夏 威，鄭炎輝，龐家鋒,2

(1.廣州豐澤源水利科技有限公司，廣州 510663；(2.中山大學 土木工程學院，廣東 珠海 519000)

1 概述

生態(tài)流量是維系河湖生態(tài)功能，控制水資源開發(fā)強度的重要指標，是統籌生活、生產和生態(tài)用水，優(yōu)化配置水資源的重要基礎，事關水安全保障和生態(tài)文明建設大局[1-2]。生態(tài)流量的確定方法主要有水文學法、水力學法、棲息地法和整體分析法四類[3-4]。水文學法應用廣泛，但需要較全的歷史水文數據，通過歷史流量數據推求生態(tài)流量；棲息地法和整體分析法需要用到大量的流量、河道水力學和生物特征等信息，且方法本身比較復雜，在實際應用中常受到限制[5-7]。對于城市網河，由于水文監(jiān)測站點分布不均及站點少等原因，往往面臨著資料缺乏導致無法計算，即便運用數學模型也會遇到無實測數據進行模型參數的率定驗證等問題。水力學法中的濕周法相較其他方法數據要求較高、易受人類活動影響、操作復雜等問題受限相對較少，因此應用比較廣泛[8-9]。

目前生態(tài)流量工作的推進多以區(qū)域內重要河湖為對象，對于城市網河生態(tài)流量保障工作尚未有切實的抓手，因此，探索城市網河生態(tài)流量的確定方法、有效推進城市網河區(qū)域生態(tài)流量保障工作、積累實踐經驗，對逐步健全河湖生態(tài)流量管控體系、保障河湖生態(tài)健康具有重要意義。本文中，以三水區(qū)左岸涌為例，通過濕周法核算河涌生態(tài)流量，確定生態(tài)流量管控目標，健全生態(tài)流量保障體系，可為城市網河區(qū)生態(tài)流量保障工作的開展提供借鑒。

2 研究區(qū)域概況

2.1 河涌概況

左岸涌屬于城市網河，是三水區(qū)樂平鎮(zhèn)的主要排灌涌道，貫穿樂平鎮(zhèn)湖崗、保安、竹山、念德、大崗5個村委會和南豐勞教所、三水農場，起于黃塘進水閘，與北江連接，止于鳳崗水閘，匯入西南涌，全長約為23.52 km，流域面積約為86.86 km2。

2.2 主要控制斷面

根據《水利部關于做好河湖生態(tài)流量確定和保障工作的指導意見》(水資管〔2020〕67)要求，本次控制斷面的選擇立足代表性、可行性、綜合性，選擇湖崗橋斷面、禮義大道交匯斷面、農場橋斷面為生態(tài)流量控制斷面(見圖1)。

圖1 左岸涌主要控制斷面位置示意

3 生態(tài)流量計算

3.1 濕周法計算生態(tài)流量的流程

濕周法是水力學法中的一種常用方法，其將濕周作為衡量水生生境質量的指標，假設只要保護好臨界區(qū)域水生生境的濕周，即可滿足臨界區(qū)域水生生物的正常生存需求，也可對非臨界區(qū)的棲息地提供足夠的保護。通過收集水生生物棲息地的河道尺寸及對應的流量數據，建立濕周流量關系，將濕周與流量關系中由陡峭轉變?yōu)槠骄彽墓拯c對應的流量作為河流的最小生態(tài)需水，具體計算方法敘述如下：

1) 水力學參數計算

濕周～流量關系主要取決于河流斷面的形狀，一般可利用實測流量及斷面資料得到。在沒有實測流量資料時，可采用明渠均勻流方法利用曼寧公式計算得到：

(1)

式中：

Q——流量，m3/s；

A——過水斷面面積，m2；

P——濕周，m；

J——水力坡度；

n——粗糙系數。

根據實測大斷面資料，假定不同的水深，計算各控制站點相應的水力學參數。

2) 擬合相對濕周—流量關系

為消除確定臨界點時坐標軸比例的影響，將流量和濕周無量綱化，根據不同河槽斷面的濕周—流量關系的分析，可知三角形斷面以及拋物線形斷面的濕周與流量呈現出冪函數關系；而矩形和梯形斷面的濕周與流量呈現出對數關系，濕周流量關系可以按照這兩種關系進行擬合[10]。

