跨流域调水水库生态环境用水设计及效果分析

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一、         钦寸水库基本情况 钦寸水库是浙江省《曹娥江流域综合规划》推荐的一座主要防洪水库，也是《浙东引水专项规划》推荐的曹娥江流域向宁（波）奉（化）平原调水的关键工程。工程坝址位于曹娥江支流黄泽江中下游钦寸村附近，通过一条25km的隧洞供水到亭下水库，供宁波市优质水。水库正常蓄水位为98.0m，相应库容1.77亿m³，总库容为2.44亿m³，调节库容1.67亿m³，防洪库容0.61亿万m³。根据规划工程在满足本流域生产生活、灌溉及环境用水之后，向宁波地区供水。 二、         生态环境需水的概念 生态环境需水是指为了维持给定目标下生态环境系统一定功能所需要保留的自然水体和需要人工补充的水量。与当地水资源开发利用状况，经济社会发展水平、水资源演变情势等，生态环境保护、修（恢）复和建设目标相关。包括河道外和河道内的生态环境需水量两个部分。 河道内生态环境需水指维持河流生态系统一定形态和一定功能所需要保留的水（流）量。维持河道一定功能的需水包括生态基流、输沙需水量和水生生物需水量等。河道外生态环境需水指保护、修复或建设给定区域的生态环境需要人为补充的水量，分城镇生态环境需水、湖泊沼泽湿地生态环境补水、林草植被建设需水和地下水回灌补水等类。 三、         国内外生态环境需水取值范围 3.1 国外生态环境用水的取值范围 美国规定河道内大多数水生生物在主要生长期优良的栖息条件和多数娱乐用途所推荐的径流量为P=50%频率下的河道径流量的60%，而保持大多数水生动物有良好的栖息条件和一般的娱乐活动所推荐的基本径流量是河道内径流为P=50%频率下河道径流量的30%～60%。河道内径流为P=50%频率下河道流量的10%(即90%为河道外耗水)，是保持大多数水生生物在全年生存所推荐的最低径流量。美国另一项规定是采用P=90%频率下最枯连续七天的平均水量作为河流最小流量设计值。 法国《乡村法》第232.5条规定：河流最低环境流量不应小于多年平均流量的1/10；对于所有河流，或者部分河流，如果其多年平均流量大于80m³/s时，政府可以给每条河制定法规，但最低流量的下限不得低于多年平均流量的1/20。 日本定义河川维持正常机能下所必要之流量称“正常流量”，另对于河川欲维持航运、渔业、景观、盐害防治、河口闭塞防治、河川管理设施维护、地下水位维持及保育动植物等功能综合考虑下必要之最小流量则为“维持流量”，其以各地河川之正常流量能维持10年內最大枯水期(最低旬流量)为原则。 综上而言，可以看出基于人类对水资源强势运用及种种因素限制下，河道的水量尽管基于市场开发的利用在日趋减少，但多数国家或地区对规范河道的生态环境保留流量仍有许多限定，特别是经济发达国家对此更是从政策面或行政手段来运作。 3.2 国内生态环境用水的范围值 国内对河流生态需水计算研究刚刚起步，迄今还没有明确一致的意见和公认的计算方法。一般采用的方法就是依据《制订地方水污染物排放标准的技术原则和方法》(GB3838-83)。其中规定：一般河流采用近十年最枯月平均流量或90%保证率最枯月平均流量。此方法主要用于计算污染物允许排放量。但此流量是否能维持河道内的生态环境的最低要求，并无明确的解释和确定。 其他主要是国内的资深专家提出的个人看法：钱正英认为我国因为水资源紧张，一般采取的标准是河流开发利用率不超过60%～70%，生态环境用水的比例不小于30-40%；[2]汪恕诚认为河流本身的开发利用率不得超过40%；[3]沈茂成认为要保留60%以上流量作为生态环境用水。[4]许新宜认为水资源开发利用率一般在30%左右；[5]陈传友认为中国河川径流量的开采限度不能超过河道年来水量的40%；[6]邓英淘认为地表水和可动用地下水总量的50%-60%应留给自然环境。[7]总体上来看，河道的生态环境用水一般应维持在30～50％左右，这一取值范围与国外的取值范围趋向一致，并无大的差异。   四、         生态环境需水基流的计算方法 4.1 河道湿周法 该方法的依据是基于这样的一种假设：即保护好临界区域的水生物栖息地的湿周，也将对非临界区域的栖息地提供足够的保护。该方法利用湿周（指水面以下河床的线性长度，见图1）作为栖息地的质量指标来估算期望的河道内流量值。通过在临界的栖息地区域（通常大部分是浅滩）现场搜集渠道的几何尺寸和流量数据，并以临界的栖息地类型作为河流的其余部分的栖息地指标。河道的形状影响该方法的分析结果。，也称R2CROSS法       该法需要确定湿周与流量之间的关系。这种关系可从多个河道断面的几何尺寸——流量关系实测数据经验推求，或从单一河道断面的一组几何尺寸——流量数据中计算得出。