水電站生態流量核定要求與若干特例的探討

歐 傳 奇

(國際小水電中心，杭州 310002)

我國已建成水電站4萬多座，97%以上的是惠及廣大農民的農村水電站(小型水電站)，以易引起下游河道減脫水的引水式為主，涉及成千上萬條河流。近年來國家日益重視綠色發展與水生態文明建設，水電站壩(閘)下河道減脫水現象愈發受到關注，2018年審計署發布的《長江經濟帶生態環境保護審計結果》公開指出長江經濟帶小水電造成河道斷流總長超過1 000 km[1]，引發社會的極大反響，為此水利部、國家發展改革委、生態環境部、國家能源局四部門聯合發文(水電〔2018〕312號)，要求集中開展小水電清理整改工作。河道生態流量保障是預防和減緩河道減脫水、實現河流生態自然修復的根本性措施。國外對此十分關注[2]，水利部發布的《綠色小水電評價標準》也將生態流量保障作為控制性指標[3]。針對河流生態流量的確定，學者研究提出了系列計算方法和技術保障要求，并反映到相關技術標準中[4-8]，對規范生態流量計算和確定起到極大的促進作用，但現有研究成果對于涉及人工渠道、串聯引水、跨流域引水、地下水取水等一些特殊情況生態流量核定仍少有關注，且在實際操作中常常存在分歧。本文基于生態流量泄放目的，系統分析水電站對下游河道的影響特點，總結提出特殊情況下生態流量核定要求的相關建議。

1 生態流量的核定基本要求

1.1 內涵及構成要素

生態流量有廣義和狹義、河道內外以及是否涵蓋其過程之分。狹義的生態流量是針對維持河流自然生態系統最基本的需要(即河道內)，廣義的生態流量包含了水資源綜合利用的要求，還應加上下游生活、生產和環境需要的最小流量(即河道外)，通常稱之為最小下泄流量，國際上習慣稱為環境流量。關于狹義的生態流量，水利行業標準SL 709[6]定義“生態基流”(ecological baseflow)為“為維持河流基本形態和生態功能、防止河道斷流、避免河流水生態系統功能遭受無法恢復的被破壞的河道內最小流量”；能源行業標準NB/T 35091[7]定義“生態流量”(ecological flow)為“滿足水電工程下游河段保護目標生態需水基本要求的流量及過程”；國家環境保護標準HJ 2.3[8]定義“生態流量”(ecological flows)為“滿足河流、湖庫生態保護要求、維持生態系統結構和功能所需要的流量(水位)與過程”。關于廣義的生態流量，2007年發布的《布里斯班宣言》[9]定義為：維持淡水、河口生態系統以及依賴于這些生態系統的人類宜居環境所需要的水流數量、過程和質量，其中數量是滿足下游河段保護目標生態需水基本要求的各項需水的最低限量及其組合，過程強調泄放的連續性，質量體現在量值上取高標準過程上盡可能接近適宜保護對象的天然來水豐枯變化，以實現河流水系的完整性、水體的流動性、水質的良好性、水生生物的多樣性、還有水文化的傳承性。廣義生態流量的核定以狹義生態流量的核定為基礎，本文研究的生態流量系指狹義的生態流量。

1.2 水電站開發方式及其影響特點

水能開發分為壩式、引水式和混合式等3種方式[10-12]。壩式開發是利用筑壩集中河段落差的水能開發方式；引水式開發是修建引水建筑物集中河段落差的水能開發方式；混合式開發是利用壩和引水道共同集中河段落差的水能開發方式。水電站常常根據廠房布置不同，又將壩式分為壩后式和河床式等形式；而混合式與引水式因建筑物特征相似、分界線不明晰，一般統歸為引水式。就蓄水發電影響而言，壩式發電水量直接回到下游河道，對下游河道減脫水防治有利；引水式發電引水使得下游廠壩間河道水量減少，對下游河道減脫水防治不利，兩種開發方式影響差異明顯，為此常常以開發方式來區分電站下泄生態流量的要求[13]。然而，這種對應開發方式的影響并不是絕對的。例如：

