城市河湖生態流量計算與保障研究
——以廣州市越秀區為例

程 濤, 邱 靜, 羅志發, 鐘偉強, 劉 達, 龔 潔

(1.廣東省水利水電科學研究院, 廣州 510635; 2.廣東工業大學 環境生態工程研究院, 廣州 510006; 3.河口水利技術國家地方聯合工程實驗室，廣州 510635; 4.廣東省水安全科技協同創新中心, 廣州 510635;5.廣州市越秀區建設和水務局, 廣州 510080)

1 概述

河湖生態流量是指為了維系河流、湖泊等水生態系統的結構和功能，需要保留在河湖內符合水質要求的流量(水量、水位)及其過程[1]。劇烈的人類活動嚴重擠占了生態環境用水量，為保障生態環境基本用水需求，維護生態環境健康穩定，必須保障河湖水系基本生態流量，開展河湖生態流量確定和保障具有重大意義[2]。

越秀區是廣州市中心城區，隨著流域內經濟社會及城市的快速發展，區域內經濟發展用水存在不同程度擠占河道內生態用水、工業及城鎮排污造成河道水污染嚴重等影響河流水生態環境的問題。通過一系列河涌整治工程，如截污工程、凈水工程、調水工程等，區域內河涌湖泊一改往日臟、臭、黑的水質，實現了水清、水活的目標。但在補水工程非工作時段，或河道截污情況下，可能會出現河流斷流的情況發生。為保障越秀區河流生態流量，維護河流水系健康，保護水生態環境安全，開展越秀區生態流量計算和保障研究具有重要意義。

以往的河湖生態流量相關研究主要針對較大的江河湖泊進行生態流量計算和保障分析，針對城市區域河湖生態流量的研究相對較少，不利于城市河湖生態流量保障的實際工作[3-5]。本文通過梳理越秀區河湖水系現狀和主要水生態環境問題，提出生態環境保護的目標，進一步計算主要河湖生態流量保障目標，并提出針對性的生態流量保障的方案策略，以期為越秀區河湖生態保護提供科學指導。

2河湖水系現狀

2.1 基本情況

越秀區地處南亞熱帶，屬南亞熱帶典型的季風海洋氣候，海洋性氣候特別顯著，年降水量為1 229.6～2 491.3 mm，年內降雨量分布十分不均，雨季(4—9月)降水量占全年的85%左右。

越秀區有東濠涌、新河浦涌、沙河涌、水均崗支涌、景泰涌等5條一類河涌(明涌)，總長為 11.26 km；境內無水庫等蓄水工程，有東山湖、流花湖、麓湖3個人工湖，水面面積為0.81 km2。本文主要以沙河涌、景泰涌以及流花湖和越秀公園內的北秀湖、南秀湖和東秀湖為研究對象(如圖1所示)。

圖1 越秀區河湖水系示意

2.2 生態流量保障現狀及存在問題分析

2河4湖所在的越秀區，人口密集程度高，生活污水排放量大，在進行清污分流后，無雨時段進入河涌湖泊的水量非常小，水域的基本生態水量很難得到保證。越秀區2河4湖水系各生態流量控制斷面的保障目標分析如下。

1) 滿足最小生態用水需求。沙河涌和景泰涌在枯水期的上游來水量小，沿河截污后會導致部分河段出現斷流的情況，為維持河流不干涸、河道流暢、生物蟄伏等基本生態功能需要保障生態基流；4湖目前均具有景觀用途，上游來水量少，水的置換周期長，容易形成藻類大量繁殖、水體發臭等水質問題，為保障湖泊水質健康和景觀需求需要保障基本生態水位。

2) 需要保持河涌的自然屬性。越秀區作為中心城區，隨著人類活動影響的加劇，河涌湖泊的水情發生了很大變化，河流的季節特征變得不明顯，導致河涌正常功能紊亂，湖泊的自然生態功能退化，為保障河涌正常的豐枯變化、季節脈動和湖泊自然生態功能，應重視枯水期河涌湖泊生態調度，保障枯水期河涌湖泊生態安全。