湿周法河道内流量推荐值是依据湿周—流量关系图中影响点的位置而确定（见图2）。 4.2 曼宁公式为基础的计算方法 以曼宁方程为基础的计算方法。适用于一般浅滩式的河流栖息地类型。该种方法的河流流量推荐值是基于这样的假设，即浅滩是最临界的河流栖息地类型，而保护浅滩栖息地也将保护其它的水生栖息地，如水塘和水道。确定了平均深度、平均流速以及湿周长百分数作为冷水鱼栖息地指数，平均深度与湿周长百分数标准分别是河流顶宽和河床总长与湿周长之比的函数，所有河流的平均流速推荐采用l英尺/每秒的常数，这三种参数是反映与河流栖息地质量有关的水流指示因子。如能在浅滩类型栖息地保持这些参数在足够的水平，将足以维护冷水鱼类与水生无脊椎动物在水塘和水道的水生生境。起初河流流量推荐值是按年控制的。后来，生物学家又研究根据鱼的生物学需要和河流的季节性变化分季节制订相应的标准（见表1）。   表1  采用R2cross单端面法确定最小流量的标准 河流顶宽（英尺） 平均水深(英尺) 湿周率(%) 平均流速(英尺/秒) 01-20 0.2 50 1.0 21-40 0.2-0.4 50 1.0 41-40 0.4-0.6 50-60 1.0 61-100 0.6-1.0 ≥70 1.0     注：1英尺（ft）=0.3048米（m）         4.3 内流量增加法 河道内流量增加法主要有IFIM法。IFIM把大量的水文水化学现场数据与选定的水生生物种在不同生长阶段的生物学信息相结合，进行流量增加的变化对栖息地影响的评价。考虑的主要指标有水的流速，最小水深、底质情况、水温度、溶解氧、总碱度、浊度、透光度等。河道内流量增量法并不产生特定的河道内流量目标值，除非栖息地保护的标准能被确定。河道内流量增加法的结果通常用来评价水资源开发建设项目对下游水生栖息地的影响。 4.4 美国的7Q10法和中国的10年最枯月平均流量法 水质污染稀释自净需水量，也即为改善水质需要的环境水量。对于河流，就是最小环境流量；对于湖泊、水库，就是受污染水体的最小交换水量。依据《中国水利百科全书》环境用水词条的解释，最小环境水量（流量）的确定，需要城市或区域的水污染综合防治规划考虑，并通过水质模型的具体计算确定。依照90年代以来的环境污染防治和生物多样性保护思路，环境污染实质上是能源和资源的浪费，防治环境污染应当从根本做起，即从“摇篮到坟墓”的全过程的污染控制，即走清洁生产的道路（并不是仅仅限于生产企业，而是包含了全社会的方方面面，甚至包含每一个人的行为和生活习惯）。 采用90%保证率最枯连续7天的平均水量作为河流最小流量设计值.该法在70年代传入我国，主要用于计算污染物允许排放量，在许多大型水利工程建设的环境影响评价中得到应用。由于该标准要求比较高，鉴于我国的经济发展水平比较落后、南北方水资源情况差别较大，我国在《制订地方水污染物排放标准的技术原则和方法》（GB3839-83）中规定：一般河流采用近十年最枯月平均流量或百分之九十保证率最枯月平均流量。 4.5 以水质目标为约束的生态环境需水量计算 依据环境水利学有关水质污染稀释自净需水量求算得基本思路，1992～93年，我们曾研究过以水环境质量目标为约束的城市河段最小流量测算方法，其主模式如为： 式中：C_s——为河段谁知控制目标（mg/L）             Q₁C₁——为河段上游流入的水量（m₃/s）和污染物的浓度（mg/L） W——为河段内污染物产生量（g/s） K——污染物小将综合系数 K₁——河段内污染物治理系数 K₂——河段内污废水资源化系数 ——河段内城市污废水生产总量（m₃/s） K₁、K₂是二个与社会经济发展、环境保护投资及水污染治理投资、污染物治理效益和废污水资源化条件有关的智力系数。 4.6 脱离特定用途的综合型计算方法和标准--Montana法 该法也叫Montana法，是非现场测定类型的标准设定法。河流流量推荐值是以预先确定的年平均流量的百分数为基础。见表1。   保护水生生态等有关环境之韵的河道流量状况标准 环境流量效果 推荐的基流(10-3月)
（%平均流量） 推荐的基流(4-10月)
（%平均流量） 最大 200 200 最佳范围 60～100 60～100 极好 40 60 非常好 30 50 好 20 40 中或一般 10 30 一般或最小 10 10 差 0～10 0～10   该法不需要现场测量。在有水文站点的河流，年平均流量的估算可以从历史资料获得。在没有水文站点的河流，可通过可以接受的水文技术来获得。 在美国，该法通常作为在优先度不高的河段研究河流流量推荐值使用，或者作为其他方法的一种检验。在法国，“乡村法”第232.5条规定：河流最低环境流量不应小于多年平均流量的1/10；对于所有河流，或者部分河流，如果其多年平均流量大于80m³/s，此时政府可以给每条河制定法规，但最低流量的下限不得低于多年平均流量的1/20。 