徐小溪，張秀菊，羅煜寧，紀鵬程

(1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.南通市通州區(qū)水利局，江蘇 南通 226000)

平原河網(wǎng)地區(qū)地勢平坦，缺少蓄水工程，干旱年份本地降雨及河槽蓄水無法滿足河道內(nèi)與河道外的用水需求，導(dǎo)致生產(chǎn)用水擠占生態(tài)用水[1]。為緩解區(qū)域用水緊張、改善河道水環(huán)境質(zhì)量，河網(wǎng)地區(qū)多通過閘泵工程引水來保障枯季水量與水位需求，我國開展了大量的閘泵引水實踐與研究[2]。崔廣柏等以引水實驗與水量水質(zhì)模型為技術(shù)支撐，研究得到引水對河流水質(zhì)改善率平均在20%～30%的結(jié)論[3]。潘小保等通過溢流堰和相關(guān)閘泵的聯(lián)合調(diào)度，實現(xiàn)了城市水環(huán)境改善和提升[4]。閆毓等通過區(qū)域閘泵聯(lián)合調(diào)度對河網(wǎng)進行適宜的水動力時空再造，為水環(huán)境改善提供了重要技術(shù)參考[5]。然而，現(xiàn)有的引水工程調(diào)度仍存在一些不足，例如，江蘇省一些沿江地區(qū)長期利用閘泵工程引水，但這些地區(qū)尚未開展生態(tài)需水方面的研究，導(dǎo)致閘泵工程取水缺少指導(dǎo)依據(jù)；同時，這些地區(qū)引水主要依據(jù)經(jīng)驗判斷或當下需求，并非根據(jù)時段余缺水量或水位高低來決定引水時機與引水量，導(dǎo)致引水過程欠科學(xué)。因此很有必要對河網(wǎng)地區(qū)生態(tài)需水開展研究，為沿江引水及維護河流健康提供科學(xué)依據(jù)。

研究確定河道內(nèi)生態(tài)需水是引水調(diào)度改善水環(huán)境的前提與依據(jù)。生態(tài)需水是指維持水生生態(tài)系統(tǒng)健康所必要的流量或水位的大小、時機和水質(zhì)[6]。國內(nèi)外學(xué)者在生態(tài)需水方面的研究多集中在生態(tài)流量與生態(tài)水位方面，國外學(xué)者主要以野外實測數(shù)據(jù)及大量生物資料為基礎(chǔ)，考慮指標物種對水體質(zhì)量及對河道水位漲落的需求來確定生態(tài)需水量[7]。國內(nèi)學(xué)者例如王鵬全等提出了考慮水文非一致性變異的河道基本生態(tài)流量閾值法[8]，亦有學(xué)者在生態(tài)水位方面提出了高低水位歷時法[9]、湖泊形態(tài)法[10]，基于豐、平、枯水年的生態(tài)水位[11]等多種計算方法。

平原河網(wǎng)地區(qū)河道水位受水利工程引排水影響較大，且水流具有雙向性、波動性等特點[12]，故生態(tài)流量難以確定。又因缺少水文測站，難以依據(jù)實測流量資料計算生態(tài)需水，因此研究確定河道生態(tài)水位，以此作為工程引調(diào)水的依據(jù)，是當前較為可行的辦法。生態(tài)需水隨季節(jié)與空間位置而變化，且具有一定的閾值性，然而現(xiàn)有的研究成果中，生態(tài)水位多為單一的特征值，鮮有考慮水位的波動變化，在引水工程調(diào)度中，未有考慮生態(tài)水位需求波動特征進行調(diào)控。本文針對現(xiàn)有研究方法的不足，以南通市通州區(qū)為例，分析沿江引水工程實際及存在的問題，研究確定區(qū)域內(nèi)河流適宜生態(tài)水位區(qū)間，以期為引水工程調(diào)度提供指導(dǎo)。綜合考慮區(qū)域生態(tài)水位管理便利及防洪安全需求，對計算的生態(tài)水位進行修正，以適宜生態(tài)水位區(qū)間為控制，針對近10 年水位現(xiàn)狀及工程引、排水量情況，對引水調(diào)度策略進行修正，為區(qū)域科學(xué)利用水資源提供支撐。

