特枯來水年景下韓江流域生態流量保障情況分析

劉 菁

(廣東省水文局惠州水文分局，廣東 惠州 516003)

1 概述

生態流量是維系江河湖泊生態系統的基本要素、控制水資源開發強度的重要指標，保障生態流量成為人類社會可持續發展的重要內容，事關河湖健康及其生態服務功能的發揮，事關國家水安全保障[1]。近年來，國家先后印發實施一系列政策文件，對維持河湖基本生態用水需求、保障生態流量提出明確要求。2020年起，水利部先后印發三批重點河湖生態流量保障目標[2]，對切實加強河湖生態流量管理、保障生態用水尤其是保障枯水期流量提出了新要求。2021年，廣東省降水頻率為90.0%，屬特枯來水年份，降水量和水資源量比多年平均明顯偏少，大型水庫蓄水銳減，韓江流域出現歷史罕見旱情，河川徑流量為有觀測記錄以來第三枯[3]。本文以2021年為評價時段，對韓江流域在特枯來水年景下的生態流量保障程度進行分析評價，計算韓江潮安控制斷面的水文特征指標，分析評價2021年生態流量保障程度，結合部分水利工程建設運行前同樣出現特枯來水情況有關年份水資源數據進行分析，進而評價韓江流域開展相關工作的效果，進行討論并提出建議，旨在為保障韓江流域生態健康、助力廣東省建設美麗幸福河湖提供相關參考。

2 研究區概況

2.1 流域概況

韓江發源于廣東省紫金縣和陸河縣交界的七星崠，在大埔縣三河壩與源自福建省的汀江匯合，位于粵東、閩西南地區，河流水系流經廣東、福建、江西等省，流經廣東省河源、梅州、潮州、汕頭和福建省三明、龍巖、漳州及江西省贛州市等8個地級市。韓江干流全長為470 km，平均坡降為0.37‰，流域面積為30 122 km2，其中廣東省境內面積為17 876 km2，占全流域面積的59.4%。流域集水面積大于100 km2的各級支流共有53條，其中在廣東省境內大于1 000 km2的有梅江、五華河、寧江、石窟河、汀江、梅潭河等，梅江與汀江匯合后稱韓江(流域水系見圖1所示)。

圖1 韓江流域水系圖及控制斷面位置示意

韓江流域屬亞熱帶季風氣候，受海洋性東南亞季風影響最大，氣候溫暖濕潤，多年平均氣溫為20.6℃～21.4℃。流域內降雨量充沛，但時空分布不均，多年平均降雨量為1 595.8 mm，汛期雨量占全年雨量的80%左右。韓江是粵東重要水源地之一，近年來，受氣候變化和人類活動影響，水資源供需矛盾日益突出，生態用水保障面臨較大壓力。

2.2 生態流量控制斷面概況

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》[4]，韓江生態流量考核斷面為長治(溪口)和潮安兩個控制斷面。結合國家對廣東省最嚴格水資源考核監測斷面要求，本文以潮安為主開展韓江流域生態流量保障程度分析。

潮安水文站是韓江下游控制站，位于廣東省潮州市湘橋區，于1946年10月設立，站址集水面積為29 077 km2，距河口40 km，測驗項目有水位、流量、泥沙、雨量、水質等，為韓江流域的國家重要水文站。潮安站徑流在枯水期除受天然降雨徑流的影響，受區間水利工程調度影響也十分顯著。

從區域水利工程分布情況看，對潮安站有直接影響的水利工程有韓江東山水利樞紐(位于潮安水文站上游45 km)、鳳凰溪上的鳳凰水庫和鳳溪水庫(鳳凰溪于潮安站上游13 km匯入韓江)、潮州供水樞紐(位于潮安水文站下游5 km)。其中，東山水利樞紐自2006年起投入建設；鳳凰水庫、鳳溪水庫分別于1969年10月、1982年9月完工并正式運行；潮州供水樞紐2002年9月起正式投入建設，于2007年1月完工并正式投入使用。

3 水資源量數據情況

3.1 采用資料和方法

2021年，韓江流域降水量為有水文氣象觀測記錄以來第一枯。本文以韓江流域作為研究區域，主要以潮安斷面作為直接分析對象，上游橫山斷面作為輔助分析對象，以2021年為評價時段，采用1956—2016年及2021年上述兩個斷面水資源量數據資料開展相應分析，運用分區降水面積加權平均法進行降水量計算、代表站法計算地表水資源量，結合最枯月平均流量法和Tennant法確定生態流量保障目標，對特枯來水年景下韓江流域生態流量保障程度進行分析評價。

3.2 降水量

采用分區降水面積加權平均法[5]對韓江流域2021年降水量進行計算，計算公式為：

(1)

式中：

P——流域平均降水量；

a——每個測點控制的面積；

p——每個測點監測的降水量；

A——流域面積。

選取流域內133個雨量站進行降水量分析計算，韓江流域2021年降水量為1 062.8 mm，比多年平均偏少34.0%。從區間降雨總量與常年比較情況看，2020年冬至2021年春，韓江流域降雨量比多年平均偏少71.6%；從區間內降雨月分配情況看，韓江流域2020年10月、2020年11月、2021年1月降雨量較歷史同期多年平均降雨量均偏少80%以上，其中2021年1月較常年偏少98.6%。

