周柏青 林益江

（浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院 浙江杭州 311231）

在供水格局不斷變化的過程中，小型水庫的灌溉及供水能力在逐漸萎縮，要提升小型水庫對地表徑流的調(diào)節(jié)能力，提高水資源的利用率，就要根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃那闆r以及水庫功能制定合理的補(bǔ)水調(diào)度方案。本文以石陂頭水庫為例，詳細(xì)說明了小型水庫生態(tài)補(bǔ)水調(diào)度方案具體的制定過程。

1 小型水庫的特點(diǎn)

1.1 物理特點(diǎn)

我國是世界上擁有水庫數(shù)量最多的國家，其中小型水庫的數(shù)量占比達(dá)到90%以上。雖然小型水庫分布的范圍較廣，但分布不均勻，部分經(jīng)濟(jì)文化相對落后的地區(qū)由于技術(shù)以及交通條件的限制，水庫的庫容量較小。大部分小型水庫的壩高小于15 m，且大壩的高度受到地理環(huán)境的影響較大，淺丘區(qū)的大壩高度相對較低，而山區(qū)的大壩高度較高[1]。

1.2 功能特點(diǎn)

從總體分析，小型水庫的功能性單一，大部分小型水庫以灌溉為主要功能，在水利調(diào)節(jié)模式方面，大中型水庫采用的是多年調(diào)節(jié)模式，而小型水庫采用的是年調(diào)節(jié)模式。因此與大中型水庫相比，小型水庫抗旱能力更佳，通?？购堤鞌?shù)可達(dá)到50 ～70 d。另外，二者的防洪功能也有巨大差異，小型水庫在設(shè)計(jì)時(shí)主要目的就是興利，而不是防洪，因此小型水庫多數(shù)不具備防洪功能，而正是由于水庫的興建，增加了水庫下游城鎮(zhèn)遭受洪災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)，一旦洪水沖毀了大壩，會(huì)加大下游城鎮(zhèn)的損失。

1.3 水文特點(diǎn)

小型水庫的水文特點(diǎn)主要體現(xiàn)在2 個(gè)方面。一方面是集水流域特征，通常小型水庫的集水流域面都很小，為30 ～50 km2，這樣的集水范圍屬于特小流域范疇[2]。另一方面就是集水流域的匯流特點(diǎn)，小型水庫的集水流域與一般性的小流域有很大的區(qū)別，一般性小流域有一條干流，以匯流的方式為主。而小型水庫的集水匯流則是以坡面匯流為主，沒有一條明顯的干流。另外，雖然小型水庫的下墊面形成條件單一，但不同水庫下墊面形成的條件有很大不同，主要由當(dāng)?shù)氐牡乩項(xiàng)l件以及氣候條件決定。正是由于下墊面形成條件過于單一，讓下墊面成為影響特小流域匯流參數(shù)的首要因素，其優(yōu)先級高于該流域的干流長度以及流域面積等因素。

2 水庫生態(tài)補(bǔ)水具體方案

2.1 水庫簡介

石陂頭水庫位于寶安區(qū)石巖街道，屬于茅洲河流域，該水庫的直流為應(yīng)人石河的Ⅰ級支流。大壩以上集雨面積為0.95 km2，河流長度約為1.65 km，比降為0.090 4。該水庫于1975 年4 月正式投入運(yùn)營，屬于?。?）型水庫。石陂頭水庫在設(shè)計(jì)時(shí)，水庫的死庫容為21.5 萬m3，水位67.40 m，興利庫的容量為45.16 萬m3，正常蓄水位為74.44 m，水庫的總庫容為88.75 萬m3，從結(jié)構(gòu)分析，石陂頭水庫主要由3 個(gè)部分組成，即主堤壩，溢洪通道以及輸水涵管，另外再搭配一些其他設(shè)施，如上壩道路等。

2.2 確定生態(tài)補(bǔ)水保證率

在確定生態(tài)補(bǔ)水調(diào)度計(jì)劃時(shí)，工作人員要根據(jù)《室外節(jié)水設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，以城市規(guī)模以及工業(yè)生產(chǎn)作為參照指標(biāo)，確定枯水流量的年保證率，該保證率通常為90%～97%[3]。同時(shí)要根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定，綜合考慮水體資源、農(nóng)作物結(jié)構(gòu)以及灌溉規(guī)模等因素，確定灌溉設(shè)計(jì)保證率，在水源豐富的地區(qū)，灌溉設(shè)計(jì)保證率要達(dá)到75%～95%，見表1。

