盛海峰，周 芬，田傳沖

（浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310002）

1 問(wèn)題的提出

近年來(lái)，為全面貫徹習(xí)近平總書(shū)記的生態(tài)文明思想和關(guān)于治水工作的重要論述精神，水利部以維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)功能為目標(biāo)，要求科學(xué)確定生態(tài)流量，嚴(yán)格生態(tài)流量管理，強(qiáng)化生態(tài)流量監(jiān)測(cè)預(yù)警。但當(dāng)前已開(kāi)展的生態(tài)流量試點(diǎn)工作主要針對(duì)流域主要控制斷面，鮮有針對(duì)平原河網(wǎng)的分析研究。

沿海地區(qū)是中國(guó)經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)的地區(qū)，沿海城市是區(qū)域政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心和人口的集聚區(qū)，但也是自然資源相對(duì)匱乏的區(qū)域。以浙江省為例，沿海平原土地面積僅占全省土地面積的15%，但人口占全省的50%，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值占全省的70%。傳統(tǒng)粗放的經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式帶來(lái)的污染物排放量大，而平原河道固有坡降小、水體流動(dòng)性差的特點(diǎn)，且水資源、水環(huán)境容量等自然資源和屬性也并沒(méi)有隨著經(jīng)濟(jì)、人口的集聚而轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致沿海地區(qū)水資源稟賦條件和區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)格局極不匹配，沿海平原地區(qū)的經(jīng)濟(jì)和人口總量超過(guò)本地水資源水環(huán)境的承載能力，沿海平原水資源供需矛盾日益突出、河網(wǎng)水生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化。

在當(dāng)前現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、社會(huì)人居條件、入河污染物收集處理能力和水環(huán)境治理措施條件下，向河網(wǎng)生態(tài)配水是增加水體流動(dòng)性、改善河網(wǎng)水環(huán)境、維持河網(wǎng)生態(tài)穩(wěn)定最直接有效的措施，也是最常采用的措施之一。本文以浙江省沿海蕭紹寧平原為例，探索提出沿海平原適宜生態(tài)配水量的分析方法。

2 分析方法

2.1 河湖生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算方法

針對(duì)流域或河道控制斷面的生態(tài)環(huán)境需水量研究相對(duì)較多，形成了相對(duì)成熟的計(jì)算方法，主要可概括為水文學(xué)法、水力學(xué)法、整體分析法和棲息地法等[1]，SL/T 712—2021《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范》[2]等相關(guān)規(guī)程規(guī)范也對(duì)各計(jì)算方法進(jìn)行了整理說(shuō)明。其中水文學(xué)方法是以河流水文數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，由水文指標(biāo)直接獲取歷史流量中年天然徑流量的百分?jǐn)?shù)作為河流生態(tài)需水量的推薦值，最常用的方法有Tennant法、近10 a最枯月流量法、QP法、流量歷時(shí)曲線法、7Q10法等；水力學(xué)法是把流量變化與河道的各種水力幾何學(xué)參數(shù)聯(lián)系起來(lái)的求解生態(tài)需水的方法，常用的方法有濕周法、R2Cross法等。

2.2 平原河網(wǎng)生態(tài)配水量計(jì)算方法

當(dāng)前，以改善河網(wǎng)水生態(tài)環(huán)境為目標(biāo)的平原河網(wǎng)生態(tài)配水需求強(qiáng)烈，全國(guó)各地已實(shí)施較多的河網(wǎng)引配水工程。引江濟(jì)太生態(tài)調(diào)水工程于2002年1月30日正式啟動(dòng)，工程實(shí)施為成功化解2003—2005年連續(xù)干旱、2003年黃浦江重大燃油污染事故、2007年無(wú)錫供水危機(jī)等發(fā)揮了重要支撐作用；杭州市引水入城工程包括西湖引配水工程、運(yùn)河三堡引水工程和錢(qián)塘江引水入城工程，分別于2003年、2007年和2009年建成通水；浙東引水工程于2014年6月進(jìn)入常態(tài)化運(yùn)行，通過(guò)錢(qián)塘江向浙東地區(qū)多年平均年引水量8.9億m3。類(lèi)似工程的實(shí)施，不僅顯著增加區(qū)域河網(wǎng)水體流動(dòng)、改善河網(wǎng)水環(huán)境，更保障區(qū)域工農(nóng)業(yè)用水，并提高防汛調(diào)度的靈活性，綜合效益顯著。

