梯級水電開發(fā)中最小生態(tài)流量的研究
——以寶興河為例

陳　忱　卞華鋒　黃　勇　李　鑫

(1.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評估中心，北京　100012；2.中日友好環(huán)境保護(hù)中心，北京　100029；3.長安大學(xué)，西安　430070)

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梯級水電開發(fā)中最小生態(tài)流量的研究
——以寶興河為例

陳忱1卞華鋒2黃勇1李鑫3

(1.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評估中心，北京100012；2.中日友好環(huán)境保護(hù)中心，北京100029；3.長安大學(xué)，西安430070)

【摘要】河流梯級水電開發(fā)對河道生態(tài)環(huán)境造成一定影響，為保證河道基本生態(tài)環(huán)境用水需要，須保證河道最小下泄流量。在寶興河流域河段上的磽磧電站、寶興電站、小關(guān)子電站、銅頭電站布置14個代表斷面，利用MIKE軟件進(jìn)行斷面形狀繪制及相關(guān)水力生境參數(shù)計(jì)算，建立河道斷面濕周與流量關(guān)系曲線，估算推薦最小生態(tài)流量。并通過Tennant法、生態(tài)水力學(xué)法和濕周法三種方法的分析對比，結(jié)果表明：①寶興河梯級電站引水式開發(fā)對生態(tài)流量的影響，表現(xiàn)為枯水期入庫流量增加，豐水期入庫流量減少，平水期則相差不大；②磽磧、寶興、小關(guān)子、銅頭電站分別下泄2.39m3/s、3.89m3/s、8.91m3/s和9.86m3/s生態(tài)流量，可保證下游生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

【關(guān)鍵詞】寶興河；梯級水電站開發(fā)；MIKE；最小生態(tài)流量；生態(tài)環(huán)境

1引言

河流梯級電站的開發(fā)將為當(dāng)?shù)貛盹@著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。但是，其在施工建設(shè)和運(yùn)行發(fā)電等時期會對下游河流生態(tài)造成影響，而且這種影響是流域性的[1]。水電工程改變了河流的天然屬性[2]，對河流從上游到下游都產(chǎn)生了各種不同程度的影響，導(dǎo)致河道形狀的改變，河流連續(xù)體中斷，植被退化[3]，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)破碎化等[4]。尤其是梯級引水式水電開發(fā)造成下游局部河段斷流，為保障工程所在流域的生態(tài)環(huán)境不受影響，擬定下泄的生態(tài)流量，即為最小生態(tài)流量，協(xié)調(diào)水資源與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的矛盾[4]。為維持寶興河干流減水條件下的河流生命健康及基本環(huán)境功能，各梯級電站必須下泄適宜的生態(tài)流量，以滿足河流基本的生態(tài)環(huán)境需水要求。國內(nèi)外常用4類計(jì)算方法，確定河道內(nèi)生態(tài)需水量[5]：(a)水文指標(biāo)法(HydrologicalIndexMethods)；(b)水力學(xué)法(HydraulicMethods)；(c)棲息地法(HabitatMethods)；(d)整體分析法(HolisticMethods)。不同的河流的地形地貌、生物多樣性以及開發(fā)情況不同，其所需的最小生態(tài)需水量亦不同。因此研究流域生態(tài)需水量及生態(tài)環(huán)境影響減緩措施，可以更好的保護(hù)流域的生態(tài)環(huán)境。

本文通過對寶興河流域監(jiān)測和實(shí)地調(diào)查，分析梯級水電開發(fā)對流域水環(huán)境的影響，確定流域生態(tài)需水量，從而為寶興河流域管理和環(huán)境保護(hù)提供依據(jù)。

2材料與方法

2.1流域概況

寶興河位于四川盆地西部邊緣，發(fā)源于夾金山南麓，上游緊靠阿壩高原，為崛江水系青衣江上游主源。地理位置在東經(jīng)102°36′～103°14′，北緯30°02′～30°57′，全長142km，流域面積3321km2，天然落差3605米，河道平均比降255‰[6]，水電開發(fā)條件十分優(yōu)越。

