奎濉河生態流量計算及保障措施分析

馬 博

(安徽省宿州水文水資源局,安徽 宿州 234000)

在河流中保持足夠的流動水是保持河流基本生態功能的前提,也是確保生態系統穩定和動態平衡的基礎,維持河流生態系統運轉的基本流量被定義為生態流量[1]。過度的人類開發利用活動降低了天然河流的自我修復能力,河流的生態環境遭到破壞。此外,水資源被過度開發利用、農業灌溉等也嚴重影響了天然河流的可持續性。因此,應保留一定的基本流量,以防止河流在水資源開發過程中萎縮或斷流。

本文以奎濉河為例,選取伊橋、澮塘溝閘和枯河閘3個斷面為奎濉河生態流量控制斷面,分別采用水文學法中的QP法[2]、Tennant法[3]計算各控制斷面的生態流量。根據計算成果,統籌考慮流域特性,綜合確定各斷面采用的生態流量目標值,并對各控制斷面生態流量滿足程度進行分析,提出相應的生態流量保障措施,旨在為奎濉河的河流健康和水資源可持續利用提供科學依據。

1 流域概況

1.1 自然地理

奎濉河位于淮北平原東部,為江蘇、安徽跨省骨干排水河流,涉及安徽省淮北市、宿州市,江蘇省徐州市、宿遷市的部分縣(區)。奎濉河全長151.7km,流域面積3598km2,多年平均蒸發量1500mm,年平均氣溫14.4℃。多年平均降水量876.1mm,降水量年際變化大,年內分配不均,汛期7—9月降水占全年降水總量的80%左右。多年平均水資源總量10.58億m3,其中地表水資源量6.20億m3。

1.2 水資源及其開發利用

1.2.1 水資源總量

經分析計算,奎濉河流域1956—2016年多年平均水資源總量10.58億m3,50%、75%、95%來水頻率年水資源總量分別為9.54億m3、6.73億m3、4.54億m3。奎濉河流域不同來水頻率水資源總量見表1。

表1 奎濉河流域不同來水頻率水資源總量 單位:億m3

1.2.2 水資源利用情況

根據淮河片水資源公報及各省水資源公報,并參考各地市水資源公報,對奎濉河流域2006—2018年用水情況進行統計分析。從用水量增長趨勢看,近13年來,奎濉河流域用水量呈振蕩攀升態勢。在國民經濟各行業中,生態環境用水增長最快,城鎮居民生活和公共生活次之,用水呈現增長勢頭的主要集中在剛性用水需求領域。農村生活用水受農村人口流出的影響呈減少趨勢;農田灌溉用水隨年型變化較大,總體基本穩定;工業用水和林牧漁畜用水呈下降趨勢,符合節水型社會建設的需求。奎濉河流域2006—2018年用水結構變化見表2。

表2 奎濉河流域2006—2018年用水情況 單位:億m3

1.2.3 水資源開發利用程度分析

根據調查統計,綜合考慮地表水、地下水資源開發利用狀況后,2006—2018年奎濉河流域各地區水資源開發利用率為23.9%(見表3)。

表3 奎濉河流域各地區水資源開發利用程度

2 資料處理及計算方法

2.1 資料的選取和處理

由于奎濉河流域徑流受到的人類活動影響較大,測得的徑流序列不一致,因此有必要進行恢復計算。本次計算以欄桿集水文站、澮塘溝閘水文站、泗洪(濉)水文站1956—2016年實測水文資料為基礎,采用分項調查的方法將實測徑流數據還原為天然徑流序列[4]。計算公式為[5]

W天然=W實測+W灌溉+W工業+W生活+W庫蒸發+

W庫滲±W庫蓄±W引水±W分洪

式中:W天然為控制斷面天然徑流量,億m3;W實測為控制斷面實測徑流量,億m3;W灌溉為地表水農業灌溉用水量,億m3;W工業為地表水工業耗水量,億m3;W生活為城鎮與農村居民生活耗水量,億m3;W庫蒸發為水面蒸發量減去陸面蒸發量,億m3;W庫滲為水庫、河道的滲漏量,億m3;W庫蓄為水庫蓄水變量,億m3;W引水為跨流域引水量,億m3;W分洪為河道分洪決口水量,億m3。

