海河流域水资源水环境规划设计流量选择原则分析（富国,于涛,李培,张晓岚）

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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；枯水期维持设计枯水流量可以保持低限的生态功能，但不一定满足纳污的环境需求。换言之，如果水库下游的减水河段如果建坝前无排放口，枯水期下放最小生态流量或mQ10是可行的；如果水库下游的减水河段如果建坝前有排放口，枯水期持续下放最小生态流量或mQ10是偏小的，应该略大一些。

按照IHA （RichterB.D.et al，1997）设计的概念在多年月平均的概念考虑其变化幅度，每个水量指标量为三个（均值，上限和下限幅度）值，并不能完全确保枯水设计流量的保证率要求。因此，根据调度管理方法得到河道的调度流量过程，在进行枯水设计流量分析，较为合理。

4水工建筑物下泄长期平均流量设计原则

水库的长期平均流量设计原则是满足生态的适宜需求，建库后下游河道的累积性污染物的环境容量不降低（特别是对下游有饮用水源地情况下更有实用价值），以及入海淡水量的保证。

4.1多年调和平均流量－河道累积性毒理控制指标

水库的年内坝下泄水径流分布需要根据经济效益确定，同时也要考虑环境效益。上一节的枯水设计流量及环境容量可以控制枯水期的生物安全及人类健康问题，对于致癌类等累积型污染物的控制一般采用的设计流量为多年调和平均流量(USEPA,1991)。调和平均流量Qh可定义为：

式中，Qi为第i日流量，如果饮用水源断流，将会采用其他备用水源，因此，日流量出现零值时，不带入（1）式计算。由于累积性污染物的允许平均期很长（如70年），因此一般采用水文站的全部流量数据，对于近期人类活动影响较大的河流，可在一致性分析后，考虑采用近10－20年的数据。

对于水库而言，如果要求建库前后对累积类污染物的长期环境容量不降低（如下泄水量为河流饮用水源地常年供水），需要其长期调和流量不降低。这对于不跨流域调水的场合比较容易满足。如果水库包括跨流域引水工程，导致原河道流量减少，那么导致长期调和流量不降低需要比较大的调节库容及调节能力。

对河流水环境规划而言，本指标是重要设计指标。对于河流生态流量月分配目标，本指标可作为筛选依据之一。

4.2多年对数平均流量－河道生态需水控制指标

此外，从生态流量的角度考虑，自然河道流量的的概率分布大多符合对数正态分布，因此日流量的对数均值可定义为原河道大多数生物最适应流量(宋兰兰等，2006)。对数平均流量Ql（或几何平均流量的一种表达形式）可定义为：

如果水库工程建成后的流量偏离原河道的对数均值的时间较长，幅度较大，则不利于原河道的生态恢复。

尽管IHA方法有33个指标，但无合理的多年均值指标标值（12月均之和可认为是多年算术均值），对于河流生态流量月分配目标，本指标或可作为参考依据之一。

4.3多年算术平均流量－海域生态需水控制指标

对于无水文站的较小的河流利用降雨资料推断多年平均径流量为简单可行的方法，多年平均径流量可作为季节性河流的季节功能的维护的指标（USEPA. EPA-Region 4，2004）。而对于大多数的毒理控制，日流量系列的多年算术均值（ADF）或多年平均径流量一般较少作为环境规划的设计流量使用，而较多的应用与水资源规划。对于人工调节河流，选择多年算术平均流量的主要理由，应该是流域尾端，海域对淡水的生态需求。主要是入海淡水减少可能导致的对河口、近岸海区生物及生态系统的巨大影响。

对一个流域而言，水资源利用率超过极限（如70％），则本流域水库的调节功能对海区淡水入海的保证意义降低，需要跨流域调水才有可能。单就一个不跨流域调水的水库而言，多年平均径流量不是一个基本的环境设计水量问题，实际的问题在于流域的水量消耗。而对一个跨流域调出水的水库而言，多年平均径流量则是一个基本的环境设计水量问题，即多年平均流量的减少将对入海水量减少产生贡献。