3) 2河4湖目前為景觀用途，在越秀區范圍內無重要生物保護區，以保障河道生態基流和湖泊基本生態水位為目標。

綜上分析，生態流量保障目標設定為河涌湖泊基本功能的保護，即保證河涌不干涸、不斷流，保持河道形態結構穩定，保障河涌的生態功能；保障湖泊基本生態水位和景觀水位，因此以生態基流和基本生態水位為控制指標。

3 河湖生態流量計算

3.1 生態流量控制斷面

依據《水利部關于做好河湖生態流量確定和保障工作的指導意見》要求，沙河涌和景泰涌生態流量控制斷面選取原則如下：利用已有水利工程斷面，便于對控制斷面生態流量的調度及后期生態流量的監控，無水利工程斷面的，考慮在行政區交界處或河流匯入點上游設置控制斷面，用于生態流量監控。

流花湖、北秀湖、南秀湖和東秀湖控制斷面均選取排水閘(出口水閘)作為控制斷面，按照湖泊景觀和生態要求，進行生態水位監控。根據生態流量(水位)控制斷面的選取原則，結合2河4湖的實際狀況，確定其生態流量(水位)控制斷面(見表1、表2和圖2)。

表1 沙河涌生態流量斷面

表2 景泰涌生態流量斷面

圖2 越秀區2河4湖生態流量控制斷面示意

3.2 基礎數據

1) 氣象水文數據

由于本研究涉及的2河4湖均未設置流量水文站，河涌無流量資料，湖泊無水位監測，因此2條河涌流量資料通過區域降雨資料估算得來，本研究搜集到2河附近的廣州氣象站具有1965—2016年的逐月降雨量數據(如圖3所示)。

圖3 廣州氣象站1965—2016年逐月降雨數據(缺2002年)

4湖的水位有關資料主要根據湖泊管理方有關管理記錄獲取，其中，流花湖湖面總面積約為 0.33 km2，流域面積為4.51 km2，湖底高程約為4.0 m，平均水深為1.57 m，正常蓄水位為5.6～5.8 m，汛期最低控制水位為5.5 m，枯水期最低控制水位為5.8 m，水量主要受降雨補給并受與流花湖相連的駟馬涌排水渠涵閘控制和調節。根據《廣州市越秀區水系規劃(2012—2020年)》，流花湖水位—面積曲線如圖4所示。

圖4 流花湖水位—面積關系示意

2) 數據處理

廣州氣象站位于廣東省廣州市天河區天河村，可用廣州氣象站歷年降雨資料計算河涌的歷年月徑流水位過程，徑流估算公式如下：

Qm=10-3C×H×A

(1)

式中：

Qm——降雨產生的徑流量，m3/a；

C——集雨區的徑流系數；

H——集雨區的降雨量，mm；

A——集雨區面積，m2。

根據《室外排水設計規范》[6]規定，給排水設計中雨水設計徑流系數可按表3取值(本規范適用于新建、擴建和改建的城鎮、工業區和居住區的永久性的室外排水工程設計)。根據2條河涌所在區域的下墊面分布情況，沙河涌上游具有較多的不透水面，而景泰涌范圍內幾乎為密集建筑區，因此，選取徑流系數指標如下：沙河涌取0.8，景泰涌取0.85。

表3 不同區域徑流系數

3.3 生態流量計算方法

根據《河湖生態環境需水計算規范》(SL/272—2014)，河流生態流量的計算方法主要包括歷史流量法、水力學法、生境模擬法等，湖泊生態水位的計算方法主要包括湖泊形態法、水量平衡法、棲息地法、換水周期法[1]。對比分析不同方法計算生態流量的差異、研究區實際情況和數據掌握的情況，本研究選擇歷史流量法計算河流各斷面的生態流量，采用湖泊形態法計算湖泊的生態水位，并結合河湖實際情況確定生態流量(水位)。

