陈 艳,陈 翔

(1.中水珠江规划勘测设计有限公司,广东 广州 510611;2.水利部珠江水利委员会珠江水利综合技术中心,广东 广州 510610)

河湖生态流量是为了维系河流、湖泊、沼泽等生态系统的结构与功能,需要保留在河流内符合水质要求的流量及过程。保障河湖生态流量是统筹水资源开发与保护,推进生态文明建设的基本要求,对维护国家水安全、生态安全、战略安全具有重要意义[1]。针对中国河湖生态系统存在的河道断流、湖泊萎缩干涸、生态流量保障不够等问题,水利部将复苏河湖生态环境作为推动新阶段水利高质量发展的重要实施路径[2],2020年4月,水利部印发了《关于做好河湖生态流量确定和保障工作的指导意见》,同年公布了全国第二批83个重要河湖断面的生态流量目标,标志着中国生态流量正式从科学研究走向管理实践阶段[3]。

为实现河道生态流量目标,在河道外实施水资源消耗总量和强度双控,在河道内完善水库、水电站和拦河闸坝的水量调度方案与调度计划[4],以“生态优先”为管控原则,保证生态流量目标实现。珠江流域虽然水资源总量丰沛,水生态环境总体较好,但依然存在部分河流生态流量保障不足的问题[5],由于水资源年际、年内分布不均,枯水期部分时段达不到生态流量目标,如何利用流域内现有的水利工程提高生态流量达标率是一项亟待解决的问题。

北江干流控制断面为石角站,集水面积占流域面积的73%,石角站流量可表征整个北江流域生态流量的基本情况;在上游省界断面中,江西、广西面积占比小,人类活动影响不明显,故选择集水面积占比较大,且有水文监测设施的湘粤断面,以坪石站表征上游湖南省的生态流量达标情况。因此北江流域以坪石、石角站为生态流量调度控制断面,本文通过分析两站现状生态流量达标情况,提出北江流域生态流量调度存在问题并提出对策与措施。

1 北江生态流量保障情况

1.1 保障目标

在生态流量管控指标体系中,“控制断面最小生态流量”是生态流量管控指标体系中的核心指标[6],北江生态流量调度的调度目标即为实现坪石、石角2个控制断面的生态流量目标。在实际工作中,确定生态流量目标需要充分考虑天然水文特征、生态保护需求以及经济社会发展因素,并与已有规划、批复成果相衔接[7]。在《北江流域水量分配方案》中选取坪石(湘粤省界断面)和石角(流域控制断面)为流域生态流量控制断面。根据《水利部关于印发第一批重点河湖生态流量保障目标的函》,坪石站的生态基流为10 m3/s,石角站的生态基流为211 m3/s。

北江发源于江西省信丰县,流经广东省韶关市,与武江汇合后始称北江,向下纳左岸支流滃江、潖江,右岸支流南水、连江,出飞来峡后再纳滨江、绥江,在三水思贤滘与西江相汇并进入珠江三角洲。思贤滘以上河道全长468 km,流域面积4.7万km2,目前,流域已建成莽山、乐昌峡、小坑、锦江、锦谭、南水、长湖、潭岭、孟洲坝、濛里、白石窑、飞来峡、清远等13座大型水库(工程),总库容51.1亿m3,兴利库容16.3亿m3。在13座大型水库(工程)中有4座水库的兴利库容超过1亿m3,分别为莽山水库、乐昌峡水库、南水水库及飞来峡水库,流域水系及已建大型水利水电工程位置见图1。

图1 北江流域大型水库及控制断面位置

1.2 保障现状

通过流域水文情势分析,按照莽山水库、乐昌峡水库、南水水库及飞来峡水库等流域已建大型水库现有兴利调度为主的调度方式,对流域长系列来水过程进行逐月调节计算,坪石、石角断面的长系列逐月的生态流量保证率分别为93.3%、85.0%;再计算典型年现有兴利调度方式下逐日来水,一般年份坪石和石角断面日均流量均能满足生态流量要求,枯水年份则不能满足生态流量目标要求,石角断面生态流量容易遭到破坏。