寶興河流域梯級電站共規(guī)劃為“一庫八級”，總裝機(jī)1015MW，“一庫”即磽磧龍頭水庫，八個梯級電站從上至下依次為：磽磧、民治、寶興、小關(guān)子、銅頭、靈關(guān)河、飛仙關(guān)和雨城水電站，目前寶興河段已建成磽磧、寶興、小關(guān)子、銅頭、雨城5座水電站[7]。

2.2水文監(jiān)測斷面設(shè)置

為進(jìn)行水深、流速、流量、過水?dāng)嗝鎱?shù)等的測定，沿寶興河從上游磽磧電站至下游銅頭電站共布設(shè)14個監(jiān)測斷面，斷面布設(shè)位置見表1。

2.3最小生態(tài)流量計(jì)算方法

根據(jù)《關(guān)于印發(fā)<水電水利建設(shè)項(xiàng)目河道生態(tài)用水、低溫水和過魚設(shè)施環(huán)境影響評價技術(shù)指南(試行)>的函》(環(huán)評函[2006]4號)，維持水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定所需水量的計(jì)算方法主要有水文學(xué)法、水力學(xué)法、組合法、生境模擬法、綜合法和生態(tài)水利學(xué)法[8]。其中：組合法需要建立生物數(shù)據(jù)和環(huán)境條件的關(guān)系來判斷生物對流量需求和變化的影響；生境模擬法需要用大量詳細(xì)的流量、河道水力學(xué)和生物特征等信息，且該方法本身操作比較復(fù)雜；綜合法需要從系統(tǒng)的角度分析生態(tài)與環(huán)境的關(guān)系，研究周期較長。這三種方法在實(shí)際應(yīng)用中常受到限制，較難實(shí)現(xiàn)。

表1　寶興河研究河段橫斷面設(shè)置表

圖1　寶興河研究河段橫斷面設(shè)置

綜合工程所在地環(huán)境狀況、資料獲取及研究周期情況，本次寶興河梯級電站生態(tài)流量值復(fù)核采用水文學(xué)法中的Tennant法、生態(tài)水力學(xué)法、水力學(xué)法中的濕周法進(jìn)行比較計(jì)算、分析。

(1)水文學(xué)法(Tennant法)。Tennant法以預(yù)先確定的年平均流量百分?jǐn)?shù)作為河流推薦流量，比較適合河流進(jìn)行最初的目標(biāo)管理和河流的戰(zhàn)略性管理。采用Tennant法計(jì)算時，各梯級電站按照最小生態(tài)流量不小于多年平均流量10%的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，考慮下游生態(tài)用水及景觀用水需要，按多年平均流量10%、15%、20%、30%的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。一般研究認(rèn)為，當(dāng)枯水期河流基流為多年平均流量的20%時，可保護(hù)魚類、野生動物、生態(tài)景觀處于良好狀態(tài)，基流量為多年平均流量的30%時，可達(dá)到水生生物生長的滿意流量。

(2)生態(tài)水力學(xué)法。生態(tài)水力學(xué)法是指通過水生生物適應(yīng)的水力生境參數(shù)確定合適的流量[9]。該方法假設(shè)水深、流速、水面寬、濕周、過水?dāng)嗝娴拿娣e、水面面積以及水溫是流量變化對物種數(shù)量與分布造成影響的主要水力生境參數(shù)[8-10]。

本次調(diào)查研究過程中，對寶興河干流自上游磽磧梯級至下游銅頭梯級共計(jì)476km的減水河段，布設(shè)了14個典型斷面進(jìn)行各斷面的水力生境參數(shù)計(jì)算。計(jì)算的流量條件分別是：多年平均流量的10%、15%、20%、30%，以及枯水期多年平均流量。計(jì)算的水力生境參數(shù)包括最大水深、平均水深、水面寬度、平均流速、過水?dāng)嗝?、濕周、濕周率、水面面積等。應(yīng)用MIKE11軟件進(jìn)行研究河段縱向一維水力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果參照“指南”的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析判別，從而推算滿足標(biāo)準(zhǔn)的最小流量。