對于規(guī)則斷面，q與p的關系可以表示為冪函數或對數函數關系。

對數函數：

p=alnq+b

(2)

冪函數：

p=cqd

(3)

其中，

(4)

式中：

a、b、c、d——均為常數；

q、p——分別為相對生態(tài)流量、相對濕周；

Qm、Pm——分別為某一特征流量及其對應的濕周。

3) 確定臨界點，得到生態(tài)流量

運用曲率法和斜率法確定臨界點。在曲率法和斜率法中，河流生態(tài)流量分別按照p～q曲線上曲率絕對值最大點和斜率為1的點確定。

斜率1法求得的最小生態(tài)流量公式如下。

對數函數：

q=a

(5)

冪函數：

(6)

曲率最大法求得的最小生態(tài)流量公式如下。

對數函數：

(7)

冪函數：

(8)

除上述兩種確定拐點的方法之外，現行《河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》(SL/Z 712—2014)還推薦了1種經驗方法，即以濕周率80%對應的流量或以最接近濕周率80%的轉折點對應的流量作為河流最小生態(tài)流量[11]。

3.2 利用濕周法計算左岸涌生態(tài)流量

濕周法目前應用中是采用斷面實測或一維的水力分析計算結果作為計算依據。本文通過收集左岸涌不同形態(tài)斷面的實測資料，采用濕周法計算分析各斷面的最小生態(tài)流量。

1) 斷面資料獲取

計算中所需主要資料為斷面基礎數據，項目過程中采用 SonTek M9 聲學多普勒水流剖面儀對目標斷面開展測流工作。M9采用全新的電子電路、軟硬件設施，專為河流流量測驗而設計，體積小巧、功能強大、易于操作，是迄今為止世界上最先進的測流儀器。

左岸涌為城市內河涌，河涌內流量受水閘等建筑物影響。在左岸涌上游有一黃塘水閘，測流期間水閘處于開啟狀態(tài)(現場測流如圖2所示，M9數據界面如圖3所示)。

圖2 現場測流

圖3 M9數據界面示意

2) 各斷面濕周流量關系的建立

通過測流資料得到的斷面數據如圖4所示。對斷面數據分析可知，湖崗橋斷面、禮義大道交界斷面、農場橋斷面近似為拋物線斷面，按照拋物線形斷面擬合成冪函數的原則，分別對上述各斷面的相對濕周與相對流量關系進行曲線擬合，各斷面擬合結果見圖5。

圖4 ADCP實測的各斷面形式示意

圖5 各斷面濕周流量關系擬合結果示意

3) 最小生態(tài)流量計算結果

分別按照斜率1法、曲率最大法和經驗法(濕周率80%對應的點)得到各控制斷面的最小生態(tài)基礎流量。各斷面計算得到的最小生態(tài)流量成果見表1。

表1 左岸涌各斷面最小生態(tài)流量計算結果 m3/s

從計算結果來看，斜率法和曲率法計算得到的生態(tài)流量相對接近，二者與經驗頻率法計算結果比較差異較大。吉小盼[12]等用濕周法對西南地區(qū)河流生態(tài)流量的研究發(fā)現，采用經驗法確定拐點，其生態(tài)學意義不明顯，不同形態(tài)斷面下計算的生態(tài)流量結果差異較大且無規(guī)律，在實際應用中可能會造成較大誤差。王慶國、Gippel[13-14]等認為采用斜率法確定拐點較為合適，一般情況下可選擇斜率為1的點。斜率法和曲率法確定轉折點的方法在實際應用中均可采用，但由于曲率法確定的最小生態(tài)需水較斜率法偏小，部分斷面的水力生境參數可能會低于檢驗標準，為更好保護河流生境，故本項目中重點關注斜率1法確定的生態(tài)流量結果。

4) 生態(tài)流量計算結果合理性檢驗

對于重點河湖的生態(tài)流量確定，一般需要采用多種計算進行結果比對，綜合考慮流域水資源配置情況及相關規(guī)劃要求，最終確定生態(tài)流量管控目標。對于城市網河區(qū)域，多數缺少水文、生境等資料，可采用的計算方法有限。由于生態(tài)流量與該流量條件下代表斷面處的水深、流速等相關，為確定計算結果合理性，在此借鑒現行《水電工程生態(tài)流量計算規(guī)范》(NB/T 35091—2016)推薦的R2-CROSS法和生態(tài)水力學法的基本原理和參數要求[15]，綜合確定生境參數的校核標準。