1 研究區(qū)域概況

南通市通州區(qū)地處江蘇省東南部，長江三角洲東北翼（120°41′E～121°25′E，31°52′N～32°15′N），境內(nèi)水系發(fā)達，沿長江、靠黃海，境內(nèi)一、二級河道是整個河網(wǎng)的骨干，共有一級河道6 條，二級河道26 條，三級河道229 條，四級河道1 230 條。先后建有九圩港閘、南通閘、營船港閘、新江海河閘（圖1），閘泵提引長江水后輸水至內(nèi)河，保障了通州區(qū)的用水需求。

圖1 通州區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location of Tongzhou District

通州區(qū)降水與用水均呈現(xiàn)過度集中的特點，年內(nèi)主要集中在汛期5—9 月，汛期降水量占全年降水量的65.7%。2009 年南通市開始實施城鄉(xiāng)一體化供水，通州區(qū)生活用水及大部分工業(yè)用水由長江水廠供給，農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境、少量工業(yè)用水取自內(nèi)河，其中，農(nóng)業(yè)用水占內(nèi)河供水量的80%以上。根據(jù)《淮河流域下游區(qū)（洪澤湖以下）水文年鑒》統(tǒng)計數(shù)據(jù)，4 個閘泵多年平均總引水量21.62 億m3，根據(jù)通州區(qū)水利部門提供的分流系數(shù)估算，引江水量中補給通州區(qū)的水量約6.43 億m3，引水集中于5 —10 月，占全年引水量的73%，主要用于滿足水稻生長用水需求；4 個閘泵多年平均總排水量4.67 億m3，折算后通州區(qū)多年平均排水量約1.39 億m3，排水集中在汛期6—10 月，占全年排水量的82%。

由于通州區(qū)尚未對河道生態(tài)水位及區(qū)域余缺水量進行深入研究，工程引水時多根據(jù)工作經(jīng)驗及局地用水需求，導(dǎo)致引排水數(shù)量、過程與實際需求不完全相符，現(xiàn)以豐水年（2014 年，年降雨頻率P=20%）、平水年（1974 年，P=50%）、枯水年（1979 年，P=75%）分析工程引、排水調(diào)度合理性，具體見圖2。

（1）整體上，豐水年引水量最小，平水年引水量次之，枯水年引水量最多，3 個典型年引水量變化與降水多寡規(guī)律相符；排水量變化規(guī)律則不同，枯水年排水量最大，豐水年排水次之，平水年排水量最小，3 個典型年排水規(guī)律與降水量并無明顯關(guān)系。從年型上看，枯水年引水量最大，排水量亦最大，其引、排水時機與水量是否合理，需深入分析研究。

（2）年內(nèi)引排水高峰時段為6—10 月，而區(qū)域年內(nèi)降水主要集中于6—9 月，引排水高峰期與降水集中時段高度重合。依據(jù)圖2(a)，在豐平枯3 個典型年中，6 月中旬、9 月上旬、10 月上旬均為引水峰值，其中，6 月中旬為該地區(qū)水稻生長期中需水量最大時段，然而9 月上旬、10 月上旬水稻及其他作物需水量均較小，該時段引水量大與地區(qū)的用水需求并不相符。根據(jù)圖2(b)，各典型年的排水集中時段與降水集中時段相同，符合汛期以防洪排澇為主的要求，但部分時段排水與引水高峰時間有重疊，引、排同期同量造成了水資源的浪費，也增加了汛期的防洪排澇壓力，工程引水與排水時機有待完善。因此，分析通州區(qū)引排水規(guī)律及存在問題，研究確定適宜的河流生態(tài)水位，為工程引、排水調(diào)度提供建議，十分必要也十分迫切。