(3)濕周法。濕周法采用濕周作為棲息地的質(zhì)量指標(biāo)，繪制臨界棲息地區(qū)域濕周與流量的關(guān)系曲線，根據(jù)濕周流量關(guān)系中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)確定河道推薦流量值。

3結(jié)果與分析

3.1水文學(xué)法(Tennant法)

根據(jù)寶興河流域各電站壩址處多年平均流量，利用tennant方法可以得到多年平均流量10%、15%、20%、30%的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值，見表2。

表2　寶興河梯級電站Tennant法計(jì)算生態(tài)流量(m3/s)

3.2生態(tài)水力學(xué)法

應(yīng)用MIKE11軟件進(jìn)行研究河段縱向一維水力計(jì)算，即對磽磧電站(21#、20#、19#、18#)、寶興電站(14#、13#、12#、11#、10#)、小關(guān)子電站(9#、8#、7#)、銅頭電站(4#、3#)各電站處所布設(shè)的14個代表斷面進(jìn)行水力計(jì)算，由于篇幅有限，沒有展示斷面形狀圖。

由斷面形狀圖，可獲取斷面處水深、水面寬度、濕周、斷面面積等水力學(xué)參數(shù)，并根據(jù)得到的結(jié)果參照“指南”標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行不同流量下各水力參數(shù)沿程變化分析。磽磧、寶興、小關(guān)子、銅頭梯級壩址下泄不同流量時最大水深、平均水深、流速、濕周等水力參數(shù)沿程變化因篇幅有限省略。

運(yùn)用生態(tài)水力學(xué)法進(jìn)行比較計(jì)算、分析，結(jié)果參照“指南”的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析判別，見表3。從表中可以看出，寶興河各梯級電站下泄生態(tài)流量在大部分工況下(除小關(guān)子電站和銅頭電站的枯水期多年平均流量工況)，過水?dāng)嗝婷娣e和水面寬度兩個指標(biāo)都無法滿足最低標(biāo)準(zhǔn)要求。這可能由于本次研究寶興河為山區(qū)河流，河道坡降較大，斷面深切，水深和流速則相對較大。從表中可以看到，平均水深、最大水深、平均流速都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，考慮不將過水?dāng)嗝婷娣e和水面寬度納入指標(biāo)體系。

在不考慮過水?dāng)嗝婷娣e和水面寬度兩個指標(biāo)的前提下，各梯級電站滿足水力生境指標(biāo)中最大水深、平均水深、平均速度、水面面積、濕周率等其他指標(biāo)的最低標(biāo)準(zhǔn)及累計(jì)河段長度比例要求的最小下泄生態(tài)流量值均為各電站壩址處多年平均流量的10%，即磽磧電站下泄2.39m3/s，寶興電站下泄3.89m3/s，小關(guān)子電站下泄8.91m3/s，銅頭電站下泄9.86m3/s，可滿足各電站下游減水河段生態(tài)的最低需求。

3.3水力學(xué)法(濕周法)

本次研究選取了4個斷面作為典型斷面，采取濕周法進(jìn)行生態(tài)流量分析。4個斷面分別為磽磧電站減水河段斷面19#，寶興電站減水河段斷面12#，小關(guān)子電站減水河段斷面8#和銅頭電站減水河段斷面3#。通過MIKE11計(jì)算，建立流量～濕周關(guān)系，見圖2。

