基于生態逐級保證的河口村水庫水量分配研究

孟鈺 張一鳴 管新建 梁勝行

摘要：為協調社會經濟發展與河流生態之間的關系，以河口村水庫為研究對象，在量化生態流量逐級保證閾值的前提下，建立了基于生態流量逐級保證的水庫多目標水量分配模型。結果表明：基流比例法與Tennant法設置的I-Ⅳ級生態流量分別為2.84、3.98、5.35、7.36m³/s;采用水量分配模型對遠期規劃年2030年配置方案進行研究，生活和工業用水戶以及農業用水戶的供水保證率分別為95.O%、66.7%，生態供水保證率自I級的71.7%降至Ⅳ級的38.3%;隨著社會經濟及人口的快速發展，河口村上游來水及水庫調節難以協調河道內外的用水矛盾，只能通過相應壓縮河流生態用水來保證河道外用水需求。

關鍵詞：基流比例法;生態流量等級;水量分配模型;河口村水庫

中圖分類號：TV213.4

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.05 .009

1 引言

人類為了更好地開發利用水資源，修建了各種水利工程，在獲得巨大的社會與經濟效益的同時，不可避免地對原有的自然系統造成影響[1]。水利樞紐作為連接水資源與人類社會的一個重要環節，其功能性逐漸發生了轉變。常規的水庫調度方式已經開始轉變為考慮水庫下游與庫區的水生態調度模式[2]。國外較早在水庫調度中考慮生態因素，早在20世紀30年代，美國魚類和野生動物保護協會就強調了河川徑流應該作為生態因子的重要性[3]。1971年.Schlueter首次提出生態調度的概念，指出水利工程在滿足人類對河流利用要求的同時，要維護或創造河流生態系統的多樣性[4]。自20世紀90年代起，運用水庫調節來保障下游河道生態流量的研究逐漸開展，如英國在水資源法和環境法中規定了水庫下泄水量的最低生態要求，美國對Tallapoosa河的Thurlow大壩提出了最小生態流量運行法則，挪威針對尼德河、敘納河等鮭魚生長繁殖制定了基本流量調度原則[5]，美國Colorado河為維持魚類產卵環境進行了人造洪水試驗6-7]。在我國，代表性的研究成果包括黃河水庫群為防止黃河斷流的棄電放水聯合調度研究[5]、三峽大壩為保證“四大家魚”的產卵繁殖進行生態調度來制造“人造洪峰”[8]。現今雖然已經展開了一系列水庫、閘壩生態調度的研究，但仍處于探索階段，且在實踐中運用不多，尤其是我國，在眾多流域的管理中并沒有明確規定保證生態流量的要求。

本文對水庫生態調度與水量分配開展研究，提出河流生態逐級保證概念，采用基流（不同時期維持河流水生態系統基本需求的河道內最小流量）比例法與Tennant法量化逐級生態流量閾值，建立基于生態流量逐級保證的水庫多目標水量分配模型，并以黃河支流沁河河口村水庫為對象進行實例應用，以期為河流水生態系統保護、水庫調度與管理提供參考。

2 基于基流比例法與Tennant法的逐級生態流量確定

生態流量是維持河流水生態系統基本需求及健康運行的河道內流量。為使生態流量更好地滿足河流水生態系統需水的年際變化，通過劃分徑流系列的豐、平、枯、特枯等不同年型，確定不同來水條件下對應的生態流量等級，實現在來水較枯時保證河流最低流量需求，在來水較豐時為河流提供更充足的生態水量，促進河流生態完整性及修復枯水年份造成的河流生態破壞。基流比例法即通過水文頻率劃分典型年，利用各年型平均徑流量之間的比例關系，確定各年型的生態基流比例，結合Tennant法估算的平水年生態流量值，獲得各年型對應的生態流量值，即得到不同來水條件下對應的各等級生態流量值[9]。

