水電站生態流量中的河道地下水補給需水計算

鄭克勛，郭維祥，吳 鎮，萬進年

(1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州貴陽550081；2.河海大學地球科學與工程學院，江蘇南京211100)

水電站生態流量中的河道地下水補給需水計算

鄭克勛1，郭維祥1，吳 鎮2，萬進年1

(1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州貴陽550081；2.河海大學地球科學與工程學院，江蘇南京211100)

大壩建設攔斷河流，可能造成下游減脫水，減脫水河道內要產生地表徑流，首先應滿足河道地下徑流的補給需水要求。即首先將河道地下孔隙充滿，地下水位抬升至河道表面，而地下水處于流動狀態，是一個動態平衡過程。就NB/T 35091—2016《水電工程生態流量計算規范》中河道地下水補給需水計算部分，建立了一套河道地下水補給需水定量計算流程和方法，以馬馬崖一級水電站為例，進行了試算，可作為相關計算和研究的一個參考和借鑒。

地下水補給需水；河道；滲流計算；生態流量；水電站

0 引 言

在對河流進行開發建設的過程中，修筑大壩截斷河流，可能造成大壩下游河道減脫水，早期考慮較多的是對區域經濟的發展和發電效益，而對保護生態水環境考慮得較少。特別是許多中小流域的梯級小水電開發，通過引水式電站開發形式，使得河流水能資源利用超過90%[1]。山區中小流域水能資源的過度開發，導致減水河段河流徑流減少，水生態系統受到嚴重破壞。近年來，環境問題受到重視，水利水電工程減脫水河段的生態流量下放成為一個必須的內容，這就涉及到流量的計算和確定。目前有較多的生態流量計算方法[2-5]，其計算目標是確定河道內滿足生態基本需求的一個地表徑流量。

河道中的地表徑流與地下徑流是可以相互轉化的，不發生滲漏的基巖河段，河道流量基本上為地表徑流，而深厚覆蓋層的河段地表徑流部分轉化為地下徑流，地表徑流會減小。在枯水期，地下徑流量比例增大，深厚覆蓋層河段的地下徑流比例更大，甚至占河道徑流量的絕大部分。對于補給型河流，兩岸山體對河流存在地下水補給；對于排泄型河流，河水則存在漏失。

大壩建設攔斷河流，減脫水河道內要產生地表徑流，首先應滿足河道地下徑流的補給需水要求。即，首先將河道地下孔隙充滿，地下水位抬升至河道表面，地下水處于流動狀態，是一個動態平衡的過程。但是涉及河道地下水補給需水計算還沒有簡單可行的方法，目前涉及生態環境地下水問題的關注點主要為地下水位[2]。

筆者參加了NB/T 35091—2016《水電工程生態流量計算規范》的編寫，負責河道地下水補給需水計算部分。經過一段時間的總結和研究，建立了一套河道地下水補給需水計算流程和方法，其中將馬馬崖一級水電站作為案例，進行了試算，可作為以后相關計算和研究的一個參考和借鑒。

1 河道地下水補給需水計算流程

河道地下水補給需水計算流程見圖1。

圖1 河道地下水補給需水計算流程

計算的思路是通過搜集資料和地質調查，確定因電站建設可能產生的減脫水河段，選擇其中的大比降河段、各代表性地層單元、寬河谷、河床深厚覆蓋層部位作為代表斷面，進行需水計算。

首先計算某河道剖面的覆蓋層地下水過流量，然后根據河流水文地質條件類型，按照補給型或排泄型河流，分別選擇對應的方法計算兩岸地下水補給量或漏失量。之后計算考慮岸坡的補排水后，該河道剖面所需的地下水補給需水量。各代表性剖面計算得到的最大需水量作為壩址下泄地下水補給需水量。

2 計算案例

2.1 電站概況

馬馬崖一級水電站地處貴州省關嶺縣和興仁縣交界的北盤江干流中游，是北盤江干流(茅口以下)梯級規劃中的第2個梯級水電站。該電站壩址位于花江大橋上游20.2 km的尖山峽谷河段內。其上游為已建成的光照水電站，下游為規劃的馬馬崖二級水電站和已建成的董菁水電站。電站壩址多年平均流量313 m3/s，最大壩高109 m，水庫正常蓄水位585 m，電站裝機容量558 MW，安裝三臺單機容量為180 MW的水輪發電機組和一臺單機容量為18 MW 的生態流量機組。

