小水電站減脫水段最小生態(tài)流量計(jì)算
——以盤溪梯級(jí)水電站為例

李陽，林錦

(1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029;2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098)

小水電屬于清潔、綠色可再生能源,不存在資源枯竭問題，也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，是推進(jìn)節(jié)能減排、改善大氣環(huán)境的有效舉措之一。我國(guó)小水電站量大面廣，小水電站的運(yùn)行調(diào)節(jié)了河流水量，改變了河流水文過程，當(dāng)大壩蓄水或者通過引水壩引流出部分水量進(jìn)行發(fā)電時(shí)，下游一段區(qū)域內(nèi)的流量就會(huì)減少，甚至出現(xiàn)斷流的情況，勢(shì)必會(huì)給生態(tài)環(huán)境造成不利影響，流量減少的這部分河段即為河流的減脫水段[1-3]。生態(tài)流量下泄不足是造成減脫水段生態(tài)惡化的主要原因。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)生態(tài)流量的研究主要集中在大江大河，對(duì)中小河流特別是小水電站減脫水河段生態(tài)流量的研究較少，對(duì)可選用的生態(tài)流量計(jì)算方法也缺乏科學(xué)分析，相當(dāng)一部分小水電站還沒有確定最小生態(tài)流量[4-6]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)外生態(tài)流量計(jì)算方法已有200多種，這些方法大致可分為水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地定額法以及整體法4類[7-11]。由于小水電站多建于山區(qū)，位置偏僻且通信不便，資料短缺情況常見，研究者在概算生態(tài)流量時(shí)多以資料獲取程度和投入成本作為計(jì)算方法的選用標(biāo)準(zhǔn)。其中，水文學(xué)法作為計(jì)算生態(tài)流量的經(jīng)典方法，是指基于實(shí)測(cè)或還原的歷史流量系列資料，選取天然流量百分比或者某一保證率下的流量作為生態(tài)流量，以Tennant法、年內(nèi)展布法、頻率法等為代表，其原理簡(jiǎn)單、易操作，尤其在資料缺乏地區(qū)具有優(yōu)勢(shì)[12-18]。隨著生態(tài)流量研究的不斷深入，新的生態(tài)流量計(jì)算方法及工具也在不斷增加，如何在眾多方法中選取最為適合的、更加準(zhǔn)確的方法，成為生態(tài)流量研究中待解決的問題之一。

以盤溪梯級(jí)水電站的大洋水庫(kù)為例，根據(jù)研究區(qū)域資料情況，采用改進(jìn)的Tennant法、年內(nèi)展布法、Q90法、改進(jìn)的頻率法以及NGPRP(northern great plains resource program)法等水文學(xué)方法計(jì)算最小生態(tài)流量，經(jīng)合理性分析，提出最適合該地區(qū)的最小生態(tài)流量計(jì)算方法，并計(jì)算了盤溪一級(jí)電站至四級(jí)電站區(qū)間最小生態(tài)流量過程。該思路計(jì)算得到的結(jié)果既反映了該地區(qū)季節(jié)性河流的水文情勢(shì)變化特性，又能在枯水季節(jié)維持所選定保證率下的河道水生態(tài)環(huán)境的最小流量。研究成果對(duì)我國(guó)小水電最小生態(tài)流量研究具有參考價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

盤溪梯級(jí)水電站位于浙江省縉云縣胡源鄉(xiāng)，始建于1970年，屬于典型的龍頭水庫(kù)梯級(jí)開發(fā)模式，龍頭水庫(kù)為大洋水庫(kù)。該水電站共開發(fā)了七級(jí)水電站，分別是：盤溪一級(jí)、盤溪二級(jí)、盤溪三級(jí)、盤溪四級(jí)、天生橋、盤溪五級(jí)和盤溪六級(jí)水電站，盤溪梯級(jí)電站分布見圖1。其中，盤溪一級(jí)電站至四級(jí)電站位于盤溪上游，通過引水系統(tǒng)連續(xù)發(fā)電，即上一級(jí)尾水直接通過引水系統(tǒng)引至下一級(jí)電站發(fā)電，其間不回歸天然河道，并最終于盤溪四級(jí)電站處匯入原河道，故一級(jí)電站至四級(jí)電站區(qū)間天然河道內(nèi)流量減少形成了減脫水河段。本文主要針對(duì)一級(jí)電站至四級(jí)電站的最小生態(tài)流量進(jìn)行研究計(jì)算。

