丹江口水库的综合防洪及其生态环境

丹江口水库的综合防洪及其生态环境关光明，吴泽宇，戴长军，谢明，饶光辉长江研究所调查、规划、设计和研究，湖北武汉，430010中国，[e-mail]摘要：在中线南水北调一期工程完成后,丹江口水库的防洪、供水、发电和航运总体效益有了进一步提高,特别是对丹江口水库下游洪水的控制，使得95亿立方米水转移到了中国北部。虽然取得了一些成绩，但汉江流域生态环境的未来需水量也该同时受到重视，它很可能是水库运行原理的一部分，而且，它与汉江流域的可持续发展和中线南水北调工程的成功有着密切的关系。为解决这个问题，引水发电优先、生态环境保护优先和防洪优先的洪水控制原理得以提出，把水利的各种需求考虑在内的综合防洪原理已经经过了试验研究。原理如下：（1）防洪控制。洪水控制原理是通过预测、补偿调节、分类控制和预安排下游防洪对象的防洪能力来决定水排放的,这意味着水库在高水位时排放得多低水位时较少，基于对洪水的安全管理，洪水资源的利用才能得以实现。（2）北方水服务区域的水供应。中线南水北调工程的第一阶段的供水对象是城市，对于绝大多数在干燥年的可转让水量已在水库运行图表里绘出，北方水服务区的农业和生态环境用水得到了补充。（3）汉江流域供水。考虑到丹江口水库上游的未来需水量,将其从流入水库的各支流中扣除，从水库最高水位150米降至145米的区域定义为生态环境安全供水区，从145米到140米的区域定义为战略存储区域，丹江口水库下游应用补偿调节，基于此补偿调节，每条河段的水需求,航运最小流量和生态环境安全需水量可以计算出来。（4）发电。一般情况下，只有那些为满足汉江中下游水需求而补偿排放的水才用于发电，在洪水期，多余的排水量也可用于发电。关键词：生态环境，中线南水北调工程，丹江口水库，防洪调度研究1介绍建国以来，我国开始广泛投资水利工程，兴建大量水库，取得了很高的总体效益，但是之前的防洪水库,主要考虑兴利除害，多注重于防洪、发电、供水(灌溉)，运输等，而较少注重下游的水环境和生态环境安全以及上游的生态环境保护，随着社会的发展和新的控水方法的升级，为实现水资源的可持续利用，重点应放在根据水库任务的改变和经济社会的发展需要保护和改善生态环境，积极探索综合型防洪水库，从而维持河流的健康，2进人与水之间的和谐关系。丹江口水库，始建于1958年9月，其第一期工程（相应的正常水位是157米）完成于1973年，是中线南水北调工程和汉江流域发展的重点工程。至今为止，该水库已运行超过33年，创造了很高的总体效益，大坝筑高后（相应的正常水位是170米），丹江口水库将是中线南水北调工程的第一期工程。由于中线南水北调工程的建成，汉江流域丹江口水库下游的水资源环境将得到改变，在这个跨流域调水工程修建后，为维持汉江河流的健康，确保下游生态环境安全以及适应新的水资源现状，为防洪、发电、汉江河流生态环境安全和北方水服务区的水供应做全面地考虑，可以进行综合防洪水库的试验研究，采取如提高水库的放电操作方式、适当的控制水库水位、排放生态环境基流等措施。下面是对我们研究丹江口水库综合防洪与生态环境的总体介绍。2防洪水库的洪水资源利用技术在防洪水库中的洪水资源利用包含两个部分：一方面，凭借水库的蓄水能力，洪水的一部分被储存用于旱季；另一方面，凭借水库的防洪能力，将剩余的洪水逐渐排入下游，这不仅增加了汛期的效益，也减少了下游水灾的损失，从而保护了生态环境。2.1分类和分阶段排放以增加洪水的资源利用率丹江口水库大坝的高度增加13米后，正常的水位为170米，相应的防洪能力增加32.8亿立方米（夏季）至26.2亿立方米（秋季）。