圖2　典型斷面濕周——流量關(guān)系曲線

電站名生境參數(shù)指標(biāo)最大水深平均水深平均速度水面寬度濕周率過水?dāng)嗝婷娣e水域水面面積水溫標(biāo)準(zhǔn)最低標(biāo)準(zhǔn)魚類體長的2～3倍≥0.3m≥0.3m/s≥30m≥50%≥30m2≥70%適合魚類生存、繁殖累計(jì)河段長段的百分比95%95%95%95%95%95%磽磧達(dá)標(biāo)情況多年平均流量的10%(2.39m3/s)100%100%100%097%083.9%符合多年平均流量的15%(3.59m3/s)100%100%100%0100%088.9%符合多年平均流量的20%(4.78m3/s)100%100%100%0100%093.9%符合多年平均流量的30%(7.17m3/s)100%100%100%0100%097.4%符合枯水期多年平均流量(9.24m3/s)100%100%100%21%100%0100%符合寶興達(dá)標(biāo)情況多年平均流量的10%(3.89m3/s)100%100%100%35%96%080.1%符合多年平均流量的15%(5.84m3/s)100%100%100%47%98%085.9%符合多年平均流量的20%(7.78m3/s)100%100%100%53%100%089.9%符合多年平均流量的30%(11.67m3/s)100%100%100%69%100%18%94.6%符合枯水期多年平均流量(16.80m3/s)100%100%100%92%100%62%100%符合小關(guān)子達(dá)標(biāo)情況多年平均流量的10%(8.91m3/s)100%100%100%34%95%15%75.6%符合多年平均流量的15%(13.37m3/s)100%100%100%78%96%18%79.5%符合多年平均流量的20%(17.82m3/s)100%100%100%84%98%38%83.7%符合多年平均流量的30%(26.73m3/s)100%100%100%95%100%94%96.5%符合枯水期多年平均流量(32.60m3/s)100%100%100%97%100%100%100%符合銅頭達(dá)標(biāo)情況多年平均流量的10%(9.86m3/s)100%100%100%0100%071.8%符合多年平均流量的15%(14.79m3/s)100%100%100%0100%076.9%符合多年平均流量的20%(19.72m3/s)100%100%100%0100%083.3%符合多年平均流量的30%(29.58m3/s)100%100%100%0100%88%86.9%符合枯水期多年平均流量(35.80m3/s)100%100%100%91%100%96%100%符合

說明：水域水面面積=某流量下計(jì)算河段的水面面積/枯水期河段水面面積×100%。

從圖1可以看出，各典型斷面的濕周——流量關(guān)系曲線都存在拐點(diǎn)，其中：磽磧電站減水河段19#斷面拐點(diǎn)流量為9.34m3/s，對應(yīng)電站下泄生態(tài)流量為7.17m3/s(30%)；寶興電站減水河段12#斷面拐點(diǎn)流量為15.11m3/s，對應(yīng)電站下泄生態(tài)流量為11.67m3/s(30%)；小關(guān)子電站減水河段8#斷面拐點(diǎn)流量為26.73m3/s，對應(yīng)電站下泄生態(tài)流量為26.73m3/s(30%)；銅頭電站減水河段3#斷面拐點(diǎn)流量為29.73m3/s，對應(yīng)電站下泄生態(tài)流量為29.58m3/s(30%)。根據(jù)濕周法計(jì)算結(jié)果，各電站推薦生態(tài)流量值均為壩址處多年平均流量的30%。

濕周法計(jì)算河道生態(tài)流量受河道斷面形狀影響很大，計(jì)算過程沒有考慮河道斷面形態(tài)的多變性。研究表明，三角形河道的濕周—流量曲線的增長變化點(diǎn)難以判別，因此本法更適用于規(guī)則河道生態(tài)流量的計(jì)算，同時要求河床形狀穩(wěn)定。而本次研究河段河道斷面形狀復(fù)雜，以”V”型斷面為主，且河道深切，因此得到的流量濕周關(guān)系不明顯，擬合的曲線拐點(diǎn)不清晰，本法計(jì)算結(jié)果在本次研究中精確度相對較差。

