跨流域調(diào)水水庫生態(tài)環(huán)境用水設(shè)計及效果分析

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一、         欽寸水庫基本情況 欽寸水庫是浙江省《曹娥江流域綜合規(guī)劃》推薦的一座主要防洪水庫，也是《浙東引水專項規(guī)劃》推薦的曹娥江流域向?qū)帲úǎ┓睿ɑ┢皆{(diào)水的關(guān)鍵工程。工程壩址位于曹娥江支流黃澤江中下游欽寸村附近，通過一條25km的隧洞供水到亭下水庫，供寧波市優(yōu)質(zhì)水。水庫正常蓄水位為98.0m，相應(yīng)庫容1.77億m³，總庫容為2.44億m³，調(diào)節(jié)庫容1.67億m³，防洪庫容0.61億萬m³。根據(jù)規(guī)劃工程在滿足本流域生產(chǎn)生活、灌溉及環(huán)境用水之后，向?qū)幉ǖ貐^(qū)供水。 二、         生態(tài)環(huán)境需水的概念 生態(tài)環(huán)境需水是指為了維持給定目標下生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)一定功能所需要保留的自然水體和需要人工補充的水量。與當?shù)厮Y源開發(fā)利用狀況，經(jīng)濟社會發(fā)展水平、水資源演變情勢等，生態(tài)環(huán)境保護、修（恢）復(fù)和建設(shè)目標相關(guān)。包括河道外和河道內(nèi)的生態(tài)環(huán)境需水量兩個部分。 河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水指維持河流生態(tài)系統(tǒng)一定形態(tài)和一定功能所需要保留的水（流）量。維持河道一定功能的需水包括生態(tài)基流、輸沙需水量和水生生物需水量等。河道外生態(tài)環(huán)境需水指保護、修復(fù)或建設(shè)給定區(qū)域的生態(tài)環(huán)境需要人為補充的水量，分城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境需水、湖泊沼澤濕地生態(tài)環(huán)境補水、林草植被建設(shè)需水和地下水回灌補水等類。 三、         國內(nèi)外生態(tài)環(huán)境需水取值范圍 3.1 國外生態(tài)環(huán)境用水的取值范圍 美國規(guī)定河道內(nèi)大多數(shù)水生生物在主要生長期優(yōu)良的棲息條件和多數(shù)娛樂用途所推薦的徑流量為P=50%頻率下的河道徑流量的60%，而保持大多數(shù)水生動物有良好的棲息條件和一般的娛樂活動所推薦的基本徑流量是河道內(nèi)徑流為P=50%頻率下河道徑流量的30%～60%。河道內(nèi)徑流為P=50%頻率下河道流量的10%(即90%為河道外耗水)，是保持大多數(shù)水生生物在全年生存所推薦的最低徑流量。美國另一項規(guī)定是采用P=90%頻率下最枯連續(xù)七天的平均水量作為河流最小流量設(shè)計值。 法國《鄉(xiāng)村法》第232.5條規(guī)定：河流最低環(huán)境流量不應(yīng)小于多年平均流量的1/10；對于所有河流，或者部分河流，如果其多年平均流量大于80m³/s時，政府可以給每條河制定法規(guī)，但最低流量的下限不得低于多年平均流量的1/20。 日本定義河川維持正常機能下所必要之流量稱“正常流量”，另對于河川欲維持航運、漁業(yè)、景觀、鹽害防治、河口閉塞防治、河川管理設(shè)施維護、地下水位維持及保育動植物等功能綜合考慮下必要之最小流量則為“維持流量”，其以各地河川之正常流量能維持10年內(nèi)最大枯水期(最低旬流量)為原則。 綜上而言，可以看出基于人類對水資源強勢運用及種種因素限制下，河道的水量盡管基于市場開發(fā)的利用在日趨減少，但多數(shù)國家或地區(qū)對規(guī)范河道的生態(tài)環(huán)境保留流量仍有許多限定，特別是經(jīng)濟發(fā)達國家對此更是從政策面或行政手段來運作。 3.2 國內(nèi)生態(tài)環(huán)境用水的范圍值 國內(nèi)對河流生態(tài)需水計算研究剛剛起步，迄今還沒有明確一致的意見和公認的計算方法。一般采用的方法就是依據(jù)《制訂地方水污染物排放標準的技術(shù)原則和方法》(GB3838-83)。