水利水電工程生態(tài)流量研究綜述

李 雪，彭金濤，童 偉

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

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水利水電工程生態(tài)流量研究綜述

李 雪，彭金濤，童 偉

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

歸納了河流生態(tài)流量的計(jì)算方法和生態(tài)流量的泄放措施，指出了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并在介紹了國(guó)內(nèi)外生態(tài)流量的取值范圍的基礎(chǔ)上，總結(jié)了我國(guó)部分水利水電工程的生態(tài)流量及下泄方式，最后分析了生態(tài)流量的計(jì)算方法和下泄措施等方面存在的問(wèn)題，并進(jìn)行了探討。

生態(tài)流量；計(jì)算方法；泄放方式

0 引 言

隨著我國(guó)水電技術(shù)進(jìn)步以及能源需求持續(xù)增長(zhǎng)，水電開(kāi)發(fā)近十年呈加速度發(fā)展。然而，水電開(kāi)發(fā)也會(huì)帶來(lái)不可避免的生態(tài)影響，其中引水式和混合式電站運(yùn)行期以及堤壩式電站初期蓄水及調(diào)峰運(yùn)行將使壩下河段水文情勢(shì)發(fā)生變化，形成減(脫)水河段，將對(duì)河道的綜合功能造成不利影響。如20世紀(jì)80～90年代的黃河下游，由于不利的來(lái)水來(lái)沙條件和過(guò)度的水資源開(kāi)發(fā)利用，黃河持續(xù)斷流，斷流時(shí)間最長(zhǎng)的1997年達(dá)226天，斷流長(zhǎng)度600多km，帶來(lái)河床不斷抬升、河道嚴(yán)重萎縮等一系列生態(tài)災(zāi)難[1]。目前，國(guó)家要求在積極支持水電發(fā)展的同時(shí)，對(duì)相應(yīng)的生態(tài)保護(hù)工作非常重視，并將其作為水電開(kāi)發(fā)的前提條件?！秶?guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》[2]已明確提出：“在做好生態(tài)保護(hù)和移民安置的前提下積極發(fā)展水電,重點(diǎn)推進(jìn)西南地區(qū)大型水電站建設(shè)，因地制宜開(kāi)發(fā)中小河流水能資源,科學(xué)規(guī)劃建設(shè)抽水蓄能電站”。為引導(dǎo)河流生態(tài)系統(tǒng)的良性演進(jìn)和維持健康的河流生態(tài)系統(tǒng)，水電水利工程必須下泄一定的生態(tài)需水量，并將其納入工程水資源配置中統(tǒng)籌考慮，使河流水電動(dòng)能經(jīng)濟(jì)規(guī)模和水資源配置向“綠色”方向發(fā)展[3]。

1 生態(tài)需水量的計(jì)算依據(jù)和方法

為貫徹落實(shí)中共中央十六屆五中全會(huì)提出的“在保護(hù)生態(tài)基礎(chǔ)上有序開(kāi)發(fā)水電”的要求，進(jìn)一步規(guī)范水電水利建設(shè)項(xiàng)目水生生態(tài)與水環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作，國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局辦公廳和環(huán)境影響評(píng)價(jià)管理司先后發(fā)布了《關(guān)于印發(fā)水電水利建設(shè)項(xiàng)目水環(huán)境與水生生態(tài)保護(hù)技術(shù)政策研討會(huì)議紀(jì)要》的函(環(huán)辦函[2006]11號(hào)文)和“關(guān)于印發(fā)《水電水利建設(shè)項(xiàng)目生態(tài)用水、低溫水和過(guò)魚(yú)設(shè)施環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)指南(試行)》的函”(環(huán)評(píng)函[2006]4號(hào)文)。《紀(jì)要》明確規(guī)定“為維護(hù)河段水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，水利水電工程必須下泄一定的生態(tài)流量，將其納入工程水資源綜合配置中統(tǒng)籌考慮”。且指出：生態(tài)流量需要考慮以下因素：工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活需水量，維持水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定所需水量，維持河道水質(zhì)的最小稀釋凈化水量，維持河口泥沙沖淤平衡和防止咸潮上溯所需水量，水面蒸散量、維持地下水位動(dòng)態(tài)平衡補(bǔ)給需水，航運(yùn)、景觀和水上娛樂(lè)環(huán)境需水量和河道外生態(tài)需水量。

