基于下游需水量過程線的水庫生態流量調度研究

袁靜　張德兵

摘要：干旱區域河流的開發利用率較高，生態流量“放不下、放不穩”。為協調生態、生產、生活等用水需求，需要合理確定水利工程的調度過程。以新疆五一水庫為研究對象，通過推算其下游艾比湖濕地保護區的生態需水量與五一水庫下泄水量間的對應關系，換算得到生態敏感目標對應的水庫的下泄水量需求，進而確定五一水庫的分月下泄水量過程線，并計算了目標可達性。結果表明：合理調度可以實現五一水庫生活、生產供水量目標和河流生態目標。研究成果可為干旱區域河流的工程生態流量調度提供技術支持。

關鍵詞：水量目標換算; 水庫生態流量調度; 河道生態基流; 艾比湖; 五一水庫; 干旱區域河流

中圖法分類號： TV697.25

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.012

0引 言

目前河流生態基流的計算方法很多，如：國家環?？偩洲k公廳環辦函〔2006〕11號文提出，維持水生態系統穩定所需最小水量一般不應小于河道控制斷面多年平均流量的10%;SL/Z 712-2014《河湖生態環境需水計算規范》和SL/Z 479-2010《河湖生態需水評估導則（試行）》中建議的最小瞬時流量為年平均流量的10%～20%;SL 525-2011《水利水電建設項目水資源論證導則》提出了河道生態需水量按多年平均流量的10%～20%確定。但是，以上計算方法所確定的流量為河道內的生態基流，需通過水利工程的最小下泄流量來保障。最小下泄流量是工程為滿足生態流量及河道外生產生活用水需求，需要下泄的最小流量。水庫“生態流量”多出現在綜合規劃文件里，“最小下泄流量”多用在水量分配方案里，本文中統一以水庫生態流量表示。水庫的生態流量下泄方案制定的是否科學且具操作性具有十分重要的意義。

中國地域遼闊，河流水文情勢差異較大，南方河流枯水期生態基流保證率較低，但是北方干旱地區的豐水期為灌溉高峰期，水資源開發利用率較高，部分時段甚至高達90%～100%，河流生態用水占來水量的10%以下。國際上一般認為，對一條河流的開發利用不能超過其水資源量的40%[1-3]，超過國際公認的40%的水資源開發生態警戒線，可能會擠占河道生態流量。目前對于河道生態流量保障的理論研究較多，但具體到水利工程的實施方案較少，如何根據干旱區域的水資源條件和水生態特點，合理調配水資源，保障水生態用水和地方經濟發展需求，實現水庫的生態流量調度，是一個亟待解決的問題。

本文選取新疆維吾爾自治區博爾塔拉蒙古自治州境內博爾塔拉河上的五一水庫為研究對象，其下游為新疆第三大湖泊、準噶爾盆地中第一大湖泊艾比湖，通過推算艾比湖濕地保護區的生態需水量與五一水庫下泄水量間的對應關系，換算得到生態敏感目標對應的水庫的下泄水量需求，進而確定五一水庫的分月下泄水量過程線。五一水庫的生態保障目標包含了河道內生態基流和艾比湖濕地保護區生態需水量，是干旱地區典型的河流生態系統，對其開展水庫調度目標值確定方法和保障措施的研究具有重要的參考價值。

1研究區域

1.1研究對象

五一水庫工程位于新疆博爾塔拉蒙古自治州境內、博爾塔拉河中下游，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、發電和水產養殖的Ⅲ等中型攔河式平原水庫。該水庫總庫容1 960萬m3，水庫正常蓄水位528.5 m，相應庫容1 830萬m3;設計洪水位528.5 m，相應庫容1 830萬m3;校核洪水位529.0 m，相應庫容1 960萬m3;死水位515.53 m，相應庫容75.5萬m3。該水庫具有不完全年調節能力，是博爾塔拉河上最大的水庫，其下游1 km和2 km分別有兩座?。?）型攔河式平原水庫七一水庫、八一水庫，與五一水庫實行聯合調度。