R2-CROSS法以河流平均水深、流速及濕周率等水利生境參數評估魚類生境狀況，可以用于計算分析小型河流的生態(tài)基流；河寬0.5～30.5 m的非季節(jié)性河流水利生境參數要求，平均水深不小于1/100的河寬、濕周率不小于50%、流速不小于0.3 m/s。生態(tài)水力學法主要以魚類對河流水深、流速等水力生境參數及急流、緩流、淺灘、深潭等水力形態(tài)指標的要求評估河流生境狀況，可以用于分析計算各類型河流的生態(tài)基流；其生境參數最低要求為平均水深不小于0.3 m，平均流速不小于0.3 m/s，濕周率不小于50%。綜合兩種計算方法指標要求，確定生境參數的校核標準見表2。

表2 計算結果合理性校核標準

各斷面采用濕周法的計算結果所對應的水力生境參數見表3。由計算結果可知，各斷面對應生態(tài)流量下的生境參數均能滿足檢驗標準要求，所選擇生態(tài)流量處于合理范圍。

表3 計算結果對應的水力生境參數

4 生態(tài)流量管控目標確定

選擇斜率1法計算的生態(tài)流量結果作為左岸涌生態(tài)流量的管控目標。左岸涌上游設有水閘，考慮關閘情況下流量基本為0，在此條件下考慮生態(tài)流量并不合適。因此，對于左岸涌這種城市內河涌，建議增加生態(tài)水位對相應流域生態(tài)管控方案進行補充說明。由于左岸涌流域內缺少相應生物及水文資料，本方案中采用景觀水位定義生態(tài)水位。參考廣州市河涌整治總體規(guī)劃中首次提出的“景觀水位”為珠基0.2～0.8 m，在旱季如有新水源，在沒有防洪排澇需要情況下，可以提高到堤頂以下0.5 m，一般水深可以增加到1.5～2.5 m，有條件應盡量抬高水位[16]。本項目中，取0.5 m作本次生態(tài)水位高程值，控制斷面農場橋斷面河底高程約-1 m，對應水深為1.5 m，與城市河涌規(guī)劃要求推薦值基本吻合，故暫取0.5 m高程作為本次控制斷面生態(tài)水位要求值。

左岸涌有3個控制斷面，后續(xù)有建監(jiān)測站的計劃，考慮工程量及工程投入，本方案將主要控制斷面分為考核斷面和管理斷面，考核斷面需要對生態(tài)流量進行監(jiān)測、預警、保障和考核，管理斷面的保障要求與考核斷面基本一致，但不參與生態(tài)流量達標考核。對于本階段，第一步將主要針對考核斷面開展生態(tài)流量監(jiān)測及保障實施工作，后續(xù)再可對其余斷面加強監(jiān)控，逐步實現生態(tài)流量全面有效管控。左岸涌生態(tài)流量(水位)管控目標見表4。

表4 左岸涌生態(tài)流量(水位)管控目標

5 生態(tài)流量保障體系構建

5.1 制定生態(tài)流量保障方案

考慮生態(tài)流量滿足程度及河涌內的灌溉調度等需求，確保主要控制斷面水量調度目標，應不低于生態(tài)基流要求。在分析梳理流域現有調度方案的基礎上，提出生態(tài)流量保障方案。

1) 左岸涌生態(tài)流量保障要求

開閘狀態(tài)下，需保障農場橋考核斷面生態(tài)流量>5.79 m3/s；如遇特殊情況，如閘門檢修、特枯年北江水位較低或受北江最小下瀉流量管控要求等，導致河道流量低于生態(tài)流量要求，此時可考慮通過西邊涌(左岸涌支流，連接樂平涌、左岸涌)從樂平涌引水。先關閉樂平涌下游的海州水閘，同時通過古云泵站往樂平涌補水，在滿足樂平涌生態(tài)需求前提下，經西邊涌來補充左岸涌生態(tài)流量。實際左岸涌生態(tài)流量受上游黃塘水閘和出口西南涌潮汐水位所影響，在閘門關閉狀態(tài)下，主要受下游潮汐水位影響，農場橋斷面生態(tài)水位要求不低于0.5 m，當水位低于0.5 m時，與上述方法相同，可考慮利用西邊涌通過古云泵站進行補水。

