特枯来水年景下韩江流域生态流量保障情况分析

刘 菁

(广东省水文局惠州水文分局，广东 惠州 516003)

1 概述

生态流量是维系江河湖泊生态系统的基本要素、控制水资源开发强度的重要指标，保障生态流量成为人类社会可持续发展的重要内容，事关河湖健康及其生态服务功能的发挥，事关国家水安全保障[1]。近年来，国家先后印发实施一系列政策文件，对维持河湖基本生态用水需求、保障生态流量提出明确要求。2020年起，水利部先后印发三批重点河湖生态流量保障目标[2]，对切实加强河湖生态流量管理、保障生态用水尤其是保障枯水期流量提出了新要求。2021年，广东省降水频率为90.0%，属特枯来水年份，降水量和水资源量比多年平均明显偏少，大型水库蓄水锐减，韩江流域出现历史罕见旱情，河川径流量为有观测记录以来第三枯[3]。本文以2021年为评价时段，对韩江流域在特枯来水年景下的生态流量保障程度进行分析评价，计算韩江潮安控制断面的水文特征指标，分析评价2021年生态流量保障程度，结合部分水利工程建设运行前同样出现特枯来水情况有关年份水资源数据进行分析，进而评价韩江流域开展相关工作的效果，进行讨论并提出建议，旨在为保障韩江流域生态健康、助力广东省建设美丽幸福河湖提供相关参考。

2 研究区概况

2.1 流域概况

韩江发源于广东省紫金县和陆河县交界的七星岽，在大埔县三河坝与源自福建省的汀江汇合，位于粤东、闽西南地区，河流水系流经广东、福建、江西等省，流经广东省河源、梅州、潮州、汕头和福建省三明、龙岩、漳州及江西省赣州市等8个地级市。韩江干流全长为470 km，平均坡降为0.37‰，流域面积为30 122 km2，其中广东省境内面积为17 876 km2，占全流域面积的59.4%。流域集水面积大于100 km2的各级支流共有53条，其中在广东省境内大于1 000 km2的有梅江、五华河、宁江、石窟河、汀江、梅潭河等，梅江与汀江汇合后称韩江(流域水系见图1所示)。

图1 韩江流域水系图及控制断面位置示意

韩江流域属亚热带季风气候，受海洋性东南亚季风影响最大，气候温暖湿润，多年平均气温为20.6℃～21.4℃。流域内降雨量充沛，但时空分布不均，多年平均降雨量为1 595.8 mm，汛期雨量占全年雨量的80%左右。韩江是粤东重要水源地之一，近年来，受气候变化和人类活动影响，水资源供需矛盾日益突出，生态用水保障面临较大压力。

2.2 生态流量控制断面概况

根据《水利部关于印发第一批重点河湖生态流量保障目标的函》[4]，韩江生态流量考核断面为长治(溪口)和潮安两个控制断面。结合国家对广东省最严格水资源考核监测断面要求，本文以潮安为主开展韩江流域生态流量保障程度分析。

潮安水文站是韩江下游控制站，位于广东省潮州市湘桥区，于1946年10月设立，站址集水面积为29 077 km2，距河口40 km，测验项目有水位、流量、泥沙、雨量、水质等，为韩江流域的国家重要水文站。潮安站径流在枯水期除受天然降雨径流的影响，受区间水利工程调度影响也十分显著。

从区域水利工程分布情况看，对潮安站有直接影响的水利工程有韩江东山水利枢纽(位于潮安水文站上游45 km)、凤凰溪上的凤凰水库和凤溪水库(凤凰溪于潮安站上游13 km汇入韩江)、潮州供水枢纽(位于潮安水文站下游5 km)。其中，东山水利枢纽自2006年起投入建设；凤凰水库、凤溪水库分别于1969年10月、1982年9月完工并正式运行；潮州供水枢纽2002年9月起正式投入建设，于2007年1月完工并正式投入使用。

3 水资源量数据情况

3.1 采用资料和方法

2021年，韩江流域降水量为有水文气象观测记录以来第一枯。本文以韩江流域作为研究区域，主要以潮安断面作为直接分析对象，上游横山断面作为辅助分析对象，以2021年为评价时段，采用1956—2016年及2021年上述两个断面水资源量数据资料开展相应分析，运用分区降水面积加权平均法进行降水量计算、代表站法计算地表水资源量，结合最枯月平均流量法和Tennant法确定生态流量保障目标，对特枯来水年景下韩江流域生态流量保障程度进行分析评价。

3.2 降水量

采用分区降水面积加权平均法[5]对韩江流域2021年降水量进行计算，计算公式为：

(1)