根據(jù)對(duì)全球生態(tài)需水量方法現(xiàn)狀的考察，有記載的獨(dú)立方法總數(shù)達(dá)200多種。這些方法可以分類(lèi)為水文學(xué)方法、水力學(xué)方法、生物棲息地法和生態(tài)水力學(xué)法。在此對(duì)這些方法分別作簡(jiǎn)要介紹。

(1)水文學(xué)法：以歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用固定流量百分?jǐn)?shù)的形式給出流量推薦值，通過(guò)這些推薦值來(lái)表示維持河流不同生態(tài)環(huán)境功能的最小生態(tài)流量。其代表方法有Tennant法[4]、徑流時(shí)段分析法、7Q10法、基本流量法[5-7]。

(2)水力學(xué)法：通過(guò)計(jì)算不同流量狀態(tài)下河道的水力參數(shù)，當(dāng)參數(shù)滿(mǎn)足某種標(biāo)準(zhǔn)或假設(shè)時(shí)的流量即為最小生態(tài)流量。其計(jì)算以確定河道幾何形態(tài)為基礎(chǔ)，需要野外實(shí)測(cè)和分析工作，包括了更為具體的河流信息，能更好的反映河流生態(tài)發(fā)展的本質(zhì)需求。最常用的水力學(xué)法有：濕周法[8]、R2-Cross法[9]。

(3)生態(tài)水力學(xué)法：由影響主要水力生境參數(shù)和影響主要水力形態(tài)參數(shù)兩個(gè)基本模塊組成。該方法由于考慮了水力生境參數(shù)的全河段變化情況，避免了因某一段減水河段參數(shù)偏低,而該段在整個(gè)減水河段中所占比重非常小，單憑最低值進(jìn)行判斷所造成的判斷失誤，因此，計(jì)算結(jié)果更具全面性。

(4)生境模擬法：根據(jù)指示物種所需的水力條件確定河流流量，適用于大中型河流內(nèi)的水生生物生態(tài)流量的計(jì)算，但是不適用于無(wú)脊椎動(dòng)物和植物物種的分析。該方法與其他方法存在結(jié)果較復(fù)雜、實(shí)施耗費(fèi)的資源大等不足。

上述這些方法都假定河流生態(tài)狀況健康性與水文特征或水力參數(shù)相對(duì)應(yīng)，以其中一個(gè)或多個(gè)指標(biāo)表征，各類(lèi)計(jì)算方法的區(qū)別見(jiàn)表1。

表1 4種河道生態(tài)需水計(jì)算方法主要區(qū)別

2 國(guó)內(nèi)外河流生態(tài)需水量的取值范圍

2.1 國(guó)外河流生態(tài)流量的取值方法

(1)美國(guó)。美國(guó)規(guī)定河道內(nèi)大多數(shù)水生生物在主要生長(zhǎng)期優(yōu)良的棲息條件和多數(shù)娛樂(lè)用途所推薦的徑流量為P=50%頻率下的河道徑流量的60%，而保持大多數(shù)水生動(dòng)物有良好的棲息條件和一般的娛樂(lè)活動(dòng)所推薦的基本徑流量為P=50%頻率下河道徑流量的30%～60%。河道內(nèi)徑流為P=50%頻率下河道流量的10%，是保持大多數(shù)水生生物在全年生存所推薦的最低徑流量。另一項(xiàng)規(guī)定是采用P=90%頻率下最枯連續(xù)7天的平均水量作為河流最小流量設(shè)計(jì)值。

(2)法國(guó)?！多l(xiāng)村法》規(guī)定：河流最低環(huán)境流量不應(yīng)小于多年平均流量的 1/10；對(duì)于所有河流，或者部分河流，如果其多年平均流量大于 80 m3/s 時(shí)，政府可以給每條河制定法規(guī)，但最低流量的下限不得低于多年平均流量的1/20。

(3)日本。日本定義河川維持正常機(jī)能下所必要之流量稱(chēng)“正常流量”，另對(duì)于河川欲維持航運(yùn)、漁業(yè)、景觀、鹽害防治、河口閉塞防治、河川管理設(shè)施維護(hù)、地下水位維持及保育動(dòng)植物等功能綜合考慮下必要之最小流量則為“維持流量”，其以各地河川之正常流量能維持 10 年內(nèi)最大枯水期(最低旬流量)為原則。