圖2 3 種典型年工程引、排水情況Fig.2 Diversion and drainage conditions in three typical years

2 研究方法

通州區(qū)河流現(xiàn)主要為農(nóng)業(yè)供水，而近些年農(nóng)業(yè)節(jié)水的推進使得內(nèi)河取水量減少，同時，閘泵工程的引排水規(guī)模大，調(diào)度頻繁，內(nèi)河水位受影響較為顯著，通州區(qū)內(nèi)河實測水位已不再是天然水位情況。根據(jù)《南通市通州區(qū)生態(tài)水位確定及水量分配方案研究》報批稿報告，通州區(qū)水位在2001 年發(fā)生突變，用水量持續(xù)減少及取水水源變化是突變后水位持續(xù)在較高水平的原因。本文在分析水位變化時，將1964—2000 年作為基準期，2001—2017 年作為對比期，并將基準期內(nèi)水位視為天然狀態(tài)下的水位；以天然系列水位為依據(jù)，以25%、75%作為適宜生態(tài)水位的上、下限，結(jié)合防洪安全及管理便利考慮，修正、確定水位適宜閾值區(qū)間；以適宜區(qū)間為控制，分析對比期2001—2017 年工程引排水狀況及存在問題，提出工程調(diào)度調(diào)整建議。

2.1 適宜生態(tài)水位計算

河流生態(tài)水位具有閾值性特點，即河道水過多或過少都對河流生境不利[13]，同時，河道生態(tài)水位亦具有穩(wěn)定性及彈性特征，為便于水利部門管理，生態(tài)水位不宜頻繁變化。故根據(jù)河道高低水位發(fā)生與持續(xù)時間將年內(nèi)生態(tài)水位劃分為3 個時期，即高水位時期、低水位時期、過渡時期。其中高水位（hH）對應(yīng)于長系列日均水位頻率低于25%的水位，高水位時期為月均水位第一次大于hH至月均水位最后一次大于hH所持續(xù)的時間；低水位（hL）對應(yīng)于長系列日均水位頻率高于75%的水位，低水位時期為月均水位第一次低于hL至月均水位最后一次低于hL所持續(xù)的時間；剩余月份即為過渡時期[14]。

前人提出基于豐平枯3 種來水情形的生態(tài)水位計算方法[11]，但對于槽蓄能力較小的平原河網(wǎng)地區(qū)來說，豐水年汛期水位偏高，此階段以防洪、排澇為主要管理目標，故本文僅以平水年、枯水年為考慮年型，確定其生態(tài)水位適宜區(qū)間，具體步驟為：

（1）平水年、枯水年范圍確定。采用頻率分析法（P-Ⅲ曲線）確定統(tǒng)計參數(shù)和各頻率設(shè)計值，使其作為劃分平枯序列的標準，取37.5%＜p≤62.5%為平水年范圍，62.5%＜p＜90%為枯水年范圍。

（2）逐月生態(tài)水位上、下限確定。以月為時段，對各平水年、枯水年范圍年際系列該月的日均水位進行頻率分析，取25%頻率對應(yīng)的日均水位為該月生態(tài)水位上限，75%頻率對應(yīng)的日均水位為該月生態(tài)水位下限，得到逐月適宜生態(tài)水位過程，取每個水位管理期對應(yīng)月份的適宜生態(tài)水位最高值、最低值作為該水位管理期的適宜生態(tài)水位上、下限。

（3）適宜生態(tài)水位修正。根據(jù)實際水位情況及防汛排澇的要求，結(jié)合Tennant 法[15]的最佳范圍即適宜水位占多年平均水位的60%～100%作為約束條件；從防汛角度考慮適宜生態(tài)水位不應(yīng)超過警戒水位；為避免水位波動過于頻繁，且逐月適宜生態(tài)水位線盡可能平滑，以相鄰月份適宜生態(tài)水位差不超過0.2 m，同時12 月下旬與1 月上旬水位應(yīng)保持基本一致等作為約束條件，對適宜生態(tài)水位進行修正。因平、枯水年確定的適宜生態(tài)水位存在重疊情況，且不利于管理，故以修正后的平水年適宜生態(tài)水位上限作為適宜生態(tài)水位上限，修正后的枯水年適宜生態(tài)水位下限作為適宜生態(tài)水位下限。

