梯級水電開發中最小生態流量的研究
——以寶興河為例

陳　忱　卞華鋒　黃　勇　李　鑫

(1.環境保護部環境工程評估中心，北京　100012；2.中日友好環境保護中心，北京　100029；3.長安大學，西安　430070)

?

梯級水電開發中最小生態流量的研究
——以寶興河為例

陳忱1卞華鋒2黃勇1李鑫3

(1.環境保護部環境工程評估中心，北京100012；2.中日友好環境保護中心，北京100029；3.長安大學，西安430070)

【摘要】河流梯級水電開發對河道生態環境造成一定影響，為保證河道基本生態環境用水需要，須保證河道最小下泄流量。在寶興河流域河段上的磽磧電站、寶興電站、小關子電站、銅頭電站布置14個代表斷面，利用MIKE軟件進行斷面形狀繪制及相關水力生境參數計算，建立河道斷面濕周與流量關系曲線，估算推薦最小生態流量。并通過Tennant法、生態水力學法和濕周法三種方法的分析對比，結果表明：①寶興河梯級電站引水式開發對生態流量的影響，表現為枯水期入庫流量增加，豐水期入庫流量減少，平水期則相差不大；②磽磧、寶興、小關子、銅頭電站分別下泄2.39m3/s、3.89m3/s、8.91m3/s和9.86m3/s生態流量，可保證下游生態系統的穩定。

【關鍵詞】寶興河；梯級水電站開發；MIKE；最小生態流量；生態環境

1引言

河流梯級電站的開發將為當地帶來顯著的經濟和社會效益。但是，其在施工建設和運行發電等時期會對下游河流生態造成影響，而且這種影響是流域性的[1]。水電工程改變了河流的天然屬性[2]，對河流從上游到下游都產生了各種不同程度的影響，導致河道形狀的改變，河流連續體中斷，植被退化[3]，生態系統結構破碎化等[4]。尤其是梯級引水式水電開發造成下游局部河段斷流，為保障工程所在流域的生態環境不受影響，擬定下泄的生態流量，即為最小生態流量，協調水資源與社會經濟發展及生態環境保護之間的矛盾[4]。為維持寶興河干流減水條件下的河流生命健康及基本環境功能，各梯級電站必須下泄適宜的生態流量，以滿足河流基本的生態環境需水要求。國內外常用4類計算方法，確定河道內生態需水量[5]：(a)水文指標法(HydrologicalIndexMethods)；(b)水力學法(HydraulicMethods)；(c)棲息地法(HabitatMethods)；(d)整體分析法(HolisticMethods)。不同的河流的地形地貌、生物多樣性以及開發情況不同，其所需的最小生態需水量亦不同。因此研究流域生態需水量及生態環境影響減緩措施，可以更好的保護流域的生態環境。

本文通過對寶興河流域監測和實地調查，分析梯級水電開發對流域水環境的影響，確定流域生態需水量，從而為寶興河流域管理和環境保護提供依據。

2材料與方法

2.1流域概況

寶興河位于四川盆地西部邊緣，發源于夾金山南麓，上游緊靠阿壩高原，為崛江水系青衣江上游主源。地理位置在東經102°36′～103°14′，北緯30°02′～30°57′，全長142km，流域面積3321km2，天然落差3605米，河道平均比降255‰[6]，水電開發條件十分優越。

寶興河流域梯級電站共規劃為“一庫八級”，總裝機1015MW，“一庫”即磽磧龍頭水庫，八個梯級電站從上至下依次為：磽磧、民治、寶興、小關子、銅頭、靈關河、飛仙關和雨城水電站，目前寶興河段已建成磽磧、寶興、小關子、銅頭、雨城5座水電站[7]。

2.2水文監測斷面設置

為進行水深、流速、流量、過水斷面參數等的測定，沿寶興河從上游磽磧電站至下游銅頭電站共布設14個監測斷面，斷面布設位置見表1。

2.3最小生態流量計算方法

根據《關于印發<水電水利建設項目河道生態用水、低溫水和過魚設施環境影響評價技術指南(試行)>的函》(環評函[2006]4號)，維持水生生態系統穩定所需水量的計算方法主要有水文學法、水力學法、組合法、生境模擬法、綜合法和生態水利學法[8]。其中：組合法需要建立生物數據和環境條件的關系來判斷生物對流量需求和變化的影響；生境模擬法需要用大量詳細的流量、河道水力學和生物特征等信息，且該方法本身操作比較復雜；綜合法需要從系統的角度分析生態與環境的關系，研究周期較長。這三種方法在實際應用中常受到限制，較難實現。

