玉龍喀什河水利樞紐工程中生態(tài)流量的研究與應(yīng)用

曹文潔

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

玉龍喀什水利樞紐擋水建筑為混凝土高面板堆石壩，最大壩高230.5m，為250m級(jí)超高混凝土面板堆石壩。目前，此類壩型的壩高全世界排名第三，作為世界級(jí)的水利工程，該樞紐在發(fā)揮灌溉、供水、防洪，發(fā)電等效益的同時(shí)，對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境也可能產(chǎn)生負(fù)面影響，造成河流連通性降低、生境破碎化，改變河流天然水文節(jié)律，進(jìn)而影響壩下河流生態(tài)系統(tǒng)[1-3]。為保障河流生態(tài)系統(tǒng)健康，筑壩后維持河道內(nèi)生態(tài)需水是河流生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)及生態(tài)調(diào)度的重要任務(wù)[4-6]。

河流生態(tài)流量的核心思想是維護(hù)水生生物最低流量，到后期逐漸從單一流量擴(kuò)展到維護(hù)多個(gè)復(fù)雜目標(biāo)[1]。早起的生態(tài)流量計(jì)算方法主要有蒙大拿法(Tennant Methods)[7]、R2-CROSS、IFIM方法，如今有整體分析法(Holistic Approach)、要素法(Building Block Methodology，BBM)[8-9]。本文選用BBM法、Tennant法、最小月平均徑流法、生態(tài)水力學(xué)法分別來計(jì)算玉龍喀什水利樞紐工程河段的生態(tài)流量過程，提出滿足各個(gè)方法的所需生態(tài)流量，確保本工程流域內(nèi)河流生態(tài)系統(tǒng)不受影響。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

玉龍喀什水利樞紐是新疆和田河流域水資源調(diào)配的重要工程之一，屬于和田河?xùn)|支玉龍喀什河上的控制性工程，也是國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)近期實(shí)施的172項(xiàng)重大水利工程之一。工程位于玉龍喀什河中游河段，電站廠房布置于水庫壩址下游27km河道左岸。工程壩址～廠房河段河谷多呈“V”型，兩岸山體雄厚，基巖裸露，河灘地不發(fā)育，河床覆蓋含漂石砂卵礫石層，基本無植被生長(zhǎng)。涉及河段共有10種魚類，均為土著魚類，包括6種裂腹魚，4種條鰍，其中自治區(qū)II級(jí)保護(hù)魚類有塔里木裂腹魚和斑重唇魚。

1.2 計(jì)算方法

為了魚類生境需求，保證在工程建設(shè)后，魚類產(chǎn)卵場(chǎng)、索餌場(chǎng)、越冬場(chǎng)及棲息地不因水量變化較大而產(chǎn)生不良影響，同時(shí)保障其他用水目標(biāo)，根據(jù)魚類生活習(xí)性分布特征、工程斷面地形數(shù)據(jù)和水文資料，目前國(guó)內(nèi)外生態(tài)流量計(jì)算方法較多，大致可分為水文學(xué)法、水力學(xué)法、生境法、整體法等[10-12]。不同的方法對(duì)應(yīng)著不同的區(qū)域類型、不同生態(tài)特征及保護(hù)目標(biāo)，在計(jì)算生態(tài)水量時(shí)，應(yīng)根據(jù)河流河段的具體情況[13-15]，選取幾種適宜方法進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行合理性分析，各種計(jì)算方法的主要計(jì)算方式見表1。

表1 各種生態(tài)流量計(jì)算方法的主要計(jì)算方式

1.2.1BBM法

BBM法是基于天然水文過程，能夠綜合考慮整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)包括河道、岸邊帶等的需水，可將生態(tài)系統(tǒng)整體性和流域管理規(guī)劃相結(jié)合。玉龍喀什河2006年以后進(jìn)入豐水年，結(jié)合研究河段魚類4月份開始產(chǎn)卵，5—6月為盛產(chǎn)期的特點(diǎn)，以1986—2015年(共計(jì)30年)3月份50%來水頻率下的日流量值(8.12m3/s)為生態(tài)流量初始值，按照近30年逐日平均流量的變化率，確定魚類需水敏感期(從4月初開始產(chǎn)卵，7月上旬產(chǎn)卵結(jié)束)玉龍喀什水利樞紐壩址斷面生態(tài)流量及過程，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 工程壩址斷面4—7月生態(tài)流量過程(BBM法)