馬馬崖一級水電站壩址及下游為典型的巖溶峽谷河流地貌，兩岸寬谷期高程在800～900 m，河流深切峽谷高達300 m。基巖地層以三疊系可溶性碳酸鹽巖類為主。第四系河床砂卵礫石層(Qal)厚0～25 m，一般厚度為6～12 m不等。由于壩址下游分布多個堆積體，河道內還存在坡積和滑坡堆積覆蓋層。地下水在碳酸鹽巖區屬巖溶裂隙水和巖溶管道水，第四系中存在孔隙水。北盤江為區域內最低排泄基準面，為地下水補給河水類型河谷。北盤江在該電站上下游平均水力比降為0.2%。

下游的馬馬崖二級水電站正在進行可研階段的勘察設計，正常蓄水位510 m，還沒有明確的建設計劃。馬馬崖二級下游的董箐水電站已經蓄水發電，水庫正常蓄水位490 m，死水位483 m。

2.2 計算范圍和計算斷面

馬馬崖一級水電站與董箐水電站水庫死水位(483 m)之間無具備穩定流量的河流匯入，在馬馬崖二級水電站未建設而馬馬崖一級水電站不下泄流量的情況下，該電站壩址至董箐水庫死水位之間可能為減(脫)水河段。下游河段河床在小花江河段均低于483 m高程，河道地下水補給需水計算的范圍為馬馬崖一級水電站大壩壩址至下游小花江之間的河段。

根據馬馬崖一級和二級水電站各階段的勘察設計資料，計算河段覆蓋層規模最大的河段為下巖堆積體河段，覆蓋層以崩塌堆積和沖積物為主，滲透系數大；且該河段的水力比降較大，選取該處作為代表性斷面，進行地下水補給需水計算，即計算斷面A。同時，樞紐區河床可作為其他河段的代表性斷面，選取壩下游剖面作為計算斷面B。

2.3 計算方法和過程

2.3.1 計算斷面A

根據勘察資料，計算斷面A的河床地形和覆蓋層分布見圖2。由于未給出該斷面的水生生態流基流水位，可用實測的枯期水位496 m代替，覆蓋層底面高程483 m，恰好與董箐水電站死水位相同。斷面A的河床覆蓋層內地下水徑流量

Q2=K1Adi

(1)

式中，K1為計算斷面河床覆蓋層滲透系數，覆蓋層以崩塌堆積和沖積物為主，屬極強透水層，滲透系數按照現行國家標準GB 50287《水力發電工程地質勘察規范》中的附錄N確定，取0.01 m/s[6]；Ad為計算斷面水生生態基流水位以下的河床覆蓋層地下水過水斷面面積，用實測枯期水位代替生態基流水位，面積為1 243.8 m2；i為計算斷面上下游一定范圍內的河道水力比降，該計算斷面附近為險灘，實測水力比降為0.1。

本案例計算得到計算斷面A的Q2為1.24 m3/s。

圖2 計算斷面A的河床地形和覆蓋層分布示意

圖3 河流岸坡地下水對河床的枯水期補給量示意

為掌握馬馬崖一級水電站左岸地下水位變化情況，在壩址左岸尖山村分水嶺附近打了一個地下水位長觀孔。即，ZK19鉆孔于2005年9月22日竣工，同年10月20日成功實現孔內分層止水，并進行地下水水位長期觀測。 ZK19孔深485 m，孔口高程1 090 m，孔底高程605 m，距河床最近距離約1 400 m。據該孔揭示，左岸楊柳井地層第3段T2y3具一定的隔水性，其上下地層T2y4和T2y1+2存在雙層地下水位，上層最低水位高程1 048.8 m；下層最高水位859.2 m，最低水位高程851.85 m。T2y1+2與岸邊所處的關嶺組T2g地層之間無相對隔水層，應屬于同一個含水系統。

