从陕西省引汉济渭工程看河道内生态流量的确定方法.doc

从陕西省引汉济渭工程看河道内生态流量的确定方法2007年第2期从陕西省引汉济渭工程看河道内生态流量的确定方法9从陕西省引汉济渭工程看河道内生态流量的确定方法郭世兴(水利部陕西水利电力勘测设计研究院陕西西安710001)摘要水环境与人类生存和发展息息相关,越来越受到社会的广泛关注.本文通过对生态流量的界定和计算方法的综述,利用引汉济渭工程生态流量的计算方法实例,提出对不同的河流生境,应具体分析各计算方法的适用条件,在满足河流生态的基础上,充分发挥水资源的利用价值,让河流更好的服务于人类.关键词引汉济渭;河道内生态流量;方法1弓l言水环境与人类生存和发展息息相关,越来越受到社会的广泛关注,水质恶化,河流干涸断流,地下水埋深加大,漏斗面积扩大,地面下沉等一系列环境问题已严重影响和制约了经济社会的发展.水利部为了挽救生态敏感区的河道,湿地等生态系统,近年来耗巨资对塔里木河,黑河,白洋淀等实施了应急生态输水.但目前仍有许多地方的社会经济用水挤占了生态用水,使天然河湖萎缩以至消失,土地荒漠化扩大,水体理化性状改变与水花暴发,河口咸潮入侵等,形成严重的生态危机.生态用水问题越来越突出,因此在水利水电工程规划设计及工程运行管理中应充分考虑生态用水,防止因工程的建设而恶化水环境.但生态用水的计算方法在现有的规划编制,规程规范中还不明确,对于不同的生态要素,不同方法计算的生态需水量差别很大,且需水量是年平均需水的概念.本文通过对生态流量的界定和计算方法的综述,利用引汉济渭工程生态流量的计算方法实例,提出对不同的河流生境,应具体分析各计算方法的适用条件,在满足河流生态的基础上,充分发挥水资源的利用价值,让河流更好的服务于人类.国家环境保护总局,国家发展和改革委员会联合下发的关于加强水电建设环境保护工作的通知(环发2oo5113号)要求"优化水电站的运行管理,减轻对水环境和水生生态的影响.要根据用电,用水和生态环境等方面的要求,研究制定电站优化运行方式,最大限度地减轻对水环境的影响.对于引水式等水电开发方式,应避免电站运行造成局部河段脱水,落实泄水建筑物建设和运行,确保下泄一定的生态流量.要根据当地生产,生活,生态以及景观需水的要求,统筹考虑经济,社会和环境效益确定生态流量.对于下游有航运要求的大江大河,水电站运行要满足航运流量的要求;运行期间要确保鱼类等水生生物保护设施正常运行."2生态流量的界定生态环境用水根据水功能要求分为生态用水和环境用水.生态环境用水最早是在20世纪40年代由美国提出,当时随着水库的建设和水资源开发利用程度的提高,美国的资源管理10陕西水利水电技术总第92期部门开始注意和关心渔场的减少问题,美国渔业和野生动物保护协会对河道内流量与鱼类生长繁殖,产量进行了许多研究,提出了河流最小环境(或生态)流量的概念.2001年,由中国工程院组织43位院士和近300位专家参加完成的中国可持续发展水资源战略研究认为:广义的生态环境用水,指维持全球生物地球化学平衡诸如水热平衡,水沙平衡,水盐平衡等所消耗的水分;狭义的生态环境用水,指为使生态环境不再恶化,并逐渐改善而需要消耗的水资源总量.根据需水的空间位置,生态需水可分为河道内和河道外生态需水.河道内生态需水(waterRequiredinstream)是满足河道或湖泊等天然水体通航,排沙,水生动植物繁衍,景观等要求的最低需水量;河道外生态需水(WaterRequiredoff-stream)包括城市河湖,水土保持治理,地下水恢复三项.河道内用水和河道外用水的比例,根据不同时期经济社会发展和生态环境建设对水资源的需求,按照统筹兼顾,协调发展原则,通过流域水量供需平衡分析合理确定,当河道外用水小于多年平均径流量的4O,一般对河道内用水没有影响.对于水利水电工程建设对下游河道的影响,主要分析河道内生态环境需水.河道内生态用水按照利用目的和效益的不同分为生态环境用水和生产性用水.所以我们经常提到的河流的生态用水一般指河道内生态用水.