其中規(guī)定：一般河流采用近十年最枯月平均流量或90%保證率最枯月平均流量。此方法主要用于計算污染物允許排放量。但此流量是否能維持河道內(nèi)的生態(tài)環(huán)境的最低要求，并無明確的解釋和確定。 其他主要是國內(nèi)的資深專家提出的個人看法：錢正英認為我國因為水資源緊張，一般采取的標準是河流開發(fā)利用率不超過60%～70%，生態(tài)環(huán)境用水的比例不小于30-40%；[2]汪恕誠認為河流本身的開發(fā)利用率不得超過40%；[3]沈茂成認為要保留60%以上流量作為生態(tài)環(huán)境用水。[4]許新宜認為水資源開發(fā)利用率一般在30%左右；[5]陳傳友認為中國河川徑流量的開采限度不能超過河道年來水量的40%；[6]鄧英淘認為地表水和可動用地下水總量的50%-60%應(yīng)留給自然環(huán)境。[7]總體上來看，河道的生態(tài)環(huán)境用水一般應(yīng)維持在30～50％左右，這一取值范圍與國外的取值范圍趨向一致，并無大的差異。   四、         生態(tài)環(huán)境需水基流的計算方法 4.1 河道濕周法 該方法的依據(jù)是基于這樣的一種假設(shè)：即保護好臨界區(qū)域的水生物棲息地的濕周，也將對非臨界區(qū)域的棲息地提供足夠的保護。該方法利用濕周（指水面以下河床的線性長度，見圖1）作為棲息地的質(zhì)量指標來估算期望的河道內(nèi)流量值。通過在臨界的棲息地區(qū)域（通常大部分是淺灘）現(xiàn)場搜集渠道的幾何尺寸和流量數(shù)據(jù)，并以臨界的棲息地類型作為河流的其余部分的棲息地指標。河道的形狀影響該方法的分析結(jié)果。，也稱R2CROSS法       該法需要確定濕周與流量之間的關(guān)系。這種關(guān)系可從多個河道斷面的幾何尺寸——流量關(guān)系實測數(shù)據(jù)經(jīng)驗推求，或從單一河道斷面的一組幾何尺寸——流量數(shù)據(jù)中計算得出。濕周法河道內(nèi)流量推薦值是依據(jù)濕周—流量關(guān)系圖中影響點的位置而確定（見圖2）。 4.2 曼寧公式為基礎(chǔ)的計算方法 以曼寧方程為基礎(chǔ)的計算方法。適用于一般淺灘式的河流棲息地類型。該種方法的河流流量推薦值是基于這樣的假設(shè)，即淺灘是最臨界的河流棲息地類型，而保護淺灘棲息地也將保護其它的水生棲息地，如水塘和水道。確定了平均深度、平均流速以及濕周長百分數(shù)作為冷水魚棲息地指數(shù)，平均深度與濕周長百分數(shù)標準分別是河流頂寬和河床總長與濕周長之比的函數(shù)，所有河流的平均流速推薦采用l英尺/每秒的常數(shù)，這三種參數(shù)是反映與河流棲息地質(zhì)量有關(guān)的水流指示因子。如能在淺灘類型棲息地保持這些參數(shù)在足夠的水平，將足以維護冷水魚類與水生無脊椎動物在水塘和水道的水生生境。起初河流流量推薦值是按年控制的。后來，生物學(xué)家又研究根據(jù)魚的生物學(xué)需要和河流的季節(jié)性變化分季節(jié)制訂相應(yīng)的標準（見表1）。   表1  采用R2cross單端面法確定最小流量的標準 河流頂寬（英尺） 平均水深(英尺) 濕周率(%) 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 內(nèi)流量增加法 河道內(nèi)流量增加法主要有IFIM法。IFIM把大量的水文水化學(xué)現(xiàn)場數(shù)據(jù)與選定的水生生物種在不同生長階段的生物學(xué)信息相結(jié)合，進行流量增加的變化對棲息地影響的評價?？紤]的主要指標有水的流速，最小水深、底質(zhì)情況、水溫度、溶解氧、總堿度、濁度、透光度等。河道內(nèi)流量增量法并不產(chǎn)生特定的河道內(nèi)流量目標值，除非棲息地保護的標準能被確定。河道內(nèi)流量增加法的結(jié)果通常用來評價水資源開發(fā)建設(shè)項目對下游水生棲息地的影響。 4.4 美國的7Q10法和中國的10年最枯月平均流量法 水質(zhì)污染稀釋自凈需水量，也即為改善水質(zhì)需要的環(huán)境水量。對于河流，就是最小環(huán)境流量；對于湖泊、水庫，就是受污染水體的最小交換水量。依據(jù)《中國水利百科全書》環(huán)境用水詞條的解釋，最小環(huán)境水量（流量）的確定，需要城市或區(qū)域的水污染綜合防治規(guī)劃考慮，并通過水質(zhì)模型的具體計算確定。