繪制長系列徑流的P-Ⅲ型頻率曲線，根據表1劃分標準，從頻率曲線上得到豐（P=25%）、平（P=50%）、枯（P=75%）、特枯（P=95%）年的平均流量值。

在基流比例法中，首先需要確定其中一種典型年型的基流比例，從而逐步推導出其他年型的生態流量值。本研究借鑒水文學法中的代表性方法——Tennant法，其原理：采用多年平均流量的固定百分比表征生態流量[10-11]，而平水年（P= 50%）的平均流量接近多年平均水平，Tennant法將生態流量劃分為8級，基于以往的研究成果，通常采用20%的流量代表河流適宜的生態流量。結合基流比例法，采用Tennant法中的適宜生態流量標準（20%）計算平水年生態流量，推求平水年的基流比例，進而采用式（1）-式（3）推求其余年型的基流比例與生態流量。設置各典型年對應的生態流量等級，依次設置為特枯年I級（最低級）、枯水年Ⅱ級、平水年Ⅲ級、豐水年Ⅳ級（最高級）。

3 基于生態流量逐級保證的水量分配模型構建

3.1 生態流量逐級保證目標函數

生態流量逐級保證的基本思路：①判斷當前調度年的水文年型（豐水年、平水年、枯水年、特枯水年），確定水文年型后，以該年型對應的生態流量等級為保證目標：②結合其他用水戶供水保證目標，進行水庫多目標優化調度，若當前生態流量保護目標能夠得到完全保證，則將當前生態流量保護目標調整為更高一級，反之降低一級：③重新進行水庫多目標優化調度，直到調整后的生態流量保護目標不能得到完全滿足，但盡可能實現其生態盈余水量最大化。具體步驟如下。

（1）步驟一。判斷第i年（i=l-N）水庫所屬水文年型，進而選取對應年型的生態流量等級作為生態保護目標。計算公式為

4 實例分析

4.1 研究區概況

河口村水庫位于黃河一級支流沁河最后一段峽谷出口處，下距五龍口水文站約9 km，是黃河下游防洪工程體系的重要組成部分。控制流域面積9 223 km².占沁河流域面積的68.2%。水庫多年平均入庫徑流量為4.92億m³，總庫容為3.17億m³，防洪庫容為2.31億m³，調節庫容為1.96億m³，死庫容為0.51億m³。水庫的供水對象包括濟源市區部分生活和工業用水戶、華能沁北電廠、沁北產業集聚區、廣利灌區，此外還要兼顧水庫下游五龍口斷面的生態流量需求。對水庫供水范圍內農業、工業與生活用水戶進行遠期規劃年（2030年）需水量預測，并制定配置方案，見表2。其中：水庫上游來水未入庫前向引沁河口電站供水，電站發電尾水退人河口村水庫下游河段，可供廣利灌區使用，扣除引沁河口電站多年平均供水量，需要河口村水庫承擔的供水量為5 976萬m³。以河口村水庫1956-2014水文年入庫徑流資料為依據，采用上述水量分配模型進行研究。

4.2 逐級生態流量量化與分析

采用五龍口水文站1956-2014水文年徑流資料進行水文頻率分析，多年平均流量為26.68 m3/s，可得豐水年、平水年、枯水年、特枯水年的水文年分別為1976年、1993年、2001年、1997年。結合各典型年平均流量，采用式（1）、式（2）計算各典型年間的基流比例：采用Tennant法推求多年平均流量的20%作為平水年生態流量，反推平水年基流比例，進而采用式（3）獲得各典型年生態流量。計算結果及生態流量等級劃分見表3。

由表3可知，五龍口水文站所在河段的生態流量等級劃分為4級，從低至高依次為：I級，2.84 m³/s;Ⅱ級.3.98 m³/s;Ⅲ級，5.35 m³/s，Ⅳ級，7.36 m³/s。結合Tennant法分析各級別生態流量占多年平均流量的比例，可知：I級生態流量占比為10. 4%，接近Tennant法中的“最小”級別（ 10%），即接近最小生態流量;Ⅳ級生態流量占比為27.59%，屬于Tennant法的中等等級，雖較最優等級有一定差距，但由于河道內外用水矛盾激增，因此河道內生態供水優先級較低，生態水量設置偏低也較為合理。

4.3 河口村水庫水量分配結果與分析

河口村水庫建庫前，廣利灌區供水保證率為50%，生活及工業供水保證率為95%，建庫后相應供水保證率水平不得低于建庫前。水量分配模型優化結果見表4，系列年各等級生態流量滿足情況見圖1。河口村水庫來水頻率分布與下游五龍口水文站頻率分布不同，采用河口村水庫來水進行水文頻率曲線分析并篩選典型年，可得豐水年、平水年、枯水年、特枯水年的典型年分別為1966年、2006年、1978年、1991年，不同典型年水量分配結果見表5。