經統計河床鉆孔中大于3 Lu的高程為430 m。將此高程作為河床相對隔水層邊界，岸坡含水層厚度也以此高程為參照計算。該水電站機組生態發電時對應的河床水位為504.66 m。

岸坡內深部為新鮮巖體，分析電站鉆孔新鮮巖體中下部的壓水試驗結果，其透水率1～2 Lu，按照現行國家標準GB 50287《水力發電工程地質勘察規范》中的附錄N中的規定，屬于弱透水～微透水等級[6]。按照《工程地質手冊(第四版)》的(9-3-11)式[7]計算出透水率為2 Lu對應的滲透系數K為2.6×10-7m/s，作為岸坡深部微新巖體的滲透系數。

計算左岸地下水向河床的枯水期單寬補給量(見圖3)

q1=K2[(h1+h2)/2]·[(H1-H2)/l1]

(2)

式中，K2為岸坡巖土體滲透系數，取2.6×10-7m/s；h1為枯水期臨江岸坡穩定水位至相對隔水層的高差，由ZK19最低水位851.85 m減去河床中3 Lu的透水率下限高程430 m，即421.85 m；h2為河床生態基流水位至相對隔水層的高差，電站生態機組發電對應的河床水位504.66 m減去河床中3 Lu的透水率下限高程430 m，即74.66 m；H1為枯水期臨江岸坡穩定水位，為851.85 m；H2為河床水生生態基流水位，為504.66 m；l1為河床水邊線至枯水期臨江岸坡穩定水位線的距離，取ZK19至水邊線的距離，為1 400 m。計算得到左岸地下水向河床的枯水期單寬補給量q1為1.60×10-5m2/s。

右岸為順向斜坡地形，分水嶺較遠，取下巖堆積體勘探剖面的水位數據計算地下水向河床的枯水期單寬補給量q2。枯水期臨江岸坡穩定水位可達900 m，至相對隔水層的高差h1約470 m，h2與左岸相同，取74.66 m；分水嶺距離河邊距離l1為2 500 m，岸坡穩定水位與河床水位差約400 m，滲透系數與左岸一致。計算公式和方法同左岸，計算得到右岸地下水向河床的枯水期單寬補給量q2為1.12×10-5m2/s。

計算斷面A至大壩壩址沿河道的距離L為6 000 m。

枯水期大壩至計算斷面A處的河道兩岸山體地下水對河床的補給量

Q3=(q1+q2)·L

(3)

計算得到計算斷面A的Q3為0.16 m3/s。

根據興仁幅區域水文地質圖，計算河段區域的枯期地下水徑流模數為4～6 L/(s·km2)，計算河段兩岸地下分水嶺以內的流域面積約66 km2，根據地下水徑流模數估算得到計算河段兩岸山體地下水對河床的枯期補給量Q3為0.26～0.4 m3/s，與按照式(2)和式(3)計算得到的結果基本一致，說明本文計算方法是合理的。

根據實際觀測，馬馬崖一級水電站通過滲控系統的壩基及繞壩滲漏量Q4為0.06 m3/s，其中部分為兩岸山體來水。

按照式Q1A=Q2-Q3-Q4計算斷面A處的河道地下水補給需水量Q1A，其中Q3取兩種計算方法的小值，即為0.16 m3/s。計算得到計算斷面A的Q1A為1.02 m3/s。

2.3.2 計算斷面B

計算斷面B為壩下游斷面，電站下放生態流量31 m3/s在壩下游對應的河床水位為504.66 m，該水位以下的河床覆蓋層面積為321.7 m2，該河段水力比降約0.2%。河床覆蓋層為沖積的卵礫石層，屬強透水層，滲透系數按照現行國家標準《水力發電工程地質勘察規范》GB 50287中的附錄N確定，取1×10-3m/s[6]。按照公式(1)計算斷面A的河床覆蓋層內地下水徑流量Q2為6.4×10-4m3/s，該流量很小，滲控系統滲漏水量遠遠超過該剖面的地下水補給需水量。