依照90年代以來的環(huán)境污染防治和生物多樣性保護思路，環(huán)境污染實質(zhì)上是能源和資源的浪費，防治環(huán)境污染應(yīng)當從根本做起，即從“搖籃到墳?zāi)?rdquo;的全過程的污染控制，即走清潔生產(chǎn)的道路（并不是僅僅限于生產(chǎn)企業(yè)，而是包含了全社會的方方面面，甚至包含每一個人的行為和生活習慣）。 采用90%保證率最枯連續(xù)7天的平均水量作為河流最小流量設(shè)計值.該法在70年代傳入我國，主要用于計算污染物允許排放量，在許多大型水利工程建設(shè)的環(huán)境影響評價中得到應(yīng)用。由于該標準要求比較高，鑒于我國的經(jīng)濟發(fā)展水平比較落后、南北方水資源情況差別較大，我國在《制訂地方水污染物排放標準的技術(shù)原則和方法》（GB3839-83）中規(guī)定：一般河流采用近十年最枯月平均流量或百分之九十保證率最枯月平均流量。 4.5 以水質(zhì)目標為約束的生態(tài)環(huán)境需水量計算 依據(jù)環(huán)境水利學(xué)有關(guān)水質(zhì)污染稀釋自凈需水量求算得基本思路，1992～93年，我們曾研究過以水環(huán)境質(zhì)量目標為約束的城市河段最小流量測算方法，其主模式如為： 式中：C_s——為河段誰知控制目標（mg/L）             Q₁C₁——為河段上游流入的水量（m₃/s）和污染物的濃度（mg/L） W——為河段內(nèi)污染物產(chǎn)生量（g/s） K——污染物小將綜合系數(shù) K₁——河段內(nèi)污染物治理系數(shù) K₂——河段內(nèi)污廢水資源化系數(shù) ——河段內(nèi)城市污廢水生產(chǎn)總量（m₃/s） K₁、K₂是二個與社會經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境保護投資及水污染治理投資、污染物治理效益和廢污水資源化條件有關(guān)的智力系數(shù)。 4.6 脫離特定用途的綜合型計算方法和標準--Montana法 該法也叫Montana法，是非現(xiàn)場測定類型的標準設(shè)定法。河流流量推薦值是以預(yù)先確定的年平均流量的百分數(shù)為基礎(chǔ)。見表1。   保護水生生態(tài)等有關(guān)環(huán)境之韻的河道流量狀況標準 環(huán)境流量效果 推薦的基流(10-3月)
（%平均流量） 推薦的基流(4-10月)
（%平均流量） 最大 200 200 最佳范圍 60～100 60～100 極好 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   該法不需要現(xiàn)場測量。在有水文站點的河流，年平均流量的估算可以從歷史資料獲得。在沒有水文站點的河流，可通過可以接受的水文技術(shù)來獲得。 在美國，該法通常作為在優(yōu)先度不高的河段研究河流流量推薦值使用，或者作為其他方法的一種檢驗。在法國，“鄉(xiāng)村法”第232.5條規(guī)定：河流最低環(huán)境流量不應(yīng)小于多年平均流量的1/10；對于所有河流，或者部分河流，如果其多年平均流量大于80m³/s，此時政府可以給每條河制定法規(guī)，但最低流量的下限不得低于多年平均流量的1/20。 五、         欽寸水庫生態(tài)環(huán)境用水閾值計算 5.1 用水量計算 綜合欽寸水庫屬于外調(diào)水庫，生態(tài)環(huán)境用水尤其要保證供給。根據(jù)上述概念，生態(tài)環(huán)境用水的用兩個指標來衡量。(i)最小保持的環(huán)境水量；(ii)外調(diào)水量比例。對巧英～欽寸壩址年平均流量作P－III型適線分析，成果見表2-8及本報告附圖“欽庫項-2-02”。     表2-8          欽寸壩址年平均流量適線成果表 平均流量 （m³/s） 各頻率設(shè)計年徑流（m³/s） 5% 10% 50% 90% 95% 6.51 10.8 9.64 6.23 3.74 3.19 表      方法 國家 方法表述 效果 流量