經(jīng)過計(jì)算所得生態(tài)流量的趨勢(shì)與多年同期天然來水的趨勢(shì)如圖1所示，此法能夠較準(zhǔn)確模擬實(shí)際天然來水情況，同時(shí)在魚類產(chǎn)卵期加大下泄流量，這樣更加符合魚類繁殖特性要求。

圖1 BBM法生態(tài)流量趨勢(shì)與天然來水過程

1.2.2Tennant法

該方法應(yīng)用方便，是目前世界上最廣泛使用的水文學(xué)方法，但未考慮河流形態(tài)、流量季節(jié)性變化、生物直接需水要求等。

玉龍喀什水利樞紐壩址斷面1957—2016年多年平均天然流量為66m3/s。依據(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(píng)價(jià)技術(shù)指南(試行)的函》，確定玉龍喀什河4—9月為多水期，10月—次年3月為少水期。按多年平均流量的30%(保持大多數(shù)水生生物有良好棲息條件所需的水量)，確定玉龍喀什水利樞紐壩址斷面4—9月最小生態(tài)流量為19.80m3/s；按多年平均流量的10%(是大多數(shù)水生生物生存所需的最小水量)，10月—次年3月最小生態(tài)流量為6.6m3/s。

1.2.3最小月平均徑流法

很適合玉龍喀什河區(qū)域此類干旱、半干旱區(qū)域的河流，據(jù)壩址斷面60年徑流統(tǒng)計(jì)資料，多年平均情況下，最枯月為2月，對(duì)應(yīng)月均流量為7.76m3/s，壩址斷面生態(tài)流量控制值為7.76m3/s，占多年平均流量的11.8%。

1.2.4生態(tài)水力學(xué)法

適用于大中型河流，綜合考慮了水生生物對(duì)生境的要求。但對(duì)于中型河流，參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)取值受人為判斷因素影響。

選取流速、平均水深、水面寬、濕周率、水流流態(tài)、河流形態(tài)共計(jì)6個(gè)水力學(xué)參數(shù)，采用主體設(shè)計(jì)提供的32個(gè)斷面地形數(shù)據(jù)，這些斷面涵蓋了壩址～廠房河段出現(xiàn)的最寬(水深最淺的斷面)、落差最大(可能出現(xiàn)上溯困難)以及玉龍喀什河布雅河匯合口段(此段分布有裂腹魚適宜產(chǎn)卵場(chǎng))等特殊河段，根據(jù)研究河段魚類體長(zhǎng)、食性、繁殖要求、“三場(chǎng)”分布等生態(tài)學(xué)習(xí)性及天然狀況魚類生境水力學(xué)條件，確定魚類生境適宜的水力學(xué)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

河道平均流速按研究河段魚類產(chǎn)卵適宜流速為0.15～0.3m/s以及NB/T 35091—2016《水電工程生態(tài)流量計(jì)算規(guī)程》中的最低標(biāo)準(zhǔn)，最終確定該河段魚類產(chǎn)卵適宜流速為0.3m/s；平均水深按少水期時(shí)NB/T 35091—2016中的最低標(biāo)準(zhǔn)0.3m，多水期時(shí)結(jié)合魚類適宜產(chǎn)卵水深(多數(shù)在40～60cm)，取最低標(biāo)準(zhǔn)取為0.4m；最大水深按研究河段性成熟魚類最大體長(zhǎng)約20cm的2～3倍估算為0.6m；水面寬按照研究河段32個(gè)斷面數(shù)據(jù)，個(gè)別斷面在多年平均流量66m3/s的情況下，水面寬僅9.2m，根據(jù)規(guī)范規(guī)定[16]中型河流標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)降低，最終水面寬度選定為9m。濕周率按豐水期時(shí)，根據(jù)規(guī)范規(guī)定[16]生態(tài)水力學(xué)法的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)為50%，枯水期時(shí)，天然來流小、且研究河段呈V型，天然來流狀況下部分?jǐn)嗝鏉裰苈孰y以達(dá)到30%，因此將最低標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)降低，定為30%。