平原河網(wǎng)生態(tài)配水需求不同于流域控制斷面的生態(tài)流量（水量），也不同于湖泊的生態(tài)水量（水位），更加注重平原河網(wǎng)水體的流動(dòng)性。本文借鑒流域控制斷面生態(tài)流量分析方法，提出平原河網(wǎng)生態(tài)需水可細(xì)分為基本生態(tài)需水和目標(biāo)生態(tài)需水。其中基本生態(tài)需水側(cè)重于維持平原河網(wǎng)的最小容積或最低水面面積所需要的水量，可采用Tennant法和水量平衡法估算水量，并認(rèn)為其保障程度不應(yīng)低于城鎮(zhèn)生活供水；目標(biāo)生態(tài)需水則是在基本生態(tài)需水的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析促進(jìn)河網(wǎng)水體流動(dòng)、改善河網(wǎng)水環(huán)境所需水量，可采用目標(biāo)流速法和換水頻次法估算水量，不必設(shè)定保證率要求，視配水水源條件盡量滿(mǎn)足需求即可。平原河網(wǎng)生態(tài)需水量分析方法見(jiàn)圖1。

圖1 平原河網(wǎng)生態(tài)需水量分析方法圖

2.2.1 Tennant法

Tennant法是基于流量和河流生態(tài)狀況的經(jīng)驗(yàn)方法，常用于控制斷面生態(tài)流量確定，對(duì)應(yīng)河道內(nèi)生態(tài)狀況一般的經(jīng)驗(yàn)取值為多年平均天然流量的10%~30%。沿海平原河網(wǎng)往往有沿江（海）外排閘門(mén)控制，洪澇期開(kāi)閘排澇，非洪澇期關(guān)閘蓄水。將平原河網(wǎng)概化成整體，所有排澇出口作為一個(gè)控制斷面，利用Tennant法計(jì)算基本生態(tài)流量。

2.2.2 水量平衡法

通過(guò)分析平原河網(wǎng)各水量輸入、輸出項(xiàng)的平衡關(guān)系，用水量平衡方法計(jì)算。

式 （1）中：Wi為日基本生態(tài)需水量，m3；n為典型年的天數(shù)，d；F為河網(wǎng)最小容積時(shí)對(duì)應(yīng)的水面面積，m2；Ei為水面日蒸發(fā)量，mm；Pi為日降雨量，mm；Gi為河網(wǎng)日滲漏補(bǔ)給水量，m3；Wi用為用水戶(hù)日取水量，m3/d。

水量平衡分析采用典型年法，即根據(jù)平原降雨量選取90%保證率的典型年進(jìn)行河網(wǎng)逐日的水量平衡分析，考慮遭遇90%保證率時(shí)為維持河網(wǎng)最小容積而限制其他一般用水戶(hù)從河網(wǎng)取水，即Wi用為0，河網(wǎng)的水量損失只有水面蒸發(fā)和河網(wǎng)滲漏補(bǔ)給水量。若當(dāng)日的降雨量能夠平衡河網(wǎng)蒸發(fā)和滲漏水量，則當(dāng)日不需要補(bǔ)水，反之需要補(bǔ)水以維持河網(wǎng)的最小容積水量，即為當(dāng)日的基本生態(tài)配水量。