为确保防洪安全以及充分利用水资源，通过丹江口水库下游防洪工程，采取洪水预测、分类排放、分期排放的手段对洪水进行控制，这意味着在高水位时多排，低水位时少排，其所允许的安全排放总量决定于防洪站对洪水预报水平的高低，现在水库已经能够适当地减少洪水的排放量（如表1），例如从10年的16000立方米/秒降低到11000立方米/秒，从20年的20000立方米/秒降到到16000立方米/秒，类似的还有1935年（频率大约为1个百分比）从27000立方米/秒降到2000立方米/秒，水库的相应存储容量增加量分别为193亿立方米,210亿立方米，337亿立方米，对储存的这部分洪水的利用，其积极意义在于：不仅增加丹江口水电站的发电量，还增加了可以转移到北方的水量。表1.丹江口水库对汛期洪水调节的计算结果洪水频率（P）10%(10年)5%(20年)约1%1935年正常水位（m）157170157170157170黄庄的控制排放量（立方米/秒）160001100020000160002700020000防洪水平（m）149160149160149160防洪坝上水位（m）155.5167.00156.8168.1160171.7最大流量（立方米/秒）1136083501420010190161005960原定防洪能力（108立方米）42.962.2351.7572.8176.7110.4防洪能力差（108立方米）19.3321.0633.72.2减少下游水灾损失，保护生态环境目前，部分江汉平原和整个汉北平原（拥有1200万人口和大约280万英亩耕地）是汉江两岸堤坝的保护工程。在丹江口水库下游的杜家台分洪区，有13.25万人口和大约5.81万英亩耕地，在汉江河中游14路堤的2个县，有73.36万人口和14.66万亩耕地，丹江口水库大坝加高后，汉江河中下游的洪水控制情况如下：当杜家台分洪区遭遇了十年一遇的洪水时，分蓄洪区洪水的数量从10亿立方米减到0，洪水造成的受灾人口减少了大约有6万，被淹的耕地减少了大约有2.8万英亩；当遭遇20年一遇的洪水时，分蓄洪区洪水的数量减少到04.7亿立方米，受灾人口减少约10.7万，被淹耕地减少约4.4万英亩；当遭遇与1935年相似的洪水时，杜家台分蓄洪区洪水的数量从目前的25.7亿立方米减到16.7亿立方米，14路堤周围区域洪水量从目前的25亿立方米减到2.7亿立方米（几乎不需要转移这部分额外的洪水），受灾人口减少80万，被淹耕地减少约13.17万英亩。综上所述，大坝筑高后，杜家台洪水分蓄区及14路堤周边区域各自面积为614平方千米和1110.4平方千米的生态环境得到了保护。2.3增加旱季和旱年的经济效益三峡大坝加高后,相应效益增加到49.5亿立方米（在汛期）--88.3亿立方米（汛期后），加高前，大约22亿立方米的洪水白白流走，通过将储存的洪水调节到旱季来增加转移到北方的水量和排放到下游的水量，便确保了北方缺水地区和汉江河下游的生态环境安全，这部分水对现有的效益的取得发挥着重要功能，如生态环境保护、供水和发电。3考虑将中线南水北调工程的第一阶段调水用于生态环境和农业一期工程调水至北方水服务区，其首要目的是为满足城市居民和工业的用水需要，其次是农业和生态环境，针对在旱年的最大转移水量，绘出了水库的运行曲线图。这部分转移的水量满足了中线运河沿线城市的需要，也替代了部分本该用于农业和生态环境的当地水资源，对北方水服务区供水考虑农业和生态环境主要包括以下四个方面：3.1转移的水量可以代替一部分当地农业用水根据中线南水北调工程一期城市水资源配置结果，至2010年，北方水服务区城市的净年平均供水量为127.1亿立方米，其中，一期供水75.5亿立方米，当地地表水供水23.1亿立方米，地下水供水12.4亿立方米，其它方式供水16.1亿立方米，通过比较没有中线南水北调工程的情况，可以估算出净取代水量为至少16.1亿立方米：需要地表水38.3亿立方米，地下水13.4亿立方米，其它方式水16.1亿立方米。考虑水供应效率为90%，相当于替代了当地18亿立方米的农业用水。3.2城市回用水能补给生态环境和农业用水一期工程的年净平均供水量为75亿立方米。这部分水经城市使用后，大部分能被回收至城市污水处理厂，经净化后释放至当地河流系统。据估算，57亿立方米的水来自城市回用水，有效缓解了地下水开采的压力，一方面，能补充河流维持生态环境水量，另一方面，能从河流转移用于农业灌溉。