2.3.3 下泄流量要求

根據各計算斷面的補給需水量反推出壩(閘)址處所需的下泄流量，應取各計算斷面所需的下泄流量的最大值作為地下水補給需水的計算成果。對馬馬崖一級水電站來說，只要滿足了計算斷面A的地下水補給需水即可保證工程下游河段對應水生生態基流水位的河床覆蓋層內不脫水；則其所在河道地下水補給需水量為1.02 m3/s。

根據壩址下流其他生態流量需求分析，結合建設單位與貴州省安順市地方海事局、黔西南州地方海事局簽訂的《北盤江光照、董箐、馬馬崖水電站工程建設施工通航安全維護協議》，確定在馬馬崖一級水電站工程初期蓄水過程中下放生態流量31 m3/s；水庫初期蓄水過程中，分別采取導流洞閘門、放空底孔、溢流表孔和引水發電等措施，保證下游生態流量；水庫正常運行期間，采用生態小機組下放生態流量。

3 結 語

馬馬崖一級水電站和其他水電站的計算結果表明，河道地下水補給需水計算的計算斷面選擇很重要。對一般的補給型河流平緩河段，由于水力比降小，河道地下水需水量較小。對急流險灘河段，河流水力比降大，覆蓋層深厚。山區河流河道內覆蓋層主要為砂卵礫石，甚至孤塊石，滲透系數大；應特別注意調查覆蓋層是否存在架空現象，一旦有架空，其地下水補給需水量將急劇增大。對排泄型河流，由于存在漏失，地下水補給需水量將比補給型河流大得多。

[1]何懷光. 引水式水電站下游減水河段生態環境流量及修復補救措施研究[D]. 長沙： 長沙理工大學, 2012．

[2]蘇飛. 河流生態需水計算模式及應用研究[D]. 南京： 河海大學, 2005．

[3]倪晉仁, 金玲, 趙業安. 黃河下游河流最小生態環境需水量初步研究[J]. 水利學報, 2002(10)： 1- 7．

[4]楊志峰, 張遠. 河道生態環境流量研究方法比較[J]. 水動力學研究與進展, 2003, 18(3)： 294- 301．

[5]郭文獻, 夏自強. 長江中下游河道生態流量研究[J]. 水利學報, 2007(S1): 624- 628．

[6]GB 50287—2006水力發電工程地質勘察規范[S]．

[7]《工程地質手冊》編委會.工程地質手冊[M]. 第4版. 北京: 中國建筑工業出版社, 2007．

(責任編輯 陳 萍)

收稿日期：2017- 03- 09

作者簡介：潘海澤(1978—)，男，黑龍江大慶人，副教授，主要從事工程環境控制、工程管理研究；朱夢姝(通訊作者)．

Calculation of Instream Groundwater Recharge Demands in Ecological Flow of Hydropower Projects

ZHENG Kexun1, GUO Weixiang1, WU Zhen2, WAN Jinnian1
(1. PowerChina Guiyang Engineering Corporation Limited, Guiyang 550081, Guizhou, China;2. School of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, Jiangsu, China)

The construction of dam will cut off river flows, which may cause flow reduction in downstream. As a result, the instream groundwater recharge needs to be met at first if the surface runoff needs to be produced in river channel. That is to say, the underground pores under riverbed should firstly be filled with water and then the underground water table will be uplifted to riverbed surface, and at the same time, the groundwater is in a state of flowing, which is a dynamic balance process. According to the terms of NB/T 35091—2016 “Code for Calculation of Ecological Flow of Hydropower Projects”, a set of quantitative calculation processes and methods are established for the calculation of instream groundwater recharge demands. Taking Mamaya I Hydropower Station as study case, the instream groundwater recharge demand is calculated by using above processes and methods. The conclusions can be used as references in relative calculations and researches in future．

groundwater recharge demand; river channel; seepage calculation; ecological flow; hydropower station

2017- 04- 14

鄭克勛(1982—)，男，四川安岳人，高級工程師，碩士，從事水利水電工程地質勘察及研究工作．

TV121

A

0559- 9342(2017)08- 0006- 04