3.3.1河流生態流量計算方法

生態流量的計算需要用到流域徑流資料，本文采用降雨量反演的徑流資料計算生態流量。計算方法選用水文學法，水文學方法又稱快速評價法或標準設定法，該法以河流歷史水文數據為基礎，根據簡單的水文指標確定河道生態基流[7-8]。該方法操作簡單，無需現場測定數據，但未考慮生態棲息地、水質、水溫、季節變化、水域景觀及河床形狀變化等因素[9-10]。水文學方法主要有近10 a最枯月平均流量法、Tennant法、Qp法等。

1) 最小月平均實測徑流法

最小月平均實測徑流法一般以河流最小月平均實測徑流量的多年平均值作為河流基本生態環境需水量，以維持水生生物的正常生長，并滿足河流排鹽、排沙、入滲補給與污染物自凈能力等方面的需求。該方法比較適應河流具有明顯的季節性特點地區，在我國海灤河、東遼河等的研究中得到廣泛應用[11-12]。一般采用河流每年中最小月平均實測徑流量的多年平均值作為河流生態需水量，其計算公式為：

(2)

式中:

Wb——河流生態需水量,108m3；

Qij——表示第i年第j個月的月均流量,m3/s；

T——換算系數，其值為31.536×106s；

n——統計年數。

2) Tennant法

Tennant法，也稱為“Montana法”，以平均年流量的百分比作為推薦流量，在不同的月份采取不同的百分比(見表4)[13-14]。其中，10%的平均流量對大多數水生生命體來說，是建議的支撐短期生存棲息地的最小瞬時流量。此時，河槽寬度、水深及流速顯著地減少，水生棲息地已經退化，河流底質或濕周有近一半暴露，支流河道將嚴重或全部缺水。本研究主要針對城市河流，主要考慮維持河道基本形態，因此取年平均徑流量的10%作為生態流量。

表4 Tennant法對棲息地質量和流量關系的描述

3)QP法

QP法基于歷史流量資料來構建各月流量頻率曲線，將某個累積頻率相應的流量QP作為生態流量。QP的頻率P可取90%或95%，也可根據實際需要作適當調整。Q90為通常采用的水生棲息地的最小流量，被當成警告水資源管理者的危險流量條件的臨界值。根據計算所得各月的累積頻率繪制流量頻率曲線。根據各月流量頻率曲線，以90%來水頻率下的平均流量作為河涌的生態基流。

本研究以月均流量系列為基礎數據，首先對河流月均流量分別從大到小排序，計算月均流量對應累積頻率，計算公式如下：

(3)

式中:

i=1,2,…,N;

q1、qN——序列中的最大、最小月均流量值；

Q——實測月均流量。

3.3.2湖泊生態水位計算方法

城市湖泊生態水位計算采用湖泊形態法，通過分析湖泊水面面積變化率與湖泊水位關系來確定維持湖泊基本形態需水量對應的最低水位。首先通過實測的湖泊水位H和湖泊面積F資料，構建湖泊水位H與湖泊水面面積變化率dF/dH的關系曲線(見圖5)。在湖泊枯水期低水位附近的最大值對應水位為湖泊最低生態水位。如果湖泊水位和dF/dH關系無最大值，則不能使用本方法。

圖5 湖泊水位和湖泊面積變化率關系曲線示意

湖泊最低生態水位計算可采用下式計算：

F=f(H)

(4)

(5)

(Hmin-a)≤H≤(Hmin+b)

(6)

式中：

F——湖面面積，m2；

H——湖泊水位，m；

Hmin——湖泊天然狀態下的多年最低水位，m；

a、b——和湖泊水位變幅相比較小的一個正數，m。

3.4 兩河四湖生態流量確定

越秀區作為城市區域，地表硬化使雨水入滲量極小，降雨難以滲入地下形成地下徑流，進而無法在無雨時段補給河涌湖泊；同時區域涉及的京溪污水處理廠補水、3河涌補水和白云山清水補給等工程均不在越秀區境內，河涌湖泊補水的保障難度較大。

