關于北江生態流量調度的對策與措施

陳 艷,陳 翔

(1.中水珠江規劃勘測設計有限公司,廣東 廣州 510611;2.水利部珠江水利委員會珠江水利綜合技術中心,廣東 廣州 510610)

河湖生態流量是為了維系河流、湖泊、沼澤等生態系統的結構與功能,需要保留在河流內符合水質要求的流量及過程。保障河湖生態流量是統籌水資源開發與保護,推進生態文明建設的基本要求,對維護國家水安全、生態安全、戰略安全具有重要意義[1]。針對中國河湖生態系統存在的河道斷流、湖泊萎縮干涸、生態流量保障不夠等問題,水利部將復蘇河湖生態環境作為推動新階段水利高質量發展的重要實施路徑[2],2020年4月,水利部印發了《關于做好河湖生態流量確定和保障工作的指導意見》,同年公布了全國第二批83個重要河湖斷面的生態流量目標,標志著中國生態流量正式從科學研究走向管理實踐階段[3]。

為實現河道生態流量目標,在河道外實施水資源消耗總量和強度雙控,在河道內完善水庫、水電站和攔河閘壩的水量調度方案與調度計劃[4],以“生態優先”為管控原則,保證生態流量目標實現。珠江流域雖然水資源總量豐沛,水生態環境總體較好,但依然存在部分河流生態流量保障不足的問題[5],由于水資源年際、年內分布不均,枯水期部分時段達不到生態流量目標,如何利用流域內現有的水利工程提高生態流量達標率是一項亟待解決的問題。

北江干流控制斷面為石角站,集水面積占流域面積的73%,石角站流量可表征整個北江流域生態流量的基本情況;在上游省界斷面中,江西、廣西面積占比小,人類活動影響不明顯,故選擇集水面積占比較大,且有水文監測設施的湘粵斷面,以坪石站表征上游湖南省的生態流量達標情況。因此北江流域以坪石、石角站為生態流量調度控制斷面,本文通過分析兩站現狀生態流量達標情況,提出北江流域生態流量調度存在問題并提出對策與措施。

1 北江生態流量保障情況

1.1 保障目標

在生態流量管控指標體系中,“控制斷面最小生態流量”是生態流量管控指標體系中的核心指標[6],北江生態流量調度的調度目標即為實現坪石、石角2個控制斷面的生態流量目標。在實際工作中,確定生態流量目標需要充分考慮天然水文特征、生態保護需求以及經濟社會發展因素,并與已有規劃、批復成果相銜接[7]。在《北江流域水量分配方案》中選取坪石(湘粵省界斷面)和石角(流域控制斷面)為流域生態流量控制斷面。根據《水利部關于印發第一批重點河湖生態流量保障目標的函》,坪石站的生態基流為10 m3/s,石角站的生態基流為211 m3/s。

北江發源于江西省信豐縣,流經廣東省韶關市,與武江匯合后始稱北江,向下納左岸支流滃江、潖江,右岸支流南水、連江,出飛來峽后再納濱江、綏江,在三水思賢滘與西江相匯并進入珠江三角洲。思賢滘以上河道全長468 km,流域面積4.7萬km2,目前,流域已建成莽山、樂昌峽、小坑、錦江、錦譚、南水、長湖、潭嶺、孟洲壩、濛里、白石窯、飛來峽、清遠等13座大型水庫(工程),總庫容51.1億m3,興利庫容16.3億m3。在13座大型水庫(工程)中有4座水庫的興利庫容超過1億m3,分別為莽山水庫、樂昌峽水庫、南水水庫及飛來峽水庫,流域水系及已建大型水利水電工程位置見圖1。

圖1 北江流域大型水庫及控制斷面位置

1.2 保障現狀

通過流域水文情勢分析,按照莽山水庫、樂昌峽水庫、南水水庫及飛來峽水庫等流域已建大型水庫現有興利調度為主的調度方式,對流域長系列來水過程進行逐月調節計算,坪石、石角斷面的長系列逐月的生態流量保證率分別為93.3%、85.0%;再計算典型年現有興利調度方式下逐日來水,一般年份坪石和石角斷面日均流量均能滿足生態流量要求,枯水年份則不能滿足生態流量目標要求,石角斷面生態流量容易遭到破壞。