圖1 盤溪梯級(jí)電站分布Fig.1 Distribution diagram of Panxi cascade hydropower station

2 研究資料與思路方法

2.1 研究資料

利用大洋水庫(kù)的水文資料開展最小生態(tài)流量計(jì)算研究，在盤溪流域內(nèi)無實(shí)測(cè)流量資料，但流域附近設(shè)有多個(gè)雨量站、水文站，其中：砩頭水文站流域集水面積18.4 km2，多年平均降水量1 715 mm；大洋水庫(kù)集水面積20.1 km2，多年平均降水量1 671.6 mm。兩站流域集水面積較為相似，多年平均降水量接近，位置靠近，域內(nèi)地形均以山地為主。根據(jù)《2020年浙江省水資源公報(bào)》中全省年徑流深等值線圖所示，參證流域與設(shè)計(jì)流域徑流特征分布趨勢(shì)一致。砩頭站建于1966年，具有較長(zhǎng)設(shè)計(jì)徑流資料系列。以砩頭站為參證站，將砩頭站逐日降雨徑流模型有關(guān)參數(shù)移用于本地區(qū)，利用設(shè)計(jì)流域1961—2011年歷年各月逐日降水量和逐日蒸發(fā)量，經(jīng)分析計(jì)算，求得大洋水庫(kù)庫(kù)區(qū)1961—2011年歷年逐日徑流過程。大洋水庫(kù)至盤溪二級(jí)電站、二級(jí)電站至三級(jí)電站、三級(jí)電站至四級(jí)電站區(qū)間年徑流推求采用水文比擬法進(jìn)行，以大洋水庫(kù)為參照點(diǎn)，得到歷年各月平均流量。

2.2 計(jì)算思路及方法

首先，按照三生用水統(tǒng)籌原則，建議最小生態(tài)流量保證率為95%，僅次于基本生活用水，高于一般工業(yè)用水。以大洋水庫(kù)作為研究站點(diǎn)，基于該研究站點(diǎn)可獲取的長(zhǎng)系列還原徑流數(shù)據(jù)等資料，采用改進(jìn)的Tennant法、年內(nèi)展布法、Q90法、改進(jìn)的頻率法、NGPRP法，分別對(duì)大洋水庫(kù)應(yīng)下泄最小生態(tài)流量進(jìn)行計(jì)算。

其次，采用大洋水庫(kù)近30年還原徑流數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)上述各種方法計(jì)算結(jié)果的合理性，即評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果在該斷面天然徑流過程中滿足設(shè)定保證率的程度。若滿足程度明顯超出或者低于設(shè)定的保證率要求，則認(rèn)為該計(jì)算方法不適用于大洋水庫(kù)。

最后，通過多種方法的對(duì)比篩選出適合大洋水庫(kù)最小生態(tài)流量的計(jì)算方法。在滿足設(shè)定保證率基礎(chǔ)上，將多種適宜方法計(jì)算的最小生態(tài)流量的內(nèi)包線作為該河段的最小生態(tài)流量過程。

3 生態(tài)流量計(jì)算

3.1 計(jì)算過程

3.1.1改進(jìn)的Tennant法

Tennant法[19-21]，也叫蒙大拿法，以河道多年平均徑流量作為基礎(chǔ)，根據(jù)不同的需水情況和來水情況，選取一定的頻率計(jì)算河道生態(tài)流量，通常以年平均流量的10%作為河道最小生態(tài)流量。該方法是一種最簡(jiǎn)單、最方便的生態(tài)流量計(jì)算方法，但其計(jì)算結(jié)果僅為一單一數(shù)值，忽略了河流的水文情勢(shì)變化，故常作為一種參考或者檢驗(yàn)方法。