(1)壩式水電站，若壩后廠房布置不便需靠下游布置時，可能存在幾十米至數百米的廠壩間河段，與引水式相近，而與通常的壩式不同。

(2)引水式電站，如引瀑布水發電的，電站廠房建設在瀑布下方河道附近，可能不存在明顯的廠壩間河段，此時與壩式相近，而與通常的引水式不同。

(3)人工渠道取水、串聯引水、跨流域引水、地下水取水、多水源取水等一些特殊的開發布置方式，存在著壩式及引水式的組合影響特征。

顯然，嚴格意義上，水電站對河流的影響及其生態流量泄放要求，不宜以開發方式定論，而應以具體的影響河段的特征來區別，否則容易誤導而引發混亂，需要引起注意和重視。

1.3 核定斷面選擇

生態流量核定斷面是指生態流量核定過程中，用于計算生態流量所選取的河流控制斷面，只要該斷面生態流量得到滿足，則受影響的其余河段均能滿足要求。以圖1所示的常見的壩式及引水式水電站為例，通常不論開發方式，均會以壩閘處的斷面2-2作為計算控制斷面，但實際上這種做法是以默認整個重點影響河段的生態流量一致、忽略區間增量為前提，對于一些受影響的重點影響河段較長的情況(可能超過20 km)，將存在生態流量保障不足的風險。為此，生態流量核定斷面應取重點關注河段生態需水最大的斷面，這個斷面即為重點關注河段最靠下游側的斷面，即斷面3-3。對于引水式水電站，當廠壩間存在匯流且匯流后滿足下游河道所需生態流量時，可上移至斷面6-6。其他特殊情況及相關組合，可參照此述方法一一選定。

圖1 不同開發方式壩下受影響需重點關注的河段

2 特殊情況生態流量核定的探討

2.1 建在人工渠道上

如圖2(a)所示建在供水、灌溉等人工渠道上的各站。其影響特點為：先有渠道，后有電站，渠道以供水、灌溉為主，電站充當渠道消能設施利用富余水能，無蓄水和調節能力。目前，對于此類情況的生態流量核定，除《綠色小水電評價標準》[3]外，尚未見其他規定。大多認為沒有生態流量泄放要求，無需核定生態流量；也有認為應按取水流量確定。按前述原則，本文建議按分情況確定。

情況一：與河流相連的第一級，發電超量取水(渠首節制閘)可能對下游河道流量造成影響，應按無壓引水式確定生態流量。若進水閘(帶保障生態流量的分水閘)由主管部門控制，主管部門確認未對電站提出生態流量要求的，水電站可不核定生態流量。

情況二：發電尾水全部或部分回歸河道的，對下游河道有補給任務的，其尾水閘(分水閘)分配至河道的泄流量及過程可能對下游河道造成影響，應類似于無壓引水式，按尾水匯入點上游側河道斷面確定生態流量。若尾水閘(帶保障生態流量的分水閘)由主管部門控制，主管部門確認未對電站提出生態流量要求的，水電站可不核定生態流量。

情況三：未從河道直接取水的(非與河流相連的第一級)，發電尾水仍回到渠道的，水電站相當于渠道消能設施，對河流沒有影響，不具有常規開發方式的特點和對河流的影響特性，無需核定生態流量，但對于規模較大、運行年份較長的人工渠道的干渠及主要支渠，若已形成類似河道的生態環境，應視保護要求確定是否需要核定生態流量。

2.2 直接引用上一級尾水發電

如圖2(b)所示各站。特點：若將串聯電站群作為一座電站的若干車間，則具有明顯的引水式特征。第一級電站與河道相連，一般有大壩及調節水庫；區間電站直接取用上一級電站尾水發電，與天然河道無直接取水和退水關系，均無蓄水和調節能力，在充分利用水能的情況下，一般區間電站偏離河道距離較遠，上一級尾水全部引入下一級發電，未能及時回歸河道；最后一級電站尾水回歸河道，形成補給。環保優勢在于梯級電站群未筑壩不影響河道的連通性，可能的不利因素為區間河道較長又無水量補給。

圖2 特殊情況生態流量核定的取水、退水關系

目前，對于此類情況的生態流量核定，尚存在分歧，既有認為無需核定生態流量，也有認為均需泄放生態流量。按前述原則，本文建議按分情況確定。

情況一：當電站群取水斷面至退水斷面區間河段有限時(例如：可按控制集雨面積的1%控制)，區間河道各斷面生態流量幾乎一致，生態流量可由第一級保障，即與河道相連的第一級需要核定生態流量，其余均可豁免。

情況二：當電站群取水斷面至退水斷面區間河段，或區間有新增取水要求時，需按各不同需水斷面確定對應的生態流量及區間各級電站需要泄放至河道的生態流量，或由退水斷面(斷面2-2)所確定的生態需水量及區間新增用水要求來核定與河道相連的第一級的生態流量，由第一級(斷面1-1)足量落實生態流量泄放。

2.3 跨流域引水發電

如圖2(c)所示電站。特點：按開發方式，為引水式(混合式)；就對取水河流下游河道的影響而言，類似于壩前有河道外需水的壩后式，無廠壩間河段，但引走的水量自始至終不能回到原河道。

