水利水電工程蓄水期生態(tài)流量泄放措施研究

王明疆， 張錦堂， 郭浩洋， 周丹順， 孫 斌

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司， 陜西 西安 710065)

生態(tài)基流是使水域生物及河岸帶處于健康狀態(tài)的最小流量，是維持河流形態(tài)和基本生態(tài)功能的保障[1-4]。在水利水電工程的蓄水過程中，如不采取措施，往往會導致下游河段出現(xiàn)減水脫流現(xiàn)象，繼而引發(fā)一系列的河流生態(tài)系統(tǒng)問題。為保障河流生態(tài)系統(tǒng)的健康及可持續(xù)發(fā)展，水利水電工程在蓄水期要根據(jù)工程實際，采取相應措施保證下泄一定的生態(tài)流量[5-6]。

本文在調(diào)研工程實例的基礎上，系統(tǒng)歸納了水利水電工程蓄水期常用的生態(tài)流量泄放方案，以及導流洞下閘期間生態(tài)流量的泄放措施。研究成果可為后續(xù)水利水電工程蓄水期生態(tài)流量泄放方案的制定提供決策依據(jù)。

1 蓄水期常用生態(tài)流量泄放方案

對于水利水電工程蓄水期生態(tài)流量的泄放，通常結合項目實際，綜合考慮施工組織和經(jīng)濟性來確定合適的生態(tài)流量泄放設施。

1.1 分期圍堰導流的水利水電工程

采用分期圍堰導流的水利水電工程，在一期通過束窄的河床過流，在二期導流時一般通過一期工程修建的導流泄水建筑物——底孔、缺口等過流，過流條件好、泄流量較大，在蓄水時段可以利用一期修建的泄水建筑物的控制閘門等控泄生態(tài)流量，故分期圍堰導流的水利水電工程蓄水期生態(tài)流量泄放一般不需考慮專門的泄放設施即可滿足要求。

1.2 導流洞導流的水利水電工程

采用一次攔斷河床、導流洞導流的水利水電工程，根據(jù)不同的工程特點，蓄水期常用的生態(tài)流量的泄放方案如下。

對于土石壩等不便在壩身開孔的水利水電工程，在導流洞封堵后可采用單獨設置生態(tài)供水洞或者通過改建導流洞，在導流洞封堵體上布置放水孔泄放生態(tài)流量。

對于混凝土重力壩、拱壩等壩型的水利水電工程，在導流中后期一般會通過壩身開孔來滿足過流，故在蓄水期間一般通過導流底孔等導流設施泄放生態(tài)流量。根據(jù)導流程序、導流底孔等導流設施出口閘門的形式(平板閘門/弧形閘門)，此類工程在下閘后，蓄水期生態(tài)放水方案大致可分為分層孔洞接力放水和高水頭閥門控泄放水兩種運行方案。

以上各種蓄水期生態(tài)流量泄放方案的對比如表1所示。

表1 蓄水期生態(tài)流量泄放方案對比表

2 導流洞下閘期間生態(tài)流量泄放方式研究

采用導流洞導流的水利水電工程，在導流洞下閘時，往往上游水位還未達到銜接泄水建筑物的高程，會造成短暫的斷流，引起下游河段的減水脫流。為了避免出現(xiàn)這種情況，在導流洞下閘期間，應采取必要的措施向下游補水。

通過統(tǒng)計已建和在建的水利水電工程實例，導流洞下閘期間的生態(tài)流量泄放主要有以下幾種類型。

2.1 常規(guī)生態(tài)補水措施

為了避免斷流，保證導流洞下閘期間生態(tài)流量的泄放，常規(guī)的工程措施是增加在下閘期間能向下游供水的(臨時或者永久)通道，常見的措施及工程實例有：

1) 在導流洞上布置臨時生態(tài)放水管

小井溝水利工程[11]所需生態(tài)流量較小，在導流洞下閘封堵后，水位到達永久生態(tài)放水洞(可提供生態(tài)流量)之前，通過導流洞底預埋的臨時生態(tài)放水管向下游提供生態(tài)流量，之后，對臨時生態(tài)放水管進行封堵。

在導流洞上設置生態(tài)流量放水管是較為常規(guī)的做法，這種方法工程投資相對較省，能夠滿足下泄生態(tài)流量的要求，但這種放水措施一般應用于下泄生態(tài)流量較小的工程，且會對導流洞封堵工作產(chǎn)生一定的干擾。

2) 設置泵站向下游供水

隔河巖水利樞紐工程[12]從導流洞下閘至上游水位上升至底孔過水，需要約7天時間，為了解決此段時間內(nèi)的斷流問題，采用設置泵站向下游供水的方案。利用特殊加工的大浮箱體，安裝布置4臺水泵，將此浮動泵站布置在大壩上游基坑內(nèi)，向下游補充水量。