水利部水利水电规划设计总院2004年制订的水资源可利用量估算方法(试行)中指明河道内生态环境需水量主要包括:(1)维持河道基本功能的需水量(包括防止河道断流,保持水体一定的自净能力,河道冲沙输沙以及维持河湖水生生物生存的流量等);(2)通河湖泊湿地需水量(包括湖泊,沼泽地需水);(3)河口生态环境需水量(包括冲淤保港,防潮压咸及河口生物保护需水等).其中对"河道基流量"的解释:维持河床基本形态,保障河道输水能力,防止河道断流,保持水体一定的自净能力的最小流量,是维系河流的最基本环境功能不受破坏,必须在河道中常年流动的最小水量阈值.3生态流量计算方法综述生态用水较难定量确定,对有些涉及重要水生物资源的河流,其最小下泄流量应根据维持保护对象所必须的生存条件如一定的水深,流速或者浅滩等需要的水量为最小下泄流量.对一般河流,如无特定的水生物保护种类,可采取按年平均流量的百分比,如法国规定最小河流量生态用水流量不应小于多年平均流量的1/10,多年平均流量大于80m./s的河流其最低流量下限不得低于多年平均流量的1/20.据此,2005年国家环保总局组织的"水电水利建设项目水环境与水生生态保护技术政策研讨会会议纪要"中要求"维持水生生态系统稳定所需最小水量一般不应小于河道控制断面多年平均流量的lO(当多年平均流量大于80m/s时按5取用)".河流天然的枯水基流在河流生态系统中具有十分重要的作用,是研究确定河流最小生态环境需水量的重要依据.目前,河流最小生态环境需水量计算使用最多的还是传统的水文学估算法,如保证率9O的年最小月平均流量法,多年平均流量的百分比法,Tennant法,典型年最小月法等.此类方法在规划或优先度不高的河道中得到广泛应用.1976年Tennant提出的Montana法(也称Tennant法)认为:年平均流量与生境质量有关.研究结果表明:平均流量的lO是许多水生生物生存的下限,平均流量的3O是水生生物生存的安全值,平均流量的6O是水生生物生存的最佳生态需水量.将一年分为多水期和2007年第2期从陕西省引汉济渭工程看河道内生态流量的确定方法1l少水期两个计算时段,不同时期流量百分比不同,多水期通常选取多年平均流量的3O4O,少水期选取多年平均流量的1O2O,要根据各河流水系的实际情况而定.美国目前将该法作为生态优先度不高河流生态水量计算的推荐方法.近年我国在大尺度和无特定敏感需水保护目标河流的的生态需水研究中也应用该法,该法缺点是无法提出各月的生态水量,仅为需水时段的均值.河道内生态流量另一种计算方法是分项计算法,它是考虑维持河道一定功能的包括生态基流,输沙需水量和水生生物需水量等各种因素,取各因素需水量最大值(外包线),得到维持河道一定功能的年需水量.对含沙量小,无特殊水生生物需水要求和河道内生产性用水要求的河流,一般河道内生态流量仅考虑河道基流.对河道基流一般采用三种方法计算:(1)多年平均径流量的百分数(北方地区取1O-29,南方地区取2O-30),建设项目水资源论证导则(试行)(SL/Z3222005)5.4.5条文说明"对于生态需水量的确定,原则上按多年平均流量的1O2O确定"(2)近1O年最小月平均流量(或9O保证率最小月平均流量);(3)典型年法(未断流又未出现较大环境问题的最枯月平均流量,年径流量最好与多年平均径流量接近).河道的最小稀释净化水量用7Q10法计算,美国将9O保证率最枯7天的平均水量作为河流生态水量的极限设计水量.该法2O世纪7O年代传人我国,由于该标准要求比较高,我国在制订地方水污染物排放标准的技术原则和方法(GB383983)中对7Q10法进行了修改,规定"一般河流最小稀释净化水量采用近10年最枯月平均流量或9O保证率最枯月平均流量".此外,还有美国为保护水生生物栖息地所考虑的生态环境流量典型的计算方法有"湿周法","R2CROSS","河道内流量增加法(IFIM法)"等.南非的建块法(BBM),澳大利亚的基准测量(HEA)法等是近年来研究的先进的方法.