表1 灌溉設(shè)計(jì)保證率表

河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境維持所需水量是確定生態(tài)補(bǔ)水保證率的另一個(gè)重要指標(biāo)，也就是保證河流、湖泊等自然生態(tài)環(huán)境中保護(hù)目標(biāo)可以生存所需要的水量最小值。在不同水文條件下，生態(tài)環(huán)境的用水量存在很大不同，根據(jù)這種差異可以推算出不同的水文環(huán)境中，生態(tài)需水量的具體數(shù)值，通常生態(tài)環(huán)境需水量保證率要高于50%。在結(jié)合城市用水保證率、灌溉用水保證率以及生態(tài)維持需水量等多個(gè)維度的指標(biāo)后，將石陂頭水庫的河道生態(tài)補(bǔ)水保證率設(shè)定為75%。

2.3 計(jì)算河道生態(tài)需水量

河道生態(tài)的需水量并不是一個(gè)特定的數(shù)值，而是一個(gè)可能浮動(dòng)的流量區(qū)間，該區(qū)間的下限就是河道生態(tài)可以維持所需要的最小水量[4]。在這一水量標(biāo)準(zhǔn)下，河道生態(tài)圈中的水生植物以及動(dòng)物可以生存，若低于該水量，該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境會(huì)受到破壞，不僅生態(tài)種群結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，大多數(shù)物種都會(huì)消失，在短期內(nèi)該區(qū)域的生態(tài)難以恢復(fù)。而適宜生態(tài)需水量主要是指可以維持河道生物健康存活以及保證生物多樣性的水量，該指標(biāo)也是一個(gè)范圍，水量如果處于這一范圍，就代表了該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)是比較穩(wěn)定的。

隨著研究的不斷深入，小型水庫河道基本流量的計(jì)算方式呈現(xiàn)出多元化發(fā)展趨勢。目前常見的計(jì)算方法有生境模擬法、水力學(xué)法以及水文學(xué)法等。這些計(jì)算方式的原理不同，各有優(yōu)劣。如常見的水文計(jì)算法，這種方法的優(yōu)勢在于讓基本流量的計(jì)算變得更加簡單、快捷，缺點(diǎn)是考慮的因素比較單一，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性不高；水力學(xué)計(jì)算法優(yōu)勢在于計(jì)算過程中充分考慮水的力學(xué)因素，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，但這種方式的缺點(diǎn)在于參與計(jì)算所需要用到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過實(shí)際測算，操作上會(huì)存在一定的困難；而生境模擬計(jì)算法將重點(diǎn)放在了生物多樣性方面，對于河流的規(guī)劃以及河流整體生態(tài)穩(wěn)定性沒有進(jìn)行全面考量，其計(jì)算出來的流量范圍數(shù)值雖然具有一定的參考價(jià)值，但是與河流整體的管理要求不相符。由于這幾種流量計(jì)算方式都存在一定的局限性，因此逐漸被更為科學(xué)的Tennant 計(jì)算法取代。Tennant 計(jì)算法是一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定法，該方法最大的特點(diǎn)在于不需要工作人員進(jìn)行實(shí)際水量的測量，河流的推薦流量以流域年均流量的百分比作為標(biāo)準(zhǔn)，依靠統(tǒng)計(jì)學(xué)的公式對河流每年平均流量的百分比數(shù)值進(jìn)行處理，最終得到河流流量等級標(biāo)準(zhǔn)[5]。在石陂頭水庫所在的區(qū)域，以小河流為主，而且由于人口眾多，人類活動(dòng)對于水量的影響較大，因此考慮使用Tennant 法對生態(tài)需水量進(jìn)行計(jì)算。

2.4 確定水庫可補(bǔ)水量

2.4.1 分析來水量

由于石陂頭水庫沒有完整的降雨資料，選擇使用與其相近的鐵崗雨量站的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)。該雨量站收集了自1957 年至今的降雨資料。石陂頭水庫的集雨面積為0.95 km2，其所處流域的平均徑流深度為900 mm，經(jīng)過Tennant 計(jì)算法的計(jì)算，其徑流的變差系數(shù)為CV=0.38，CS=2CV，水庫在各種不同頻率下的設(shè)計(jì)流量見表2。