1.3 解决思路

针对水资源匮乏,且缺乏水资源配置和调控工程的河流,水量统一调度效果很大程度上受制于天然来水过程[8],生态流量管控重点在于河道外用水管控[9]。北江流域属于多水河流,且在生态流量控制断面以上均有大型调蓄工程,可通过流域水库群联合调度,保障枯期重要断面生态流量[10-12]。因此,枯水年北江生态流量目标不能完全保障问题,需通过优化调整流域内骨干水库的调度方式,保证控制断面生态流量目标。

目前,北江流域内的水利工程按照原设计任务,均以供水、发电、防洪等调度方式为主,不涉及河流生态补水任务。要保障流域生态流量,一是要开展流域统一调度管理,在水利部办公厅印发《关于进一步加强流域水资源统一调度管理工作的通知》中也指出,要以流域为单元,统筹解决水灾害、水资源、水生态、水环境问题,要将生态流量等保障目标纳入水资源调度方案、年度调度计划,将生态用水调度纳入水利水电、航运枢纽等工程日常运行调度规程,并要结合流域水情因地制宜相机开展生态补水;二是要优化流域水资源调度方式,通过对北江流域大型水利工程的生态补水潜力进行分析,选择合适的有能力的蓄水工程作为生态流量调度的骨干水库,纳入流域统一调度范畴,研究流域的生态流量调度方案,与现有兴利调度方式结合,展开优化调度研究,以同时满足河道外“三生”用水及河道内生态用水。

2 生态流量调度方案

2.1 调度目标

北江流域生态流量调度的目标即为在满足流域内非汛期生活、生产、生态等用水要求的基础上,当天然来水不足情况下,利用骨干水库蓄丰补枯,确保枯水期坪石、石角控制断面生态流量符合控制指标要求。

2.2 骨干调度水库选择

生态流量的骨干调度水库意味着在流域枯水期生态流量不达标时,具备生态补水能力,因此需要从水库所在位置、调节库容大小及生态补水潜力等方面进行筛选。北江流域调蓄库容超过1亿m3,具备较强调节能力的大型水库有莽山、乐昌峡、南水、飞来峡等。其中莽山水库(调节库容1.05亿m3)位于湖南省境内,为坪石以上唯一一座大型蓄水工程,可作为坪石断面的生态流量调度骨干水库;南水水库(调节库容7.14亿m3)、飞来峡水利枢纽(调节库容3.15亿m3)和乐昌峡水利枢纽(调节库容1.42亿m3)为流域内另外3座调节库容较大的水库,均位于石角断面上游,可选为石角断面生态流量调度骨干水库。

2.3 生态补水次序拟定

根据筛选出来的4座大型水库调度对坪石、石角来水的影响分析:莽山水库为坪石断面的补水水库;石角断面上游按照水库位置及有效库容大小,首先选择距离石角断面最近、补水效果最明显的飞来峡水库作为补水水库,水库兴利库容有3亿多m3,为不完全日调节水库,水库来水量大,补水后回蓄也快,再选择距离较远,但有效库容最大的南水水库为补水水库,最后再根据需要选择调节库容较小,距离也更远的乐昌峡水库补水。不同断面补水次序如下:坪石断面,莽山水库单库补水;石角断面,依次选择飞来峡水库、南水水库、乐昌峡水库作为补水水库。

2.4 水库群联合调度模型的建立

a)模型建立。北江生态流量调度骨干工程为莽山、乐昌峡、南水及飞来峡水库,首先建立各骨干水库的单库优化调度模型,再对北江水系进行概化,按照水库节点将流域划分为不同区间,建立控制断面以上的河网汇流模型。生态流量调度模型先按照单库优化调度模型,以各节点水库下泄水量为变量,再用马斯京根法演进到下游断面,叠加区间流量得到生态流量控制断面组合来水过程,并以满足流域水资源调度需求为目标进行调度方案调整与优化。调度水库位置及控制断面示意见图2。

图2 北江主要调度水库及控制断面示意

b)约束条件。

水位约束:

Ztmin≤Zt≤Ztmax

(1)

