高雪山，劉樹鋒，關 帥，陳記臣，馮 平

(1.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2.廣東省水利廳，廣州 510610；3.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510610)

1 研究背景

廣東省水利工程數(shù)量眾多，截至2019年底，僅水庫工程就有8 413座，其中大型水庫39座，中型水庫348座，小型水庫8 026座(約占全國小型水庫總數(shù)的8.6%)，小型水庫主要分布在粵東、粵西、粵北地區(qū)和珠三角部分經濟薄弱地區(qū)。全省的小型水庫中，有7 464座(占93%)承擔著農業(yè)灌溉任務；有6 662座(占83%)具有區(qū)域防洪功能；有883座(占11%)承擔著城鄉(xiāng)供水任務，年供水量約占全省供水總量的15%；有964座(占12%)具有發(fā)電功能。這些水庫形成了以農田灌溉、區(qū)域防洪、城鎮(zhèn)供水和水資源保護為主的配置體系，為廣東省鄉(xiāng)村振興工作的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展提供了堅實的保障。

傳統(tǒng)的水庫等水利工程在調度中過度地追求防洪、灌溉、供水等社會效益，未充分考慮生態(tài)環(huán)境的需水量，因此以往水利工程在發(fā)揮社會效益的同時，受開發(fā)理念、技術、資金等因素制約，不可避免地會對河流的自然演進、水環(huán)境、水動力甚至水溫等產生影響[1-3]，主要表現(xiàn)在：一是改變河流水文特征，局部河段減水脫流，影響河流生態(tài)[4]；二是閘壩形成阻隔，破壞河流連通性，影響洄游魚類等水生生物生境[5]。國外在20世紀50年代開始了針對生態(tài)流量的研究，并從70年代起，針對生態(tài)流量的計算與調度等領域開展了大量的理論研究與實踐探索[6-8]。我國20世紀70年代開始從國外引入相關概念，開始對生態(tài)流量進行探索，但目前大量的研究仍主要集中在生態(tài)流量計算方法和生態(tài)流量需水過程的理論研究上，針對水庫調度的實例研究偏少[9-12]。

國務院印發(fā)的《水污染防治行動計劃》[13]明確提出“科學確定生態(tài)流量，維持河湖基本生態(tài)用水需求，重點保障枯水期生態(tài)基流”，而且在我國治水主要矛盾“從改變自然、征服自然為主轉向調整人的行為、糾正人的錯誤行為為主”的大背景下，亟需開展基于生態(tài)流量保障的水庫調度方案研究。傳統(tǒng)的水庫調度方案是根據(jù)《水利工程水利計算規(guī)范》(SL 104—2015)[14]與《水庫調度設計規(guī)范》(GB/T 50587—2010)[15]進行編制的，但是現(xiàn)行的規(guī)范還不夠完善，編制調度方案中存在一些方法不明確、結果不夠精準,以及調度方案需要經過反復校正等難以滿足設計要求的問題[16-18]。相關研究針對水庫優(yōu)化調度提出了逐步優(yōu)化算法、自適應遺傳算法等優(yōu)化調度模型[19-20]，但是通常只是計算出調度的結果，缺乏可實際應用的調度策略，無法直接指導生產生活。王平[16]在規(guī)范方法的基礎上，提出了灌溉與供水、灌溉結合發(fā)電等水庫調度方案的改進算法，但均未考慮水庫的生態(tài)功能。

鑒于此，本文選取北江流域內的茂墩水庫為試點，在考慮水庫原有供水、灌溉等興利功能的同時，綜合保障下游河道的生態(tài)需水過程，制定茂墩水庫基于生態(tài)流量保障的調度方案，以期對珠江流域水利工程生態(tài)需水的研究提供一種新的思路與研究視角。