3.3 地表水資源量

采用代表站法[6]推求韓江流域2021年地表水資源量，計算公式為：

(2)

式中：

W研——研究區域的年徑流量；

F研——研究區域的面積；

W代——代表站的天然年徑流量；

F代——代表站的集水面積。

在韓江流域選取尖山、河子口、橫山(二)、溪口、潮安等5個代表水文站進行地表水資源量計算，算得韓江流域2021年地表水資源量為73.8億m3，比多年平均偏少54.2%(見表1)。

表1 韓江流域2021年與多年平均水資源量對比情況

3.4 水文頻率計算

對潮安斷面1956—2016年年降雨量進行頻率分析計算[7]，P=90%來水年潮安斷面降雨量為1 233.7 mm。2021年，潮安斷面年降雨量為1 177 mm，來水頻率為P=93%；對韓江流域1956—2016年天然河川徑流量進行排頻分析計算，P=90%頻率潮安斷面的天然流量為517.9 m3/s。2021年，潮安斷面日均流量為230.2 m3/s，經分析來水頻率為P=99.9%，屬于特枯來水年，流域用水主要以保障生活用水為主。

4 生態流量保障情況

4.1 生態流量保障目標

生態基流是為維護河湖等水生態系統功能不喪失，需要保留的底限流量過程中的最小值。生態基流計算方法有多種，本文主要采用最枯月平均流量法和Tennant法，運用潮安斷面1956—2016年天然月平均流量資料進行生態基流分析計算。

1)最枯月平均流量法(Qp法)

最枯月平均流量法以天然月平均流量為基礎，用歷年最枯月平均流量進行頻率分析，一般選取特枯年保證率下的最枯月平均流量，作為該斷面的年生態基流量。該方法未考慮生態基流的年內變化，僅計算年生態基流量[8-10]。出于動態調度、優化調度等方面考慮，為進一步保證韓江流域生態供水，分別計算潮安斷面P=90%、95%時的最枯月平均流量。

2)Tennant法[11]

對于流量年內季節性變化明顯且水資源開發利用強度不超過60%的河流，可以參考Tennant法設定不同季節或月份的生態基流。具體計算方法如下：

枯水月份(月均流量≤多年日均流量)，(0.1～0.2)×年均流量

(3)

豐水月份(月均流量>多年日均流量)，(0.2～0.4)×年均流量

(4)

結合廣東省實際情況，豐水月份為4月至9月，枯水月份為10月至次年3月。根據潮安斷面1956—2016年天然流量數據，多年平均日均流量為823.5 m3/s。用上述計算方法對潮安站生態基流進行計算，本文中枯水月份取系數為0.1，豐水月份取系數0.2。

采用上述計算方法得出的計算結果見表2。

表2 韓江潮安斷面生態基流分析計算結果

生態流量是維持某一時空范圍內生態與環境系統的結構與功能，所需的單位時間內通過河流某一斷面的水量。考慮到韓江流域水資源條件與水生態保護要求[12]，采用在P=95%下最枯月平均流量法計算得出的生態基流目標作為潮安斷面生態流量保障目標，為128 m3/s。

4.2 生態流量保障程度分析

生態流量保障程度[13]用如下公式進行評估：

(5)

式中：

R——基本生態流量保證率；

D——評價時段的總天(月或年)數；

d——評價時段D中滿足生態流量保障目標的天(月或年)數。

對2021年潮安水文站控制斷面逐日流量資料進行分析，2021年潮安斷面日均流量為230.2 m3/s，年內滿足生態流量保障目標的天數為333 d，不滿足生態流量保障目標的天數為32 d，由此計算得出2021年潮安控制斷面生態流量保證率為91.2%(見圖2)。

圖2 潮安水文站2021年逐日流量變化情況示意

在2021年內對潮安斷面各月生態流量保障情況進行分析，2021年潮安斷面有5個月出現了不同程度的不滿足生態流量保障目標的情況，其中4月、5月、12月保障程度均低于90%，4月僅有13 d滿足生態流量保障目標(見表3)。

表3 韓江潮安斷面2021年內各月生態流量保障情況

4.3 對應上游斷面來水保障程度分析

根據《韓江流域水量分配方案》[14]，韓江流域從上游至下游分別確定長治、下壩、大東、橫山、潮安等5個斷面為韓江流域水量分配控制斷面，其中長治、下壩、大東為福建省核定斷面，橫山、潮安為廣東省核定斷面。按照水量分配方案中對主要控制斷面最小下泄流量的目標要求，橫山斷面最小下泄流量為62 m3/s，潮安斷面最小下泄流量為128 m3/s。