本文建议规划阶段采用最近十年最枯月平均流量或9O最枯月平均流量作为最小生态流量,对丰枯悬殊较大的山区河流,这一流量一般对工程效益影响较小,同时维持河道不因建设水电工程而断流.在水资源开发与水利工程调度中,使河道内保持一定基流量,避免出现断流和其他严重的生态环境退化问题,此方法在黄河流域应用较多.4陕西省引汉济渭工程中河道内生态流量的确定陕西省地处我国内陆腹地,以东西走向的北山和秦岭为界,分为陕北黄土高原区,关中平原区和陕南秦巴山区三个地貌区域.秦岭以南属长江流域,以北属黄河流域.长期以来,在陕西省,特别是全省工农业生产和经济发展的重点的关中地区,作为国民经济基础的水利建设的发展严重滞后,关中供水"欠帐"太多,供需矛盾尖锐,根据陕西省渭河流域综合治理规划调查分析,2000年陕西省渭河流域现有水利设施实际供水能力为52.97亿m.,而总需水量约为72.5亿m.,供需缺口高达近2O亿m.但关中属资源性缺水的贫水地区,按照建立节水型社会的发展模式,据分析预测,在满足国民经济各部门正常发展和人民生活及改善生态环境基本需要的条件下,2020年陕西省渭河流域河道外总需水量约为8O.77亿m.,和现有供水能力比较,缺水量达28亿m.在区内水资源开发利用已趋极限,可供水量已无太大增长可能的情况下,为保持关中地区经济社会的可持续发展,只有实施跨流域调水,才能解决关中地区严重的缺水问题.汉江是国家南水北调中线工程的水源地,黄金峡坝址天然径流量78.86亿m.陕西省引汉济渭调水工程是在满足下游生态和生产用水,不影响国家南水北调中线水量的基础12陕西水利水电技术总第92期上,从汉江规划的黄金峡水库抽水人支流子午河三河口水库,再调水人渭河支流黑河金盆水库,总调水规模15.5亿m.,其中需从黄金峡抽l0亿m.传统的做法是在天然来流中直接扣除生态流量再进行水库调节计算,所以生态流量直接影响黄金峡的抽水规模和三河口的水库规模.根据坝址处天然径流过程和以上综述的河道内生态流量的计算方法,计算的生态流量成果见表1.表l黄金峡坝址天然径流量计算生态流量成果表959O1O年多年平均流典型年方法7QlOTennantj去'保证率保证率最小月量的1O最小月数值(ms/s)25.63223.325363O.265.16从计算结果看,流量变化幅度很大,对应的工程规模变化也大.Tennant法将全年分为两个水期,汉江510月为多水期,取多年平均流量的109/6,流量变化68.9m./s165.2m./s;ll4月为少水期,取多年平均流量的30,流量变化5.17m./s15.48m./s,年平均生态水需水量20.56亿m.(折65.2m/s).全国水资源综合规划技术细则需水预测部分生态基流计算推荐取10年最小月平均流量法,典型年最小月流量法和Q.法三种方法结果的最小值,即23.3m3/s.长江水利委员会主任蔡其华2006年在完善水库调度方式中指出"根据长江流域水资源综合规划的要求,长江流域生态基流根据多年径流量资料,一般采用90或95保证率最枯月河流平均流量."采用Q.法计算的生态基流为25.6m./s.所以生态基流要根据坝下游河道生态需水确定,不能简单的用某一种公式计算.黄金峡生态用水流量的确定应根据汉江所在区域的生态功能要求,依据法律法规,满足生物体自身的需水量和生物体赖以生存的环境需水量来确定.1958年汉江干流规划6级水电开发,因已建石泉,安康电站规模减小,90年代初又依次规划为黄金峡,石泉,喜河,安康,旬阳,蜀河和夹河7级开发.作为第一级开发的黄金峡,坝址位于石泉电站(正常高水位410m,死水位400m)回水变动区,规划正常高水位450m,死水位440m,坝址河床高水位406m.汉江含沙量小,且黄金峡坝址下游无特殊的水生生物需水,河道内生态流量仅需考虑生态基流.因为坝址位于石泉电站正常高水位以下,所以黄金峡径流式电站下游不存在断流脱水河段,库区属深山峡谷区,基本无人类活动影响的污染源,不必考虑河道的最小稀释净化水量.