表1　寶興河研究河段橫斷面設置表

圖1　寶興河研究河段橫斷面設置

綜合工程所在地環境狀況、資料獲取及研究周期情況，本次寶興河梯級電站生態流量值復核采用水文學法中的Tennant法、生態水力學法、水力學法中的濕周法進行比較計算、分析。

(1)水文學法(Tennant法)。Tennant法以預先確定的年平均流量百分數作為河流推薦流量，比較適合河流進行最初的目標管理和河流的戰略性管理。采用Tennant法計算時，各梯級電站按照最小生態流量不小于多年平均流量10%的標準計算，考慮下游生態用水及景觀用水需要，按多年平均流量10%、15%、20%、30%的標準計算。一般研究認為，當枯水期河流基流為多年平均流量的20%時，可保護魚類、野生動物、生態景觀處于良好狀態，基流量為多年平均流量的30%時，可達到水生生物生長的滿意流量。

(2)生態水力學法。生態水力學法是指通過水生生物適應的水力生境參數確定合適的流量[9]。該方法假設水深、流速、水面寬、濕周、過水斷面的面積、水面面積以及水溫是流量變化對物種數量與分布造成影響的主要水力生境參數[8-10]。

本次調查研究過程中，對寶興河干流自上游磽磧梯級至下游銅頭梯級共計476km的減水河段，布設了14個典型斷面進行各斷面的水力生境參數計算。計算的流量條件分別是：多年平均流量的10%、15%、20%、30%，以及枯水期多年平均流量。計算的水力生境參數包括最大水深、平均水深、水面寬度、平均流速、過水斷面、濕周、濕周率、水面面積等。應用MIKE11軟件進行研究河段縱向一維水力計算，計算結果參照“指南”的標準進行分析判別，從而推算滿足標準的最小流量。

(3)濕周法。濕周法采用濕周作為棲息地的質量指標，繪制臨界棲息地區域濕周與流量的關系曲線，根據濕周流量關系中的轉折點確定河道推薦流量值。

3結果與分析

3.1水文學法(Tennant法)

根據寶興河流域各電站壩址處多年平均流量，利用tennant方法可以得到多年平均流量10%、15%、20%、30%的標準計算值，見表2。

表2　寶興河梯級電站Tennant法計算生態流量(m3/s)

3.2生態水力學法

應用MIKE11軟件進行研究河段縱向一維水力計算，即對磽磧電站(21#、20#、19#、18#)、寶興電站(14#、13#、12#、11#、10#)、小關子電站(9#、8#、7#)、銅頭電站(4#、3#)各電站處所布設的14個代表斷面進行水力計算，由于篇幅有限，沒有展示斷面形狀圖。

由斷面形狀圖，可獲取斷面處水深、水面寬度、濕周、斷面面積等水力學參數，并根據得到的結果參照“指南”標準進行不同流量下各水力參數沿程變化分析。磽磧、寶興、小關子、銅頭梯級壩址下泄不同流量時最大水深、平均水深、流速、濕周等水力參數沿程變化因篇幅有限省略。

運用生態水力學法進行比較計算、分析，結果參照“指南”的標準進行分析判別，見表3。從表中可以看出，寶興河各梯級電站下泄生態流量在大部分工況下(除小關子電站和銅頭電站的枯水期多年平均流量工況)，過水斷面面積和水面寬度兩個指標都無法滿足最低標準要求。這可能由于本次研究寶興河為山區河流，河道坡降較大，斷面深切，水深和流速則相對較大。從表中可以看到，平均水深、最大水深、平均流速都遠遠超過了標準要求。因此，考慮不將過水斷面面積和水面寬度納入指標體系。

在不考慮過水斷面面積和水面寬度兩個指標的前提下，各梯級電站滿足水力生境指標中最大水深、平均水深、平均速度、水面面積、濕周率等其他指標的最低標準及累計河段長度比例要求的最小下泄生態流量值均為各電站壩址處多年平均流量的10%，即磽磧電站下泄2.39m3/s，寶興電站下泄3.89m3/s，小關子電站下泄8.91m3/s，銅頭電站下泄9.86m3/s，可滿足各電站下游減水河段生態的最低需求。

3.3水力學法(濕周法)

本次研究選取了4個斷面作為典型斷面，采取濕周法進行生態流量分析。4個斷面分別為磽磧電站減水河段斷面19#，寶興電站減水河段斷面12#，小關子電站減水河段斷面8#和銅頭電站減水河段斷面3#。通過MIKE11計算，建立流量～濕周關系，見圖2。

