梯級水電站最小下泄生態流量計算與評估

黃 蕊

(惠州市惠州大堤東堤管理中心，廣東 惠州 516000)

1 流域概況

東江流域發源于江西省尋烏縣椏髻缽山，由北向南流入廣東省(龍川段以上稱之為尋鄔水，龍川段以后稱之為東江)，全長562 km。其中，江西省境內長度為127 km，廣東省境內長度為435 km，集水面積為35 340 km2，河道平均坡降0.388‰，平均年徑流深950.4 mm，平均年徑流量257×108m3，流域多年平均降雨量為1 724 mm。目前，東江干流上已建成運營的梯級水電站(由上往下)包括龍潭水電站(裝機4×104kW)、稔坑水電站(2.5×104kW)、羅營口水電站(裝機2.01×104kW))等12個，其中大部分裝機容量均小于5×104kW。東江干流上有龍川、河源、嶺下、博羅等多個水文站，其中龍川、河源、博羅3個水文站目前已實現流量全程在線監測，博羅水文站為國家重點水文站，控制流域面積占整個東江流域面積的93.7%。因此，選擇博羅水文站數據來進行計算具有典型性和代表性。見圖1。

圖1 東江流域近30年年平均流量

2 生態流量核算方法

截至目前，關于水電站生態流量的估算方法有數百種之多。按照估算原理，可將其劃分為水文學估算法、水力學估算法、生物棲息地估算法以及生態水力學估算法；按照實踐分類，又可將其劃分為最小值核算法、不同時段值核算法、目標生態流量核算法以及全年值核算法。但是，當前大多數生態流量核算方法對于生態流量的定義并不明確，目標單一，沒有形成完善的計算方法和統一的理論體系，導致在具體應用過程中不能合理、方便、準確地得到生態流量[1-3]。

通過查閱相關資料和文獻，本文選取9種常用的生態流量估算方法進行對比[4-10]，結果見表1。東江流域屬于流量較大且水電開發利用程度較高的常年性河流，同時不具備長時間的連續日均流量數據資料，但博羅水文站擁有較為完整的近30年的年平均流量數據資料，因此本文選擇經驗法、頻率曲線法以及Tennant法對東江流域的生態流量進行估算。

表1 不同生態流量估算法對比

經驗法：當研究流域有較長的水文觀測資料且為水量較大的常年性河流時，可通過經驗法求取最小的生態流量值。最小生態流量與生態環境之間存在如下關系：①如果只要求維持河流中水生植物處于貧瘠生長條件時，此時流域的最小生態流量為年平均流量的10%左右；②如果需要維持河流中水生植物處于較好的生長條件，此時流域的最小生態流量為年平均流量的30%～60%；③如果要求河流中水生植物處于最佳的生長條件，此時流域的最小生態流量為年平均流量的60%～100%。

頻率曲線法：當研究對象可以提供30年以上水文觀測資料時，可通過構建流域各月的水文頻率曲線，同時選取適當頻率來確定基本生態環境需水量，從而估算得到最小生態流量。

Tennant法：適用于有較長的水文觀測資料且為水量較大的常年性河流，通過構建水文數據與流域生態環境的經驗關系來計算最小生態流量，同時對不同時期的流域生態環境進行評估，經驗計算公式為：

Q=P·QT·T

(1)

式中：Q為某時間段內河流的生態環境需水量，m3；P為某時間段最小生態流量占同時段多年平均天然流量的百分比，%；T為時段長，s；QT為同時段內河流多年平均流量，m3/s。

根據P值大小，可以對不同時間段內的河流生態環境狀態進行評估，從而確定生態流量設計是否合理。不同時間段內的河流生態環境狀態評價標準見表2。

表2 河流生態環境狀態評價標準

3 評估過程及結果

3.1 已有流量分配方案最小下泄流量

在最小生態流量核算之前，東江流域有關部門根據冬春枯水期流域的生產生活用水情況，制定了東江流域(石龍以上流域)的流量分配方案。根據該方案的設計要求，當取流域多年生產生活用水需求以及總供水量90%保證率時，可計算得到流域的最小生態流量為212 m3/s。東江流域用水量分配方案情況見表3。