2.2 國(guó)內(nèi)河流生態(tài)流量的取值標(biāo)準(zhǔn)

目前國(guó)內(nèi)水利水電項(xiàng)目的環(huán)境影響評(píng)價(jià)中對(duì)生態(tài)流量的確定往往依據(jù)國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局辦公廳發(fā)布的《關(guān)于印發(fā)水電水利建設(shè)項(xiàng)目水環(huán)境與水生生態(tài)保護(hù)技術(shù)政策研討會(huì)議紀(jì)要》的函(環(huán)辦函[2006]11號(hào)文)的指導(dǎo)意見(jiàn)，“維持水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定所需水量一般不應(yīng)小于河道控制斷面多年平均流量的10% (當(dāng)多年平均流量大于80 m3/s時(shí)按5 %取用)”。水資源論證中對(duì)生態(tài)流量的確定往往依據(jù)《建設(shè)項(xiàng)目水資源論證導(dǎo)則(試行)》(SL/322-2005)規(guī)定的“生態(tài)流量取用多年平均流量的10%～20%的要求”。

但是，每條河流的自然狀況以及流域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況千差萬(wàn)別，需要因地制宜地確定維持河道基本功能的需水量標(biāo)準(zhǔn)。水利部門(mén)根據(jù)河流所處的不同地區(qū)，提出了確定河流生態(tài)流量的不同方法[1]。

(1)長(zhǎng)江流域：生態(tài)基流一般采用90%或95%保證率最枯月河流平均流量。

(2)海河流域：生態(tài)基流量：高方案為21 252×108m3/a，中方案為13 179×108m3/a,低方案為6 932×108m3/a。在高中低方案中，生態(tài)基流量的最大值均在8月份，最小值均在2月份。

(3)珠江流域：維持河道基流為多年平均流量的40%～60%，可以保障河流生態(tài)和生命系統(tǒng)的基本健康。按此估算，珠江水系生態(tài)需水量至少應(yīng)在1 500億m3左右。

(4) 遼河流域：最小生態(tài)流量自上而下，由東西遼河 8%～10%，遞減為遼河干流 5%～9%，維持河道規(guī)模從 40%～70%，遞減為 40%以下。適宜生態(tài)流量上游西遼河 19%～23%，下游干流 25%左右，比對(duì)應(yīng)最小生態(tài)流量高 11%～19%，下游的差距高于上游。

2.3 部分水利水電工程生態(tài)需水量

目前，國(guó)家已對(duì)筑壩河流最小生態(tài)需水量作出了硬性要求，對(duì)于減緩水利水電工程對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)不利影響起到了非常積極的作用，同時(shí)也大大促進(jìn)了水利水電工程在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行各階段專(zhuān)業(yè)人員環(huán)保意識(shí)的提高。近年來(lái)，新建水利水電工程在環(huán)境影響評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)中均提出了生態(tài)需水量保障措施設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容。我國(guó)部分水利水電工程生態(tài)基流情況見(jiàn)表2。

表2 部分水利水電工程生態(tài)基流及下泄方式

3 生態(tài)需水量泄放措施

3.1 初期蓄水期生態(tài)需水量泄流

水庫(kù)蓄水初期，生態(tài)需水量泄放措施不僅需要依據(jù)工程特點(diǎn)和施工組織設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行設(shè)置，也需要考慮措施的可行性和經(jīng)濟(jì)性。

通常，采用導(dǎo)流洞導(dǎo)流的工程，可采用在導(dǎo)流洞上設(shè)置生態(tài)流量放水管，或者通過(guò)泵站抽水方式解決。采用分期導(dǎo)流的工程，可在蓄水初期依靠控制一期工程導(dǎo)流設(shè)施(導(dǎo)流孔數(shù)目、閘門(mén)封閉程度)來(lái)泄放生態(tài)流量，直至水庫(kù)水位升至可由泄水建筑物和引水建筑物泄放生態(tài)流量的水位。

3.2 運(yùn)行期生態(tài)需水量泄放

運(yùn)行期通常采用的泄流方式有閘門(mén)泄流、壩體埋管泄流、放空洞泄流、引水洞泄流以及發(fā)電小機(jī)組泄流等方式，可根據(jù)不同的水利水電工程的類(lèi)型和不同的生態(tài)流量要求加以選擇。為滿(mǎn)足常年泄流的要求，無(wú)論采用哪種泄流方式，其取水口均應(yīng)低于水庫(kù)(或調(diào)節(jié)池)死水位。各種生態(tài)流量泄流方式比較如表3所示[10]。