2 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)域概況

茂墩水庫位于從化市西部鰲頭鎮(zhèn)的茂墩村，屬潖江河流域，水庫攔蓄潖江河上游的茂墩水。水庫于1966年3月建成，集雨面積為12.9 km2，是一座以灌溉為主，結合防洪、發(fā)電、供水、養(yǎng)殖等綜合利用的年調節(jié)水庫。水庫總庫容為1 414萬m3，設計洪水位99.1 m(黃海高程，下同)，校核洪水位100.5 m，正常蓄水位為97.5 m，防洪限制水位4—6月份為96.3 m，7—9月份為97.5 m，死水位78.6 m；死庫容23萬m3。水庫的水位-庫容關系與水位-泄量關系見圖1。

圖1 茂墩水庫水位與庫容及泄量的關系曲線Fig.1 Storage-capacity curve and water level-dischargecurve of Maodun reservoir

茂墩水庫是廣州市主要飲用水源之一，是廣州市重點保護水庫，現(xiàn)為從化市鰲頭鎮(zhèn)自來水廠的取水水源。該水廠位于茂墩水庫東南側，地面標高約為78 m，取水口位于茂墩水庫大壩背水坡左側，茂墩水庫及自來水廠取水口位置示意見圖2。現(xiàn)水廠設計供水規(guī)模約為1.0萬m3/d，實際日供水量約為0.77萬m3/d，總服務人口約為9.3萬人。

圖2 茂墩水庫及自來水廠取水口平面位置Fig.2 Maodun reservoir and water-intake location

茂墩水庫的農業(yè)灌溉對象為茂墩水庫灌區(qū)，灌區(qū)設計灌溉面積約為840 hm2，有效灌溉面積約為740 hm2，灌溉設計保證率為90%。

2.2 數(shù)據(jù)來源與分析

采用茂墩雨量站作為茂墩水庫的參證站，從廣東省氣象局與茂墩水庫管理處獲取到了茂墩站1976—2017年逐月的降雨資料。采用Mann-Kendall法(簡稱M-K法)對茂墩站進行變異性檢驗，茂墩站的降雨量統(tǒng)計量Z1值為-1.01，說明茂墩站降雨序列呈現(xiàn)下降趨勢，而其絕對值<1.96，說明下降趨勢不明顯。

3 研究方法

3.1 生態(tài)流量計算方法

目前生態(tài)流量的研究方法較多，據(jù)不完全統(tǒng)計，全球生態(tài)流量計算方法已超過200種，按計算原理可概括為：水文學法、水力學法、棲息地法、整體分析法4類[21-23]。本文選取水文學法中的Tennant法[22]進行計算，Tennant法所需資料少且計算簡便，在國內外應用最為廣泛。

Tennant法最早是由美國學者Tennant和美國漁業(yè)野生動物協(xié)會于1976年共同提出的水文學計算方法。Tennant法在計算的時候,國內學者經常遇到如下幾個誤區(qū)。

(1)Tennant法計算生態(tài)流量的基準是自然水流，即受人類大規(guī)模影響之前的狀態(tài)，因此在采用Tennant法計算時，除了需要收集足夠長的水文序列，還需要對其進行變異性分析，對發(fā)生變異的水文序列進行還原。

(2)無論是枯水期還是豐水期，Tennant法計算的基準都是天然流量的全年平均流量，而不是同時段多年平均天然流量。這一點上《河湖生態(tài)環(huán)境蓄水計算規(guī)范》(SL/Z 712—2014)[24]中也出現(xiàn)了錯誤，目前該規(guī)范正在進行修編。

(3)Tennant法最初是基于小型河流提出的，在應用于大中型河流時，需要進行修訂與論證。

3.2 生態(tài)流量優(yōu)先級確定

汛期時，在河流無特殊保護目標時，水利工程的最小生態(tài)流量一般均可得到滿足，因此水庫在豐水期的防洪功能與最小生態(tài)流量的矛盾并不突出；但在非汛期，當水庫工程同時具備供水、灌溉、發(fā)電等功能時，生態(tài)用水勢必會占用部分興利庫容，生態(tài)功能與各種興利功能之間優(yōu)先次序的確定是開展調度的前提與基礎。