式中Ztmin——水库调度期内时段允许最低水位;Ztmax——水库调度期内时段允许最高水位;Zt——水库时段水位。

出库流量约束:

QCtmin≤QCt≤QCtmax

(2)

式中 QCtmin——水库调度期内时段允许最小出库流量,该流量要与机组最小发电流量相协调;QCtmax——水库调度期内时段允许最大出库流量,该流量要与机组最大发电流量相协调;QCt——水库时段出库流量。

c)计算步骤。在北江生态流量调度模型中,若骨干水库按兴利调度方式,下游控制断面流量能够满足生态流量保障目标,则在该来水频率下,骨干水库可保持原有兴利调度方式运行,兴利调度与生态调度目标可同时满足;若骨干水库按兴利调度方式运行,下游控制断面生态流量出现破坏,则将控制断面流量与生态目标的差值按照补水水库次序反馈至上一层的单库优化调度模型,结合水库补水次序、水库的当前调节库容及发电流量等自身用水需求,合理分配补水任务,优化调整各水库的下泄水量,再通过河网汇流模型,计算到控制断面,如此反复,直到控制断面流量满足生态流量目标,模型计算结束。北江生态流量调度模型按2个层面计算,一是坪石断面以上,参与调度水库为莽山水库;二是石角断面以上,参与调度的是南水、乐昌峡及飞来峡3座水库,联合调度模型框架均采用图3方式。

图3 水库联合调度模型计算框架示意

2.5 生态流量调度计算

按照生态流量考核要求,需对枯水年来水情况进行逐日调节,可选取P=90%的枯水年及P=95%的特枯年为例,进行逐日的调节计算,先以骨干工程现有的兴利调度方式,验证坪石、石角控制断面的生态流量达标情况,若出现了生态流量不达标的情况,再按照上述生态流量调度模型进行补水调度。

a)水库兴利调度方式下生态流量保障程度分析。北江流域莽山、南水、乐昌峡及飞来峡水库按照原有兴利调度方式运行,90%来水频率的枯水年,上游坪石控制断面的生态流量全部达标,下游石角控制断面有40 d低于生态流量指标211 m3/s,不达标月份共计3个月(不得超过2个月(含),具体见3.2节,下同),不满足生态流量保障目标要求;95%来水频率的特枯年,上游坪石控制断面的生态流量共计18 d低于生态流量指标10 m3/s,不达标月份共计2个月,下游石角控制断面低于生态流量指标211 m3/s的天数有60 d,不达标月份共计3个月,坪石、石角断面均不能达到生态流量保障目标要求,枯水年及特枯年兴利调度后的调度效果见表1。

表1 典型年兴利调度后控制断面破坏天数及缺水量统计

b)生态补水调度方案拟定。枯水年石角断面生态流量均遭不同程度的破坏,按照水库补水次序优先采用飞来峡水库进行补水调度,视补水效果再选择南水、乐昌峡等水库开展生态补水调度;特枯年坪石断面生态流量也不能满足生态流量保障目标,可利用莽山水库进行补水。在实际补水过程中,由于无法准确预报后期来水情况,可先按照“应补尽补”方式补水,即一旦出现生态流量低于控制指标的情况,就进行补水,以满足当下生态流量目标,只有出现水库削落水位较大,影响自身用水,且所有骨干水库均无补水潜力后,方考虑生态流量破坏。经此法调算后,P=90%典型年,枯水期石角断面生态流量遭破坏天数为40 d,缺水量合计0.98亿m3,利用飞来峡水库补水后即可达到石角断面全部天数最小下泄流量均不低于211 m3/s的目标;P=95%典型年,枯水期坪石断面生态流量遭破坏天数为18 d,缺水量合计为0.02亿m3,整体缺水量较小,利用上游的莽山水库补水后可满足坪石断面生态流量目标要求。石角断面生态流量遭破坏天数为60 d,缺水量合计3.08亿m3,由于缺水量大,单独用飞来峡水库补水会出现水库水位削落过大的情况,为防止后续难以回蓄,根据飞来峡水库多年来水规律,设置不同月份的生态补水限制线,当库水位低于补水限制线后由南水水库接力补水。在特枯年,由飞来峡、南水水库补水后石角断面生态流量可满足目标。