根據分析計算,得出1956—2016年奎濉河流域欄桿集、澮塘溝閘、泗洪(濉)3站多年平均實測徑流量、多年平均還原水量和還原后天然徑流量,見表4。

表4 奎濉河流域水文站點分項調查法還原計算成果

2.2 生態流量計算方法選取

2.2.1QP法

QP法又稱不同頻率最枯月平均值法,以長系列(n≥30年)天然月徑流量為基礎,用每年的最枯月徑流量排頻,選擇不同頻率下的最枯月平均流量作為控制斷面基本生態流量[6]。

頻率P根據河流水資源開發利用程度、規模、來水情況等實際情況確定,《河湖生態環境需水計算規范》(SL/T 712—2021)推薦取90%或95%,根據淮河流域河流生態流量計算經驗,頻率P通常選取90%。

2.2.2 Tennant法

Tennant法又稱為蒙大拿法[7],其將年平均天然徑流的一定百分比作為生態流量,當達到一定百分比時,河流的基本生態功能可以得到保證。綜合淮河流域Tennant法的實際應用成果,本文采用控制斷面多年平均流量的5%作為生態流量。

3 生態流量計算及保障程度分析

3.1 生態流量計算

3.1.1QP法

由于伊橋斷面、枯河閘無天然徑流資料,采用下游欄桿集和上游澮塘溝閘1956—2016年系列天然徑流量資料,篩選每年最枯月徑流量,依據最枯月徑流量的系列值,繪制P-Ⅲ型頻率曲線(見圖1、圖2),分別計算75%、90%、95%保證率下的生態流量,采用兩個控制斷面面積比法推測伊橋斷面和枯河閘的生態流量。

圖1 欄桿集1956—2016年天然最枯月徑流量P-Ⅲ型頻率曲線

圖2 澮塘溝閘1956—2016年天然最枯月徑流量P-Ⅲ型頻率曲線

3.1.2 Tennant法

采用欄桿集水文站1956—2016年系列天然徑流量資料,依據多年平均徑流量的百分比,根據面積比法推測伊橋斷面的多年平均天然徑流量為0.75億m3,生態流量為0.12m3/s。枯河閘與下游泗洪(濉)集水面積僅相差19km2,與上游澮塘溝閘集水面積相差576km2,本文以泗洪(濉)多年平均天然徑流量為依據,采用水文面積比擬法推測枯河閘生態流量。泗洪(濉)多年平均徑流量為5.12 億m3,算得枯河閘的多年平均天然徑流量為5.09 億m3,生態流量按多年平均天然流量的5%計算為0.81m3/s。

3.1.3 計算結果分析

通過QP法、Tennant法分析計算奎濉河各控制斷面生態流量,見表5。

表5 奎濉河1956—2016年各控制站生態流量計算結果匯總

根據表5計算結果,QP法計算的生態流量結果遠小于Tennant法計算結果,分析原因是奎濉河降水年內分配不均,天然狀況下水資源集中分布在汛期,奎濉河汛期7—9月降水占全年降水總量的80%左右。考慮奎濉河現有閘壩對水資源的調節作用,建議生態流量采用多年平均流量的5%。奎濉河主要控制斷面生態流量保障目標見表6。

表6 奎濉河主要控制斷面生態流量保障目標

3.2 保障程度分析

3.2.1 月均保障程度分析

研究采用實測月平均流量與生態流量之比計算保證率[8]。根據各控制斷面2008—2022年實測月均水文數據,計算各控制斷面月均生態流量滿足情況。伊橋、澮塘溝閘、枯河閘斷面Tennant法算的生態流量滿足程度分別為100%、90.0%、87.2%,奎濉河生態流量上段滿足程度高于下段,即伊橋>澮塘溝閘>枯河閘,究其原因,奎濉河上段多為山區性河流,受水利工程擾動較小,奎濉河下段為平原區,建設了大量的攔河閘壩,天然來水過程被高度控制。