《中華人民共和國水法》(2016年)[25]第21條規(guī)定：開發(fā)、利用水資源，應當首先滿足城鄉(xiāng)居民生活用水，并兼顧農業(yè)、工業(yè)、生態(tài)環(huán)境用水以及航運等需要?！吨腥A人民共和國水污染防治法》(2017年)[26]第27條規(guī)定：國務院有關部門和縣級以上地方人民政府開發(fā)、利用和調節(jié)、調度水資源時，應當統(tǒng)籌兼顧，維持江河的合理流量和湖泊、水庫以及地下水體的合理水位，保障基本生態(tài)用水，維護水體。

可見在法律的規(guī)定中，居民生活用水的優(yōu)先級最高，結合生態(tài)優(yōu)先的發(fā)展理念，本文將生態(tài)流量的優(yōu)先級確定為僅次于居民生活用水的第2級；水庫的其他灌溉、發(fā)電等功能根據(jù)水庫的設計功能再具體分析確定。

3.3 水庫調度方案編制

水庫調度方案是采用長序列歷史徑流資料，編制確定出水庫調度圖來指導水庫的調度運行。水庫調度的數(shù)學表達式為

q=f(V，t) 。

(1)

式中：q為水庫的下泄或取水流量；V為蓄水量；t為調度的時段;f(V，t)為關于V、t的函數(shù)。

為方便應用，將式(1)中的表達方式轉換成水庫的q與t的函數(shù)，即為水庫調度圖，其表達式為

Vi(t)=fi(qi(t)，t) 。

(2)

式中：qi(t)為供水、灌溉或生態(tài)需水量;fi(qi(t)，t)為關于qi(t)和t的函數(shù)；Vi(t)為水庫容量。

通過計算繪制出Vi-qi-t的關系曲線即為水庫的調度線，根據(jù)灌溉、供水與生態(tài)等不同的需求取調度線的外包線，即為水庫的調度圖，可直接用來指導水庫的調度運行。

為了避免規(guī)范中的調度方案編制方法可能帶來的諸如代表年選取不準確、降低供水線與保證供水線不協(xié)調、調度圖校正工作量太大等問題，本文從以下幾個方面對其進行改進。

(1)采用長序列時歷法代替代表年法，避免由于代表年的數(shù)量差異和不同的人對代表年采用不同的修正方法引起的不確定性。

(2)先行計算供水或灌溉正常保證率之外的限制供水線，在保證限制供水能夠得到滿足的前提下再計算供水或灌溉的保證供水線，確保限制供水線與保證供水線不交叉。

(3)在水庫調度方案計算時，在保障自來水廠取水的前提下，考慮水庫下游河道的生態(tài)需水量，增加一條生態(tài)流量防破壞線，在傳統(tǒng)的減小供水區(qū)、正常供水區(qū)與加大供水區(qū)的基礎上引入生態(tài)供水區(qū)的概念。在庫水位低于水廠保證供水線時，僅利用庫容來保障水廠的取水需求，不單獨為生態(tài)流量增加水庫放水量；在庫水位高于水廠保證供水線時，則按照下游河道生態(tài)流量要求泄放流量使其滿足生態(tài)需求；若此時還有多余水量，則繼續(xù)增大泄放水量使其滿足灌溉需水要求。

4 結果分析與討論

4.1 來水量計算

由于缺乏茂墩水庫實測入庫徑流資料，將采用降雨徑流關系進行來水量估算。根據(jù)1976—2017年茂墩水庫逐月降雨量資料，其多年平均降雨量為1 934 mm，而查《廣東省水文圖集》(1991年)[27]，得茂墩水庫集雨面積中心位置的多年平均降雨量為1 850 mm，與1976—2017年系列均值相差僅5.9%，差異很小，故本次計算可采用《廣東省水文圖集》(1991年)中相關參數(shù)確定茂墩水庫壩址處降雨徑流關系，并估算來水量。

根據(jù)《廣東省水文圖集》(1991年)，茂墩水庫多年平均降雨量1 850 mm，變差系數(shù)Cv為0.20。多年平均徑流深為1 200 mm，變差系數(shù)為0.29。取偏差系數(shù)Cs=2Cv，分別采用P-Ⅲ型曲線估算不同頻率下的降雨量和徑流深，然后擬合同頻率下的降雨量和徑流深，得到降雨-徑流深關系(圖3)。

