黑河干流引水式水電站生態(tài)流量計(jì)算

宋增芳 程玉菲 李莉

摘 要：祁連山區(qū)水電站建設(shè)改變了下游河道的水文條件，枯水期減水河段出現(xiàn)斷流，河流自凈能力減弱，河道污染加劇，為了恢復(fù)祁連山區(qū)水生生物的生態(tài)環(huán)境，運(yùn)用改進(jìn)的Tennant法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)年內(nèi)展布法、改進(jìn)年內(nèi)展布法、逐月最小生態(tài)流量、NGPRP法4種常用的生態(tài)流量計(jì)算方法進(jìn)行合理性檢驗(yàn)，選用評(píng)價(jià)結(jié)果較好的NGPRP法與改進(jìn)年內(nèi)展布法，計(jì)算了鶯落峽站各月最小生態(tài)流量，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合水文比擬法計(jì)算了黑河干流7座引水式電站各月最小生態(tài)流量。黑河干流各水電站最小生態(tài)流量各月均值為8.43～83.99 m3/s，呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，從1月開始逐漸增大，7月達(dá)到最大值，8—12月最小生態(tài)流量持續(xù)減小。

關(guān)鍵詞：引水式水電站;Tennant評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn);改進(jìn)年內(nèi)展布法;黑河干流

Abstract：The construction of hydropower stations in Qilian Mountains has changed the hydrological conditions of the lower reaches of the river. In the dry season， the flow of the reduced river reaches is cut off， the self purification capacity of the river is weakened and the pollution of the river is aggravated. In order to restore the ecological environment of aquatic organisms in Qilian Mountain area， the improved Tennant method was used to test the rationality of four commonly used ecological flow calculation methods， namely， the improved annual distribution method， the monthly minimum ecological flow， the annual distribution method and the NGPRP method. The evaluation results of NGPRP method and improved year distribution method are the best， which are combined to calculate the monthly minimum ecological flow of Yingluoxia Station. On this basis， the monthly minimum ecological flow of 7 diversion power stations the main stream of Heihe River was calculated by hydrological analogy method. The average monthly variation of the minimum ecological flow of each diversion type power station in the main stream of Heihe River is 8.43-83.99 m3/s， showing a trend of increasing at first and then decreasing， gradually increasing from January to reaching the maximum value in July and decreasing continuously from July to December.

Key words： diversion hydropower station; Tennant evaluation standard; improved year distribution method; main stream of Heihe River

祁連山區(qū)水能資源豐富，近年來，利用山區(qū)特殊的地理優(yōu)勢，在祁連山區(qū)河流上進(jìn)行了較多引水式水電站的開發(fā)[1-2]。水電站建成后，改變了下游河道的水文條件，在大壩和下游廠房之間形成減水河段，減水河段對(duì)河流的生態(tài)環(huán)境造成極大破壞，尤其是枯水期減水河段出現(xiàn)斷流，水生生物因喪失棲息地而死亡，局部生態(tài)系統(tǒng)由水生演變成陸生，河流自凈能力減弱，河道污染加劇[3]。為了恢復(fù)水生生物的生態(tài)環(huán)境，引水式水電站在建設(shè)、運(yùn)行時(shí)要考慮最小生態(tài)流量，以滿足下游生態(tài)環(huán)境的最低要求。生態(tài)流量的確定是目前水利水電工程中一個(gè)較為復(fù)雜的問題，由于其關(guān)系到水資源的合理利用、生態(tài)保護(hù)和工程最大效益的發(fā)揮，因此合理確定水利水電工程的生態(tài)流量和運(yùn)行管理方式十分重要。祁連山區(qū)引水式水電站附近水文測站較少，缺乏實(shí)測水文資料，減水河段的最小生態(tài)流量難以計(jì)算。因此，研究減水河段最小生態(tài)流量的計(jì)算方法是非常必要的，且對(duì)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