对海河流域而言，海水淡化只会加剧渤海的负海湾态势，使生态损害更加严重，以南水北调来实现河流和海洋的生态供水，似乎是目前最现实的选择。

对于河流生态流量月分配及入海水量目标，本指标是最重要的筛选依据。

5水工建筑物下泄设计调节水量的环境目标

为分析水库水量的环境调节目标，以下定义理想及虚拟的环境水库的概念。

环境水库：调节能力无限，功能单一，仅为环境流量调节服务，水库工程建设及运行不构成环境及生态问题，水库运行没有财政问题。更完整的名称为环境流量调节水库。

对于一条河流或流域存在这样一个环境水库，则我们设想几种情景：

情景1：流域水资源量的消耗不增加，则环境水库可按多年平均流量均匀下泄，则无论短期毒性或累积性污染物的允许排放量均能大幅度高。此为流域极限环境容量。

情景2：流域水资源量的消耗少量增加，则环境水库仍可按扣除消耗量后的多年平均流量均匀下泄，则无论短期毒性或累积性污染物的允许排放量均能提高。

情景3：流域水资源量的消耗（或外调）增幅较大，则环境水库扣除消耗量后的多年平均流量均匀下泄，累积性污染物允许排放量与没有环境水库相同，此时达到环境水库的一个调节极限，再增加耗水，累积性污染物环境容量将下降。海区的生态需水可能已不能满足。

情景4：流域水资源量的消耗（或外调）增幅很大，则环境水库仍可按扣除消耗量后的多年平均流量均匀下泄，短期毒性允许排放量与没有环境水库相同，此时达到环境水库的另一调节极限，再增加耗水，一般污染物环境容量将下降。海区的生态需水已不能满足。

情景5：流域水资源量的消耗（或外调）增幅巨大，则环境水库按扣除消耗量后的多年平均流量均匀下泄，整体环境容量全面下降，此时流域耗水全面超过环境水库的调节极限，丧失环境水量的调节能力。河流、河口及河口外海区的生态功能全面受损。

环境水库为理想模型，可提供极限环境容量。而现实水库的调节能力总是有限的，其功能也涉及防洪、发电、航运、灌溉、城市供水等多种功能。不过环境水库的概念可作为水库的环境及生态功能评判的一个尺度，为水库设计方案选择所考虑，以此判断实际工程对环境流量调节的影响程度。在兼顾其他使用功能的同时，考虑环境功能的最大化。在上述的5种情景中，应该至少向情景3的方向努力，有条件的地方能向情景2的方向发展。在环境水库都只能调节到情景4、5的地方，则流域内现实的或潜在的水库工程将无法完成河流及海洋的生态供水。

6算例简析

6.1算例1－原河道放水维持容量

某一河流拟建水力发电站一座，河道水文特征值见表1：

按照表2方案1的流量数据，枯水月采用mQ10为下泄水量，比30B3、30Q10枯水设计流量略大，可以满足维持枯水环境容量要求。假设月内流量均匀，则长期调和平均流量为12.45m3/s，较建坝前降低38％，不能满足维持长期环境容量要求。坝下累积性污染物的环境容量大幅度下降。建坝后，分月流量有一半时间大于适宜流量33.15 m3/s，小于最大生态流量143.78 m3/s。另一半时间小于最小生态流量低于最小生态流量7.19 m3/s（10％ADF）。满足基本生态要求略显不足。

按照表2方案2的流量数据，枯水期采用较高的下泄水量，比30B3、30Q10 、mQ10等枯水设计流量大60％以上，可以满足维持枯水环境容量要求。同时长期调和平均流量为20.11 m3/s，与建坝前持平，可以满足维持长期环境容量要求。建坝后，分月流量有一半时间大于适宜流量33.15 m3/s，小于最大生态流量143.78 m3/s。有一半时间大于最小生态流量7.19 m3/s（10％ADF）。可较好地满足基本生态要求。

对比方案1、2，可以明显看到方案2的环境优势，从经济角度来看其发电出力比方案1降低的比例不大。方案2可以从解决前两节提到的枯水期风险及长期风险问题。

本例为一个简化的算例，将多年时间分配简化为年内分配，年内分配又仅匹配了两个设计流量值。但分析结果仍具有普遍性，即水库坝下河道流量设计不宜采用单一的枯水设计指标，而应该同时考虑流量的长期平均指标。实际的工程设计可以根据水库的调节能力及不同频率的设计年径流系列进行类似的分析。

6.2算例2－跨流域调水维持容量

背景指标同算例1，但是为引水式水电站，发电用水跨流域输送不再回归原河道。建坝后原河道多年算术平均流量降为53.26m3/s，坝下河道水资源量下降23％。

按照表3方案1的流量数据，枯水月采用mQ10为下泄水量，比30B3、30Q10枯水设计流量略大，可以满足维持枯水环境容量要求。假设月内流量均匀，则长期调和平均流量为13.41m3/s，较建坝前降低33％，不能满足维持长期环境容量要求。坝下累积性污染物的环境容量大幅度下降。建坝后，分月流量有一半时间大于适宜流量33.15 m3/s，小于最大生态流量143.78 m3/s。另一半时间等于最小生态流量7.19 m3/s（10％ADF），可以满足基本生态要求。