圖3 茂墩水庫降雨-徑流深關系Fig.3 Relationship between rainfall and runoffdepth of Maodun reservoir

根據(jù)茂墩水庫逐年降雨量及圖3，可以推求得到茂墩水庫壩址處逐年平均流量，即來水量。計算結果見圖4。

圖4 茂墩水庫壩址處年徑流過程Fig.4 Year runoff process at the dam site ofMaodun reservoir

4.2 生態(tài)流量計算

由于茂墩水庫及附近未設置水位站點，因此本次計算選取茂墩雨量站作為參證站，且對茂墩站逐年的降雨資料采用M-K法進行了變異性分析，結果顯示降雨未發(fā)生變異，所以不需要對其進行還原計算。而且茂墩水庫位于潖江河上游的茂墩水，屬于小型河流，滿足Tennant法的使用條件。

根據(jù)圖4的計算結果，茂墩水庫壩址處多年平均流量為0.52 m3/s，采用Tennant法，以壩址處多年平均流量為基準，計算得到茂墩水庫壩址處生態(tài)流量，結果見表1。

表1 Tennant法生態(tài)流量計算結果Table 1 Ecological flow calculated by Tennant method

由于茂墩水庫下游無特別的保護目標，綜合考慮水庫興利要求及生態(tài)功能，本次計算選取表1中的第7級，即均采用多年平均流量的10%作為茂墩水庫需要下泄的生態(tài)流量。

4.3 生態(tài)流量優(yōu)先級確定

根據(jù)3.2節(jié)確定的原則，考慮《中華人民共和國防洪法》(2016年)[28]的相關規(guī)定，結合水庫的現(xiàn)有功能，確定茂墩水庫各類功能的優(yōu)先級分別為自來水廠用水、下游河道生態(tài)需水、灌區(qū)灌溉需水與發(fā)電用水。養(yǎng)殖功能為河道內用水，不消耗水資源總量，本次不對其進行考慮，同時由于水庫的壩后電站主要利用灌溉用水進行發(fā)電，本次計算中不再對發(fā)電用水進行考慮。

4.4 水庫調度方案確定

茂墩水庫目前僅有針對豐水期的防汛調度方案，枯水期的興利調度主要依靠經驗進行調蓄，無明確的調度規(guī)則，且未考慮水庫下游河道的生態(tài)需水量。本文在基于生態(tài)流量保障的基礎上，采用改進的水庫調度方案編制方法，制定茂墩水庫的調度運行方案。

4.4.1 水廠取水及生態(tài)流量防破壞線確定

水庫首先保證鰲頭鎮(zhèn)自來水廠的取水，由于水廠取水保證率較高，因此按照全額滿足水廠需水的方案進行調度，不再對其制定降低供水線，將自來水廠各月所需庫容對應水位的連線即為水廠取水防破壞線。同理可計算出水庫在滿足下游河道生態(tài)流量時的防破壞線，計算得到死水位為78.6 m，死庫容為23.00萬m3。飲用功能對應的需水量、庫容、水位分別為23.64萬m3、46.64萬m3、80.10 m。生態(tài)功能對應的需水量、庫容、水位分別為12.96萬m3、59.60萬m3、80.68 m。

4.4.2 灌溉限制供水線確定

茂墩灌區(qū)的灌溉設計保證率為90%，根據(jù)3.3節(jié)中的方案編制及改進原則，首先按照正常灌溉需水量的一定比例(一般為40%～60%)確定降低供水量，本次計算按60%計。在滿足水廠取水及生態(tài)流量泄放的基礎上，按照降低灌溉供水量對全序列進行逆時序徑流調節(jié)計算，得到長系列逐月的灌溉降低庫水位，取其上包線即為灌溉限制供水線?？紤]生態(tài)流量保障的灌溉限制供水線會高于不考慮生態(tài)流量的情況，說明生態(tài)流量的泄放擠占了部分灌溉用水量，這主要是由方案制定中生態(tài)流量的優(yōu)先級決定的。

