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gef项目国际研讨会中文论文集 

摘要：由于海河流域大部分河流为水库及闸坝所控制，河流的环境与资源设计流量更多地体现其人工控制的特点，本文针对水库工程对下游河流环境资源保证流量仅采用一个指标即最小下泄流量（以最小生态流量或枯水设计流量表征）的缺陷，从维护耗氧及毒性污染物的短期（急性及慢性）环境容量及致癌等累积性污染物的长期（累积性）环境容量的角度分析了该类方法的缺陷，指出目前的设计理念存在将自然状况下最枯月风险转换为水库运行后的枯水期多月风险、长期累积性污染物环境容量下降等问题。提出了水库下游存在饮用水源地的情况下，水库调节流量环境设计的原则，提出了三个多年平均的长期设计流量指标，以兼顾河流海洋水体生态、环境的目标要求，改变目前仅以最小下泄流量为原则可能导致的流域及海洋环境生态的欠保护问题。

 

关键词：设计流量；下泄流量；环境水库；生态流量

 

1引言

 

海河流域的入海河流流量的连续性恢复及年间流量的过程分配与海区真实增流有较大的关系。是淡水资源总量和纳污量总量分配的陆海统筹的核心内容。河流的流量设计指标将对海河流域水资源与水环境综合管理规划（iwemps）与战略行动计划（sap）产生重大影响，战略研究3从河流生态恢复的角度进行了河流生态流量的年内流量过程的iha设计，得出河道生态需水量75亿m3（渗漏损失15.15亿m3，蒸发损失3.19亿m3，生态基流56.60亿m3，可入海水量约25亿m3）。本研究从入海流量及环境设计流量的角度提出了iwemps和sap考虑流量指标的建议。

 

由于经济的快速发展，海河流域人类活动导致水资源日益短缺，为了更充分的利用水资源，河道上各种闸坝、水库，越建越多，使水资源的高度利用、跨流域调水成为可能。然而，各种闸坝、水库等使一些河流的原有环境功能受到消弱，使原有河道流量下降，水体的自净能力下降，原河道的生态功能所受到的明显影响。

 

海河流域的各水系均存在大量的水库、闸坝，流域水体生态功能受损严重。要恢复河道的生态功能及环境容量涉及到生态流量的指标。从海河流域整体来看，流域水资源利用率超过100％（从黄河流域引水量高于入海径流量），河道径流过程几乎全部处于人工调节状态，因此，河道的径流量过程可以人为设计为最有利的情景。

 

本文从分析水库枯水期下泄调节流量将自然状况下最枯月风险转换为枯水期多月风险、长期累积性污染物环境容量下降等问题出发。提出了水库调节流量环境设计的几个原则，以改变目前仅以最小下泄流量为原则可能导致的环境问题。为水利工程规划、环境影响评价以及区域环境规划提供了新的思路。

 

2水库运行对下游河道环境规划设计流量的影响

 

水库运行可改变下游河道的短期径流过程，对枯水期控制水体耗氧污染、毒性污染、维持生态完整性的流量而言，在假定枯水期，污染源排放大致稳定的情况下，应保证的是短期（4－30天）调和平均流量，即水库调节及跨流域调水不能降低下游原河流允许平均期下的调和平均流量，而不是算术平均流量(usepa,1991)。换言之，均匀供水时，水量消耗最小，算术平均流量等于调和平均流量。此外，对毒性控制要求高的地方，需要保证特定生态需水时段（如产卵期、育幼期）的流量要求。

 

水库运行亦可改变下游河道的长期径流过程，对控制累积性污染物（致癌等）的设计流量而言，应保证的是长期（如70年）调和平均流量(usepa,1991)，即水库调节及跨流域调水不能降低下游原河流长期（多年）调和平均流量。在不跨流域调水的情况下，一般水库都有调丰补欠减少径流波动强度的功能，可以增加长期调和平均流量，水库的调节能力越强，则累积性污染物环境容量提高的就越大。

 

水库下游的水体类型的不同，影响的情景也就不同：

 

下游为河道：

 