本文采用改進(jìn)的Tennant法計(jì)算最小生態(tài)流量，即在Tennant方法的基礎(chǔ)上，將所有年份進(jìn)行豐(保證率<25%)、平(25%≤保證率≤75%)和枯水年(保證率>75%)分組，并對(duì)不同來水年各月份分別計(jì)算最小生態(tài)流量。

當(dāng)秋、冬季來水量較小時(shí)，應(yīng)保證河流最小生態(tài)流量，即不同來水年下各月多年平均流量的10%分別作為最小生態(tài)流量下限。在春夏降雨量較多且正值魚類產(chǎn)卵育幼的季節(jié)，應(yīng)采用不同來水年下各月平均流量的30%作為河流的最小生態(tài)流量?；诖耍酶倪M(jìn)的Tennant法最終確定豐、平、枯不同來水年各月最小生態(tài)流量過程，計(jì)算結(jié)果見表1，過程見圖2。

表1 改進(jìn)的Tennant法計(jì)算的不同來水年各月最小生態(tài)流量Tab.1 The monthly minimum ecological flow for different water years calculated by the improved Tennant method 單位：m3/s

圖2 改進(jìn)的Tennant法計(jì)算的不同來水年各月最小生態(tài)流量過程線Fig.2 The process line of the minimum ecological flow in different water years and months calculated by the improved Tennant method

3.1.2年內(nèi)展布法

年內(nèi)展布法[22-23]基于歷史流量資料，以年最小徑流總量與多年平均徑流總量二者之間的比值，得到各月生態(tài)流量與各月多年平均徑流量之間的關(guān)系，以此確定最小生態(tài)流量。該方法克服了Tennant法取多年平均流量的特定比例的主觀性，能夠定量地反映生態(tài)流量隨河流水文情勢(shì)的變化情況。

統(tǒng)計(jì)分析長(zhǎng)系列水文徑流資料，利用皮爾遜Ⅲ型曲線，得到不同保證率下的年徑流量，同時(shí)為避免極枯與極豐年份數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，除去5%以下和95%以上的數(shù)據(jù)，以確保資料可靠合理。多年平均徑流量、最小年徑流量以及各月最小生態(tài)流量計(jì)算公式為

(1)

(2)

(3)

Qmin(i)=min(Qij)

(4)

(5)

(6)

根據(jù)公式(1)～(4)對(duì)大洋水庫(kù)應(yīng)下泄的最小生態(tài)流量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 年內(nèi)展布法計(jì)算得到的大洋水庫(kù)各月應(yīng)下泄的最小生態(tài)流量Tab.2 The minimum ecological flow that should be discharged from the Dayang reservoir in each month calculated by the spread method during the year 單位：m3/s

3.1.3Q90法

Q90法[24]對(duì)各年的月平均流量的最小月份流量值排頻，將其90%保證率下的流量值作為最小生態(tài)流量。根據(jù)大洋水庫(kù)1961—2011年歷史流量數(shù)據(jù)，獲得歷年月平均流量最小值并進(jìn)行排頻，算得90%保證率對(duì)應(yīng)的流量即0.019 m3/s，作為大洋水庫(kù)應(yīng)下泄的最小生態(tài)流量。

3.1.4改進(jìn)的頻率法

頻率法[25]是對(duì)多年時(shí)段流量系列進(jìn)行頻率分析和配線，建立流量與頻率之間的函數(shù)關(guān)系，以選定的某一枯水期頻率的流量作為該時(shí)段的最小生態(tài)流量。

改進(jìn)的頻率法利用多項(xiàng)式擬合各時(shí)段的流量頻率曲線，建立流量與頻率之間的函數(shù)關(guān)系，并把水深、流速等水力要素作為修正和參考標(biāo)準(zhǔn)因素之一。在滿足這些生態(tài)水力要素要求的基礎(chǔ)上，以枯水期頻率計(jì)算各月最小生態(tài)流量過程。計(jì)算過程如下。

對(duì)某時(shí)段(按旬、季、豐水期、枯水期等時(shí)段劃分單位，為方便與其他方法對(duì)比，以月為單位進(jìn)行時(shí)段劃分)的多年流量系列從大到小排序計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率P，對(duì)流量與經(jīng)驗(yàn)頻率進(jìn)行擬合，建立流量q與P之間的函數(shù)關(guān)系。經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算的表達(dá)式為

