萬m3/d，可滿足應人石河最小生態水量需求。

偏枯年份P=75%，非汛期(10月—次年3月)下放生態水量為0.129萬m3/d，可滿足應人石河最小生態水量需求；汛期(4—9月)下放生態水量為0.191萬m3/d，相當于應人石河多年平均徑流量的14.8%。

平水年P=50%，非汛期(10月—次年3月)下放生態水量為0.129萬m3/d，可滿足應人石河最小生態水量需求；汛期(4—9月)下放生態水量為0.298萬m3/d，相當于應人石河多年平均徑流量的23.1%。

綜上，石陂頭水庫75%生態補水保證率下可補水量為58.57萬m3，非汛期日均補水量為0.129萬m3/d，汛期日均補水量為0.191萬m3/d，見表8。

表8 石陂頭水庫調節計算成果表

5 水庫補水調度方案

考慮降雨期間雨水對河道基流的補充，本次結合各水庫實際，提出水庫降雨補給達到最小生態流量時所需降雨量值，據此對典型年降雨場次進行分析，得出各月需補水天數及日均補水量。以實現降雨日蓄水補給無雨日的補水效果。調度方案如下(見表9—10，如圖1所示)：

(1)降雨量方面，當石陂頭水庫降雨大于2.81mm時，24h內無需下放生態流量，可關閉相關補水設施。

(2)水位方面，若水庫水位低于表9中限制供水線，則按表10中限制供水區對應日補水量進行補水；若水庫水位高于表9中加大供水線，按表10中加大供水區對應日補水量進行補水；若水庫水位介于表9中限制供水線與加大供水線之間，則按表10中正常供水區對應日補水量進行補水。

表9 石陂頭水庫逐月補水水位成果表

圖1 石陂頭水庫補水調度水位示意成果圖

6 結論與建議

(1)根據SL/Z 712—2014，石陂頭水庫向下游河道實施生態補水的保證率取75%。該生態補水保證率下，水庫可補水量為58.57萬m3，因此，石陂頭水庫具備生態補水功能。

(2)石陂頭水庫調度規則如下：①當石陂頭水庫降雨大于2.81mm時，24h內無需下放生態流量，可關閉相關補水設施；②若水庫水位低于限制供水線，則限制供水區對應日補水量進行補水；若水庫水位高于加大供水線，按加大供水區對應日補水量進行補水；若水庫水位介于限制供水線與加大供水線之間，則按正常供水區對應日補水量進行補水。

(3)鑒于補水流量較小，建議在時間、補水間隔等方面遵循以下原則：時間方面，選擇人流量較為集中的時段，比如周末或者工作日的出行高峰期；補水間隔方面，每月補水1～3次，也可根據水庫實際情況適當調整補水次數；工程措施方面，可建小型擋水堰、跌水等，或設氣動閘、橡膠壩等。

表10 石陂頭水庫逐月補水量成果表