此方法與規(guī)范中取代表年庫水位下包線的方法相比在原理與對應關系上更準確，而且避免了采用相對較豐來水條件庫水位的下包線來調度枯水時段的不足。

4.4.3 灌溉防破壞線確定

基于生態(tài)流量保障的灌溉防破壞線應以滿足灌溉設計保證率之外限制供水線的要求為前提，將設計保證率的需水量作為約束條件，按照設計保證率需水再次對全序列進行逆時序徑流調節(jié)計算，在計算中將超過灌溉需水的加大供水時段調整為正常供水量，得到長系列逐月的灌溉正常供水位。同時為了避免灌溉限制供水線與防破壞線交叉，在計算時應確保各時段的限制供水線低于保證水位。取歷年逐月同期保證水位的上包線即為灌溉放破壞線。

此方法與規(guī)范提供的計算方法相比，在計算中剔除了加大供水時段，可確定需水量更加合理，同時防止限制供水線與防破壞線交叉，避免了由此造成調度圖不準確的問題。茂墩水庫基于生態(tài)流量保障的綜合調度圖見圖5。

圖5 茂墩水庫基于生態(tài)流量保障的綜合調度圖Fig.5 Comprehensive operation chart of MaodunReservoir based on ecological runoff assurance

根據(jù)圖5可直接對茂墩水庫開展生態(tài)調度，當庫水位在死水位與水廠取水防破壞線之間時，水庫全部用來保障鰲頭鎮(zhèn)自來水廠的取水需求，不泄放任何水量；當庫水位在水廠取水防破壞線與生態(tài)流量防破壞線之間時，水庫在保障自來水廠取水要求的前提下，僅用于保障下游河流的生態(tài)需水，水廠取水防破壞線與生態(tài)流量防破壞線之間的區(qū)域即為生態(tài)供水區(qū)；當庫水位在生態(tài)流量防破壞線與灌溉限制供水線之間時，水庫足額保障自來水廠的取水與下游河道的生態(tài)取水，對茂墩灌區(qū)的灌溉用水進行限制，盡可能使庫水位保持在正常供水區(qū)；當庫水位在灌溉限制供水線與灌溉防破壞線之間時，可按保證率對茂墩灌區(qū)進行供水；當庫水位高于灌溉防破壞線時，則可加大供水。

5 結 論

本文以北江流域內的茂墩水庫為例，選取在國內外應用最為廣泛的Tennant法進行生態(tài)流量計算，并采用改進后的水庫調度方案編制方法，對茂墩水庫進行基于生態(tài)流量保障的水庫調度方案編制，主要結論如下。

(1)采用Tennant法計算生態(tài)流量普遍存在幾個誤區(qū)：一是計算生態(tài)流量的基準是自然水流，計算前需要對水文序列進行變異性分析，并對發(fā)生變異的水文序列進行還原；二是Tennant法計算的基準是全年平均流量，而不是同時段多年平均流量；三是Tennant法最初是基于小型河流提出的，在應用于大中型河流時，需要進行論證。

(2)基于《中華人民共和國水法》(2016年)、《中華人民共和國防洪法》(2016年)的相關規(guī)定以及茂墩水庫的設計功能，茂墩水庫各類功能的優(yōu)先級分別為自來水廠用水、下游河道生態(tài)需水、灌區(qū)灌溉需水與發(fā)電用水。

(3)采用改進的水庫調度方案編制方法，制定了茂墩水庫基于生態(tài)流量保障的水量調度方案。改進的方法避免了采用相對較豐來水條件庫水位的下包線來調度枯水時段的不足，同時在計算中剔除了加大供水時段，確定的需水量更加合理，此外還可防止限制供水線與防破壞線交叉，避免了由此造成調度圖不準確的問題，提高了時歷法編制綜合調度方案的實用價值。具有灌溉任務的水庫在制作基于生態(tài)流量保障的調度方案時，該改進方法可得到普遍應用。