按照表3方案2的流量数据，枯水期采用较高的下泄水量，比30B3、30Q10 、mQ10等枯水设计流量大70％以上，可以满足维持枯水环境容量要求。同时调和平均流量为20.11 m3/s，与建坝前持平，可以满足维持长期环境容量要求。建坝后，分月流量有一半时间大于适宜流量33.15 m3/s，小于最大生态流量143.78 m3/s。另一半时间大于最小生态流量7.19 m3/s（10％ADF）。可较好地满足基本生态要求。

与算例1相同，在环境效益方面方案2明显优于方案1。

本例仍为一种简化的分析，可说明这样一种情况，在跨流域调水量不是很大的情况下，尽管水资源量下降，水库的调节作用仍可维持坝下河道的原有环境功能。为维持这一功能，其流量设计也不宜采用单一的枯水设计指标，而应该结合流量的长期调和平均指标。水库设计应该为原河道的环境需求和生态需求留有足够的调节库容。

6.3算例3－季节性河流增加容量

表4数据引自为文献（陆山,2006），原例为扩建引水电站导致坝下河流流量减少。这里作为算例，假设现状方案为自然情况流量分配情况。方案1为不考虑最小生态流量的工程流量匹配情况、方案2为考虑最小生态流量的工程流量匹配情况。现状情况表明为季节性河流，各种枯水设计流量指标为零，即毒性及耗氧性物质的环境容量为零。如果作为饮用水源，也仅可作为季节性或备用水源，其4－9月份的调和平均流量约为2.40m3/s。设计方案1导致断流时间更长，比现状情况更差。设计方案2可使河道的不断流，枯水期有了一定的环境容量，且可长期作为小的饮用水源，其调和平均流量约为0.89m3/s。。

本例说明了一种略显极端情况：在季节性河流上的水库工程，可开发出环境容量。即从理论的角度可以建设环境容量水库，进行水量的丰枯调节。这种水库的泄流量设计以既可保证枯水设计指标，也可保证长期流量指标为约束，以环境容量开发量最大为目标。从实际应用的角度来看，中国的水资源比较短缺，建设单一环境功能水库很难实现，但是在多功能目标中，强化环境功能的可能性是存在的。当然对于常流河，也存在这种潜力，只不过中国目前发达地区的常流河的水资源利用率已经很高，许多常流河已退化为人工季节性河流（许炯心，2000）。因此，中国北方河流的水资源及水环境的最现实的问题是尽快遏制季节性河流不断增加的趋势。

7小结

1.河道流量在枯水期维持在一个设计枯水临界值的水平上（如最小生态流量、mQ10、30Q10等）会导致不利水质状况的重现期大幅度下降（如3年1遇变为1年6遇），将把自然状况的最枯月风险转换为水库运行后枯水期的多月风险。因此，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30Q10 (或30B3)，而河道的容量计算设计流量仍维持自然状况下的30Q10 (或30B3)较为合理的，这样可避免设计枯水水质不利条件的重现期大幅度下降，以及小幅超容量排污情况下，超标污染状态可覆盖整个枯水期的情况；同时也限制了河流入海混合区出现持续高浓度状态。

2.河道枯水期流量的设计值取值偏低和维持的时间过长，会导致累积性污染物环境容量的下降。因此在河道流量设计中应该尽量避免采用单指标方法（如枯水设计流量、最小生态流量等），而应该增加流量的多年平均指标（如长期调和平均、算术平均、对数平均等）。从而在流域规划水资源水环境规划层面上兼顾短期环境目标、长期环境目标、生态目标、资源目标。

3.为遏制断流河道不断增多的情况，应适当考虑降低水利工程的经济效益，增加一定的库容及水量用于环境目的。可以从环境水库的概念出发，分析流域环境容量的调节利用方式，比较调节方案的优劣。

4. 海河流域河道的环境流量指标建议为：

（1）最小生态流量

作为河流生态下限指标，同时满足枯水期环境控制需求，既耗氧污染及急慢性的毒性控制需求，兼顾入海河口低氧、高氨等控制要求。

（2）多年调和平均流量

作为河流饮用水功能区的人类健康的累积性毒性控制的水量控制指标，兼顾入海径流量的均衡要求（以低变差系数，提高水量的环境效益）。

（3）多年几何平均流量

作为河流生态适宜流量的调节目标值，兼顾入海径流量的均衡要求。

（4）多年算术平均流量

作为海洋生态、渔业生产的绝对水量需求指标，为陆海淡水资源分配的基本限值。

河道年内月生态流量过程设计评估（例如IHA等方法）时可兼顾以上4个指标，使海河流域各河道规划调配的河道流量过程，既满足环境规划及总量分配的要求，同时也满足生态需求；既满足流域的需求，同时也满足海洋需求。

参考文献

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