因此，本方案將上述各種方法計算所得河道各生態斷面生態基流(最小月平均實測徑流法、Tennant法、Q90法)的較小值作為各河道生態斷面的生態基流。由于區域內排水系統經過清污分流后，無雨季節幾乎沒有排水進入河涌，加之境內無補水工程措施，而河涌水面蒸發和下滲會消耗水量，故河涌出口斷面的生態流量取值與上游斷面的生態流量取值相同，為方便測量和管理，對生態流量值適當取整。

河涌出口有生態水位要求，一般以河道景觀水位為生態水位；湖泊的生態水位較難確定，同樣以前述確定的景觀或水閘閘頂水位作為生態水位。

1) 沙河涌

根據前述生態流量的確定方法，沙河涌生態流量計算結果和最終取值見表5。由于沙河涌下游對景觀水位有要求，因此沙河涌水閘提出生態水位控制指標，生態水位取景觀水位5.2 m。

表5 沙河涌計算結果匯總 m3/s

2) 景泰涌

根據前述生態流量的確定方法，景泰涌生態流量計算結果和最終取值見表6，由于景泰涌出口設置了臨時氣盾壩防止外江潮水倒灌，根據《景泰涌應急搶險工程方案設計》(2018)，臨時氣盾壩設計蓄水位為7.3 m，因此景泰涌出口氣盾壩(臨時)生態流量同時以水位為控制指標，生態水位取氣盾壩設計蓄水位7.3 m。

表6 景泰涌計算結果匯總 m3/s

3) 流花湖

由于暫未獲取到流花湖歷史水位監測數據，根據前述湖泊生態水位計算方法中的湖泊形態法，利用圖4中的水位—面積曲線，得出斜率最大的點為H=4.6 m的位置。

通過湖泊形態法計算的生態水位偏小，考慮到流花湖常水位在5.6～5.8 m，且流花湖水質總體一般，生態保障的壓力較大，需要較高的水位以保持湖區水生態良好，本方案以5.8 m為流花湖生態水位，該水位是湖泊管理單位為保證湖泊適宜景觀和生態功能日常保持的水位最小值，在汛期遇強降雨天氣，可提前騰空至5.5 m汛限水位，可操作性較好。

4) 越秀公園3湖

北秀湖、南秀湖和東秀湖分別位于越秀公園內的西北、西南和東南角，湖內多年來一直存在落葉、投喂食物和匯水面積小而使水體更新慢等問題，水環境質量保障存在風險。由于未獲取到3湖的水位—面積曲線信息，本次將3湖的多年平均水位作為生態水位，即北秀湖生態水位為11.8 m，南秀湖生態水位為7.8 m，東秀湖生態水位為6.3 m。

4 生態流量保障策略

針對越秀區2河4湖水系，分析流域所有可調水的水利工程的基本現狀，根據流域防洪、生態流量、景觀等多方面的需求，以保障生態流量為目標，編制流域水量調度方案。遵循因地制宜、統籌兼顧和生態保障的原則，開展生態流量調度。

考慮到越秀公園3湖的生態環境已形成較為獨立的系統，且管理方已采取了物理、生物、化學等方法進行水環境改善，僅對2河1湖提出生態流量保障的方案。

4.1 沙河涌調度方案

1) 調度目標

保障廣州大道中斷面生態流量0.10 m3/s、上游河道不斷流不干涸；保障出口水閘斷面生態流量0.10 m3/s，且生態水位滿足5.2 m。

2) 調度工程

根據《廣州市越秀區沙河涌(越秀段)“一河一策”實施方案(2017—2020年)》，位于沙河涌上游白云區境內的京溪污水處理廠實際補水量約為1.0 m3/s，排放至沙河涌左支流，直接作為沙河涌景觀補水。“沙河涌等3條河涌聯合補水工程”從東圃大橋附近的珠江前航道取水，通過修建兩級提升泵站，利用輸水管道，3涌補水工程可給沙河涌出口以上10 km處提供補水流量：正常為4.2 m3/s、應急為8.4 m3/s，現運行考慮上游京溪凈水廠尾水，實際補水流量為 2.1 m3/s，每天從8:00—20:00補水12 h。