(5)

式中：m為流量按從大到小排序后的序號(hào)(計(jì)算時(shí)為避免特大流量對(duì)計(jì)算結(jié)果造成影響，可將其剔除)；qm為對(duì)應(yīng)m排序的流量；N為樣本序列容量。

各月份的流量頻率擬合效果見圖3。

圖3 大洋水庫(kù)不同月份流量頻率擬合效果Fig.3 Comparison diagram of empirical frequency and fitting frequency of discharge of Dayang reservoir in different months

以75%的頻率作為枯水期頻率進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)流量頻率函數(shù)初步推求最小生態(tài)流量。以水深、流速作為約束條件，為保持河道的基本生態(tài)功能，取本地典型魚類體長(zhǎng)的2～3倍記作生態(tài)水深；以當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì)或典型魚類的適宜流速作為生態(tài)流速(當(dāng)?shù)責(zé)o洄游性魚類，流速要求較小)，確定生態(tài)水深為0.3 m，生態(tài)流速為0.02 m/s。在生態(tài)水力要素的控制下，對(duì)頻率曲線法計(jì)算的生態(tài)流量重新修正，得到修正后各月最小生態(tài)流量，見表3。

表3 改進(jìn)的頻率法計(jì)算得到的大洋水庫(kù)應(yīng)下泄的最小生態(tài)流量Tab.3 Minimum ecological flow that should be discharged from the Dayang reservoir calculated by the improved frequency method 單位：m3/s

3.1.5NGPRP法

NGPRP[26]法是指基于不同水文年的差別，將水文系列分為豐、平、枯水年組，取平水年組中各月流量90%保證率下的流量值作為最小生態(tài)流量。

針對(duì)大洋水庫(kù)1960—2011年的基本水文資料，基于上文中改進(jìn)的Tennant法篩選得到的平水年基本數(shù)據(jù)，對(duì)該數(shù)據(jù)排頻分析，得到90%保證率下的流量0.067 m3/s作為大洋水庫(kù)應(yīng)下泄的各月最小生態(tài)流量。

3.2 對(duì)比分析

利用上述5種方法計(jì)算大洋水庫(kù)應(yīng)下泄的最小生態(tài)流量見表4。

表4 不同方法計(jì)算的各月最小生態(tài)流量Tab.4 Minimum ecological flow calculated by different methods 單位：m3/s

為驗(yàn)證計(jì)算方法的合理性，將5種方法的計(jì)算結(jié)果與選定保證率為95%的最小生態(tài)流量比較分析，以確定適合該研究區(qū)域的最小生態(tài)流量計(jì)算方法。利用1961—2011年95%保證率下的流量數(shù)據(jù)，不同方法計(jì)算結(jié)果與95%保證率下的流量對(duì)比見圖4。

圖4 不同方法計(jì)算結(jié)果與95%保證率對(duì)比Fig.4 Comparison between calculation results by different methods and 95% guarantee rate

通過對(duì)比分析知：改進(jìn)的Tennant法、Q90法以及NGPRP法的計(jì)算結(jié)果滿足程度明顯低于95%保證率，結(jié)果偏差較大；年內(nèi)展布法和改進(jìn)的頻率法得到的各月最小生態(tài)流量在95%保證率的流量線處上下波動(dòng)，滿足程度明顯高于改進(jìn)的Tennant法、Q90法以及NGPRP法。因此，年內(nèi)展布法和改進(jìn)的頻率法更適合于此區(qū)域最小生態(tài)流量計(jì)算，這兩種方法由河道的實(shí)際徑流情況推求得到河道不同月份的最小生態(tài)流量要求能夠更好地適應(yīng)生態(tài)環(huán)境的季節(jié)變化特性。

綜上，考慮到在枯水年、枯水季節(jié)也應(yīng)保證河道的最小生態(tài)流量，在滿足95%保證率的基礎(chǔ)上，采取年內(nèi)展布法和改進(jìn)的頻率法計(jì)算最小生態(tài)流量，并選取2種方法計(jì)算結(jié)果的內(nèi)包線作為大洋水庫(kù)各月應(yīng)下泄的最小生態(tài)流量。各月最小生態(tài)流量值見表5，其變化過程見圖5。