五、         钦寸水库生态环境用水阈值计算 5.1 用水量计算 综合钦寸水库属于外调水库，生态环境用水尤其要保证供给。根据上述概念，生态环境用水的用两个指标来衡量。(i)最小保持的环境水量；(ii)外调水量比例。对巧英～钦寸坝址年平均流量作P－III型适线分析，成果见表2-8及本报告附图“钦库项-2-02”。     表2-8          钦寸坝址年平均流量适线成果表 平均流量 （m³/s） 各频率设计年径流（m³/s） 5% 10% 50% 90% 95% 6.51 10.8 9.64 6.23 3.74 3.19 表      方法 国家 方法表述 效果 流量
m³/s 1 美国 P=50%河道流量的60% 好 3.74 2 P=50%河道流量的30-60% 良好 1.87～3.74 3 P=50%河道流量的10% 最低 0.62 4 P=90%频率下最枯月连续7天的平均流量 最小 0.346 5 法国 多年平均流量的1/10 最小 0.65 6 日本 10年内最大枯水期（旬平均流量） 最小 0.243 钦寸水库最小保持环境用水，采用分级计算，水库坝址断面为一级控制，钦寸水库下游7.9km，有上东江汇入，且有主要人口聚居地----黄泽镇二级以黄泽镇（黄泽水文站）为环境用水控制断面，水库坝址至黄泽镇区间面积226km²，其中上东江集雨面积172.2km²的，区间多年平均流量为5.45m³/s。黄泽水文站各保证率年最枯月平均流量见表3-3。 表3-3       控制断面各保证率年最枯月流量表    频率 分级 各保证率(P%)流量(m³/s) 50% 75% 80% 85% 90% 95% 一级控制 0.664 0.434 0.392 0.348 0.301 0.249 二级控制 1.332 0.872 0.786 0.698 0.605 0.500 综合上述分析，水库按照两级控制，一级控制水库下游断面主要按照生态环境基流确定，确定水库下泄基流为0.3m³/s。二级控制断面在黄泽镇，考虑生态环境基流以外，并考虑了一定的景观生态等用水，控制流量为1.0m³/s。 5.2 生态泄水的方式与效果分析 水库采用分级补偿调节的办法下泄环境流量，第一级坝址下游下泄一定的基流，第二级当水库坝址以下到黄泽水文站之间的区间大于1.0m³/s，区间流量可保证环境用水；当水库坝址以下到黄泽水文站之间的区间小于1.0m³/s，水库补充放水到1.0m³/s。由于区间有较大的入流，丰水期和平水期，水库下游的环境流量是能够保证的。按此原则，水库在流域丰水、平水年下泄的环境流量并不大，但是遇到特殊干旱年份，水库会发挥巨大的环境效益。以1967~1968年水库的运行为例。根据计算如果水库再遇到1967年型的干旱年份，按照调度，从1967年8月1日开始到1968年3月30日，水库坝址处大部分时间来水甚至不足2.0万m³/d(0.23m³/s)，水库每天都保持下泄一定的环境用水，水库最大下泄5.68万m³/s(0.657m³/s)，最小下泄1.73万/d,相当于0.2m³/s，平均下泄4.57万m³/d，相当于0.429m³/s，1967年8月~1968年4月的50年一遇干旱缺水期共下泄环境用水1116万m³,相当于一个中型水库的蓄水，对枯水期缓解当地旱情改善当地环境有非常大的作用。另外从下泄的环境用水年内的调节看，环境基流下泄较为均匀，同时在天然来水较少的10月到次年2月较为集中，从年内分配的角度讲，这样的下泄有利于水量的年内调节。从上述分析看水库对当地水环境改善是明显的。 5.3 工程调水对生态环境用水的影响 钦寸水库以下7.9km后有一条山东江汇入，区间流域面积在226km²，19.8km以后汇入黄泽江，以花山水文站，花山站距坝址距离为28.1km研究。坝址断面，外调水量占天然来水的52.2%，至黄泽镇这一比例就下降到30.8%，到黄泽江与曹娥江的汇合口(汇合前)该比例为28.6%，与曹娥江汇合后，该比例为5.6%。得出以下结论：(i)外调的水量在合理的容许范围之内；(ii)引水对生态环境影响的主要范围应该是水库坝址下游黄泽江汇入曹娥江前，水库引水对曹娥江干流的影响已经不太明显。外调水量占各断面天然水量的比例见图。         表3-4           引水与流域引水比例表 区 域 距离坝址
(km) 流域面积
(km²) 天然来水
(亿m³) 下泄水量
(亿m³) 调水比例
(%) 坝址断面 0.0 316.0 2.47 1.18 52.2% 黄泽镇(上东江汇入后) 7.9 542.0 4.19 2.90 30.8% 黄泽江河口 19.8 584.0 4.51 3.22 28.6% 花山水文站(汇入曹娥江以后) 28.1 3043.0 23.08 21.79 5.6%