3.3在北方水服务区过量开采地下水的现象可以得到有效地抑制中线调水工程对不同水资源的供水调控如下：调水供水优先，当地水库储水其次，当地地下水第三，地下水的开采量不得超过年平均采矿量。因此，中线调水工程完成后，地下水的过度开采现象可以得到有效地抑制。3.4洪水资源和供水过程中多余的水量可用于补充河流和地下水大坝加高后，每年被废弃的平均水量约为54.9亿立方米，在中线调水工程中，根据南北遭遇洪水季节和旱季的不同，可以增加在南方洪水季节对北方的调水量，因此，我们可以利用洪水资源来补充河流和目前已被过量开采的地下水资源。除此之外，根据对调水工程总体设计的可行性研究，一期调水工程发挥其设计效益所需时间为6年，在此6年里，我们可以充分利用供水渠道，将从汉江河转移的水量用于补充北方水服务区维持河流生态环境所需水量和农业用水。4汉江流域供水在中线南水北调工程引调水之后，汉江河中下游的水资源状况发生了一些改变，在引调水时不能影响汉江河流域中下游经济和社会发展的原则下，必须满足保证生态环境和其各部分的水需要（主要用于控制“水华”）时，才能进行跨流域水资源的引调，因此，计划将在水资源匮乏地区采用补偿水量调度的方法供水。4.1汉江流域的水需求该水需求分两部分：一是丹江口水库前汉江河的上游，二是汉江河中下游。目前汉江河中下游的实际水需求为（1999年）19亿立方米，至2010年，在频率75%时预测需水量为23.06亿立方米，考虑安康水库和黄龙滩水库的影响，扣除以上需水量和水库蒸发水量，丹江口水库的年自然流入量为361.97亿立方米，汉江河中下游主流主要供水区域，考虑将汉江河主流和分流东江河作为水源或补水区，上述地区的乡村面积约为2.35万平方公里，根据对2010年的预测，总耕地面积将为201万英亩，灌溉面积为191万英亩，人口为1725万，城市化比率为48%，工业产值为5463亿元。根据水量供需平衡分析结果，汉江河中下游主流的供水区域在不同工程条件下，以补偿调节为原则，通过丹江口水库排放的需水量示于表2，在建成兴隆工程，改建和扩充部分排水水闸、泵站，规范部分航运渠道，建成从长江到汉江的用以控制“水华”的南水北调工程后，2010年时被排入汉江中下游的年均需水量为162.2亿立方米。表2丹江口水库提供的补偿调节水量（单位：108m3）工程条件2010年平均每年P=85%P=95%目前工程条件270.6298341.2建成兴隆工程，改建和扩充部分排水水闸、泵站，规范部分航运渠道，建成长江到汉江的南水北调工程后162.2173.3185.04.2丹江口水库供水补偿调节设计根据，汉江中下游不同工程条件下的规划和不同年份的不同水需求量预测，分析进出河道的需水量和保证航运及生态环境安全的最小控制排放量，采用水量平衡原理，能够计算出河道需水量、丹江口水库在每个时期的补偿调节排放量，以此作为未来补偿调节的基础。设计丹江口水库补偿调节供水的水量平衡原理和计算公式如下：Q(i,j)=max(Qs(I,j),Qn(I,j))+∑Qw(I,j)-Qb(I,j)-Qr(I,j)i–计算时间j-计算面积wQ–河道外流量nQ–河道内流量sQ–相应的灌溉流量,bQ–支流流量rQ–回用流量换言之，每条河运行的最小流量加上相应的汉江中下游排放流量（相应于转移用作灌溉的流量）就是控制排放流量，然后扣除支流流量和回流流量，丹江口水库在每个时期从上游到下游的补偿调节排放流量就能算出来了，其中，河道内的水位条件和航运水深要求都是控制因素。4.3汉江中下游控制“水华”的供水4.3.1汉江中下游“水华”情况及产生原因分析汉江中下游河段主流长652千米，是湖北经济和社会发展的核心区域，在20世纪90年代，汉江常年持续干旱，下游出现三次“水华”（分别为1992年2月，1998年3月，2000年2月）1992年2月中旬到三月初，汉江下游气候变暖，在长江主流“jackingeffect”影响下，水