2.2.3 目標(biāo)流速法

平原河網(wǎng)由于坡降小，沿江（海）口門(mén)長(zhǎng)期關(guān)閘蓄水導(dǎo)致水體流動(dòng)性差。提高水體流速有利于水體的復(fù)氧過(guò)程，增強(qiáng)水體自?xún)裟芰?，改善河網(wǎng)水環(huán)境。國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)于流速與藻類(lèi)生長(zhǎng)、水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系開(kāi)展了一系列的研究。廖平安等[3]以北京筒子河為例，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，流速?gòu)?.05 m/s增加到0.20 m/s時(shí)，流速的增大對(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)具有抑制作用；王利利[4]以嘉陵江為例，通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究分析得到在0.08~0.14 m/s存在臨界流速，當(dāng)河流流速大于此臨界流速時(shí)，藻類(lèi)含量隨著流速的增大而減小；焦世珺等[5]以三峽庫(kù)區(qū)某水庫(kù)水為樣本，通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析得到三峽庫(kù)區(qū)下游低速河道水華爆發(fā)的臨界流速為0.05 m/s；蔣文清[6]通過(guò)藻類(lèi)生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)研究表明，水體發(fā)生水華的流速臨界值在0.08~0.10 m/s；莫祖瀾等[7]以太湖流域嘉興城區(qū)內(nèi)河道為例，通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M監(jiān)測(cè)，分析不同流速（0.05 m/s、0.10 m/s、0.20 m/s）下總氮、氨氮、總磷及溶解氧的變化情況，確定控制流速在0.10 m/s以?xún)?nèi)為城區(qū)河流的最佳流速；朱紅偉等[8]通過(guò)水槽實(shí)驗(yàn)和理論研究水動(dòng)力條件對(duì)水體自?xún)糇饔玫挠绊?，發(fā)現(xiàn)水流流速是影響水體自?xún)糇饔玫闹饕蛩刂?，水深則對(duì)水體自?xún)糇饔貌⒉幻黠@，但當(dāng)流速超過(guò)一個(gè)臨界值使得底泥再懸浮發(fā)生時(shí)，水體自?xún)糇饔迷诙虝r(shí)間內(nèi)會(huì)急劇降低；閆少鋒等[9]基于漢北河2個(gè)典型斷面的魚(yú)類(lèi)調(diào)查資料與長(zhǎng)時(shí)間序列實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（水深、流量、斷面等），認(rèn)為最小生態(tài)流速為0.10 m/s。

參考已有成果，結(jié)合浙江沿海平原河網(wǎng)實(shí)際情況，建議通過(guò)引配水使平原河網(wǎng)骨干河道達(dá)到的適宜目標(biāo)流速為0.05~0.10 m/s，實(shí)際配水調(diào)度可以根據(jù)河網(wǎng)水系格局和改善效果進(jìn)行輪流配水，利用建立的整體河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算達(dá)到擬定的目標(biāo)流速所需的配水流量作為目標(biāo)生態(tài)配水流量。

2.2.4 換水頻次法

換水頻次法是針對(duì)河網(wǎng)地區(qū)多年來(lái)河湖配水實(shí)踐總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)方法。平原河網(wǎng)/（湖）年配水量的計(jì)算公式為：

式（2）中：T為年換水頻次，次/a；W河網(wǎng)容積為湖泊河網(wǎng)正常水位以下蓄水量，億m3；W環(huán)境配水為河湖年補(bǔ)水量，億m3。