圖2　典型斷面濕周——流量關系曲線

電站名生境參數指標最大水深平均水深平均速度水面寬度濕周率過水斷面面積水域水面面積水溫標準最低標準魚類體長的2～3倍≥0.3m≥0.3m/s≥30m≥50%≥30m2≥70%適合魚類生存、繁殖累計河段長段的百分比95%95%95%95%95%95%磽磧達標情況多年平均流量的10%(2.39m3/s)100%100%100%097%083.9%符合多年平均流量的15%(3.59m3/s)100%100%100%0100%088.9%符合多年平均流量的20%(4.78m3/s)100%100%100%0100%093.9%符合多年平均流量的30%(7.17m3/s)100%100%100%0100%097.4%符合枯水期多年平均流量(9.24m3/s)100%100%100%21%100%0100%符合寶興達標情況多年平均流量的10%(3.89m3/s)100%100%100%35%96%080.1%符合多年平均流量的15%(5.84m3/s)100%100%100%47%98%085.9%符合多年平均流量的20%(7.78m3/s)100%100%100%53%100%089.9%符合多年平均流量的30%(11.67m3/s)100%100%100%69%100%18%94.6%符合枯水期多年平均流量(16.80m3/s)100%100%100%92%100%62%100%符合小關子達標情況多年平均流量的10%(8.91m3/s)100%100%100%34%95%15%75.6%符合多年平均流量的15%(13.37m3/s)100%100%100%78%96%18%79.5%符合多年平均流量的20%(17.82m3/s)100%100%100%84%98%38%83.7%符合多年平均流量的30%(26.73m3/s)100%100%100%95%100%94%96.5%符合枯水期多年平均流量(32.60m3/s)100%100%100%97%100%100%100%符合銅頭達標情況多年平均流量的10%(9.86m3/s)100%100%100%0100%071.8%符合多年平均流量的15%(14.79m3/s)100%100%100%0100%076.9%符合多年平均流量的20%(19.72m3/s)100%100%100%0100%083.3%符合多年平均流量的30%(29.58m3/s)100%100%100%0100%88%86.9%符合枯水期多年平均流量(35.80m3/s)100%100%100%91%100%96%100%符合

說明：水域水面面積=某流量下計算河段的水面面積/枯水期河段水面面積×100%。

從圖1可以看出，各典型斷面的濕周——流量關系曲線都存在拐點，其中：磽磧電站減水河段19#斷面拐點流量為9.34m3/s，對應電站下泄生態流量為7.17m3/s(30%)；寶興電站減水河段12#斷面拐點流量為15.11m3/s，對應電站下泄生態流量為11.67m3/s(30%)；小關子電站減水河段8#斷面拐點流量為26.73m3/s，對應電站下泄生態流量為26.73m3/s(30%)；銅頭電站減水河段3#斷面拐點流量為29.73m3/s，對應電站下泄生態流量為29.58m3/s(30%)。根據濕周法計算結果，各電站推薦生態流量值均為壩址處多年平均流量的30%。

濕周法計算河道生態流量受河道斷面形狀影響很大，計算過程沒有考慮河道斷面形態的多變性。研究表明，三角形河道的濕周—流量曲線的增長變化點難以判別，因此本法更適用于規則河道生態流量的計算，同時要求河床形狀穩定。而本次研究河段河道斷面形狀復雜，以”V”型斷面為主，且河道深切，因此得到的流量濕周關系不明顯，擬合的曲線拐點不清晰，本法計算結果在本次研究中精確度相對較差。

4討論與結論

根據對各梯級電站年內引水發電運行形成的下游減水河段流量變化分析，磽磧電站下游減水河段分為三段，壩下至生態泄流管出口的586m河段已經脫水，無法保證生態流量，生態泄流管出口至第一支支流匯入口河段僅能保證1.7m3/s的生態流量，此生態流量值經復核偏小，需要加大泄流管下泄的生態流量值至2.39m3/s，第一段支流匯入口至尾水出口河段為第三段減水河段，此段河道得到了有效補水，減水影響得到了一定的緩解。寶興電站下游減水河段分為兩段，壩下至第一支支流匯入口河段僅能保證3～4m3/s的生態流量，通過生態泄流孔進行泄放，目前運行期內基本按照要求進行了生態流量的泄放，第一支支流匯入口至尾水出口河段流量得到了支流的補充，河段減水影響相對減小，通過加強生態流量泄放管理和監測，可以保證減水河段的生態流量需求。小關子、銅頭兩座電站均由于建設時間較早，沒有考慮泄放生態流量，電站也沒有增設生態流量泄放設施的可能性，運行期內，平、枯水期電站棄水很少，甚至無棄水，直接導致大壩下游河段經常性減水。根據本次研究，兩座電站推薦按照8.91m3/s和9.86m3/s下泄生態流量，泄流方式通過開啟沖砂閘和排污道的方式，可以滿足下泄生態流量的要求。