黑河干流發(fā)源于祁連山主峰南麓，在上游分為東西兩岔，東岔八寶河由東南向西北流，于黃藏寺匯入黑河，干流長108 km;西岔自西北向東南流，于黃藏寺右納八寶河，河長194 km。東西兩岔在黃藏寺匯合后，折向北流至鶯落峽出祁連山，進(jìn)入張掖盆地，于正義峽穿越走廊北山，向北進(jìn)入鼎新灌區(qū)及內(nèi)蒙古自治區(qū)，最后入居延海[4-5]。黑河干流從祁連山發(fā)源地到尾閭居延海全長約928 km，其中甘肅省境內(nèi)河長432 km[6]。黑河干流水文站主要有札馬什克、鶯落峽及其支流八寶河祁連水文站[7]，札馬什克水文站位于青海省祁連縣札馬什克鄉(xiāng)，控制流域面積4 589 km2;鶯落峽水文站位于張掖市甘州區(qū)龍渠鄉(xiāng)鶯落峽，控制流域面積10 009 km2，支流八寶河祁連水文站位于青海省祁連縣八寶鄉(xiāng)，控制流域面積2 452 km2。黑河干流自上而下建設(shè)有寶瓶河水電站、三道灣水電站、二龍山水電站、大孤山水電站、小孤山水電站、龍首二級(jí)（西流水）水電站、龍匯水電站和龍首一級(jí)水電站[6-7]，總裝機(jī)容量681.50 MW，其中龍首一級(jí)水電站為壩后式電站，不涉及生態(tài)流量。

2 研究資料與方法

（1）主要水文站多年平均流量計(jì)算。生態(tài)流量計(jì)算采用的水文站實(shí)測徑流資料來源于經(jīng)甘肅省水文水資源局整編審查、黃河水利委員會(huì)水文局組織匯編和水利部水文局組織審查刊印的《中華人民共和國水文年鑒》，筆者并對(duì)其可靠性、一致性和代表性進(jìn)行了分析。札馬什克水文站1959年設(shè)站，至2015年，徑流資料系列長為57 a。鶯落峽水文站始建于1943年10月，觀測項(xiàng)目較齊全，測驗(yàn)精度較高，完整連續(xù)資料為1945—2015年，觀測資料系列長為71 a。祁連水文站1968年設(shè)站，至2015年，資料系列長為48 a。各水文站多年平均流量、多年平均徑流量見表1。

（2）取水?dāng)嗝娑嗄昶骄髁坑?jì)算。各水電站取水?dāng)嗝嫣幋蠖嗳狈?shí)測水文資料，流量的計(jì)算方法有水文比擬法、徑流深等值線法等。黑河干流7座引水式電站斷面處流量采用水文比擬法[8-9]計(jì)算得到。工程控制斷面集水面積與水文站集水面積相差不超過20%，且在同一河流的上下游，流域內(nèi)暴雨分布均勻、一致，因此采用上下游面積比擬法計(jì)算確定水電站取水?dāng)嗝娑嗄曛鹪缕骄髁?，面積比擬法計(jì)算公式：

（3）生態(tài)流量及計(jì)算方法。從廣義上來說，生態(tài)流量是維持河湖生物多樣性健康可持續(xù)發(fā)展的流量，包括保持河道形態(tài)穩(wěn)定的輸沙流量、保持河湖水質(zhì)要求的污染物降解流量、維持河口咸淡平衡的流量等。從狹義上來說，生態(tài)流量是維系河流生態(tài)與環(huán)境需要的最小流量[10-11]。目前，各行各業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在表述形式上各有不同，如生態(tài)需水量（含最小或適宜生態(tài)流量）、生態(tài)基流、生態(tài)環(huán)境需水量、生態(tài)敏感需水、最低生態(tài)水位、最小流量等。其中，生態(tài)基流是保障河流最基本的環(huán)境功能不被破壞，在河道中常年流動(dòng)的最小水量（或流量）臨界值[12-15]。

選取黑河札馬什克、鶯落峽、祁連3個(gè)水文站多年逐月徑流資料，運(yùn)用年內(nèi)展布法、改進(jìn)年內(nèi)展布法及逐月最小生態(tài)流量等計(jì)算方法，分析黑河干流各站點(diǎn)不同月份生態(tài)流量變化趨勢，并結(jié)合Tennant評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各方法計(jì)算的生態(tài)流量進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中改進(jìn)年內(nèi)展布法將特定頻率P=95%下的河道年徑流量與除去極豐和極枯年份年徑流資料計(jì)算的最小年平均流量進(jìn)行耦合，代替多年最小年平均流量，確定多年平均流量與最小年平均流量的同期均值比。