博爾塔拉河西起溫泉縣別珍套山、阿拉套山，自西向東流經溫泉縣、博樂市境內，在精河縣匯入艾比湖，為艾比湖流域最大的一條水系，全長252 km，流域面積11 367 km2。博爾塔拉河中下沿河兩岸密布居民區和農田，是博州重點經濟區。中上游交接處的溫泉水文站多年平均徑流量為3.143億m3，中下游的博樂水文站（監測五一水庫的出庫流量）多年平均年徑流量為5.002億m3，年徑流比較穩定。隨著天山北坡經濟帶的開發，夏季灌溉引水量有時超過河流流量的90%，加之博爾塔拉河水文地質條件復雜，部分地表水轉變為地下潛流，導致河道有3處斷流。河流尾閭為艾比湖濕地保護區。博爾塔拉河入艾比湖的入湖水量監測斷面為90團四連大橋巡測斷面。研究區域位置如圖1所示。

1.2研究路線

水庫調度方案制定時，首先需要搜集河流相關水文、水質、生態和地質條件，明確下游需要保護的目標及需水量。然后通過對水庫下游生活、生產和生態需水量、水功能區滿足納污能力需水量、區間來水量進行調查和分析，兼顧發電站利益，合理確定出水庫的生態流量目標值并計算滿足程度。

1.3生態保護目標解析

水庫的生態流量要考慮河道外用水和河道內用水。河道外用水指通過提、引等方式而利用的河水，如工農業用水、城市生活用水等;河道內用水指河道內水資源的利用，水運、漁業、旅游、沖沙及生態環境用水。為維持河流基本形態和生態功能，避免河流水生態系統功能受到無法恢復的破壞，需要綜合分析工程影響河段的生態流量調度目標[4]，合理確定工程的下泄生態流量。

博爾塔拉河下游為艾比湖濕地保護區，由于近年來入湖水量減少，艾比湖湖水面積不斷減少，20世紀50年代湖面面積1 200 km2，如今萎縮至500 km2左右，湖濱地區荒漠化程度加劇，成為中國西部沙塵暴主要策源地之一。艾比湖流域的生態惡化事實上已成為困擾新疆的第二大生態問題，艾比湖干縮導致的地下水位下降，使該流域周邊地區荒漠化大大加快，因此，保證博爾塔拉河入艾比湖的入湖水量，是五一水庫調度的主要目標之一。

博爾塔拉河無通航功能，無景觀和水上娛樂所需水量，

無工業污染匯入，水質監測結果顯示，水庫蓄水后河道水質未產生明顯影響，無凈化稀釋或水華控制的要求。根據《全國重要江河湖泊水功能區劃》（2011～2030年），自源頭至卡咎河口為溫泉源頭水保護區，卡咎河口至溫泉水文站為溫泉保留區，自溫泉水文站至90團四連大橋一級水功能區為溫泉博樂開發利用區，二級水功能區為溫泉博樂農業用水區，水質目標為Ⅲ類水，現狀水質達標，河流水資源主要用于農業灌溉，河道兩岸及河道內植被多以耐寒耐旱為主，主要靠大氣降水和地下水維持。

綜合分析，確定工程的生態流量應考慮以下方面：維持下游艾比湖濕地保護區面積，維持河道生態基流和天然植被、水生生物，保護農業灌溉用水需求。

2水庫生態流量下泄方案

2.1河道內生態基流的確定

目前河道生態基流的確定方法有水文學法、水力學法、水文-生物分析法等[5-8]，各方法的適用條件各不相同。由于水文學法計算方便、所需資料易于獲取，是目前最常用的生態基流計算方法?？紤]到中小河流一般僅有水文數據，本文主要采用水文學法中的Tennant法計算生態基流，具體計算過程見文獻[9]。

1975年博爾塔拉河五一水庫修建后，水文情勢受到水庫的調蓄影響，為保證水文資料的一致性，本文統計博樂水文站1975～2017年共計43 a的水文系列資料，博爾塔拉河多年平均徑流量、75%和90%來水頻率對應的徑流量分別為5.002 24，4.546 1億m3和3.85億m3。由于博河兩岸為主要的生產、生活區，農業灌溉、牲畜養殖需水量大，灌溉季一直存在水量不足的困難。因此，考慮實際情況，暫以多年平均流量的10%作為壩下游河道的生態基流控制指標，在當地用水矛盾緩和后，再考慮提高生態基流管理要求。由此計算出不同來水頻率下分月生態基流量控制值，計算結果見表1。