總之，寶興河梯級電站引水式開發對生態流量的影響，表現為枯水期入庫流量增加，豐水期入庫流量減少，平水期則相差不大。磽磧、寶興、小關子、銅頭電站分別下泄2.39m3/s、3.89m3/s、8.91m3/s和9.86m3/s生態流量，可以維持流域生態系統的穩定。

參考文獻：

[1]劉蘭芬，陳凱麒，張士杰，等.河流水電梯級開發水溫累積影響研究[J].中國水利水電科學研究院學報，2007，5(3)：173-80.

[2]GowanC，StephensonK，ShabmanL.Theroleofecosystemvaluationinenvironmentaldecisionmaking：hydropowerrelicensinganddamremovalontheElwhaRiver[J].EcologicalEconomics，2006，56(4)：508-23.

[3]FanJ，LiuQ，MaZ，etal.EnvironmentalimpactofhydropowerdevelopmentintheupperreachesofMinjiangRiver[J].SichuanEnvironment，2006，25(1)：23-7.

[4]HumborgC，IttekkotV，CociasuA，etal.EffectofDanubeRiverdamonBlackSeabiogeochemistryandecosystemstructure[J].Nature，1997，386(6623)：385-8.

[5]鐘華平，劉恒，耿雷華，等.河道內生態需水估算方法及其評述[J].水科學進展，2006，17(3)：430-4.

[6]楊友均.寶興河流域梯級水電站綜合自動化[J].水電廠自動化，1999，(03)：6-12.

[7]姚姿伊，盧正超，裴安榮，等.寶興河流域梯級水電站大壩安全監測自動化系統設計[J].水利水電技術，2014，45(08)：143-5+8.

[8]國家環境保護總局環境工程評估中心.水電水利建設項目河道生態用水、低溫水和過魚設施環境影響評價技術指南(試行)[S]；2006.

[9]李嘉，王玉蓉，李克鋒，等.計算河段最小生態需水的生態水力學法[J].水利學報，2006，(10)：1169-74.

[10]王玉蓉，李嘉，李克鋒，等.生態水力學法在河段最小生態需水量計算中的應用[J].四川大學學報(工程科學版)，2007，(05)：1-6.

作者簡介：陳忱，高工，主要從事生態環境影響評價研究

通訊作者：卞華鋒，工程師，主要從事環境影響評價咨詢及研究工作

中圖分類號：X21

文獻標識碼：A

文章編號：1673-288X(2016)04-0063-04

Research on Impacts of Hydroelectric Cascade Exploitation on MinimumEcologicalFlowintheDownstreamofBaoxingRiver

CHEN Chen1BIAN Huafeng2HUANG Yong1LI Xin3

(1.The Appraisal Center of Environmental Engineering，Ministry of Environmental Protection，Beijing 100012，China；2.Sino-JapanFriendshipCentreforEnvironmentalProtection，Beijing100029，China；3.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，Chang’anUniversity，Xi'an，Shaanxi710054，China)

Abstract：Hydroelectric Cascade Exploitations make some influence on ecological environment of rivers. The minimum discharged flow should be guaranteed to satisfy the basic ecological environment water resource requirements in the river. There were 14 representative sections in total having been arranged separately on the Qiaoqi，Baoxing，Xiaoguanzi and Tongtou hydroelectric station of Baoxing river basin. The geometry shape of the sections were mapped and the relative hydraulic parameters were calculated using MIKE software. Then the relationship curves between wetted perimeter and flood discharge of river sections were established to estimate the recommended minimum ecological flow. Finally the analysis and comparison among Tennant method，ecological hydraulic method and wetted perimeter method were made. The results indicated that：(1) the impacts of hydroelectric cascade exploitation on minimum ecological flow of Baoxing River presented that the reservior inflow increased in the high-water period，decreased in low-flow period and varied slightly in normal-flow period；(2)when the ecological discharge of Qiaoqi，Baoxing，Xiaoguanzi and Tongtou hydroelectric station are respectively 2.39m3/s，3.89m3/s，8.91m3/s and 9.86m3/s，the stability of ecosystem of the downstream can be guaranteed.

Keywords：Baoxing River；Hydroelectric Cascade Exploitation；MIKE；Minimum Ecological Flow；Ecological Environment

引用文獻格式：陳忱等.梯級水電開發中最小生態流量的研究[J].環境與可持續發展，2016，41(4)：63-66.