小流量对塑造河床形态基本无影响,丰水期大流量时黄金峡又无调节能力,不必考虑对河床形态影响,所以以上方法计算的生态流量对黄金峡并不适用.陕西省环境保护局根据2005年国家环保总局的会议纪要,颁发的关于进一步加强水电建设环境保护工作的意见(陕环发E2oo6124号)中"全面考虑河流水生生态系统稳定和下游工农业生产及生活用水,维持水生生态系统稳定所需最小水量一般不应小于河道控制断面多年平均流量的10%(当多年平均流量大于80m/s时按5%取用)",即坝址下游最小生态流量12.5m本文推荐黄金峡坝址下游枯水期最小生态流量12.5m./s,丰水期按水库的调蓄作用下放水量,不必考虑河道内的最小生态流量.这样在黄金峡外调水量10.1亿m时,下游河道还有68.75亿ms水量(折合218m/s),远大于各种方法计算的下游河道内生态需水量,满足生态需求.(下转第17页)2007年第2期安康洪水优化调度模型及风险辨识的应用研究17(口一0.05,=5,7zl8)一2.1788.由t检验原理,参照计算的数据,ltI(l,2,3,4,5)分别为3.15,l2.1l,l4.3l,2.15,1.98,前三个指标均大于t(,z1),即表示x,Xz,x.分别与目标相关程度较高.即安康水库优化调度的风险因素为安康流量,区间流量,安康下泄量.5结论(1)水库优化调度的应用比较广泛,本文应用安康水库的防洪优化调度,削减洪峰流量,从而使居于下游的蜀河水库的泄水建筑规模优化布置,减小工程的成本约l亿元.(2)水库优化调度问题是一类复杂的组合优化问题,具有非线性,离散性等特点.当采用动态规划方法求解时,随着问题规模的增大,往往会出现"维数灾".本文将蚁群算法应用于求解水库优化调度问题,其在解决组合优化问题中表现出良好的性能,提高水库调度问题的求解的准确性.(3)风险是客观存在的,它无时不有,无处不在.水库调度方案本身具有一定的风险,本文采用多元相关分析法建立风险模型,对其风险因素进行了辨识,提出以最大削峰为目的的安康防洪优化调度方案的风险因素集包括安康流量,区间流量,安康下泄量.(收稿日期:2007一l030)(上接第l2页)5结语河道生态运行机制比较复杂,径流丰枯变化比较大,人类对河流生物及沿岸各种生命系统与水资源的关系研究的还不够深入,河道内生态环境需水量,不是一个简单的公式就能计算出来的,因此现行的规程规范中并不明确规定计算的方法,方法的采用要分析其适用条件和河流的具体情况.到底保留多少河水才能满足各种环境因素的需求,沿河各种利益团体很难取得一致.必要时需要通过协商,立法,权衡河道内流量与河道外用水的经济分析等办法来解决.中华人民共和国水法(2002年颁布)第二十一条规定"开发,利用水资源,应当首先满足城乡居民生活用水,并兼顾农业,工业,生态环境用水以及航运等需要.在干旱和半干旱地区开发,利用水资源,应当充分考虑生态环境用水需要."所以以往在天然来流量中先扣除生态基流,再满足供水等其他要求的做法不符合水法的要求,且生态需水是指维系一定环境功能状况或目标(现状,恢复或发展)下客观需求的水资源总量,并非一个平均固定的流量.规划设计阶段当城市供水的破坏深度很大时,生态基流原则上也应破坏.水库运行阶段应坚持以人为本,全面,协调,可持续的科学发展观,以维护健康河流,促进人水和谐为基本宗旨,统筹防洪,兴利与生态,运用先进的调度技术和手段,在满足坝下游生态保护和库区水环境保护要求的基础上,充分发挥水库的防洪,发电,灌溉,供水,航运,旅游等各项功能,使水库对坝下游生态和库区水环境造成的负面影响控制在可承受的范围内,并逐步修复生态与环境系统.参考文献:1陈志恺等.中国水利百科全书(水文与水资源分册),中国水利水电出版社,2004年.2张丽等,生态需水研究进展及存在问题(J),中国农村水利水电,2003年第1期.3倪晋仁等.论河流生态环境需水(N).水利,2002年第9期.4钱正英等.中国可持续发展水资源战略研究综合报告(R).北京水利水电出版社.2001年.(收稿日期:20071O25)