2) 主要取水戶控制要求

主要取水戶指泵站灌溉取水，須嚴格執(zhí)行各取水許可管理等有關規(guī)定：日取水量不超過取水許可核定的日最大取水規(guī)模，年取水量不超過取水許可核定的最大取水規(guī)模。在正常來水年份，各用水戶可按計劃正常取水；在枯水年份，積極采取節(jié)水措施，必要時限制農業(yè)用水，農業(yè)用水深度破壞不超過50%，古云泵站和黃塘水閘按最大取水量進行補水，調度后仍無法滿足最小生態(tài)流量要求時，允許破壞，但破壞深度不超過20%。

3) 加強水資源管理

左岸涌流域的水資源開發(fā)利用和管理過程中，要把生態(tài)流量作為硬性約束指標，流域內涉水工程建設要充分論證和評估對生態(tài)流量的影響，確保生態(tài)流量不被破壞，守住河流生態(tài)底線。

5.2 生態(tài)流量監(jiān)測與預警

左岸涌生態(tài)流量預警共設置藍色、橙色、紅色等3個預警級別。從便于操作、易實現角度出發(fā)，根據主要控制斷面實測流量進行預警判斷，預警的閾值線以主要控制斷面生態(tài)管控目標為基準，按比例(80%、100%、120%)進行設置。水主管部門主導生態(tài)流量預警，逐日進行生態(tài)流量預警分析判斷，重點關注非汛期(10月至次年3月)，根據主要控制斷面的實測流量，按照表5設定的預警級別進行預警判斷、定級，并形成相應的響應機制。

表5 主要控制斷面生態(tài)流量預警判斷條件

5.3 明確保障責任主體與考核要求

1) 責任主體

左岸涌生態(tài)流量保障的責任主體包括監(jiān)管責任主體、保障責任主體以及調度執(zhí)行單位。各級水行政主管部門為監(jiān)管責任主體，按職權負責本區(qū)域內調度及生態(tài)水量保障方案的監(jiān)督管理工作；地方人民政府為保障責任主體，按職權負責保障主要控制斷面生態(tài)流量達到管控要求；流域主要控制性工程的管理單位為生態(tài)流量調度執(zhí)行單位，應按水行政主管部門下達的調度指令，執(zhí)行生態(tài)調度、保障河涌生態(tài)流量。

2) 考核要求

考核評價是加強生態(tài)流量管控的重要舉措，原則上每年(水文年)開展1次生態(tài)流量保障情況考核，必要時按季度進行評價總結。以考核斷面的實測日均流量系列為樣本數據，根據生態(tài)基流的日均流量滿足程度和最大破壞深度進行考核評價。根據枯水期來水保障率確定考核評價標準，考核評價結果分為“合格”與“不合格”2種，當考核斷面的年度考核不合格時，相關保障責任主體應組織調度執(zhí)行單位，根據實際情況分析斷面生態(tài)流量不滿足的原因，并提出相應整改措施。

6 結語與展望

本文以三水區(qū)左岸涌生態(tài)流量保障項目為例，通過開展現場測流工作獲取河涌斷面數據，采用濕周法確定了河涌生態(tài)流量管控目標，并將濕周法的生態(tài)流量計算結果對應的水力生境參數與R2-CROSS法和生態(tài)水力學法要求的水力生境參數進行比對驗證，結果表明濕周法中以斜率1法確定的生態(tài)流量滿足水力生境參數的要求，并以此作為左岸涌生態(tài)流量的流量管控目標。

考慮到城市網河受閘泵等水利工程影響的特殊性，特增加生態(tài)水位作為城市網河生態(tài)流量管控目標體系的補充，使生態(tài)流量管控工作更加合理化與可操作化。

在分析梳理流域現有調度方案的基礎上，結合生態(tài)流量管控目標需求，提出左岸涌生態(tài)流量保障方案。

制定生態(tài)流量監(jiān)測與預警體系，明確生態(tài)流量明確保障責任主體，確定生態(tài)流量考核方式及要求。

當前河湖生態(tài)流量保障工作的推進多以區(qū)域重點河湖為對象，對城市網河生態(tài)流量保障工作尚無完善的指導體系，三水區(qū)左岸涌生態(tài)流量保障工作的實施，對進一步開展城市網河生態(tài)流量保障工作、完善河湖生態(tài)流量管控體系、保障河湖生態(tài)健康具有一定推動與借鑒意義。