式中：

P——流域平均降水量；

a——每个测点控制的面积；

p——每个测点监测的降水量；

A——流域面积。

选取流域内133个雨量站进行降水量分析计算，韩江流域2021年降水量为1 062.8 mm，比多年平均偏少34.0%。从区间降雨总量与常年比较情况看，2020年冬至2021年春，韩江流域降雨量比多年平均偏少71.6%；从区间内降雨月分配情况看，韩江流域2020年10月、2020年11月、2021年1月降雨量较历史同期多年平均降雨量均偏少80%以上，其中2021年1月较常年偏少98.6%。

3.3 地表水资源量

采用代表站法[6]推求韩江流域2021年地表水资源量，计算公式为：

(2)

式中：

W研——研究区域的年径流量；

F研——研究区域的面积；

W代——代表站的天然年径流量；

F代——代表站的集水面积。

在韩江流域选取尖山、河子口、横山(二)、溪口、潮安等5个代表水文站进行地表水资源量计算，算得韩江流域2021年地表水资源量为73.8亿m3，比多年平均偏少54.2%(见表1)。

表1 韩江流域2021年与多年平均水资源量对比情况

3.4 水文频率计算

对潮安断面1956—2016年年降雨量进行频率分析计算[7]，P=90%来水年潮安断面降雨量为1 233.7 mm。2021年，潮安断面年降雨量为1 177 mm，来水频率为P=93%；对韩江流域1956—2016年天然河川径流量进行排频分析计算，P=90%频率潮安断面的天然流量为517.9 m3/s。2021年，潮安断面日均流量为230.2 m3/s，经分析来水频率为P=99.9%，属于特枯来水年，流域用水主要以保障生活用水为主。

4 生态流量保障情况

4.1 生态流量保障目标

生态基流是为维护河湖等水生态系统功能不丧失，需要保留的底限流量过程中的最小值。生态基流计算方法有多种，本文主要采用最枯月平均流量法和Tennant法，运用潮安断面1956—2016年天然月平均流量资料进行生态基流分析计算。

1)最枯月平均流量法(Qp法)

最枯月平均流量法以天然月平均流量为基础，用历年最枯月平均流量进行频率分析，一般选取特枯年保证率下的最枯月平均流量，作为该断面的年生态基流量。该方法未考虑生态基流的年内变化，仅计算年生态基流量[8-10]。出于动态调度、优化调度等方面考虑，为进一步保证韩江流域生态供水，分别计算潮安断面P=90%、95%时的最枯月平均流量。

2)Tennant法[11]

对于流量年内季节性变化明显且水资源开发利用强度不超过60%的河流，可以参考Tennant法设定不同季节或月份的生态基流。具体计算方法如下：

枯水月份(月均流量≤多年日均流量)，(0.1～0.2)×年均流量

(3)

丰水月份(月均流量>多年日均流量)，(0.2～0.4)×年均流量

(4)

结合广东省实际情况，丰水月份为4月至9月，枯水月份为10月至次年3月。根据潮安断面1956—2016年天然流量数据，多年平均日均流量为823.5 m3/s。用上述计算方法对潮安站生态基流进行计算，本文中枯水月份取系数为0.1，丰水月份取系数0.2。

采用上述计算方法得出的计算结果见表2。

表2 韩江潮安断面生态基流分析计算结果

生态流量是维持某一时空范围内生态与环境系统的结构与功能，所需的单位时间内通过河流某一断面的水量。考虑到韩江流域水资源条件与水生态保护要求[12]，采用在P=95%下最枯月平均流量法计算得出的生态基流目标作为潮安断面生态流量保障目标，为128 m3/s。

4.2 生态流量保障程度分析

生态流量保障程度[13]用如下公式进行评估：

(5)

式中：

R——基本生态流量保证率；

D——评价时段的总天(月或年)数；

d——评价时段D中满足生态流量保障目标的天(月或年)数。

对2021年潮安水文站控制断面逐日流量资料进行分析，2021年潮安断面日均流量为230.2 m3/s，年内满足生态流量保障目标的天数为333 d，不满足生态流量保障目标的天数为32 d，由此计算得出2021年潮安控制断面生态流量保证率为91.2%(见图2)。

图2 潮安水文站2021年逐日流量变化情况示意

在2021年内对潮安断面各月生态流量保障情况进行分析，2021年潮安断面有5个月出现了不同程度的不满足生态流量保障目标的情况，其中4月、5月、12月保障程度均低于90%，4月仅有13 d满足生态流量保障目标(见表3)。

表3 韩江潮安断面2021年内各月生态流量保障情况

4.3 对应上游断面来水保障程度分析

根据《韩江流域水量分配方案》[14]，韩江流域从上游至下游分别确定长治、下坝、大东、横山、潮安等5个断面为韩江流域水量分配控制断面，其中长治、下坝、大东为福建省核定断面，横山、潮安为广东省核定断面。按照水量分配方案中对主要控制断面最小下泄流量的目标要求，横山断面最小下泄流量为62 m3/s，潮安断面最小下泄流量为128 m3/s。