表5 大洋水庫(kù)各月下泄的最小生態(tài)流量Tab.5 ecological discharge of Dayang reservoir in each month 單位：m3/s

圖5 大洋水庫(kù)各月下泄的最小生態(tài)流量Fig.5 Minimum ecological flow of Dayang reservoir in each month

按此思路繼續(xù)計(jì)算二級(jí)和三級(jí)電站應(yīng)下泄的最小生態(tài)流量，最終得到盤溪一級(jí)電站至四級(jí)電站區(qū)間所需的各月最小生態(tài)流量，計(jì)算結(jié)果詳見表6。

表6 盤溪梯級(jí)電站一級(jí)電站至四級(jí)電站各月最小生態(tài)流量Tab.6 Minimum ecological flow of Panxi cascade hydropower stations I～I(xiàn)V 單位： m3/s

2018年盤溪梯級(jí)水電站進(jìn)行生態(tài)改造，取消各級(jí)電站對(duì)上級(jí)電站至本級(jí)電站區(qū)間來水的截流發(fā)電，讓區(qū)間來水回歸減脫水河道，增加河道生態(tài)流量?！犊N云縣盤溪梯級(jí)電站生態(tài)示范區(qū)(增效擴(kuò)容改造增值)工程設(shè)計(jì)報(bào)告》資料顯示，一級(jí)電站至二級(jí)電站區(qū)間多年平均流量0.17 m3/s,二級(jí)電站至三級(jí)電站區(qū)間多年平均流量0.25 m3/s，三級(jí)電站至四級(jí)電站區(qū)間多年平均流量0.40 m3/s，加上盤溪一級(jí)電站泄放的最小生態(tài)流量，均能使各級(jí)電站區(qū)間保證河道生態(tài)需水要求，即大洋水庫(kù)按上述計(jì)算結(jié)果下泄最小生態(tài)流量后，補(bǔ)充一級(jí)電站至二級(jí)電站區(qū)間流量0.17 m3/s，可滿足一級(jí)電站至二級(jí)電站區(qū)間最小生態(tài)流量要求；同時(shí)考慮二級(jí)電站至三級(jí)電站區(qū)間多年平均流量0.25 m3/s后，可滿足二級(jí)電站至三級(jí)電站區(qū)間最小生態(tài)流量要求；加之三級(jí)電站至四級(jí)電站區(qū)間的多年平均流量0.40 m3/s，能夠滿足三級(jí)電站至四級(jí)電站區(qū)間處的最小生態(tài)流量要求。

4 結(jié) 論

采用改進(jìn)的Tennant法、年內(nèi)展布法、Q90法、改進(jìn)的頻率法和NGPRP法等5種方法計(jì)算了盤溪一級(jí)電站至四級(jí)電站最小生態(tài)流量，得到如下結(jié)論。

以盤溪梯級(jí)水電站的大洋水庫(kù)為例，采用改進(jìn)的Tennant法、年內(nèi)展布法、Q90法、改進(jìn)的頻率法以及NGPRP法計(jì)算最小生態(tài)流量。通過進(jìn)一步的合理性分析，提出年內(nèi)展布法和改進(jìn)的頻率法是最適合該地區(qū)的最小生態(tài)流量計(jì)算方法。

在滿足95%保證率的情況下，采取年內(nèi)展布法和改進(jìn)的頻率法計(jì)算最小生態(tài)流量，并選取2種方法的內(nèi)包線作為大洋水庫(kù)各月應(yīng)下泄的最小生態(tài)流量。

經(jīng)計(jì)算得到大洋水庫(kù)下泄的最小生態(tài)流量下限為0.152 m3/s，即枯水年的枯水月份也應(yīng)保證下泄該流量。加上一級(jí)電站至四級(jí)電站各級(jí)區(qū)間來水后，一級(jí)電站至四級(jí)電站區(qū)間河道最小生態(tài)流量均能得到滿足。