由于水库功能和运行方式不同、下游河道的功能不同，水库调节流量对下游河道的流量影响情况也不同。根据实际分析设计水文条件时可能需要考虑以下几种情形：

 

（1）日调峰发电：日内流量不均，对急性毒理指标控制有影响，下游有无调节水库（池）关系较大。

 

（2）日基荷发电：日内流量均匀，对水环境容量计算基本无影响。

 

（3）航运：河道流量有一定保证，对水环境容量利用有利

 

（4）灌溉期：耗水为主，可能增加氮磷排放量，可作为设计时段。不过由于灌溉季节上游水库一般放水，下游流量减少的几率不大

 

（5）城市供水：用清排混，减少下游流量，增加氮磷排放量，长年排放较稳定。

 

（6）季调节、年调节及多年调节水库，可通过优化调度降低年内流量过程的波动幅度，对各类水环境容量的开发利用均有利。

 

下游为梯级水库或湖泊：

 

水流进入汇水面积大的水体后流速降低，先后汇入的河水完全混合的机会大幅度增加，此时对流量调和平均的要求可以放宽，即当滞留时间大于20天时，或可采用算术平均流量。

 

下游为新建水库库区：

 

河流建坝形成的水库库区水体，流态有可能接近河流，也有可能接近湖泊，其选择设计水文条件时将可能与建库前不同，需根据蓄水后的情况而定(富国，2005a,2005b)。

 

3水工建筑物下泄最小调节流量设计原则

 

目前，水库环境设计的主要依据是保证最小调节流量（水利部，2006）。最小流量的设计原则是满足生态的最低需求，建库后的枯水期环境容量不降低。在估算生态流量及水库最小调节流量设计时，有采用7q10（接近4b3）的情况，如美国washington州有采用7q10的例子（tmdl workgroup，1996）。这对于我国目前人口密度大，传统污染物排放量大，污染严重的情况来说，显然是不合适的。我国多采用mq10（十年一遇最枯月平均流量）类指标，这对于污染控制的设计枯水流量指标偏松（相对于7q10，可多排污染物），但对于水库最小调节流量而言则是比较合适的（相对于7q10，可保持更大的容量）。

 

根据建库后环境容量不低于建库前的原则，建库后的最小调节流量（环境需求），采用由30天允许平均期及3年的重现期所计算的调和平均流量是合理的（采用mq10或30q10也可以接受，只是不同河流的设计环境风险有差别）。实际上即使达到30b3(或30q10)的水平，由于连续数月维持在这一流量水平上，按此设计的排放负荷，在污染负荷波动的情况下，有近一半的时间实际上处于超标状态，与建库前相比，其环境风险也要大一些（见图1），即如果在自然条件下，设计流量的时间分布大致处于径流过程的低谷段，在短期低流量时段的两侧时段流量相对较高，抗风险能力也要高一些，即在污染负荷略高于允许负荷的情况下，污染的时段是有所控制的，在时间上不会大范围的超标。而在人工调节状况下，往往存在持续几个月的低流量过程，在污染负荷略高于允许负荷的情况下，在时间上会出现大范围的超标（富国，1997）。从时间保证率来看，如果为自然情况，30b3设计流量的重现期为3年，而采用类似图2的情况其重现期为2个月，即一年6次。所以，水库的下泄调节流量将把自然状况的最枯月风险转换为枯水期的多月风险，为维持与建库前同样的环境风险，水库的下泄流量应该高于30b3(或30q10)，而河道的设计流量仍维持自然状况下的30b3(或30q10)才是合理的。至于水库的下泄流量应该高于30b3(或30q10)多少，要根据水库设计的调度曲线及水库的调节能力决定。当然，如果水库最小下泄流量因生态保护要求而大于设计流量很多，也存在提示下游河道环境容量增加的可能性。由于设计流量mq10或30q10大于对毒性物质设计流量4b3及7q10，因此，最小下泄流量采用30天平均或月平均对保持建库前的枯水期环境容量是可行的选择，但最小值应该平均3年出现一次，其他月份应该高于最小下泄流量。

 

由此可以看出最小生态流量与设计枯水流量的差异；枯水期维持设计枯