2.2艾比湖濕地保護區的水量要求

根據中央環境保護督察“向艾比湖年注入生態水不少于5億m3”的目標、艾比湖一湖一策方案等分配成果，換算得到博爾塔拉河年入艾比湖水量總量應不小于3.089億m3。因五一水庫至艾比湖河口間的支流匯入水量Q來、蒸發、下滲及泉水匯入量Q泉不明，不能確定3.089億m3對應的五一水庫下泄水量要求。本文以90團4連大橋（博爾塔拉河入湖水量控制斷面）年入湖水量最接近3.089億m3的2014，2011年和2015年3 a平均年內分配為約束條件，查詢對應年份五一水庫的下泄水量過程。

90團4連大橋實測徑流量和對應年份的五一水庫出庫量對比關系見圖2，統計數據見表2。由表2可知，最接近入湖水量約束條件的2014，2011年和2015年對應的五一水庫年出庫量分別為4.820，5.537億m3和5.306億m3。由圖2的年內分配趨勢可知，五一水庫下泄量與艾比湖入湖水量趨勢一致，用90團4連大橋入湖水量對應五一水庫下泄量的方法有效。本文根據水庫實際年份的下泄水量來制定分月限值，貼近實際，操作性更強。

2.3水庫下游生產需水量

五一水庫下游共有星火干渠、三干渠、85團渠和紅光渠4個農業灌溉取水口，取水許可批復的年需水量為10 801萬m3。由于取水月份集中于4～11月，計算發現，以取水許可批復為下游取水口的需水量時，灌溉高峰期引水量占當月來水量的90%以上，部分月份批復的許可水量甚至超過河流徑流量，難以保證下游河道的生態基流量，因此，本文建議以近年的實際取水量為下游需水量核算依據。

對五一水庫下游取水口2016～2018年近3 a實際引用量進行分月統計分析，年實際平均取水量為7 478.21萬m3，占年取水許可量的69.24%，每年灌溉引水始于4月，終于11月，因此，水庫下泄生態流量過程線僅需要考慮4～11月的生產需水量。

綜合考慮艾比湖濕地保護區需水量、壩下游河道生態基流量、農業取水口需水量，生態流量計算公式如下：

兩岸地帶，很少有地表徑流匯入博爾塔拉河，因此本文不統計區間的支流匯入量和回歸水量。公式簡化為

由此，制定了五一水庫分月下泄水量限值的生態水量過程線[10-11]，結果見表3和圖3。比較艾比湖濕地保護區需水量限值與河道生態基流與農業灌溉需水量和值的大小，除7月取河道生態基流與河道外需水量和值外，其他月份均需以艾比湖入湖水量為限值。

2.4生態流量的目標可達性和調度要求

根據水庫的下泄水量限值要求，對水庫進行調節計算，計算結果表明：在多年平均來水、75%來水保證率條件下，水庫均能滿足調度要求。只有在特枯年份（90%來水保證率條件下[11]），灌溉高峰期不能滿足生態基流目標值，根據“當生活、生態和生產‘三生用水發生沖突時[12]，應優先保證生活用水，其次為生態用水，最后為生產用水”的原則，需削減農業用水量以保證生態需水量。若入庫流量小于當月下泄目標值，則按入庫流量下泄。

生態基流原則上應是保證河道不斷流，持續不間斷地下泄，但干旱區域的河流，徑流量主要集中在山區，平原區河段常因滲漏為地下水而斷流，即使不受人類影響，此類河流也很難實現整條河流不斷流。因此干旱區域的河流建議著重考慮減弱人類活動對于河流生態的影響，保障河流的生態基流量，逐步提高生態基流的比例，而不必追求河流時刻不斷流。另外，部分水庫工程建設年度久，設計中對水庫大壩下游河道生態流量考慮不足，閘門的起閉程度難以滿足小流量的下泄需求;部分已建水庫新增泄流設施可能影響壩體結構，不宜采取工程保障措施?？紤]以上因素，水庫下泄水量限值不宜細化到日或者瞬時流量，而宜采用分月流量限值指標。根據“洪水脈沖理論”，建議利用水庫蓄水制造人工洪峰、下游河道漫灘，對河道中的植被起到澆灌作用，利于植被帶修復建設，也可為恢復河道與灘地、兩岸濕地的連通性創造條件。通過合理的蓄泄水量，達到生態環境用水和社會經濟用水的綜合效益最大化，便于實現水庫的多目標優化調度。