1.3 解決思路

針對水資源匱乏,且缺乏水資源配置和調控工程的河流,水量統一調度效果很大程度上受制于天然來水過程[8],生態流量管控重點在于河道外用水管控[9]。北江流域屬于多水河流,且在生態流量控制斷面以上均有大型調蓄工程,可通過流域水庫群聯合調度,保障枯期重要斷面生態流量[10-12]。因此,枯水年北江生態流量目標不能完全保障問題,需通過優化調整流域內骨干水庫的調度方式,保證控制斷面生態流量目標。

目前,北江流域內的水利工程按照原設計任務,均以供水、發電、防洪等調度方式為主,不涉及河流生態補水任務。要保障流域生態流量,一是要開展流域統一調度管理,在水利部辦公廳印發《關于進一步加強流域水資源統一調度管理工作的通知》中也指出,要以流域為單元,統籌解決水災害、水資源、水生態、水環境問題,要將生態流量等保障目標納入水資源調度方案、年度調度計劃,將生態用水調度納入水利水電、航運樞紐等工程日常運行調度規程,并要結合流域水情因地制宜相機開展生態補水;二是要優化流域水資源調度方式,通過對北江流域大型水利工程的生態補水潛力進行分析,選擇合適的有能力的蓄水工程作為生態流量調度的骨干水庫,納入流域統一調度范疇,研究流域的生態流量調度方案,與現有興利調度方式結合,展開優化調度研究,以同時滿足河道外“三生”用水及河道內生態用水。

2 生態流量調度方案

2.1 調度目標

北江流域生態流量調度的目標即為在滿足流域內非汛期生活、生產、生態等用水要求的基礎上,當天然來水不足情況下,利用骨干水庫蓄豐補枯,確保枯水期坪石、石角控制斷面生態流量符合控制指標要求。

2.2 骨干調度水庫選擇

生態流量的骨干調度水庫意味著在流域枯水期生態流量不達標時,具備生態補水能力,因此需要從水庫所在位置、調節庫容大小及生態補水潛力等方面進行篩選。北江流域調蓄庫容超過1億m3,具備較強調節能力的大型水庫有莽山、樂昌峽、南水、飛來峽等。其中莽山水庫(調節庫容1.05億m3)位于湖南省境內,為坪石以上唯一一座大型蓄水工程,可作為坪石斷面的生態流量調度骨干水庫;南水水庫(調節庫容7.14億m3)、飛來峽水利樞紐(調節庫容3.15億m3)和樂昌峽水利樞紐(調節庫容1.42億m3)為流域內另外3座調節庫容較大的水庫,均位于石角斷面上游,可選為石角斷面生態流量調度骨干水庫。

2.3 生態補水次序擬定

根據篩選出來的4座大型水庫調度對坪石、石角來水的影響分析:莽山水庫為坪石斷面的補水水庫;石角斷面上游按照水庫位置及有效庫容大小,首先選擇距離石角斷面最近、補水效果最明顯的飛來峽水庫作為補水水庫,水庫興利庫容有3億多m3,為不完全日調節水庫,水庫來水量大,補水后回蓄也快,再選擇距離較遠,但有效庫容最大的南水水庫為補水水庫,最后再根據需要選擇調節庫容較小,距離也更遠的樂昌峽水庫補水。不同斷面補水次序如下:坪石斷面,莽山水庫單庫補水;石角斷面,依次選擇飛來峽水庫、南水水庫、樂昌峽水庫作為補水水庫。

2.4 水庫群聯合調度模型的建立

a)模型建立。北江生態流量調度骨干工程為莽山、樂昌峽、南水及飛來峽水庫,首先建立各骨干水庫的單庫優化調度模型,再對北江水系進行概化,按照水庫節點將流域劃分為不同區間,建立控制斷面以上的河網匯流模型。生態流量調度模型先按照單庫優化調度模型,以各節點水庫下泄水量為變量,再用馬斯京根法演進到下游斷面,疊加區間流量得到生態流量控制斷面組合來水過程,并以滿足流域水資源調度需求為目標進行調度方案調整與優化。調度水庫位置及控制斷面示意見圖2。

圖2 北江主要調度水庫及控制斷面示意

b)約束條件。

水位約束:

Ztmin≤Zt≤Ztmax

(1)

式中Ztmin——水庫調度期內時段允許最低水位;Ztmax——水庫調度期內時段允許最高水位;Zt——水庫時段水位。

出庫流量約束:

QCtmin≤QCt≤QCtmax

(2)

式中 QCtmin——水庫調度期內時段允許最小出庫流量,該流量要與機組最小發電流量相協調;QCtmax——水庫調度期內時段允許最大出庫流量,該流量要與機組最大發電流量相協調;QCt——水庫時段出庫流量。

c)計算步驟。在北江生態流量調度模型中,若骨干水庫按興利調度方式,下游控制斷面流量能夠滿足生態流量保障目標,則在該來水頻率下,骨干水庫可保持原有興利調度方式運行,興利調度與生態調度目標可同時滿足;若骨干水庫按興利調度方式運行,下游控制斷面生態流量出現破壞,則將控制斷面流量與生態目標的差值按照補水水庫次序反饋至上一層的單庫優化調度模型,結合水庫補水次序、水庫的當前調節庫容及發電流量等自身用水需求,合理分配補水任務,優化調整各水庫的下泄水量,再通過河網匯流模型,計算到控制斷面,如此反復,直到控制斷面流量滿足生態流量目標,模型計算結束。北江生態流量調度模型按2個層面計算,一是坪石斷面以上,參與調度水庫為莽山水庫;二是石角斷面以上,參與調度的是南水、樂昌峽及飛來峽3座水庫,聯合調度模型框架均采用圖3方式。

圖3 水庫聯合調度模型計算框架示意

2.5 生態流量調度計算

按照生態流量考核要求,需對枯水年來水情況進行逐日調節,可選取P=90%的枯水年及P=95%的特枯年為例,進行逐日的調節計算,先以骨干工程現有的興利調度方式,驗證坪石、石角控制斷面的生態流量達標情況,若出現了生態流量不達標的情況,再按照上述生態流量調度模型進行補水調度。

a)水庫興利調度方式下生態流量保障程度分析。北江流域莽山、南水、樂昌峽及飛來峽水庫按照原有興利調度方式運行,90%來水頻率的枯水年,上游坪石控制斷面的生態流量全部達標,下游石角控制斷面有40 d低于生態流量指標211 m3/s,不達標月份共計3個月(不得超過2個月(含),具體見3.2節,下同),不滿足生態流量保障目標要求;95%來水頻率的特枯年,上游坪石控制斷面的生態流量共計18 d低于生態流量指標10 m3/s,不達標月份共計2個月,下游石角控制斷面低于生態流量指標211 m3/s的天數有60 d,不達標月份共計3個月,坪石、石角斷面均不能達到生態流量保障目標要求,枯水年及特枯年興利調度后的調度效果見表1。

表1 典型年興利調度后控制斷面破壞天數及缺水量統計

b)生態補水調度方案擬定。枯水年石角斷面生態流量均遭不同程度的破壞,按照水庫補水次序優先采用飛來峽水庫進行補水調度,視補水效果再選擇南水、樂昌峽等水庫開展生態補水調度;特枯年坪石斷面生態流量也不能滿足生態流量保障目標,可利用莽山水庫進行補水。在實際補水過程中,由于無法準確預報后期來水情況,可先按照“應補盡補”方式補水,即一旦出現生態流量低于控制指標的情況,就進行補水,以滿足當下生態流量目標,只有出現水庫削落水位較大,影響自身用水,且所有骨干水庫均無補水潛力后,方考慮生態流量破壞。經此法調算后,P=90%典型年,枯水期石角斷面生態流量遭破壞天數為40 d,缺水量合計0.98億m3,利用飛來峽水庫補水后即可達到石角斷面全部天數最小下泄流量均不低于211 m3/s的目標;P=95%典型年,枯水期坪石斷面生態流量遭破壞天數為18 d,缺水量合計為0.02億m3,整體缺水量較小,利用上游的莽山水庫補水后可滿足坪石斷面生態流量目標要求。石角斷面生態流量遭破壞天數為60 d,缺水量合計3.08億m3,由于缺水量大,單獨用飛來峽水庫補水會出現水庫水位削落過大的情況,為防止后續難以回蓄,根據飛來峽水庫多年來水規律,設置不同月份的生態補水限制線,當庫水位低于補水限制線后由南水水庫接力補水。在特枯年,由飛來峽、南水水庫補水后石角斷面生態流量可滿足目標。