3) 調度方案

根據《廣州市中心城區重點河涌預騰空預案》(2017)[13]，當接收到預騰空啟動的指令時，市河涌管理中心停止沙河涌補水。預騰空應急響應結束后，恢復正常補水流量4.2 m3/s，連續向下游河涌補水。具體操作指引見表7所示。

現階段調度方案：京溪污水處理廠補水工程可 24 h 給沙河涌上游補充凈化水，補水量為1.0 m3/s；3河涌補水工程每天8：00～20：00進行12 h的調水、補水、凈水循環，通過泵站從珠江前航道抽取潮水經二次提升后向沙河涌進行補給，補水量為2.1 m3/s。

下階段調度方案：現階段補水基本能夠滿足沙河涌生態流量要求，但補水點與生態流量斷面之間的區間有排水匯入，可能會增加沙河涌污染負荷，應考慮增加京溪污水處理廠補水能力或延長3河涌補水工程補水點位置；延長3河涌補水時間，調整為6:00～22:00進行16 h補水，補水量按照2.1 m3/s，20:00～次日6:00進行8 h補水，補水量適當減少為0.5 m3/s。建議在涌口水閘設置泵站(或利用已有泵站)，沙河涌出口水位根據閘內和閘外水位情況調度，閘內水位低于5.2 m且低于閘外水位時，開啟閘門引入珠江水至5.2 m以上；閘內水位低于5.2m且高于閘外水位時，設置泵站提水，抽取珠江水至閘內。

表7 3涌補水操作指引(應急響應生效期間)

4.2 景泰涌調度方案

1) 調度目標

保障三元里大道斷面生態流量0.02 m3/s；涌口氣盾壩(臨時)斷面0.02 m3/s，生態水位為7.3 m。

2) 調度工程

景泰涌暫無固定的補水工程，目前主要是將白云山清水、礦泉泳場置換的泳池水作為補給水源引入沙河涌。

3) 調度方案

現階段補水方案：根據“廣州白云發布”公眾號2018年的信息，2018年白云山清水每日供水量為3 000 m3，流量約為0.035 m3/s；三元里礦泉游泳場4個游泳場(館)池水量約為4 000 m3，根據《游泳場所衛生規范》并詢問游泳場管理方，游泳場每周更換1～2次池水，計算得到補水當天的補水流量約為0.046 m3/s，可每周間斷性地對河涌水體進行沖洗更換。白云山清水由沙河涌源頭補水，三元里礦泉游泳場置換水由三元里大道斷面處補水。

下階段補水方案：增加新的補水水源，協調游泳場補水時間，保障沙河涌24 h補水，提高生態流量保障率。

4.3 流花湖調度方案

流花湖調度目標為保障5.8 m的景觀水位，增強水體自凈能力。利用流花湖2、3號排水閘和補水泵站，通過水閘的調度和補水泵站補水可維持水域一定的景觀水位。

根據《廣州市中心城區重點河涌預騰空預案》(2017)，流花湖出湖閘正常情況時關閉，非汛期湖內水位保持在5.8 m，汛期湖內水位保持在5.6 m，高于5.6 m即通過排水中心協調打開彩虹橋37截污閘降低流花湖水位。

流花湖上游駟馬涌可為流花湖補給一定的水量，但考慮其水質較差，可在完成駟馬涌清污分流且水質優于流花湖后，將其作為流花湖的補水水源。汛期時，按照汛期調度規則，流花湖內水位保持在5.5 m，超過的部分通過排水閘排除。