對2021年橫山斷面逐日流量資料進行分析(見圖3)，其日均流量為73.6 m3/s，年內滿足最小下泄流量目標的天數為149 d，不滿足最小下泄流量保障目標的天數為216 d，2021年橫山控制斷面最小下泄流量保證率為40.8%。由于韓江流域出現了近60 a來的歷史罕見旱情，橫山斷面來水頻率大于99.8%，屬于特枯來水，流域以保障生活用水為主，難以保證最小下泄流量。

圖3 橫山斷面2021年逐日流量變化情況示意

對各月最小下泄流量進行分析(見表4)，2021年橫山斷面各月均出現嚴重不滿足最小下泄流量目標的情況，僅有6月、8月滿足程度等于或超過90%，其余月份均低于90%，1月、2月、4月、11月滿足程度不足20%，其中11月僅有2 d滿足最小下泄流量目標。

表4 韓江橫山斷面2021年各月最小下泄流量達標情況

4.4 對比其他特枯來水年生態流量保障情況

對照歷年廣東省水資源公報[15]水資源量數據得知，2004年，韓江流域降水量為1 182.8 mm，地表水資源量為69.52億m3，徑流系數僅為0.32，為有觀測記錄以來最枯。

分別對韓江流域上游橫山斷面、下游潮安斷面2004年逐日流量資料進行分析。經分析，橫山斷面2004年日均流量為181 m3/s，年內滿足最小下泄流量目標的天數為347 d，不滿足最小下泄流量保障目標的天數為19 d，2004年橫山斷面保證率為94.8%(見圖4)；潮安斷面2004年日均流量為362 m3/s，年內滿足最小下泄流量目標的天數為346 d，不滿足最小下泄流量保障目標的天數為20 d，2004年潮安斷面保證率為94.5%(見圖5)。

圖4 橫山斷面2004年逐日流量變化情況示意

圖5 潮安斷面2004年逐日流量變化情況示意

5 結果分析

基于上述數據計算及保障程度分析，在2021年韓江流域出現枯水頻率高達90%以上、有水文氣象觀測以來降水量歷史最枯且河川徑流量歷史第三枯的特枯來水年景下，上游橫山斷面最小下泄流量難以滿足；下游潮安斷面雖難以完全保障，但在橫山斷面全年保障程度僅為40.8%的情況下，生態流量保證率仍能達到91.2%，基本達到了滿足生態流量保障的要求。而對比同為來水特枯的2004年，在部分水利工程建設前，上游橫山和下游潮安斷面保證率基本相同，上下游流量相關關系基本一致，由此可見在特枯來水年景下，韓江東山水利樞紐、鳳溪水庫、鳳凰水庫和潮州供水樞紐等水利工程調度對潮安斷面流量影響尤其顯著，在保生活用水的前提下較大程度地保障了生態用水；同時，由于潮安斷面最小下泄流量目標與生態流量保障目標一致，需注意到在生態流量保障目標基本滿足的情況下，潮安斷面的最小下泄流量仍無法完全滿足，因此，應進一步優化韓江流域枯水期水量調度原則，合理動用上游水庫調節庫容進行補水調度。

6 討論及建議

針對韓江流域2021年生態流量保障程度分析情況，在進一步了解韓江流域生態流量監測及保障相關現狀的同時，也發現了部分制約生態流量保障工作的短板，由此進行討論及提出建議如下。

1)枯水干旱年份下生態流量保障難度大。2021年，除上述分析外，還存在水庫蓄水嚴重不足等問題，韓江流域骨干水庫蓄水增量與多年平均相比偏少近五成，枯水期韓江流域四大水庫入庫來水與多年同期相比偏少近七成。干旱缺水或為難以保障生態流量的首要原因，生產、生活、生態用水矛盾突出，生態流量保障難度大。

2)生態流量統一調度體制機制尚未建立。區別于防洪調度和其他應急水量調度，生態流量調度特別是枯水期生態流量統一調度體制機制尚未建立，水庫、閘壩管理主體多樣，日常運行管理多數沒有考慮生態需求，上下游間協調統一調度難度較大。建議結合韓江流域水量分配方案及調水方案，制定韓江流域生態流量調度方案，在保障生活用水的前提下，盡量滿足重點斷面生態流量保障需求，保障河流生態系統健康安全。

3)生態流量保障管理基礎建設薄弱。韓江流域各大控制性水利工程建設較早，基本上沒有獨立的生態流量泄放設施，一定程度上影響了生態流量保障工作的科學性和時效性。建議對生態流量泄放不足或不具備泄放設施的各類已建水利工程，分類提出生態流量泄放設施建設與改造措施并盡快投入使用；對于新建水利工程，明確提出生態流量泄放設施建設要求，盡可能做到獨立運行、不受主體工程運行限制。

4)加大生態流量監測站點研究投入。枯水流量監測是國內外共同面臨的技術難題，亟需加強先進的低水測流技術研究與應用，建議根據不同河流特征和水文條件，引進先進的測流技術與測流設備，不斷提高生態流量監測時效性和精確度。此外，在流域內重要敏感的生態區域建立生態監測系統，覆蓋到省界斷面、合流處、流域內重要的生態敏感區和生態保護區，不斷提升監測能力與監測水平，為河湖健康發展提供堅實保障。