水庫實際蓄水過程應考慮起蓄時間和汛期限制水位[13-15]，水庫的蓄水時間不宜過早，蓄水速度不宜過快，以免對水庫的安全產生影響。

3結 語

本文通過統計博爾塔拉河河道生態基流、河道外需水量分月限值，在缺少區間匯入、匯出水量的情況下，將下游艾比湖濕地保護區需水量目標換算為上游水庫的下泄水量要求，并對生活、生態和生產各需水量依據時間過程線進行逐月分配。

分配結果顯示：除特枯年份（90%來水保證率條件下）外，在多年平均來水、75%來水保證率下，水庫下泄量均能滿足下游生活、生態和生產水量要求。

河道生態基流不能滿足的根本原因在于生產用水擠占生態用水空間，需在河長制背景下，嚴格水量分配方案，加強節水管理，改善流域水生態環境。本文可為同類型的河流生態基流保障工作提供支持。

參考文獻：

[1]安新代.黃河水資源管理調度現狀與展望[J].中國水利，2007（13）：16-19.

[2]李蔚.沂沭河流域水資源現狀分析及可持續利用對策[J].治淮，2016（10）：14-15.

[3]史興民，溫文娟.基于水資源的陜西生態安全基尼系數分析[J].干旱地區農業研究，2010，28（4）：233-236.

[4]楊寅群，柳雅純，趙琰鑫，等.安徽省某大型綜合利用水庫生態基流研究[J].人民長江，2015，46（9）：63-67.

[5]國家環境保護總局環境工程評估中心.水電水利建設項目河道生態用水、低溫水和過魚設施環境影響評價技術指南（試行）[R].北京：國家環境保護總局環境工程評估中心，2006.

[6]水利部水利水電規劃設計總院.全國水資源保護規劃技術大綱[R].北京：水利部水利水電規劃設計總院，2012.

[7]中華人民共和國水利部.河湖生態保護與修復規劃導則：SL 709-2015[S].北京：中國水利水電出版社，2015.

[8]中華人民共和國水利部.河湖生態需水評估導則（試行）：SL/Z 479-2010[S].北京：中國水利水電出版社，2015.

[9]TENNANT D L.Instream flow regimens for fish，wildlife，recreation，and related environmental resources[J].Fisheries Management and Ecology，1976，1（4）：6-10.

[10]胡和平，劉登峰，田富強.基于生態流量過程線的水庫生態調度方法研究[J].水科學進展，2008，19（3）：325-332.

[11]黃速艇，陳森林，艾學山，等.基于流量分級的生態流量過程線確定方法：以東江水庫為例[J].水資源與水工程學報，2014（5）：22-27.

[12]何艷虎，藍標，陳曉宏，等.變化環境下東江流域用水系統協調度分析[J].人民長江，2014，45（15）：27-31.

[13]杜發閃.中小型水庫發揮最大效益與確保水庫汛線水位的蓄水矛盾[J].農業科技與信息，2015（5）：91-92.

[14]常文婷，潘向忠，翁仕龍，等.基于水質達標的水電站最小下泄流量研究[J].環境科學與技術，2015，38（增1）：107-110.

[15]趙潔.陜西省主要河流重要控制斷面下泄水量分析[J].陜西水利，2017（3）：17-18.

（編輯：謝玲嫻）

Abstract：The development and utilization rate of rivers in arid regions is relatively high，and the ecological flow is difficult to control.In order to coordinate the water demand for ecology，production and life，it is necessary to reasonably determine the scheduling process of water conservancy projects.Taking the Wuyi Reservoir in Xinjiang Autonomous Region as the research object，we analyzed the corresponding relationship between the ecological water demand of Aibi Lake Wetland Reserve and the discharge water volume of the Wuyi Reservoir，and obtained the monthly discharge demand of the reservoir corresponding to the ecologically sensitive target by conversion，so as to determine the monthly discharge process line of the Wuyi Reservoir，and then calculated the target accessibility.The results show that the water supply target of Wuyi Reservoir and the river ecological target can be achieved by rational operation.The research results can provide technical support for engineering ecological flow regulation of rivers in arid regions.

Key words：rivers in arid regions;water volume target conversion;reservoir ecological flow regulation;river ecological base flow;Aibi Lake;Wuyi Reservoir