表2 石陂頭水庫設(shè)計(jì)年徑流表

2.4.2 計(jì)算用水量

石陂頭水庫用水量的計(jì)算主要分為2 個(gè)方面，第一是下游河道的生態(tài)用水量，通過Tennant 法的計(jì)算，該水庫最低生態(tài)水流量需要滿足下游河道平均徑流量的10%，該水庫下游應(yīng)人石河的年平均徑流量是471.8 萬m3，每日平均徑流量為1.298 萬m3，因此生態(tài)流量的最小值要保證在0.1298 萬m3/d。第二是計(jì)算損耗水量，將徑流日常蒸發(fā)與滲透損失的水量設(shè)定為庫損量，石陂頭水庫沒有水庫水位與面積的對應(yīng)曲線，因此在計(jì)算庫損量時(shí)要按照正常需水量對應(yīng)的庫容數(shù)值的5%計(jì)算，將總庫損量分?jǐn)偟矫總€(gè)月，該水庫的正常蓄水為75.44 m，與之對應(yīng)的庫容為66.67 萬m3，則該水庫的庫算量為3.32 萬m3。

2.4.3 計(jì)算調(diào)節(jié)

在本次補(bǔ)水調(diào)節(jié)過程中，使用水量平衡調(diào)節(jié)得出石陂頭水庫的可補(bǔ)水?dāng)?shù)量。將調(diào)節(jié)計(jì)算時(shí)段調(diào)整為“月”，在枯水年P(guān)取值為97%，偏枯水年P(guān)取值為75%，正常年份P取值為50%，通過三種類型P的取值計(jì)算水庫的可補(bǔ)水?dāng)?shù)量。在起調(diào)水位的取值方面，使用2015 ～2018 年5 月的水位平均值69.03 m，對水庫的來水量、用水量以及調(diào)蓄庫容進(jìn)行計(jì)算。

2.4.4 可補(bǔ)水量結(jié)果

根據(jù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，該水庫目前沒有供水的需求，水庫的余水可以用來改善應(yīng)人石河的生態(tài)，應(yīng)人石河最小生態(tài)流量是該地區(qū)年平均地表徑流的10%，也就是0.129 萬m3/d，因此可以得到結(jié)論：枯水年（P=97%），在非汛期，生態(tài)水量為0.112 萬m3/d，低于應(yīng)人石河最小生態(tài)的需水量。在汛期生態(tài)水量為0.129 萬m3/d，滿足應(yīng)人石河生態(tài)最小需水量；偏枯水年（P=75%），在非汛期，生態(tài)水量為0.128萬m3/d，符合應(yīng)人石河最小生態(tài)需水量，在汛期水量達(dá)到0.192 萬m3/d，是應(yīng)人石河年平均徑流的14.8%；正常年份（P=50%），在非汛期生態(tài)水量為0.129萬m3/d，符合應(yīng)人石河生態(tài)需水量的最小值，汛期生態(tài)水量為0.297 萬m3/d，等于年平均徑流量的14.8%。

2.5 制定補(bǔ)水調(diào)度方案

通過對3 組數(shù)據(jù)的計(jì)算，結(jié)合降雨期雨水對于流量的補(bǔ)充以及石陂頭水庫的實(shí)際情況等因素，制定出具體的補(bǔ)水方案。在降雨量方面，如果水庫的降雨量達(dá)到或超過2.81 mm 這一標(biāo)準(zhǔn)，在24 h 內(nèi)不需要對應(yīng)人石河進(jìn)行補(bǔ)水工作，工作人員可以暫時(shí)停止補(bǔ)水措施。如果低于該標(biāo)準(zhǔn)，那么對于限制供水區(qū)就要根據(jù)日補(bǔ)水量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)水[6]。在水位方面，如果水庫中的水位低于逐月補(bǔ)水水位成果表中的限制供水線，那么就要進(jìn)行補(bǔ)水，見表3。

表3 石陂頭水庫逐月補(bǔ)水水位成果表

由于石陂頭水庫的補(bǔ)水流量小，在進(jìn)行補(bǔ)水的過程中，要在人流集中的時(shí)間段進(jìn)行補(bǔ)水，同時(shí)對于補(bǔ)水的間隔進(jìn)行控制，通常每1 ～3 個(gè)月進(jìn)行1 次補(bǔ)水。

3 結(jié)語

河流生態(tài)與人類的生活有緊密的聯(lián)系，要對河流生態(tài)補(bǔ)水問題給予高度重視。特別是小型水庫下游生態(tài)環(huán)境，可以利用小型水庫進(jìn)行補(bǔ)水，保證河流生態(tài)需水量始終處于安全范圍內(nèi)，工作人員要通過科學(xué)的計(jì)算方式以及詳細(xì)的數(shù)據(jù)來制定出科學(xué)的補(bǔ)水方案，保證水庫下游河流的生物多樣性以及生態(tài)穩(wěn)定性。