通過計(jì)算可知，多水期4—9月，壩址斷面應(yīng)下泄生態(tài)流量18m3/s，占多年平均流量的27.3%；少水期10月—次年3月，應(yīng)下泄生態(tài)流量8m3/s，占多年平均流量的12.1%。

1.3 最終生態(tài)流量

將上述四種方法計(jì)算河道所需最基本的生態(tài)流量列于表3進(jìn)行對(duì)比分析。

在4—7月魚類產(chǎn)卵需水敏感期應(yīng)采用BBM生態(tài)流量，逐月逐旬推算斷面下游魚類及生態(tài)所需流量，經(jīng)計(jì)算所需流量從4月月均10.77m3/s逐漸增加到7月月均159.46m3/s，可充分滿足魚類產(chǎn)卵敏感期的需水。其余各月采用Tennant法、最小月平均徑流法、生態(tài)水力學(xué)法計(jì)算結(jié)果的外包線來作為生態(tài)流量——10月—次年3月采用的生態(tài)流量為8.0m3/s。

表3 玉龍水利樞紐壩址斷面下游生態(tài)流量計(jì)算表 單位：m3/s

2 下泄生態(tài)流量的保障措施

為了保障生態(tài)流量的下泄，應(yīng)設(shè)置專門的泄放裝置、下泄計(jì)劃及監(jiān)管措施。在水庫初期蓄水期間，按蓄水水位的逐漸上升，分別選擇導(dǎo)流洞、深孔放空沖砂洞、發(fā)電引水洞+深孔放空沖砂洞進(jìn)行下泄生態(tài)流量。在電站運(yùn)行期間，按“電調(diào)服從水調(diào)”原則，10月—次年5月結(jié)合灌區(qū)灌溉供水和下游平原水庫蓄水要求發(fā)電，同時(shí)由一臺(tái)或者兩臺(tái)小機(jī)組基荷運(yùn)行，發(fā)電后作為生態(tài)流量下泄河道，多余水量由水庫日內(nèi)調(diào)蓄在電力系統(tǒng)中承擔(dān)峰荷；6—9月電站在系統(tǒng)中承擔(dān)基荷，結(jié)合下游生態(tài)、灌溉供水要求發(fā)電，滿足生態(tài)流量下泄要求。在壩下設(shè)置生態(tài)流量在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以便核查是否按照要求向下游下放足夠的水量，同時(shí)也便于工程生態(tài)流量泄放調(diào)度管理和環(huán)保主管部門監(jiān)督。

3 結(jié)論

(1)在BBM法中，初始值均以1986—2005年(共計(jì)20年)3月份50%來水頻率下的日流量值(7.57m3/s)為基礎(chǔ)，此種流量取法較為單一，下一階段可考慮按豐、平、枯等不同水期以及“枯少豐多”的水量原則，同時(shí)結(jié)合魚類產(chǎn)卵、繁殖等敏感時(shí)期，考慮計(jì)算生態(tài)流量。

(2)工程運(yùn)行一段時(shí)間后，根據(jù)壩下設(shè)置的自動(dòng)測(cè)報(bào)水量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)反饋的監(jiān)測(cè)結(jié)果，可適時(shí)優(yōu)化泄水調(diào)度。

(3)用BBM法、Tennant法、最小月平均徑流法、生態(tài)水力學(xué)法這四種方法分別計(jì)算生態(tài)流量，通過不同計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行“取長(zhǎng)補(bǔ)短”，最終確定得出所需生態(tài)水量：這樣計(jì)算出的水量可以滿足魚類及水生生態(tài)的生境要求；將水資源利用最大化高效化，讓南疆地區(qū)有限的水資源發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益。