年換水頻次過(guò)多或過(guò)少都會(huì)對(duì)水生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。換水頻次過(guò)少，易導(dǎo)致污染物在水體中不斷累積，不利于河湖水生態(tài)環(huán)境改善；換水頻次過(guò)多，不利于水生生物的生長(zhǎng)，影響河湖水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，各地已實(shí)施的引調(diào)水工程換水頻次也不盡相同；配水水源條件相對(duì)較好的區(qū)域換水頻次相對(duì)較多，而河網(wǎng)容積越大的區(qū)域往往換水頻次越少。如浙江西湖配水工程年引水量1.3億m3，依靠引水使西湖水體換水頻次約為9.3 次/a；錢(qián)塘江引水入城工程設(shè)計(jì)引水流量25 m3/s，年引水量3.9億m3，依靠引水使運(yùn)西片水體換水頻次為6.0 次/a；浙東引水工程多年平均引水量8.9億m3，依靠引水使浙東平原河網(wǎng)換水頻次約為1.6 次/a；寧波市區(qū)河網(wǎng)引配水工程每年向市區(qū)河網(wǎng)總的可配水量為1.9億~4.3億m3，依靠引水使平原河網(wǎng)換水頻次為2.8~6.4 次 /a。

平原河網(wǎng)的換水頻次T應(yīng)根據(jù)河網(wǎng)容積W河網(wǎng)容積、本地年均徑流量W年均徑流量（包括平原區(qū)凈雨和匯水到平原的山區(qū)徑流量之和）綜合確定。W河網(wǎng)容積與W年均徑流量的比值越大，說(shuō)明自身徑流補(bǔ)給條件較差，則通過(guò)配水進(jìn)行換水頻次也可相對(duì)較少，W河網(wǎng)容積與W年均徑流量的比值越小，則通過(guò)配水進(jìn)行換水頻次可相對(duì)較多。結(jié)合上述浙江省已有調(diào)水工程實(shí)際，提出平原河網(wǎng)通過(guò)引配水實(shí)現(xiàn)的換水頻次平均不應(yīng)超過(guò)6.0次/a，并進(jìn)一步提出換水頻次的經(jīng)驗(yàn)參考公式：

3 分析案例

浙江省蕭紹寧平原位于錢(qián)塘江右岸、杭州灣南岸，涉及杭州市、寧波市和紹興市，區(qū)域總面積8 300 km2。本研究將蕭紹寧平原分為蕭山平原片、紹興平原片、虞余慈北部平原片和寧波市區(qū)三江平原片（見(jiàn)圖2），根據(jù)各片平原水源條件和水系格局?jǐn)M定配水格局（見(jiàn)圖3）。

圖2 蕭紹寧平原分片位置示意圖

圖3 蕭紹寧平原配水線路示意圖

各片平原的特征參數(shù)及配水水源見(jiàn)表1[10]。

表1 蕭紹寧平原河網(wǎng)特征值及配水水源表

根據(jù)上述沿海平原河網(wǎng)生態(tài)配水量需求分析方法和計(jì)算公式，計(jì)算各片平原河網(wǎng)的基本生態(tài)需水和目標(biāo)生態(tài)配水量（見(jiàn)表2）。

表2 蕭紹寧平原河網(wǎng)生態(tài)配水量需求分析成果表

計(jì)算過(guò)程需要注意的是，基本生態(tài)需水采用水量平衡法和Tennant法（僅考慮平原區(qū)徑流量的10%），計(jì)算值均為水量；目標(biāo)生態(tài)配水中目標(biāo)流速法計(jì)算值為流量，轉(zhuǎn)換成水量時(shí)可以考慮結(jié)合本地降水量確定實(shí)際需配水天數(shù)再轉(zhuǎn)換成年配水量，表中成果按照年均需配水考慮。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)浙江沿海平原河網(wǎng)的特點(diǎn)，提出采用Tennant法和水量平衡法、目標(biāo)流速法和換水頻次法相結(jié)合分別計(jì)算平原河網(wǎng)的基本生態(tài)需水和目標(biāo)生態(tài)需水，并以浙江省沿海平原為例提出水量平衡法和換水頻次法的經(jīng)驗(yàn)公式，類(lèi)似地區(qū)開(kāi)展河網(wǎng)生態(tài)配水分析可以結(jié)合實(shí)際情況借鑒優(yōu)化，并最終結(jié)合配水水源可配水量綜合確定工程配水規(guī)模和適配水量。