3 生態(tài)流量計(jì)算

（1）調(diào)整的Tennant法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)黑河干流區(qū)域氣候特點(diǎn)及引水式電站所在河道內(nèi)主要魚類（鯽魚、草魚、鯉魚等）的產(chǎn)卵育幼期，將Tennant法的一般用水期由原來的10月至次年3月調(diào)整為11月至次年3月，魚類產(chǎn)卵育幼期由4—9月調(diào)整為4—10月[16-20]，并結(jié)合黑河干流水文情況確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

（2）最小生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果。運(yùn)用改進(jìn)年內(nèi)展布法、逐月最小生態(tài)流量、年內(nèi)展布法、NGPRP法[21-28]對(duì)黑河札馬什克、祁連、鶯落峽3個(gè)水文站進(jìn)行最小生態(tài)流量計(jì)算，見表3。

采用調(diào)整的Tennant法對(duì)上述4種方法計(jì)算結(jié)果的合理性進(jìn)行檢驗(yàn)。從表3可以看出，非汛期最小生態(tài)流量占比均在40%以上，汛期最小生態(tài)流量占比在20%以上。根據(jù)Tennant法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，非汛期評(píng)價(jià)等級(jí)在很好以上，汛期評(píng)價(jià)等級(jí)在一般以上。另外，由表3明顯看出，鶯落峽站汛期最小生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果占比，逐月最小生態(tài)流量法為32.90%，評(píng)價(jià)等級(jí)為較好，年內(nèi)展布法為23.72%，評(píng)價(jià)等級(jí)為一般，而改進(jìn)年內(nèi)展布法與NGPRP法計(jì)算結(jié)果占比分別為76.20%、71.07%，評(píng)價(jià)等級(jí)均為最佳。理論上，計(jì)算的最小生態(tài)流量應(yīng)恰好滿足水生生物的最低生活條件，也就是取年平均流量的10%作為生態(tài)基流值即可，但為了生態(tài)系統(tǒng)的長遠(yuǎn)發(fā)展，應(yīng)預(yù)留一定的空間[21]。年內(nèi)展布法與改進(jìn)年內(nèi)展布法相比，計(jì)算結(jié)果不穩(wěn)定，誤差較大。黑河干流河道狹窄，水流湍急，河底坡降大[29]，逐月最小生態(tài)流量只適用于水流和水質(zhì)條件改變較小的河流[30]。因此，取評(píng)價(jià)等級(jí)為最佳的NGPRP法和改進(jìn)年內(nèi)展布法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行耦合，并將取其內(nèi)包線作為最小生態(tài)流量過程。鶯落峽站最小生態(tài)流量過程見圖1。

以黑河干流下游鶯落峽站資料為例，運(yùn)用水文比擬法計(jì)算黑河干流7座引水式電站各月最小生態(tài)流量，見表4。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，黑河干流各水電站最小生態(tài)流量各月均值為8.43～83.99 m3/s，各月均值呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，從1月開始逐漸增大，到7月達(dá)到最大值，8—12月最小生態(tài)流量持續(xù)減小。

4 結(jié) 論

（1）提出了一種更為穩(wěn)定、合理的計(jì)算河道最小生態(tài)流量的改進(jìn)年內(nèi)展布法，該方法不僅避免了年內(nèi)展布法計(jì)算結(jié)果不穩(wěn)定以及誤差較大的情況，而且消除了極豐和極枯年份河道年平均流量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。將特定頻率P=95%下的河道年平均流量與除去極豐和極枯年份徑流資料計(jì)算的最小年平均流量進(jìn)行耦合，代替多年最小年平均流量，確定多年平均流量與最小年平均流量的同期均值比，進(jìn)而計(jì)算出河道最小生態(tài)流量。

（2）根據(jù)調(diào)整的Tennant法檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合各方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適應(yīng)性，取評(píng)價(jià)等級(jí)為最佳的NGPRP法和改進(jìn)年內(nèi)展布法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行耦合，并取其內(nèi)包線作為水文站最小生態(tài)流量過程。

（3）黑河干流引水式水電站最小生態(tài)流量各月均值為8.43～83.99 m3/s，呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，從1月開始逐漸增大，到7月達(dá)到最大值，8—12月持續(xù)減小。

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【責(zé)任編輯 呂艷梅】