對于跨流域引水發電的情況，目前常規做法是以壩址處河流斷面(斷面1-1)來核定生態流量，其忽視了下游河道相關斷面生態需水隨集雨面積增加而增長的需求，若下游沒有有效支流的及時匯入，則相關斷面可能存在生態流量不足的情況。本文建議，按下游側最近一處支流(枯水期不斷流)匯入處靠上游側的斷面(斷面2-2)生態需水要求核定生態流量，并宜復核下一個支流(枯水期不斷流)匯入處靠上游側的斷面(斷面3-3)生態需水滿足情況。若下游還有其他河道外需水要求，則應復核其他相關斷面所需流量，以定取水斷面(斷面1-1)最適宜的生態流量。

2.4 引用地下水發電的

如圖2(d)所示電站，包括引用暗河、洞水、泉水等情況，常見于我國云貴川等喀斯特地貌區域。特點：所影響水源多數天然就未形成有效的地表徑流，或形成的地表徑流不連續、天然就具有明顯的季節性，不具有常規開發方式的特點和對河流的影響特性。目前，對于此類情況的生態流量核定，按前述原則并參考文獻[14]，建議按下述情況確定。

情況一：建站前取水與退水斷面之間已形成地表徑流的(包括泉眼、湖泊)，應核定生態流量。

情況二：建站前取水與退水斷面間沒有形成地表徑流的，可不核定和泄放生態流量，但應符合地下水管理的有關要求，完善生態環境保護措施。

2.5 引瀑布水發電

對于山區性河流，河水在流經斷層、凹陷等地區時，常常垂直地從高空跌落形成瀑布。引瀑布水發電的情況在國內外均比較常見。特點：所處河流季節性強，水頭集中，不筑壩或采用低壩引水式開發，無調節能力，是一種投資比較省的開發方式。一般廠壩間河道較短，甚至可以忽略，對河流影響特征類由類似引水式漸變為類似壩后式。對于此類情況的生態流量核定，建議按下述情況確定。

情況一：電站廠房建設在瀑布下方河道附近，不存在明顯的廠壩間河段，河道季節性強，天然存在減脫水情況，水生生物對減脫水情況有耐受性，或區域對瀑布景觀無特殊要求的，可不核定生態流量，但需采取堰壩等工程措施，確保瀑布底部河道常年有水。

情況二：電站壩閘與廠房之間的河段較長，需泄放生態流量才能保障瀑布底部河道常年有水的，以及對瀑布景觀有要求的，應按規定核定生態流量。

2.6 取季節性支溝水發電

在小水電站多水源取水的電站中比較常見。當取水水源涉及流域面積小、枯水期天然長時間斷流的支溝時，按照有關方法核定的生態流量理論數值相對更小(以浙江為例，估算約為多年平均流量的3%～5%)，既泄放困難、增加企業負擔，也起不到實際作用，不具有實用價值。為此建議：

情況一：涉及敏感區域或有特殊保護目標的，建議拆除相關引水設施全額泄放，并恢復其河道原貌。

情況二：不涉及敏感區域、無特殊保護目標、產流在0.1 m3/s以內的此類支溝(約對應降雨量1 000 mm、產流系數0.8的4 km2集雨面積)，無需核定生態流量。該流量的5%對應約1 m水頭5 cm管口出流流量，按20 cm×2.5 cm的過水斷面估計僅可形成0.1 m/s的流速。

3 結 論

在分析研究水電站影響及其生態流量核定要點的基礎上，針對特殊情況下的水電站生態流量核定提出了相關建議，有關結論總結如下。

(1)水電站生態流量泄放要求不宜以開發方式定論，而應以具體影響河段的特征來區別。通常，壩式水電站發電尾水直接回到下游河道，對下游河道減脫水防治有利；引水式水電站發電引水使得下游廠壩間河道減水，對下游河道減脫水防治不利，但這種對應開發方式的影響并非絕對，有可能截然相反，或存在影響特征相互組合的情況，需要引起注意和重視。

(2)生態流量核定應以取水口至回歸河道尾水斷面(或有效支流匯入口)間河道全斷面保障為核心目標。電站取水、退水關系多樣，對河道影響復雜，對于各種情況，包括涉人工渠道取水，引上一級尾水、跨流域引水、地下水取水、引瀑布式發電等具有一定的特殊性的，均應以取水口至回歸河道尾水斷面(或有效支流匯入口)間河道全斷面保障為核心目標，確定其基礎要求。

(3)生態流量核定斷面為影響河段最靠下游側的斷面，而非壩址所在斷面。生態流量對應的是河流生態的需求，主要與相應斷面控制集雨面積有關，為確保滿足所有影響河段的生態流量，生態流量核定斷面應為重點影響河段生態需水最大的控制斷面，這個控制斷面靠下游側，當前普遍取壩址所處斷面是有條件的，即重點影響河段較短，可忽略整個重點影響河段區間生態流量需求增量。

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