对2021年横山断面逐日流量资料进行分析(见图3)，其日均流量为73.6 m3/s，年内满足最小下泄流量目标的天数为149 d，不满足最小下泄流量保障目标的天数为216 d，2021年横山控制断面最小下泄流量保证率为40.8%。由于韩江流域出现了近60 a来的历史罕见旱情，横山断面来水频率大于99.8%，属于特枯来水，流域以保障生活用水为主，难以保证最小下泄流量。

图3 横山断面2021年逐日流量变化情况示意

对各月最小下泄流量进行分析(见表4)，2021年横山断面各月均出现严重不满足最小下泄流量目标的情况，仅有6月、8月满足程度等于或超过90%，其余月份均低于90%，1月、2月、4月、11月满足程度不足20%，其中11月仅有2 d满足最小下泄流量目标。

表4 韩江横山断面2021年各月最小下泄流量达标情况

4.4 对比其他特枯来水年生态流量保障情况

对照历年广东省水资源公报[15]水资源量数据得知，2004年，韩江流域降水量为1 182.8 mm，地表水资源量为69.52亿m3，径流系数仅为0.32，为有观测记录以来最枯。

分别对韩江流域上游横山断面、下游潮安断面2004年逐日流量资料进行分析。经分析，横山断面2004年日均流量为181 m3/s，年内满足最小下泄流量目标的天数为347 d，不满足最小下泄流量保障目标的天数为19 d，2004年横山断面保证率为94.8%(见图4)；潮安断面2004年日均流量为362 m3/s，年内满足最小下泄流量目标的天数为346 d，不满足最小下泄流量保障目标的天数为20 d，2004年潮安断面保证率为94.5%(见图5)。

图4 横山断面2004年逐日流量变化情况示意

图5 潮安断面2004年逐日流量变化情况示意

5 结果分析

基于上述数据计算及保障程度分析，在2021年韩江流域出现枯水频率高达90%以上、有水文气象观测以来降水量历史最枯且河川径流量历史第三枯的特枯来水年景下，上游横山断面最小下泄流量难以满足；下游潮安断面虽难以完全保障，但在横山断面全年保障程度仅为40.8%的情况下，生态流量保证率仍能达到91.2%，基本达到了满足生态流量保障的要求。而对比同为来水特枯的2004年，在部分水利工程建设前，上游横山和下游潮安断面保证率基本相同，上下游流量相关关系基本一致，由此可见在特枯来水年景下，韩江东山水利枢纽、凤溪水库、凤凰水库和潮州供水枢纽等水利工程调度对潮安断面流量影响尤其显著，在保生活用水的前提下较大程度地保障了生态用水；同时，由于潮安断面最小下泄流量目标与生态流量保障目标一致，需注意到在生态流量保障目标基本满足的情况下，潮安断面的最小下泄流量仍无法完全满足，因此，应进一步优化韩江流域枯水期水量调度原则，合理动用上游水库调节库容进行补水调度。

6 讨论及建议

针对韩江流域2021年生态流量保障程度分析情况，在进一步了解韩江流域生态流量监测及保障相关现状的同时，也发现了部分制约生态流量保障工作的短板，由此进行讨论及提出建议如下。

1)枯水干旱年份下生态流量保障难度大。2021年，除上述分析外，还存在水库蓄水严重不足等问题，韩江流域骨干水库蓄水增量与多年平均相比偏少近五成，枯水期韩江流域四大水库入库来水与多年同期相比偏少近七成。干旱缺水或为难以保障生态流量的首要原因，生产、生活、生态用水矛盾突出，生态流量保障难度大。

2)生态流量统一调度体制机制尚未建立。区别于防洪调度和其他应急水量调度，生态流量调度特别是枯水期生态流量统一调度体制机制尚未建立，水库、闸坝管理主体多样，日常运行管理多数没有考虑生态需求，上下游间协调统一调度难度较大。建议结合韩江流域水量分配方案及调水方案，制定韩江流域生态流量调度方案，在保障生活用水的前提下，尽量满足重点断面生态流量保障需求，保障河流生态系统健康安全。

3)生态流量保障管理基础建设薄弱。韩江流域各大控制性水利工程建设较早，基本上没有独立的生态流量泄放设施，一定程度上影响了生态流量保障工作的科学性和时效性。建议对生态流量泄放不足或不具备泄放设施的各类已建水利工程，分类提出生态流量泄放设施建设与改造措施并尽快投入使用；对于新建水利工程，明确提出生态流量泄放设施建设要求，尽可能做到独立运行、不受主体工程运行限制。

4)加大生态流量监测站点研究投入。枯水流量监测是国内外共同面临的技术难题，亟需加强先进的低水测流技术研究与应用，建议根据不同河流特征和水文条件，引进先进的测流技术与测流设备，不断提高生态流量监测时效性和精确度。此外，在流域内重要敏感的生态区域建立生态监测系统，覆盖到省界断面、合流处、流域内重要的生态敏感区和生态保护区，不断提升监测能力与监测水平，为河湖健康发展提供坚实保障。