孟钰 张一鸣 管新建 梁胜行

摘要：为协调社会经济发展与河流生态之间的关系，以河口村水库为研究对象，在量化生态流量逐级保证阈值的前提下，建立了基于生态流量逐级保证的水库多目标水量分配模型。结果表明：基流比例法与Tennant法设置的I-Ⅳ级生态流量分别为2.84、3.98、5.35、7.36m³/s;采用水量分配模型对远期规划年2030年配置方案进行研究，生活和工业用水户以及农业用水户的供水保证率分别为95.O%、66.7%，生态供水保证率自I级的71.7%降至Ⅳ级的38.3%;随着社会经济及人口的快速发展，河口村上游来水及水库调节难以协调河道内外的用水矛盾，只能通过相应压缩河流生态用水来保证河道外用水需求。

关键词：基流比例法;生态流量等级;水量分配模型;河口村水库

中图分类号：TV213.4

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.05 .009

1 引言

人類为了更好地开发利用水资源，修建了各种水利工程，在获得巨大的社会与经济效益的同时，不可避免地对原有的自然系统造成影响[1]。水利枢纽作为连接水资源与人类社会的一个重要环节，其功能性逐渐发生了转变。常规的水库调度方式已经开始转变为考虑水库下游与库区的水生态调度模式[2]。国外较早在水库调度中考虑生态因素，早在20世纪30年代，美国鱼类和野生动物保护协会就强调了河川径流应该作为生态因子的重要性[3]。1971年.Schlueter首次提出生态调度的概念，指出水利工程在满足人类对河流利用要求的同时，要维护或创造河流生态系统的多样性[4]。自20世纪90年代起，运用水库调节来保障下游河道生态流量的研究逐渐开展，如英国在水资源法和环境法中规定了水库下泄水量的最低生态要求，美国对Tallapoosa河的Thurlow大坝提出了最小生态流量运行法则，挪威针对尼德河、叙纳河等鲑鱼生长繁殖制定了基本流量调度原则[5]，美国Colorado河为维持鱼类产卵环境进行了人造洪水试验6-7]。在我国，代表性的研究成果包括黄河水库群为防止黄河断流的弃电放水联合调度研究[5]、三峡大坝为保证“四大家鱼”的产卵繁殖进行生态调度来制造“人造洪峰”[8]。现今虽然已经展开了一系列水库、闸坝生态调度的研究，但仍处于探索阶段，且在实践中运用不多，尤其是我国，在众多流域的管理中并没有明确规定保证生态流量的要求。

本文对水库生态调度与水量分配开展研究，提出河流生态逐级保证概念，采用基流（不同时期维持河流水生态系统基本需求的河道内最小流量）比例法与Tennant法量化逐级生态流量阈值，建立基于生态流量逐级保证的水库多目标水量分配模型，并以黄河支流沁河河口村水库为对象进行实例应用，以期为河流水生态系统保护、水库调度与管理提供参考。

2 基于基流比例法与Tennant法的逐级生态流量确定

生态流量是维持河流水生态系统基本需求及健康运行的河道内流量。为使生态流量更好地满足河流水生态系统需水的年际变化，通过划分径流系列的丰、平、枯、特枯等不同年型，确定不同来水条件下对应的生态流量等级，实现在来水较枯时保证河流最低流量需求，在来水较丰时为河流提供更充足的生态水量，促进河流生态完整性及修复枯水年份造成的河流生态破坏。基流比例法即通过水文频率划分典型年，利用各年型平均径流量之间的比例关系，确定各年型的生态基流比例，结合Tennant法估算的平水年生态流量值，获得各年型对应的生态流量值，即得到不同来水条件下对应的各等级生态流量值[9]。

绘制长系列径流的P-Ⅲ型频率曲线，根据表1划分标准，从频率曲线上得到丰（P=25%）、平（P=50%）、枯（P=75%）、特枯（P=95%）年的平均流量值。

在基流比例法中，首先需要确定其中一种典型年型的基流比例，从而逐步推导出其他年型的生态流量值。本研究借鉴水文学法中的代表性方法——Tennant法，其原理：采用多年平均流量的固定百分比表征生态流量[10-11]，而平水年（P= 50%）的平均流量接近多年平均水平，Tennant法将生态流量划分为8级，基于以往的研究成果，通常采用20%的流量代表河流适宜的生态流量。结合基流比例法，采用Tennant法中的适宜生态流量标准（20%）计算平水年生态流量，推求平水年的基流比例，进而采用式（1）-式（3）推求其余年型的基流比例与生态流量。设置各典型年对应的生态流量等级，依次设置为特枯年I级（最低级）、枯水年Ⅱ级、平水年Ⅲ级、丰水年Ⅳ级（最高级）。

3 基于生态流量逐级保证的水量分配模型构建

3.1 生态流量逐级保证目标函数

生态流量逐级保证的基本思路：①判断当前调度年的水文年型（丰水年、平水年、枯水年、特枯水年），确定水文年型后，以该年型对应的生态流量等级为保证目标：②结合其他用水户供水保证目标，进行水库多目标优化调度，若当前生态流量保护目标能够得到完全保证，则将当前生态流量保护目标调整为更高一级，反之降低一级：③重新进行水库多目标优化调度，直到调整后的生态流量保护目标不能得到完全满足，但尽可能实现其生态盈余水量最大化。具体步骤如下。