2.2 工程引、排水量計算

由于極低水位比高水位對河道生態(tài)系統(tǒng)破壞性更大，因此本文重點分析極低水位下工程調(diào)度情況。通州區(qū)主要依靠工程引水維持河道水位，閘泵維持常態(tài)化運行，工程調(diào)度靈活，故在調(diào)度過程中根據(jù)實際水位情況靈活選用計算時段，本研究認為低水位持續(xù)時間超過5 天，則按5 天內(nèi)水位均值對工程調(diào)度進行調(diào)整，計算時段為候；若水位一直維持在較高水平，則按月均水位對工程調(diào)度進行調(diào)整，計算時段為月。計算采用的水位序列為實測數(shù)據(jù)，為河道外農(nóng)業(yè)、工業(yè)取水后的水位，調(diào)整后仍可滿足河道外用水需求，故可直接對河道水位進行調(diào)整，具體思路如下：

（3）將對比期實際最低水位與適宜生態(tài)水位上、下限對比，滿足進一步判斷對比期平均水位與適宜生態(tài)水位大小，若對比期平均水位滿足則現(xiàn)狀調(diào)度合理，若不滿足，則需減少河道水量。

通州區(qū)地勢平坦，河道比降為0，且水系連通，故以石港站水位代替通州區(qū)二、三、四級河道水位，根據(jù)通州區(qū)水利局提供河道斷面資料，河道斷面多為梯形，則需對工程調(diào)度進行調(diào)整的水量為：

式中：ΔWj為第j條河道需調(diào)整的水量；lj為第j河道的長度；bj為第j河道的河底寬；m為第j河道的坡度；h為該時段水位的平均值；ΔW為n條河道共需調(diào)整的水量，ΔW＜0表示需增加河道水量，ΔW＞0表示需減少河道水量，ΔW=0表示無需調(diào)整；n為河道總條數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 適宜生態(tài)水位確定

經(jīng)統(tǒng)計，石港站水位年內(nèi)最大變幅為2.29 m，最小變幅為1.18 m，平均年內(nèi)變幅為1.57 m。水位年內(nèi)變化為單峰分布，水位在1—5 月期間波動不大，呈緩慢上升的趨勢，5—6 月水位略有下降，6—7 月水位上升，隨后基本維持在較高水位，至11 月后水位逐步下降。根據(jù)統(tǒng)計，石港水位站高水位一般開始于7 月份，結(jié)束于10 月份；低水位一般開始于12 月份，結(jié)束于次年3 月份，其余月份為過渡期。

受降雨隨機性變化影響，為避免水位波動過于頻繁，需要對水位進行修正。適宜生態(tài)水位應(yīng)不超警戒水位，結(jié)合Tennant 法對應(yīng)的最佳范圍，適宜生態(tài)水位不應(yīng)超過1.99 m，為使逐月適宜生態(tài)水位變化過程線盡可能平滑，3 個水位管理期水位變幅不宜超過0.2 m，同時1 月與12 月適宜生態(tài)水位基本保持一致，綜合得到高水位時期修正系數(shù)為0.855，過渡時期修正系數(shù)為0.895，低水位時期修正系數(shù)為0.905，水位管理期劃分及適宜生態(tài)水位修正結(jié)果見表1。

表1 石港水位站適宜生態(tài)水位Tab.1 The suitable ecological water level of Shigang water level station

3.2 工程引、排水量調(diào)整研究

將石港站2001—2017 年最低水位及平均水位與適宜生態(tài)水位進行對比，年內(nèi)半數(shù)月份最低水位位于適宜生態(tài)區(qū)間內(nèi)，3—8 月最低水位低于適宜生態(tài)水位下限，而月均水位均高于適宜生態(tài)水位上限（圖3），這表明工程現(xiàn)狀調(diào)度方案無法使河道水位位于適宜生態(tài)水位內(nèi)，應(yīng)根據(jù)實際情況對工程調(diào)度進行調(diào)整。