表3 東江流域用水量分配方案 /108 m3

3.2 經驗法估算最小下泄流量

東江流域缺乏長時間的日均流量數據，河道中也沒有需要特殊保護的水生生物，因此河道的最小生態流量可維持水生生物保持在較好狀態即可。將流域近30年來的流量作成流量排頻圖，取50%保證率作為年平均流量，取該年平均流量的30%作為最小生態流量，結果見圖2。當保證率取50%時，對應的年平均流量為753 m3/s，由于P經驗取值為30%，那么可計算得到流域的最小生態流量為753×0.3=225.9 m3/s(取整數為226 m3/s)。

圖2 年均流量排頻曲線

3.3 頻率法估算最小下泄流量

經驗法利用年平均流量進行最小生態流量計算，而頻率法則一般是利用年最枯月平均流量進行最小生態流量計算。從近30年的該流域最枯月平均流量可知，1992年的月最枯流量最小，僅為171 m3/s，2003和2011年的月最枯流量最大，達到558 m3/s。同理，對30年來的月最枯月平均流量進行排頻，然后取90%保證率下的月最枯流量作為流域的最小生態流量，結果見圖3。從圖3中可以看到，當保證率取90%時，對應的流量大小為233 m3/s，因此頻率法估算得到的最小生態流量為233 m3/s。

圖3 最枯月平均流量排頻圖

3.4 Tennant法最小生態流量評估結果

通過上文分析可知，采用流量分配方案、經驗法以及頻率法3種方法計算得到的最小生態流量有所差異，分別為212、226和233 m3/s，因此還需要對不同計算方法得到的生態流量進行評估。本文采用Tennant法對3種方法計算結果進行評估：首先根據博羅站近30年的水文監測數據，計算得到東江流域多年月平均天然流量值，然后對不同方法計算得到的最小生態流量占同時段多年平均天然流量的百分比P進行計算，最后根據不同方法P值計算結果，對河流生態環境狀態進行評估，通過評估結果選取最佳的生態流量核算方法。

不同方法下最小生態流量與多年月平均天然流量占比(P)情況見圖4。從圖4中可以看到，根據不同方法計算得到的P值近似呈U形分布，即在枯水期的P值較高，豐水期的P值較低；相同時間段內，采用頻率法計算得到的P值略高于經驗法計算得到的P值，同時明顯高于水量分配方案計算得到的P值。這主要是因為在利用經驗法和頻率法計算生態流量過程中，不僅考慮了供水需求關系，而且還考慮了生態用水(水資源條件、河湖水量等)，使得生態流量計算結果更貼近于實際情況。對于經驗法，1-12月份的水生態評價結果分別為：最佳、最佳、極好、中、中、中、中、中、中、好、最佳、最佳；對于頻率法， 1-12月份的水生態評價結果分別為：最佳、最佳、極好、好、中、中、中、中、好、好、最佳、最佳；對于水量分配方案，1-12月份的水生態評價結果分別為：最佳、極好、好、中、中、中、中、中、中、好、極好、最佳。從評估結果來講，采用頻率法得到的最小生態流量對流域的水生態影響最小，經驗法次之，流量分配方案最小。但是考慮到本流域并無特殊生物需要保護，而增大生態流量會導致發電效率降低，因而建議將流域最小下泄生態流量取值控制在226～233 m3/s。

圖4 不同方法P值計算結果

4 結 語

以東江流域(石龍以上)為例，采用經驗法、頻率法對小流域梯級水電站的最小下泄生態流量進行計算，并利用Tennant法對不同方法計算得到的最小下泄生態流量進行評估，結論如下：

1) 由于東江流域屬于流量較大且水電開發利用程度較高的常年性河流，同時不具備長時間的連續日均流量數據資料，因而選取經驗法、頻率曲線法以及Tennant法對東江流域的生態流量進行計算分析。

2) 采用流量分配方案、經驗法以及頻率法3種方法計算得到的最小生態流量分別為212、226和233 m3/s。

3) 利用Tennant法計算得到P值呈U形分布，經驗法和頻率法計算得到的P值明顯高于流量分配方案，枯水期的水生態評價結果優于豐水期；經驗法和頻率法較流量分配方案更適用于最小生態流量的核算，建議將流域最小下泄生態流量取值控制在226～233 m3/s。