越秀區河涌生態流量補水點位置如圖6所示。

圖6 越秀區河涌生態流量補水點位置示意

4.4 保障措施

為了保障河流控制斷面生態流量，維護河道水生態環境，可考慮實施以下工程和非工程措施。

1) 工程措施

① 加強補水泵站的隔音措施，減少泵站工作對居民生活造成的影響，以便凈水廠及二級泵站夜間正常運行，保障沙河涌上游河道的生態流量。

② 增加景泰涌水源補充渠道，協調三元里礦泉游泳場池水置換時間，保障沙河涌生態流量和水質。

③ 流花湖是越秀區最大的景觀人工湖，通過駟馬涌補水，受駟馬涌來水水質不確定性影響，還應增加新的補水來源，提高流花湖生態水位保障水平。

④ 越秀公園3湖的匯水面積較小，應考慮增加新的補水水源，提高公園景觀和生態水位保障水平。

2) 非工程措施

① 完善管理體制與機制，提升管理能力

按照流域統一管理與行政區域管理相結合的原則，進一步建立并完善計劃用水制度、水量分配監控制度及監督考核評估制度。完善計劃用水制度，嚴格重要用水戶用水計劃申報與審批制度；建立完善水量分配相關的水資源監控制度，加強控制斷面、重要取用水戶監控，完善監控體系運行、維護管理辦法、預警方案和監控措施、管理單位和監測對象權責等；制定監督考核評估制度，明確水量分配監督內容和方法、考核目標和原則、考核對象、考核流程和方法等。

② 建立水量年度分配計劃

根據水量分配方案、用水定額以及經濟技術條件，制定年度用水計劃，對本行政區域內的年度用水實行總量控制。越秀區水行政主管部門根據批準的水量分配方案和年度預測來水量以及用水需求，結合工程運行情況，制定年度水量調度計劃，確定用水時段和用水量，實施年度總量控制和水量統一調度。當出現旱情緊急情況或者其他突發公共事件時，應當按照經批準的旱情緊急情況下的水量調度預案或者突發公共事件應急處置預案進行調度或處置。

③ 加強水資源統一調度

生態流量的保障離不開流域水資源統一調度，市水務局負責市級層面水資源統一調度，實施廣州市用水總量控制與區界斷面出境水量監督管理，越秀區應當積極配合。在此基礎上，執行保障生態流量的水量調度方案，保障制定的生態流量。

④ 加強水資源管理能力建設

要加快建設水資源監測監控設施，建立監控網絡，并落實計量設施以及監控措施。建立主要控制斷面流量、水質目標要求責任制，確保控制斷面下泄流量。本次方案選定的各生態流量控制斷面，監測結果須報廣州市水務局，并由市水務局匯總備用。

5 結語

本研究以城市河湖生態流量分析和保障為研究目標，通過調查分析越秀區2河4湖的水利工程設施及其調度運行現狀，結合補水工程的補水斷面，劃定了河涌湖泊的生態流量(水位)控制斷面，選用廣州氣象站歷年降雨資料計算沙河涌和景泰涌月均徑流過程。采用最小月平均實測徑流法、Tennant法、Q90法等計算各控制斷面的生態流量；生態水位的確定受限于基礎資料缺乏，主要基于湖泊地形信息，考慮河湖景觀、防汛和常水位等因素綜合取得。河涌生態流量計算的3種方法結果較為接近，取計算結果中較小值作為控制斷面的生態流量，涌口水閘斷面以景觀水位為控制指標，并根據區域內及流域上下游情況，制定了沙河涌、景泰涌和流花湖的生態流量保障方案，提出了針對性的工程和非工程保障措施。本研究可為高度城市化區域的河湖生態流量保障提供參考。需要說明的是，本文僅為科學研究成果，相關生態流量的確定與保障仍需有關部門根據實際情況開展進一步工作。