前坪水庫水利工程下泄生態流量保障措施探究

（淮河流域水資源保護局淮河水資源保護科學研究所 蚌埠 233000）

隨著我國社會經濟的發展和人口的大量增加，人類活動對生態環境的影響越來越大。在河道內水生態環境方面，由于水資源時空分布不均勻等先天條件，加之在以前水利工程建設中的水資源配置中很少考慮生態需水，導致河道內生態用水被擠占由此引發的生態環境問題日益突出。水庫工程具有供水、防洪、灌溉、發電等多種功能，但大壩建設不可避免的阻隔河流的連通，改變壩址下游水文情勢，對下游水生態環境造成不利影響。為引導河流生態系統的良性演進和維持健康的河流生態系統，水利工程運行期必須維持下游生態水量，并將下泄生態流量納入工程水資源配置中統籌考慮，使河流水電動能經濟規模和水資源配置向“綠色”方向發展：在水利工程調度方案中應提出最小生態下泄流量泄放要求，明確生態流量過程，泄放設施及在線監測設施和管理等保障措施內容。

1 前坪水庫概況

前坪水庫壩址位于北汝河干流上游、河南省汝陽縣縣城以西9km 的前坪村，壩址位置為北緯34° 6.480′，東經112° 20.730′。是以防洪為主，結合灌溉、供水，兼顧發電的大（2）型水庫。前坪水庫主壩設計洪水標準采用500年一遇，校核洪水標準采用5000年一遇，水庫死水位369.00m，汛限水位400.50m，正常蓄水位為403.00m，設計洪水位418.36m，校核洪水位422.41m；水庫總庫容5.84億m3，死庫容0.58 億m3，防洪庫容2.10 億m3，興利庫容2.61 億m3，總庫容5.84 億m3。可灌溉農田50.8 萬畝，每年可向下游城鎮提供生活及工業供水約6300 萬m3，水電站裝機容量6000kW，多年平均發電量約1881 萬kW·h。

2 前坪水庫最小下泄生態流量的確定

前坪水庫為多年調節水庫，對壩址下游水文情勢改變較大，保證壩址下游河段最小流量符合生態流量泄放要求是工程水生態系統保護的重要內容。結合北汝河流域環境背景，前坪水庫壩址下游河段生態環境需水量主要考慮滿足兩個方面的要求：維持水生生態系統穩定所需水量；維持河流水環境質量的最小稀釋凈化水量。針對北汝河的河道形態、徑流特征、環境特征和資料的可得性，采用了水規總院《水資源可利用量估算方法》：（1）90%保證率最枯月平均流量估算；（2）根據103月多年平均徑流的20%估算；（3）按多年平均徑流的10%估算，（4）枯水年和特枯年下游水環境需求。通過上述四種方法分析估算河道生態水量，最終取流量的外包線作為最小下泄流量，前坪水庫生態流量調度方案見表1。

2.1 90%保證率最枯月平均流量估算

根據前坪水庫1952—2010年日歷年共59年最枯月平均流量計算，保證率90%最小月平均流量為0.78m3/s，年水量為2270 萬m3。

2.2 根據10月—次年3月多年平均徑流的20%估算

4—9月是河流中魚類產卵育幼期，10月—次年3月是河流中魚類生長季節。10%的年平均流量為保護水生魚類棲息提供退化或貧瘠的棲息環境，20%的年平均流量為保護水生魚類棲息提供適當棲息環境。根據河流中保護水生魚類棲息環境要求，按20%的（10月—次年3月）多年平均流量標準估算河道基流水量。前坪水庫1952—2010年水文年共58年，10月—次年3月多年平均徑流量7388 萬m3，按20%估算基流年水量為1478 萬m3，平均流量為0.47m3/s。

2.3 按多年平均徑流的10%估算

在《水庫調度設計規范》（GB/T50587-2010）中，“當下游河道有敏感水生生物時，水庫最小下泄流量和泄水過程宜滿足其生物習性要求。對下游河道維持生態或凈化河道水質的基本水量要求，應盡可能予以考慮?！焙拥纼壬鷳B基流計算，缺乏資料地區：可按多年平均流量的百分數估算河道內水生生物的需水量。一般枯水期可取平均流量10%。前坪水庫1952—2010年水文年共58年，多年平均入庫年徑流量為3.3205 億m3。按多年平均徑流量的10%估算，河道基流年水量為0.3321億m3，相應流量為1.05m3/s。

2.4 考慮到環境需求的流量

水庫的生態基流采用多年平均徑流量的10%（4—7月為20%）確定為1.05m3/s（4—7月為2.1m3/s）；根據水文情勢分析，水庫下平枯水期下泄流量1.05m3/s 時，北汝河壩下影響河段（至入沙河口）均不斷流且流量大于1.05m3/s（4—7月為2.1m3/s）； 根據壩下影響河段各控制斷面水環境水質預測結果分析，水庫在枯水年的枯水期間（10—次年3月份）需要最少下泄1.8m3/s 才能滿足壩下紫羅山省控斷面及其他控制斷面達Ⅲ類水質標準，滿足水功能區管理目標和要求。因此綜合生態基流、下流河道取水需求和環境用水量分析結果，水庫泄放水量控制要求在枯水年的枯水期間（年內10—次年3月份）下泄1.8m3/s。

2.5 綜合分析

按上述四種生態基流水量估算方法，為利于下游魚類的繁殖，正常年份河道基流泄放方案為：8月—次年3月河道基流量采用1.05m3/s；4—7月基流采用2.10m3/s，年河道基流放水量為4428 萬m3。此外考慮到環境需求，枯水年壩址下游區間來水較小，為保障下游環境，枯水年和特枯年（來水頻率在70%以上的年）最小下泄流量為：在枯水期間（10—次年3月份）下泄1.8m3/s。