c)生態補水調度影響評價。飛來峽水庫為北江生態流量調度的主力生態補水水庫,補水對飛來峽水庫的發電等造成了一定的影響,以P=90%的枯水年為例,在補水期間飛來峽水庫的平均運行水位為23.1 m,比按照水庫原調度規則的平均運行水位24.0 m低了0.9 m。雖發電水頭有所降低,但是枯水期加大泄量,也能增加時段發電量,且在補水過程中也考慮了時段下泄水量與機組發電流量相協調,補水時段水庫不會產生額外棄水,總體看來對其發電量影響不大。

3 生態流量調度實施與考核

3.1 生態流量調度實踐

在實際調度管理中,北江生態流量調度目標是通過北江流域水資源調度方案、年度調度計劃,將生態用水調度納入水利水電、航運樞紐等工程日常運行調度來實現。

目前《北江流域水量調度方案(試行)》已印發,與生態流量調度方案不同的是,水量調度方案中控制目標為斷面的最小下泄流量。由于北江水量調度方案提出的坪石、石角的最小下泄流量為10、211 m3/s,與生態流量調度目標一致,因此基于同樣目標,北江水量調度的骨干工程選擇及補水方案也基本一致:調度工程包括莽山水庫、南水水庫、樂昌峽水庫及飛來峽水庫等水利水電工程,在一般來水年份,骨干水庫可按照原有調度規則調度;枯水年則利用飛來峽水庫按照石角站缺水量,進行動態補水調度;特枯年在全流域采用節水措施的基礎上,依靠莽山水庫保障坪石最小下泄流量(10 m3/s),按飛來峽水庫—南水水庫—樂昌峽水庫順序按照石角站來水進行動態調度,以滿足石角站最小下泄流量(211 m3/s)要求。

在北江流域每年開展的水資源年度調度計劃中,則是按照當年的來水預測,判斷來水頻率,再選擇不同的調度方案作為本年度的調度計劃,當實際調度過程中,出現控制斷面來水不達標的情況時,結合來水預報,實時開展“動態調度”,確保斷面最小下泄流量目標滿足要求。由于北江流域的生態流量與最小下泄流量一致,因此最小下泄流量目標的實現也表征了生態流量目標的實現。

3.2 生態流量考核

生態流量的考核標準近幾年略有變化,在最新的《水利部水資源管理司關于做好2021年度實行最嚴格水資源管理制度考核有關工作的通知》中,生態流量保障目標完成情況的判定是以月為單位,按逐日平均流量進行評價,每月斷面日均下泄流量小于目標值的天數多于3 d的,則該斷面當月視為不達標;同一個斷面累計超過2個月(含)不達標,認定該斷面本年度生態流量不達標[13]。

本次北江生態流量調度,到控制斷面生態流量遭遇破壞時,采用的“應補盡補”方式補水,即只要補水水庫有能力,則要把不達標的生態流量全部補齊。由于北江流域的骨干水庫補水能力較強,采用此調度方法,有利于生態流量調度目標考核達標。

4 結論

通過上文分析,北江流域枯水年在豐水年或平水年,當坪石及石角斷面來水滿足生態流量要求時,流域內各蓄水工程按照原有調度方式運行;枯水年當坪石斷面不達標時,選擇莽山水庫對坪石生態流量目標進行補水,當石角斷面不達標時,優先選擇飛來峽水庫為生態補水水庫,利用飛來峽水庫補水后,一般年份的枯水期,石角斷面全部天數均可滿足生態流量保障要求,特枯年份在增加南水水庫接力補水后,也能滿足石角斷面生態考核要求。

在北江流域的生態流量調度方案中充分體現了流域統一調度管理的重要性,只有統一調度,方能實現流域供水、發電、航運、生態等多贏目標;同時也反映出骨干水庫是生態流量調度的重要抓手,骨干水庫汛末蓄水調度是枯水期生態調度的關鍵[14],在制定北江流域水資源年度調度計劃時,需合理安排骨干水庫等汛末蓄水,以保障枯水期生態流量調度的順利實施。