4討論與結(jié)論

根據(jù)對各梯級電站年內(nèi)引水發(fā)電運(yùn)行形成的下游減水河段流量變化分析，磽磧電站下游減水河段分為三段，壩下至生態(tài)泄流管出口的586m河段已經(jīng)脫水，無法保證生態(tài)流量，生態(tài)泄流管出口至第一支支流匯入口河段僅能保證1.7m3/s的生態(tài)流量，此生態(tài)流量值經(jīng)復(fù)核偏小，需要加大泄流管下泄的生態(tài)流量值至2.39m3/s，第一段支流匯入口至尾水出口河段為第三段減水河段，此段河道得到了有效補(bǔ)水，減水影響得到了一定的緩解。寶興電站下游減水河段分為兩段，壩下至第一支支流匯入口河段僅能保證3～4m3/s的生態(tài)流量，通過生態(tài)泄流孔進(jìn)行泄放，目前運(yùn)行期內(nèi)基本按照要求進(jìn)行了生態(tài)流量的泄放，第一支支流匯入口至尾水出口河段流量得到了支流的補(bǔ)充，河段減水影響相對減小，通過加強(qiáng)生態(tài)流量泄放管理和監(jiān)測，可以保證減水河段的生態(tài)流量需求。小關(guān)子、銅頭兩座電站均由于建設(shè)時間較早，沒有考慮泄放生態(tài)流量，電站也沒有增設(shè)生態(tài)流量泄放設(shè)施的可能性，運(yùn)行期內(nèi)，平、枯水期電站棄水很少，甚至無棄水，直接導(dǎo)致大壩下游河段經(jīng)常性減水。根據(jù)本次研究，兩座電站推薦按照8.91m3/s和9.86m3/s下泄生態(tài)流量，泄流方式通過開啟沖砂閘和排污道的方式，可以滿足下泄生態(tài)流量的要求。

總之，寶興河梯級電站引水式開發(fā)對生態(tài)流量的影響，表現(xiàn)為枯水期入庫流量增加，豐水期入庫流量減少，平水期則相差不大。磽磧、寶興、小關(guān)子、銅頭電站分別下泄2.39m3/s、3.89m3/s、8.91m3/s和9.86m3/s生態(tài)流量，可以維持流域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

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作者簡介：陳忱，高工，主要從事生態(tài)環(huán)境影響評價研究

通訊作者：卞華鋒，工程師，主要從事環(huán)境影響評價咨詢及研究工作

中圖分類號：X21

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-288X(2016)04-0063-04

Research on Impacts of Hydroelectric Cascade Exploitation on MinimumEcologicalFlowintheDownstreamofBaoxingRiver

CHEN Chen1BIAN Huafeng2HUANG Yong1LI Xin3

(1.The Appraisal Center of Environmental Engineering，Ministry of Environmental Protection，Beijing 100012，China；2.Sino-JapanFriendshipCentreforEnvironmentalProtection，Beijing100029，China；3.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，Chang’anUniversity，Xi'an，Shaanxi710054，China)

Abstract：Hydroelectric Cascade Exploitations make some influence on ecological environment of rivers. The minimum discharged flow should be guaranteed to satisfy the basic ecological environment water resource requirements in the river. There were 14 representative sections in total having been arranged separately on the Qiaoqi，Baoxing，Xiaoguanzi and Tongtou hydroelectric station of Baoxing river basin. The geometry shape of the sections were mapped and the relative hydraulic parameters were calculated using MIKE software. Then the relationship curves between wetted perimeter and flood discharge of river sections were established to estimate the recommended minimum ecological flow. Finally the analysis and comparison among Tennant method，ecological hydraulic method and wetted perimeter method were made. The results indicated that：(1) the impacts of hydroelectric cascade exploitation on minimum ecological flow of Baoxing River presented that the reservior inflow increased in the high-water period，decreased in low-flow period and varied slightly in normal-flow period；(2)when the ecological discharge of Qiaoqi，Baoxing，Xiaoguanzi and Tongtou hydroelectric station are respectively 2.39m3/s，3.89m3/s，8.91m3/s and 9.86m3/s，the stability of ecosystem of the downstream can be guaranteed.

Keywords：Baoxing River；Hydroelectric Cascade Exploitation；MIKE；Minimum Ecological Flow；Ecological Environment

引用文獻(xiàn)格式：陳忱等.梯級水電開發(fā)中最小生態(tài)流量的研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(4)：63-66.