（1）步骤一。判断第i年（i=l-N）水库所属水文年型，进而选取对应年型的生态流量等级作为生态保护目标。计算公式为

4 实例分析

4.1 研究区概况

河口村水库位于黄河一级支流沁河最后一段峡谷出口处，下距五龙口水文站约9 km，是黄河下游防洪工程体系的重要组成部分。控制流域面积9 223 km².占沁河流域面积的68.2%。水库多年平均入库径流量为4.92亿m³，总库容为3.17亿m³，防洪库容为2.31亿m³，调节库容为1.96亿m³，死库容为0.51亿m³。水库的供水对象包括济源市区部分生活和工业用水户、华能沁北电厂、沁北产业集聚区、广利灌区，此外还要兼顾水库下游五龙口断面的生态流量需求。对水库供水范围内农业、工业与生活用水户进行远期规划年（2030年）需水量预测，并制定配置方案，见表2。其中：水库上游来水未入库前向引沁河口电站供水，电站发电尾水退人河口村水库下游河段，可供广利灌区使用，扣除引沁河口电站多年平均供水量，需要河口村水库承担的供水量为5 976万m³。以河口村水库1956-2014水文年入库径流资料为依据，采用上述水量分配模型进行研究。

4.2 逐级生态流量量化与分析

采用五龙口水文站1956-2014水文年径流资料进行水文频率分析，多年平均流量为26.68 m3/s，可得丰水年、平水年、枯水年、特枯水年的水文年分别为1976年、1993年、2001年、1997年。结合各典型年平均流量，采用式（1）、式（2）计算各典型年间的基流比例：采用Tennant法推求多年平均流量的20%作为平水年生态流量，反推平水年基流比例，进而采用式（3）获得各典型年生态流量。计算结果及生态流量等级划分见表3。

由表3可知，五龙口水文站所在河段的生态流量等级划分为4级，从低至高依次为：I级，2.84 m³/s;Ⅱ级.3.98 m³/s;Ⅲ级，5.35 m³/s，Ⅳ级，7.36 m³/s。结合Tennant法分析各级别生态流量占多年平均流量的比例，可知：I级生态流量占比为10. 4%，接近Tennant法中的“最小”级别（ 10%），即接近最小生态流量;Ⅳ级生态流量占比為27.59%，属于Tennant法的中等等级，虽较最优等级有一定差距，但由于河道内外用水矛盾激增，因此河道内生态供水优先级较低，生态水量设置偏低也较为合理。

4.3 河口村水库水量分配结果与分析

河口村水库建库前，广利灌区供水保证率为50%，生活及工业供水保证率为95%，建库后相应供水保证率水平不得低于建库前。水量分配模型优化结果见表4，系列年各等级生态流量满足情况见图1。河口村水库来水频率分布与下游五龙口水文站频率分布不同，采用河口村水库来水进行水文频率曲线分析并筛选典型年，可得丰水年、平水年、枯水年、特枯水年的典型年分别为1966年、2006年、1978年、1991年，不同典型年水量分配结果见表5。

由表4与图1可知.2030年配置方案中，生活及工业供水、农业供水均能够达到建库前水平，供水保证率分别为95.0%、66.7%。水库下游河道内生态用水随着生态保护等级的升高，供水保证率逐渐减小，自I级（最低级）的71.7%降至Ⅳ级（最高级）的38.3%。可见，随着社会经济及人口的快速发展，到2030年，农业、工业及生活用水量较现状水平均有较大增长，河口村水库上游天然来水难以协调河道外用水与河道内需水之间的矛盾，当两者发生冲突时，只能相应牺牲河流生态环境，以维持河道外生产生活需求。

根据表5分析各典型年水量分配情况，丰水年水库来水较丰，能够满足河道外各用水户需求，生态供水等级也能达到最高级，能够为河流生态系统提供良好的修复条件;平水年来水条件下，以保证生活、工业、农业用水为先，适当压缩生态用水，维持生态供水等级在中等级别，避免河流生态系统因缺水而遭到破坏，能维持水生生物的基本生存环境：枯水年来水条件下，即使将来水总量全部供给生态用水，也无法维持生态用水最低等级，因此以避免下游断流为前提，相应牺牲下游生态环境，并尽可能保障河道外其他用水户需求;特枯年由于水库来水稀缺，难以完全供给某一用水户，因此各方面均遭到一定程度破坏。

5 结论

以河口村水库为研究对象，应用基流比例法与Tennant法设置了不同保护等级的生态流量：I级.2.84 m³/s;Ⅱ级，3.98 m³/s;Ⅲ级，5.35 m³/s;Ⅳ级，7.36 m³/s。建立了基于生态流量逐级保证的水库多目标水量分配模型，包括生态流量逐级保证目标函数与河道外用水户供水保护目标函数。对水库供水区域远期规划年配置方案进行了研究，生活及工业（95.0%）、农业（66.7%）的供水保证率均能够达到建库前要求，且略有提高;生态供水保证率自I级的71.7%降至Ⅳ级的38.3%：典型年分析中，枯水年与特枯年来水条件下均不能满足最低生态保护要求。可见，未来河道内外用水矛盾将会持续深化，河口村水库用水户管理及区域水资源规划需进行协调，以维持快速增长的社会经济及人口用水需求，保证河流水生态系统的健康及功能。

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【责任编辑翟戌亮】