m³/s 1 美國 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%頻率下最枯月連續(xù)7天的平均流量 最小 0.346 5 法國 多年平均流量的1/10 最小 0.65 6 日本 10年內(nèi)最大枯水期（旬平均流量） 最小 0.243 欽寸水庫最小保持環(huán)境用水，采用分級計算，水庫壩址斷面為一級控制，欽寸水庫下游7.9km，有上東江匯入，且有主要人口聚居地----黃澤鎮(zhèn)二級以黃澤鎮(zhèn)（黃澤水文站）為環(huán)境用水控制斷面，水庫壩址至黃澤鎮(zhèn)區(qū)間面積226km²，其中上東江集雨面積172.2km²的，區(qū)間多年平均流量為5.45m³/s。黃澤水文站各保證率年最枯月平均流量見表3-3。 表3-3       控制斷面各保證率年最枯月流量表    頻率 分級 各保證率(P%)流量(m³/s) 50% 75% 80% 85% 90% 95% 一級控制 0.664 0.434 0.392 0.348 0.301 0.249 二級控制 1.332 0.872 0.786 0.698 0.605 0.500 綜合上述分析，水庫按照兩級控制，一級控制水庫下游斷面主要按照生態(tài)環(huán)境基流確定，確定水庫下泄基流為0.3m³/s。二級控制斷面在黃澤鎮(zhèn)，考慮生態(tài)環(huán)境基流以外，并考慮了一定的景觀生態(tài)等用水，控制流量為1.0m³/s。 5.2 生態(tài)泄水的方式與效果分析 水庫采用分級補償調(diào)節(jié)的辦法下泄環(huán)境流量，第一級壩址下游下泄一定的基流，第二級當水庫壩址以下到黃澤水文站之間的區(qū)間大于1.0m³/s，區(qū)間流量可保證環(huán)境用水；當水庫壩址以下到黃澤水文站之間的區(qū)間小于1.0m³/s，水庫補充放水到1.0m³/s。由于區(qū)間有較大的入流，豐水期和平水期，水庫下游的環(huán)境流量是能夠保證的。按此原則，水庫在流域豐水、平水年下泄的環(huán)境流量并不大，但是遇到特殊干旱年份，水庫會發(fā)揮巨大的環(huán)境效益。以1967~1968年水庫的運行為例。根據(jù)計算如果水庫再遇到1967年型的干旱年份，按照調(diào)度，從1967年8月1日開始到1968年3月30日，水庫壩址處大部分時間來水甚至不足2.0萬m³/d(0.23m³/s)，水庫每天都保持下泄一定的環(huán)境用水，水庫最大下泄5.68萬m³/s(0.657m³/s)，最小下泄1.73萬/d,相當于0.2m³/s，平均下泄4.57萬m³/d，相當于0.429m³/s，1967年8月~1968年4月的50年一遇干旱缺水期共下泄環(huán)境用水1116萬m³,相當于一個中型水庫的蓄水，對枯水期緩解當?shù)睾登楦纳飘數(shù)丨h(huán)境有非常大的作用。另外從下泄的環(huán)境用水年內(nèi)的調(diào)節(jié)看，環(huán)境基流下泄較為均勻，同時在天然來水較少的10月到次年2月較為集中，從年內(nèi)分配的角度講，這樣的下泄有利于水量的年內(nèi)調(diào)節(jié)。從上述分析看水庫對當?shù)厮h(huán)境改善是明顯的。 5.3 工程調(diào)水對生態(tài)環(huán)境用水的影響 欽寸水庫以下7.9km后有一條山東江匯入，區(qū)間流域面積在226km²，19.8km以后匯入黃澤江，以花山水文站，花山站距壩址距離為28.1km研究。壩址斷面，外調(diào)水量占天然來水的52.2%，至黃澤鎮(zhèn)這一比例就下降到30.8%，到黃澤江與曹娥江的匯合口(匯合前)該比例為28.6%，與曹娥江匯合后，該比例為5.6%。得出以下結(jié)論：(i)外調(diào)的水量在合理的容許范圍之內(nèi)；(ii)引水對生態(tài)環(huán)境影響的主要范圍應(yīng)該是水庫壩址下游黃澤江匯入曹娥江前，水庫引水對曹娥江干流的影響已經(jīng)不太明顯。外調(diào)水量占各斷面天然水量的比例見圖。         表3-4           引水與流域引水比例表 區(qū) 域 距離壩址
(km) 流域面積
(km²) 天然來水
(億m³) 下泄水量
(億m³) 調(diào)水比例
(%) 壩址斷面 0.0 316.0 2.47 1.18 52.2% 黃澤鎮(zhèn)(上東江匯入后) 7.9 542.0 4.19 2.90 30.8% 黃澤江河口 19.8 584.0 4.51 3.22 28.6% 花山水文站(匯入曹娥江以后) 28.1 3043.0 23.08 21.79 5.6%