（1）最低水位位于適宜生態(tài)水位區(qū)間內(nèi)，月均水位高于上限的月份為1 月、2 月、9—12 月，該時段需減少河道水量，使河道水位降低至適宜生態(tài)水位區(qū)間內(nèi)。以減少水資源及能源消耗為目標，相較于多排水，減少引水可降低能耗，因此以上時段以減少引水為主。

（2）最低水位低于適宜生態(tài)水位下限，月均水位高于上限的月份為3—8 月。進一步統(tǒng)計低于下限水位的持續(xù)時間，僅6 月中、下旬低于下限持續(xù)時間超過5 天，余下時段低于下限水位的持續(xù)時間均較短，則6 月中、下旬需增加河道水量，余下時段仍應(yīng)減少工程引水量。

因此，除6 月中旬、6 月下旬需增加河道水量外，年內(nèi)余下時段均應(yīng)減少引水量。根據(jù)圖3，6 月中、下旬以適宜生態(tài)水位下限作為目標水位，余下時段均以適宜生態(tài)水位上限作為目標水位，根據(jù)式（1）計算得到工程調(diào)度需調(diào)整的水量，計算結(jié)果見表2。

圖3 2001—2017 年實測水位與適宜生態(tài)水位對比Fig.3 Comparison of the measured water level and the suitable ecological water level from 2001 to 2017

表2 工程需調(diào)整水量Tab.2 Adjusted water demand of the project

6 月中、下旬調(diào)整的水量為287.56 萬m3、399.56 萬m3，6 月中旬、6 月下旬均為作物需水量較大時段，在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上增加河道水量較為合理，可通過增加引水以使河道水位達到適宜生態(tài)水位下限。余下時段均應(yīng)減少工程引水量，根據(jù)前面分析結(jié)果可見，7—9 月既是引水高峰又為排水高峰，造成了水資源的浪費，7—9 月需減少的引水量最大，共1 181.07 萬m3。年內(nèi)工程共需減少引水量為6 064.11 萬m3，增加引水量為687.12 萬m3。

自2009 年實施一體化供水以來，通州區(qū)2009—2017 年河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境用水及河道外總用水量約為7.55 億m3，而通州區(qū)多年平均水資源量為6.47 億m3，年排水量為1.15 億m3，引江水量中補給通州區(qū)的水量約6.43 億m3，對調(diào)度水量進行調(diào)整后減少引水量0.61 億m3，綜合考慮引、排水量及本地水資源量仍能滿足河道內(nèi)及河道外用水需求，因而認為引排水的調(diào)整方案是合理的。

4 結(jié)語

（1）對多年日均水位進行處理，將通州區(qū)水位劃分為3 個時期：高水位時期（7—10 月），適宜生態(tài)水位區(qū)間為1.77～1.99 m；過渡時期（4—6 月及11 月），適宜生態(tài)水位區(qū)間為1.54～1.95 m；低水位時期（12 月—次年3 月），適宜生態(tài)水位區(qū)間為1.46～1.77 m。

（2）以適宜生態(tài)水位區(qū)間作為工程調(diào)度目標，將2001—2017 年實際水位情況與水位目標進行對比，提出工程調(diào)度意見，6 月中旬及下旬需在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上增加引水量，增加的水量分別為287.56 和399.56 萬m3；1—6 月上旬、7—12 月應(yīng)在現(xiàn)狀引水基礎(chǔ)上減少引水量，需減少引水總量6 064.11 萬m3。

（3）在后續(xù)工作中，分析計算引、排水量時不僅要考慮河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量，還應(yīng)結(jié)合地區(qū)實際，將改善水環(huán)境質(zhì)量所需的水流速度、流量等需求納入計算范圍，并對調(diào)度結(jié)果進行優(yōu)化。在保障農(nóng)業(yè)灌溉及水環(huán)境改善用水需求的前提下，基于水資源及能源節(jié)約考慮，如何通過閘泵進行生態(tài)調(diào)度，逐月、逐旬工程科學(xué)引水，仍需深入研究。