c)生态补水调度影响评价。飞来峡水库为北江生态流量调度的主力生态补水水库,补水对飞来峡水库的发电等造成了一定的影响,以P=90%的枯水年为例,在补水期间飞来峡水库的平均运行水位为23.1 m,比按照水库原调度规则的平均运行水位24.0 m低了0.9 m。虽发电水头有所降低,但是枯水期加大泄量,也能增加时段发电量,且在补水过程中也考虑了时段下泄水量与机组发电流量相协调,补水时段水库不会产生额外弃水,总体看来对其发电量影响不大。

3 生态流量调度实施与考核

3.1 生态流量调度实践

在实际调度管理中,北江生态流量调度目标是通过北江流域水资源调度方案、年度调度计划,将生态用水调度纳入水利水电、航运枢纽等工程日常运行调度来实现。

目前《北江流域水量调度方案(试行)》已印发,与生态流量调度方案不同的是,水量调度方案中控制目标为断面的最小下泄流量。由于北江水量调度方案提出的坪石、石角的最小下泄流量为10、211 m3/s,与生态流量调度目标一致,因此基于同样目标,北江水量调度的骨干工程选择及补水方案也基本一致:调度工程包括莽山水库、南水水库、乐昌峡水库及飞来峡水库等水利水电工程,在一般来水年份,骨干水库可按照原有调度规则调度;枯水年则利用飞来峡水库按照石角站缺水量,进行动态补水调度;特枯年在全流域采用节水措施的基础上,依靠莽山水库保障坪石最小下泄流量(10 m3/s),按飞来峡水库—南水水库—乐昌峡水库顺序按照石角站来水进行动态调度,以满足石角站最小下泄流量(211 m3/s)要求。

在北江流域每年开展的水资源年度调度计划中,则是按照当年的来水预测,判断来水频率,再选择不同的调度方案作为本年度的调度计划,当实际调度过程中,出现控制断面来水不达标的情况时,结合来水预报,实时开展“动态调度”,确保断面最小下泄流量目标满足要求。由于北江流域的生态流量与最小下泄流量一致,因此最小下泄流量目标的实现也表征了生态流量目标的实现。

3.2 生态流量考核

生态流量的考核标准近几年略有变化,在最新的《水利部水资源管理司关于做好2021年度实行最严格水资源管理制度考核有关工作的通知》中,生态流量保障目标完成情况的判定是以月为单位,按逐日平均流量进行评价,每月断面日均下泄流量小于目标值的天数多于3 d的,则该断面当月视为不达标;同一个断面累计超过2个月(含)不达标,认定该断面本年度生态流量不达标[13]。

本次北江生态流量调度,到控制断面生态流量遭遇破坏时,采用的“应补尽补”方式补水,即只要补水水库有能力,则要把不达标的生态流量全部补齐。由于北江流域的骨干水库补水能力较强,采用此调度方法,有利于生态流量调度目标考核达标。

4 结论

通过上文分析,北江流域枯水年在丰水年或平水年,当坪石及石角断面来水满足生态流量要求时,流域内各蓄水工程按照原有调度方式运行;枯水年当坪石断面不达标时,选择莽山水库对坪石生态流量目标进行补水,当石角断面不达标时,优先选择飞来峡水库为生态补水水库,利用飞来峡水库补水后,一般年份的枯水期,石角断面全部天数均可满足生态流量保障要求,特枯年份在增加南水水库接力补水后,也能满足石角断面生态考核要求。

在北江流域的生态流量调度方案中充分体现了流域统一调度管理的重要性,只有统一调度,方能实现流域供水、发电、航运、生态等多赢目标;同时也反映出骨干水库是生态流量调度的重要抓手,骨干水库汛末蓄水调度是枯水期生态调度的关键[14],在制定北江流域水资源年度调度计划时,需合理安排骨干水库等汛末蓄水,以保障枯水期生态流量调度的顺利实施。