采用泵站抽水跨過大壩泄放生態(tài)流量基本上可以適用于任何水利水電工程，技術可行、風險相對較小，但其設備投資和運行費用很高，也易受到揚程過高和流量過大等因素的限制。

3) 設置旁通洞向下游供水

大渡河猴子巖水電站[13]為了解決導流洞下閘到泄洪放空洞過水期間向下游下泄生態(tài)流量的問題，在導流洞進口附近布置了一條旁通洞，旁通洞進口位于2#導流洞進口邊墻，出口位于1#導流洞洞身段邊墻，在導流洞下閘時打開旁通洞閘門，通過1#導流洞下泄生態(tài)流量，如圖1所示。在水位上升，泄洪放空洞下泄流量達到生態(tài)流量時，旁通洞下閘。

圖1 旁通洞平面示意圖

當下閘期間所需生態(tài)流量較大時，結合工程實際情況，可采取在導流洞進口處布置旁通洞的措施向下游供水。旁通洞過流流量較大，可滿足下泄生態(tài)流量要求，同時旁通洞啟閉機容量小，操作布置較為容易，技術相對可靠，風險相對較小。但旁通洞及其閘室結構復雜，與導流洞閘室及進口段結構存在施工干擾，且旁通洞過流流速大，出口處水流會對該段導流洞襯砌結構產(chǎn)生不利影響。

2.2 特殊生態(tài)補水措施

由于導流洞下閘所引起的下游河道減水或者斷流時間一般較短，充分結合工程實際，突破傳統(tǒng)思維束縛，利用已有條件來解決下閘期間的生態(tài)放水問題，往往能在滿足生態(tài)放水要求的前提下，簡化導流程序，取得顯著的經(jīng)濟效益。

1) 利用下游圍堰形成水池向下游供水

功果橋水電站[14]在導流洞下閘期間，結合工程特點，對下游過水圍堰進行適當加高，形成壩下、堰前生態(tài)蓄水池(可蓄水60萬m3)，在導流洞下閘至永久底孔泄放生態(tài)流量前的約3h蓄水期間，利用下游圍堰預留的充水道作為泄水通道，將生態(tài)蓄水池存水下泄至河道，保證了下游河道的生態(tài)用水需求。

2) 汛期下閘，利用下游支流及匯水解決生態(tài)流量問題

光照水電站[15]所在的北盤江流域降水極不均勻，主汛期之后流域內(nèi)降雨量會顯著減少，如果選擇在枯水季節(jié)下閘蓄水，需采取專門的工程措施從導流洞下泄生態(tài)流量。但是，若選擇在汛期下閘，這樣蓄水期短、主河道流量大，同時周邊沖溝、光照小河以及西泌河等支流匯入主河道的流量也很大，則能滿足生態(tài)流量需求。

3) 導流洞平板閘門局部開啟下泄生態(tài)流量

金川水電站[16]在設計過程中對生態(tài)流量下泄方式進行了優(yōu)化，討論了采用導流洞閘門局部開啟的控泄方式向下游供水的可行性。計劃在導流洞閘門下放到距離底板0.8 m時，通過孔口控泄生態(tài)流量，并保持閘門開度不變，使水庫水位不斷上升，當導流洞進口水頭為24.7m時，泄洪洞過流可滿足生態(tài)流量需求，此時，閘門下放至底板高程并完全封閉。

2.3 通過調(diào)度保障下游河段生態(tài)需求

一些梯級電站在導流洞下閘期間，可以通過對下游電站水庫進行調(diào)節(jié)，使下游水庫回水達到壩址下游，高于天然河道水位，不造成下游河道減水脫流，從而避免增加工程設施，不但節(jié)省了相關放水設施的投資，還簡化了施工程序、縮短了工期。采用此類方法保障下游河段生態(tài)流量需求的工程有溪洛渡水電站[17]、白鶴灘水電站[18]、拉西瓦水電站等。

3 結論及展望

3.1 結 論

水利水電工程蓄水期生態(tài)流量的泄放措施應充分考慮工程特點和施工組織，采用最為簡便經(jīng)濟的泄放方式。當采用特殊生態(tài)補水措施時，應充分論證泄放方案的安全性和可靠性，并在保證工程質(zhì)量的前提下實施。

3.2 展 望

水利水電工程施工期導流洞下閘至下一級銜接泄水建筑物過流雖然時間短暫，但是為了保證下泄生態(tài)流量，往往需要專門布置工程措施，耗費巨大。雖然目前河流生態(tài)流量的計算方法繁多，但是鮮見關于短暫的減水脫流對河道生態(tài)系統(tǒng)影響的敏感性研究，也沒有針對短暫時段下最小生態(tài)需水量的計算方法。因此，筆者認為，應結合河道水文要素研究短暫時段最小生態(tài)需水量與長期生態(tài)需水量之間的關系，以及進行短期減水脫流對河道生態(tài)系統(tǒng)影響的敏感性分析。以期在保證河道生態(tài)健康的情況下優(yōu)化生態(tài)流量的泄放過程。