境流量调控研究

(山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030002)

为实施汾河流域生态修复工程，2016年山西省水利厅在汾河中游设计实施堤内拦河节制蓄水闸共计15座，以增大河道水域面积，增强地下水的补给，改善生态环境。汾河中游闸坝区工程建成运行后，可增加河道水量，一定程度上对来水中的污染物进行稀释，达到降低水体污染物浓度的目的，使河道水质和生态环境得到改善，但闸坝工程运行后，汾河中游河道将面临人工干扰强度大和河道片段化的问题。因此，如何在保障下游河道环境流量的基础上，最大限度地发挥工程效益显得尤为重要，而研究闸坝群的合理调度方案是实现这一目标的必要手段。

目前，国内外对于水环境流量的研究比较多。Balcombe S R[1]等研究了澳大利亚默里-达令流域上游鱼类组合模式对流量梯度的简单调控。Grantham T E[2]等建立了基于农业灌溉和鱼类保护目标的水文模型，模拟计算了加利福尼亚沿海流域在不同调控方案下的环境流量。郝利勋[3]等针对太子河水资源短缺、水污染较严重问题，分析计算了水库下游河道的最小生态环境需水量，为保障河流生态系统的基本功能、实施观音阁和葠窝水库的联合生态调度提供了依据。何俊仕[4]等针对蒲河流域近年来河道枯季缺水甚至断流的问题，建立了水库生态调度多目标数学模型，提出了维持蒲河流域景观连续水面的建议。薛亚莉[5]分析了渭河中下游径流变化特征，研究了不同断面规划要求下泄水量及非汛期低限环境流量的满足状况，以及不同调水工程的实施对渭河径流及河道生态环境流量的影响。

研究现状表明，国内外缺乏流量和水质的耦合关系研究，针对河流闸坝区的环境流量调控研究亦较为罕见。因此，本文从闸坝群联合调控与环境流量目标相结合的角度入手，在合理计算汾河中游闸坝区最小环境流量的基础上，以满足最小环境流量为目标，对枯水年闸坝群调控方案进行探讨，以期通过合理的闸坝调度，缓解或补偿建坝对河道生态环境产生的负面影响。同时，研究成果可为汾河干流闸坝群调度运行管理提供技术支撑，确保工程建成后能够安全有效运行，充分发挥工程效益，对汾河流域生态修复工程具有重要意义。

1 研究区概况

汾河中游闸坝区从汾河二坝到文峪河入汾河口，全长82.2km，途径太原市、晋中市和吕梁市三市五县。堤内拦河节制蓄水闸共15座，总长度3876m，总蓄水面积13.5km2，总蓄水量1737万m3。蓄水闸坝均采用塌坝迅速、利于冲沙的液压坝，在汾河干流全断面蓄水。坝体为钢闸坝和钢筋混凝土闸坝，由多扇串联在一起的闸板共同蓄水，单扇闸板长度6.0m。15座蓄水闸坝的位置见图1。

图1 汾河中游闸坝区示意图

2 最小环境流量计算与调控目标值确定

义棠断面为15个闸坝群下的第一个断面，闸坝调控首先应满足该断面的环境流量目标要求，若该断面环境流量调控目标能够得到满足，对断面以下的下游地区生态环境流量保证程度较高，故选择义棠断面作为闸坝调控的目标断面，以满足最小环境流量作为调控目标。

该研究中，最小环境流量的计算采用Tennant法，该法以多年平均天然径流量的10%作为河道环境流量的最小值。由义棠水文站1980—2015年天然径流资料系列计算得到义棠断面最小环境流量，见表1。

表1 义棠断面最小环境流量 单位：m3/s

由于汾河中游闸坝区丰水年和平水年河道流量相对较大，环境流量目标较容易得到满足，而特枯水年河道流量又过小，仅靠闸坝调控难以满足环境流量目标，综合考虑较不利情形和工程实际需求，选择频率为75%的枯水年作为调控的目标年份来设置闸坝调控方案。

选用义棠水文站1980—2015年实测流量资料系列，经频率计算得出频率75%的枯水年为1998年，将枯水年实测流量和环境流量调控目标进行对比，见表2。

表2 义棠站枯水年实测流量与环境流量调控目标对比 单位：m3/s

由表2可知，义棠断面枯水年仅5—8月实测流量满足环境流量调控目标，其余月份流量均不满足目标，说明枯水年单靠天然来水无法保证全年各月河道最小环境流量要求，需要通过合理调度及适量调水来解决。