3 生態流量下泄措施

3.1 初期蓄水期間生態流量保障措施

3.1.1 庫水位低于360.0m 高程

初期蓄水初期生態基流供水采用抽水方式。在泄洪洞進口設置WQK1200-20-110型水泵抽水至（三用一備）泄洪洞內，為下游生態基流進行供水。在泄洪洞進口344m 高程建抽水池，通過3 排Φ426管道進入泄洪洞，單根長度約6m，共計180m；水泵供電從永久供電線路架設臨時供電線路。

3.1.2 庫水位高于360.0m 高程

初期蓄水達到泄洪洞進口洞底高程360.0m 或灌溉發電輸水洞進口洞底高程361.0m 后，直接由泄洪洞或灌溉發電輸水洞下泄水量。生態流量泵站供水剖面圖見圖1。

表1 前坪水庫生態流量調度方案表（單位：m3/s）

3.2 運行期生態流量泄流方式

運行期生態基流下泄通過輸水洞，電站1 號機組為利用生態基流發電，電站尾水管與尾水池相接，尾水池末端設退水閘，經退水閘向下游河道放水。

機組檢修、停運期間通過輸水洞專設蝶閥下泄生態流量。

如遇水位低于泄洪洞進口洞底高程360.0m，仍沿用初期蓄水（360.0m 庫水位以下）下泄生態流量方式，采取水泵提水利用泄洪洞下泄生態基流。

3.3 生態基流監測

采用在線監測設備對下泄生態流量進行實時監控，并保留監控記錄。

3.3.1 測流斷面

測流斷面包括2 個：導流洞測流斷面和泄洪洞測流斷面。

導流洞測流斷面設在電站出口下游段，渠道為砼結構標準渠道， 無分流、 串溝、 死水、漫灘情況，測驗段面順直，渠底穩定，條件較好。渠道總寬70m，桁架高于岸邊 1m， 待電站完成后安裝。

泄洪洞測流斷面設在出口上方位置， 該段同為砼結構標準建筑物體，無分流、 串溝、死水、漫灘情況，測驗條件較好。渠道寬5m。目前已安裝完成生態流量在線監測。

3.3.2 測流原理

通過雷達水位計實時監測該斷面水位， 通過流速儀實時監測斷面表面流速， 利用斷面已建立的水位流速關系線， 推算出實時流量， 從而實現流量的實時在線監控。水位觀測設備采用雷達波自記水位計。探頭安裝在桁架上。雷達水位計在測量水位時， 不與水體接觸， 不受水流含沙量和水面漂浮物的影響。雷達水位計探頭懸掛渠道中間上方。

3.3.3 報信方式

圖1 生態流量泵站供水剖面圖

選用 GSM/GPRS 通信信道、備份使用短波電臺傳輸進行水位、流量數據傳輸。GSM/GPRS 通信是種依附于GSM/GPRS 網絡進行數據傳輸的通信手段，在作為信息服務傳輸載體時，將短信息系統與信息平臺相連，用戶通過GSM 終端機將帶有對方地址的業務代碼通過GSM/GPRS 網絡以短信息的形式發出，短信息系統在收到信息請求后，根據業務代碼將信息請示發往相應的信息平臺，然后將后者回送的信息以短信息的形式發送給提出申請的用戶。

4 結論和展望

前坪水庫設計綜合考慮了四種生態水量估算方法確定前坪水庫最小下泄生態流量，下泄生態流量方案為：正常年份河道生態流量泄放方案為：8月—次年3月河道流量采用1.05m3/s；4—7月采用2.10m3/s，枯水年和特枯年（來水頻率在70%以上的年）最小下泄生態流量為：在枯水期間（10—次年3月份）下泄1.8m3/s。前坪水庫工程在水資源配置過程中充分考慮了下泄生態流量，特別是枯水年的枯水期增加了最小下泄流量保障下游河道環境質量，有效減少水庫對下游河道水生態系統的不利影響。

前坪水庫生態流量下泄方式為初期蓄水當庫水位低于360.0m 高程時利用水泵抽水至泄洪洞下泄，達到泄洪洞進口洞底高程360.0m 或灌溉發電輸水洞進口洞底高程361.0m 后，直接由泄洪洞或灌溉發電輸水洞下泄水量。運行期生態基流下泄通過輸水洞，電站1 號機組為利用生態基流發電，電站尾水管與尾水池相接，尾水池末端設退水閘，經退水閘向下游河道放水。如遇機組檢修、停運期間通過輸水洞專設蝶閥下泄生態流量。同時采用在線監測設備對下泄生態流量進行實時監控，并保留監控記錄。通過前坪水庫下泄生態流量保障措施，工程在發揮流域防洪、灌溉、供水等效益的同時有效可行的保障下游河道生態流量的泄放。

在水利工程水資源配置過程中保障下游生態需水并以生態流量下泄工程和管理措施加以保證，能夠充分突出人與自然的和諧，貫徹水資源可持續利用的思想，可有效減少了大壩對河道斷阻斷作用，在一定程度上對恢復下游河道水生態系統，維持水環境質量起到至關重要的作用。在今后水利工程水資源配置、水利與國民經濟協調發展以及流域水資源規劃和配置中，應將生態需水特別是枯水期生態需水作為水資源供需平衡重點考慮的內容，才能夠把水利規劃及水利工程建設和生態環境保護有機結合起來，實現生態需水與經濟需水的統籌協調，實現生態系統可持續的水資源優化配置■