表3 各種生態(tài)流量泄放方式比較

4 存在的問(wèn)題及發(fā)展方向

4.1 生態(tài)需水量的計(jì)算方法

目前，生態(tài)流量的計(jì)算方法存在的一些問(wèn)題，主要有：對(duì)河流生態(tài)流量的定義不明確，沒(méi)有成熟的理論體系，沒(méi)有評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和方法，缺乏完善的定量計(jì)算方法，現(xiàn)有的研究還達(dá)不到把一種流量或水流狀態(tài)同物種組成及物種豐富程度聯(lián)系起來(lái)的水平等。這些問(wèn)題造成了研究人員只能從各自的角度研究河流生態(tài)流量，計(jì)算出的結(jié)果也存在一些差異。

筆者認(rèn)為，在今后的研究中，應(yīng)該首先明確河流生態(tài)流量不是一個(gè)定值，它是一個(gè)隨著季節(jié)、時(shí)段、河段的不同而發(fā)生變化的動(dòng)態(tài)值；其次，每條河流都有它獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)特性，不可能用某一固定的方法來(lái)確定各條河流的生態(tài)流量。只有以河流水文過(guò)程為基礎(chǔ)，并結(jié)合其河流生態(tài)系統(tǒng)的特性需求，才能較為合理地計(jì)算生態(tài)流量，這是今后河流生態(tài)流量理論與實(shí)踐研究的重要方向之一。

4.2 生態(tài)需水量泄放的措施

目前水利水電工程生態(tài)流量泄放保障方面仍存在以下問(wèn)題：

(1)保障生態(tài)流量泄放的利益機(jī)制尚不完善。由于生態(tài)流量泄放考核指標(biāo)為瞬時(shí)流量，且保證率為100%，水庫(kù)不間斷泄放生態(tài)流量對(duì)于非汛期庫(kù)區(qū)蓄水的影響較為顯著，由此構(gòu)成生態(tài)流量泄放與水庫(kù)興利功能發(fā)揮之間的矛盾。由于發(fā)電、灌溉、供水和航運(yùn)是顯性收益，而生態(tài)流量泄放的生態(tài)效益為隱性效益，在流域生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制尚不完善的背景下，生態(tài)流量的泄放就相當(dāng)于減少了工程的經(jīng)濟(jì)收益，由此造成生態(tài)流量泄放不能得到充分保障。

(2)水利水電工程最小生態(tài)流量基本上為一固定值，沒(méi)有體現(xiàn)出河流水生生物適應(yīng)水文情勢(shì)豐枯自然變化節(jié)律的需求。

(3)現(xiàn)階段盡管環(huán)保部要求生態(tài)流量泄放過(guò)程有在線(xiàn)監(jiān)控設(shè)備，但在線(xiàn)監(jiān)控設(shè)備均由工程業(yè)主管理，尚無(wú)將在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)接入相關(guān)環(huán)境保護(hù)或水行政主管部門(mén)的硬性要求。

筆者認(rèn)為，應(yīng)根據(jù)水電工程的實(shí)際情況，科學(xué)合理的制定下游河道基本功能的需水量，需要探討兼顧多種目標(biāo)的方案，尋找各利益相關(guān)者一種可以接受的生態(tài)流量下泄措施。同時(shí)從水能資源利用的角度分析，在滿(mǎn)足發(fā)電水頭、流量要求和符合經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的情況下，宜優(yōu)先采用生態(tài)流量泄放與發(fā)電小機(jī)組相結(jié)合方案，以實(shí)現(xiàn)雙贏的局面。

此外，為了確保生態(tài)流量的下泄，應(yīng)將水利水電工程生態(tài)流量泄放監(jiān)測(cè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)對(duì)象改為壩下河道，在壩下河段合適位置建設(shè)流量自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)，并接入環(huán)?；蛩姓鞴懿块T(mén)的管理系統(tǒng)中。

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2015-06-08

李雪(1984-)，女，四川成都人，碩士，工程師，從事環(huán)境保護(hù)工作。

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1003-9805(2016)04-0071-05