3 环境流量调控

为比较不同调度方式的优劣，本研究共设置了5种调控工况对闸坝进行调度，其中仅调控、不调水的工况3种，调控同时调水的工况2种，具体如下：

a.工况1：天然来水情况下，闸坝全部塌坝泄流，等同于无闸坝情形。

b.工况2：天然来水情况下，优先蓄水，满足闸坝正常蓄水位要求，如来水还有剩余，则用于满足环境流量调控目标，满足目标值后的余水全部下泄。

c.工况3：天然来水情况下，优先满足环境流量调控目标，如有剩余，则用闸坝蓄水，待来水不满足调控目标时用蓄水量补充。

d.工况4：调控及调水原则是满足环境流量调控目标。当天然来水满足环境流量调控目标时，不调水，余量用闸坝蓄水；天然来水不满足环境流量调控目标时，用闸坝蓄水量补充，如蓄水量放空还无法满足，则以满足环境流量目标为基准，通过调水补足缺水量，保证泄流量≥环境流量目标值。

e.工况5：调控及调水原则是同时满足环境流量调控目标和闸坝正常蓄水位要求。当天然来水同时满足环境流量调控目标和闸坝正常蓄水位要求时，不调水，余量用闸坝蓄水；当天然来水不能满足调控目标时，通过调水补足缺水量，保证泄流量≥环境流量目标值。

4 调控结果与分析

按照工况1、2、3对枯水年天然来水进行调控，结果见表3。表3反映了各工况调控对环境流量目标和闸坝蓄水位的满足程度，经对比可以得知：在不调水的情况下，工况3对调控目标和蓄水位的满足程度相对最高，但由于枯水年1—4月几乎没有来水，导致3种工况在1—4月都无法满足调控目标及蓄水要求，经工况3的合理调控，除1—4月外，其余8个月都可完全满足调控目标，同时可兼顾蓄水要求，显著提升对蓄水位的满足程度。

按照工况4对枯水年天然来水进行调控的结果见表4。由表4可知：即使在枯水年来水较少的情形下，工况4全年也仅需调水2230.97万m3即可满足全年各月的最小环境流量，同时兼顾闸坝蓄水，除1—4月没有天然来水致使闸坝无水可蓄外，其余各月均能保证一定量的蓄水，闸坝区的景观作用能够得到一定程度的发挥。

表3 天然来水情况下枯水年工况1、2、3环境流量目标及蓄水位满足程度

表4 枯水年工况4环境流量目标及蓄水位满足程度

以同时满足调控目标和闸坝正常蓄水位为基准，按照工况5对枯水年天然来水进行调控，结果见表5。由表5可知：在调水情况下，枯水年仅需调水5561.21万m3即可同时保证全年各月的最小环境流量，闸坝全年维持正常蓄水位，充分发挥其景观作用。

义棠断面枯水年5种工况的水面线见图2，工况5的调控方式既可保证最小环境流量要求，又可保证闸坝蓄水维持正常蓄水位，义棠断面以下河道水量与其他工况相比较为理想。

表5 枯水年工况5环境流量目标及蓄水位满足程度

图2 汾河二坝站—义棠站枯水年不同工况下瞬时水面线示意图

5 调控建议方案

根据调度计算结果共提出3种建议方案，并确定其优先顺序如下。

a.方案一：采用工况5的方式进行调控，即当天然来水同时满足环境流量调控目标和闸坝正常蓄水位要求时，不调水，余量用闸坝蓄水；当天然来水不能满足调控目标时，通过调水补足缺水量。同时满足环境流量最低目标值和闸坝正常蓄水位要求时，年调水总量为5561.21万m3。该方案效果最为理想。其优点是：通过调水可以同时满足河道生态环境流量目标和闸坝正常蓄水位要求，在保证河流生态需水的基础上充分发挥闸坝的景观作用。

b.方案二：采用工况4的方式进行调控，即当天然来水满足环境流量调控目标时，不调水，余量用闸坝蓄水；天然来水不满足环境流量调控目标时，用蓄水量补充，如蓄水量放空还无法满足，则以满足环境流量目标为基准，通过调水补足缺水量。同时满足环境流量最低目标值和闸坝正常蓄水位要求时，年调水总量为2230.97万m3。该方案效果次之。其优点体现在：通过少量调水即能够保证河道生态需水满足目标要求，但不能保证各月蓄水都达到正常蓄水位。

c.方案三：采用工况3的调控方式，即来水首先满足环境流量调控目标，如有剩余则用闸坝蓄水，待来水不满足环境流量目标时用蓄水量补充。该方案的优点是不需要调水，在天然来水量较大时通过闸坝调控可满足环境流量最低目标，同时保证闸坝蓄水，但天然来水量较小时则难以兼顾蓄水要求。

6 结 论

本文以汾河中游闸坝区为研究对象，从闸坝群联合调控和环境流量目标相结合的角度入手，在研究区最小环境流量计算的基础上，以满足最小环境流量为目标，设置5种不同工况对闸坝区枯水年天然来水进行了调度计算，根据模拟结果评估环境流量调控方案对闸坝区环境流量的改善效果，并据此提出了汾河中游闸坝区的水量调度建议方案，研究成果可从生态环境角度为汾河干流闸坝群调度运行管理提供参考，通过合理的闸坝调度，缓解或补偿建坝对河道生态环境产生的负面影响，充分发挥闸坝工程的效益。