圖3為奎濉河生態流量月滿足程度,從不同月份的保證率來看,保證率較低的時段既不是少水的枯水期,也不是生態流量較大的汛期,反而是正常流量期的5—6月之間的時段,且6月為保證率最低的時期,分析原因,一是因為5—6月研究區域尚未迎來汛期,降水量相對少;二是這一時期恰好是農業用水的高峰期,需要引水灌溉。

圖3 奎濉河生態流量月滿足程度

3.2.2 日均滿足程度分析

日均滿足程度為日均流量大于等于生態流量的天數占系列總天數的比值[9],采用各控制斷面2008—2022年實測日均水文數據,計算各控制斷面日均生態流量滿足情況。通過分析計算,伊橋、澮塘溝閘、枯河閘斷面采用Tennant法算的生態流量日滿足程度分別為100%、58.4%、53.2%,澮塘溝閘和枯河閘滿足程度較低,分析原因是澮塘溝閘和枯河閘在非汛期經常處于關閉狀態所致。

4 生態流量保障措施

a.加強領導,落實責任。奎濉河流域作為跨省河流,具有監管難、實施難等特點,相關管理部門要把奎濉河生態流量保障作為推進生態文明建設的重要舉措,納入落實最嚴格水資源管理制度和推進河長制工作的重要內容,加強組織領導,分解落實奎濉河生態流量保障責任,細化保障措施,確保奎濉河生態流量達標,逐步建立健全奎濉河生態水量保障長效機制。

b.統一調度,強化監管。實施奎濉河流域水量統一調度與管理,把保障生態水量目標作為硬約束,科學制定奎濉河流量調度方案和調度計劃,實施區域用水總量控制,加強用水管控,嚴格計劃用水管理。要加強對控制斷面生態流量達標情況的監管,組織開展現場監督檢查。鑒于奎濉河下段受水工建筑物高度影響,建議采取限制取水、建設生態流量泄放設施等措施,確保達到生態流量目標。

c.科技引領,提高監測能力。加強實時監控,結合淮河流域水信息系統、淮河流域水資源管理信息平臺和國家水資源監控體系建設部署,完善生態水量控制斷面的監控能力建設,逐步實現重要水利工程和重點用水單位的在線監控,以及監控圖像和數據的實時報送。加強水文監測預報,提高測驗和預報精度,依托全國“水情信息交換系統”,實現水情監測數據實時報送,為奎濉河生態流量保障提供技術支撐。

d.強化評價,嚴格考核。按照水利部有關生態流量考核要求,建立生態流量考核評價機制,組織開展奎濉河生態流量保障考核評價工作,將考核評價結論作為最嚴格水資源管理制度和河湖長制考核的重要依據,督促各級落實相關責任。

5 結 語

本文根據奎濉河流域特點,在流域水資源開發利用現狀、生態保護需求和調度實施條件的基礎上,采用分項調查的方法將欄桿集水文站、澮塘溝閘水文站、泗洪(濉)實測徑流序列恢復為自然徑流序列,采用水文學法中的QP法、Tennant法分別計算奎濉河各控制斷面生態流量。研究結果表明,使用不同的計算方法得出的生態流量不同,由于奎濉河流域天然徑流量年內分布極度不均,統籌考慮流域特性,Tennant法計算結果可作為奎濉河生態流量推薦值。本文生態流量計算方法屬于水文學方法,方法簡單高效,不需要現場監測,但因素單一,精度較低。建議今后有條件時還需用水力-棲息地法和整體分析法等對奎濉河生態流量作深入地研究與分析。