由表4與圖1可知.2030年配置方案中，生活及工業供水、農業供水均能夠達到建庫前水平，供水保證率分別為95.0%、66.7%。水庫下游河道內生態用水隨著生態保護等級的升高，供水保證率逐漸減小，自I級（最低級）的71.7%降至Ⅳ級（最高級）的38.3%。可見，隨著社會經濟及人口的快速發展，到2030年，農業、工業及生活用水量較現狀水平均有較大增長，河口村水庫上游天然來水難以協調河道外用水與河道內需水之間的矛盾，當兩者發生沖突時，只能相應犧牲河流生態環境，以維持河道外生產生活需求。

根據表5分析各典型年水量分配情況，豐水年水庫來水較豐，能夠滿足河道外各用水戶需求，生態供水等級也能達到最高級，能夠為河流生態系統提供良好的修復條件;平水年來水條件下，以保證生活、工業、農業用水為先，適當壓縮生態用水，維持生態供水等級在中等級別，避免河流生態系統因缺水而遭到破壞，能維持水生生物的基本生存環境：枯水年來水條件下，即使將來水總量全部供給生態用水，也無法維持生態用水最低等級，因此以避免下游斷流為前提，相應犧牲下游生態環境，并盡可能保障河道外其他用水戶需求;特枯年由于水庫來水稀缺，難以完全供給某一用水戶，因此各方面均遭到一定程度破壞。

5 結論

以河口村水庫為研究對象，應用基流比例法與Tennant法設置了不同保護等級的生態流量：I級.2.84 m³/s;Ⅱ級，3.98 m³/s;Ⅲ級，5.35 m³/s;Ⅳ級，7.36 m³/s。建立了基于生態流量逐級保證的水庫多目標水量分配模型，包括生態流量逐級保證目標函數與河道外用水戶供水保護目標函數。對水庫供水區域遠期規劃年配置方案進行了研究，生活及工業（95.0%）、農業（66.7%）的供水保證率均能夠達到建庫前要求，且略有提高;生態供水保證率自I級的71.7%降至Ⅳ級的38.3%：典型年分析中，枯水年與特枯年來水條件下均不能滿足最低生態保護要求。可見，未來河道內外用水矛盾將會持續深化，河口村水庫用水戶管理及區域水資源規劃需進行協調，以維持快速增長的社會經濟及人口用水需求，保證河流水生態系統的健康及功能。

參考文獻：

[1] United Nation. Transforming Our World： The 2030 Agendafor Sustainable Development[R].New York： United NationCeneral Assembly， 2015： 20.

[2]孟鈺，張翔，夏軍，等，河道內生態用水保證率的概念、內涵與計算分析[J].應用基礎與工程科學學報，2018.26（2）：229-238.

[3] 崔國韜，左其亭，生態調度研究現狀與展望[J].南水北調與水利科技，2011，9（6）：90-97.

[4]董哲仁，張晶，趙進勇，環境流量理論進展述評[J].水利學報，2017，48（6）：670-677.

[5]徐楊，常福宣，陳進，等，水庫生態調度研究綜述[J].長江科學院院報，2008，25（6）：33-37.

[6]

JUNK W J.The Use of Amazonian Floodplains Under an Eco-logical Perspective[J].Interciencia， 1989，

14（6）：317-322.

[7] 萬新宇，基于相似性的三門峽水庫水沙調度研究[D].南京：河海大學，2008：28-29.

[8] 李清清，覃暉，陳廣才，等，基于人造洪峰的三峽梯級生態調度仿真分析[J].長江科學院院報，2011，28（12）：112-116.

[9] 侯世文，基于多種水文學法分析大汶河干流生態基流[J].水文，2015，35（6）：61-66.

[10]TENNANTD L.Instream Flow Regimens for Fish， Wildlife，Recreation and Related Environmental Resources[J].Fisheries， 1976， 1（4）： 6-10.

[11]

ZHANCX， MENC Y， XIA J，et al.A Combined Model forRiver Health Evaluation Based Upon the Physical， Chemi-cal， and Biological Elements[ J]. Ecological Indicators，2018.84：416-424.

[12] 韓靚靚，混沌變異粒子群算法在水庫供水調度規則制定中的應用[J].中國水能及電氣化，2016（7）：49-53.

【責任編輯翟戌亮】