梯級小水電開發河流最小生態流量計算與保障研究

王露露，丁曉雯*，李興拼，陳慶偉

(1.華北電力大學環境科學與工程學院，北京 102206；2.珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510610；3.水利部水資源管理中心，北京 100053)

在“碳達峰”“碳中和”背景下，小水電作為清潔的可再生能源，低碳環保，同時也是煤電的重要補充，對大氣環境的改善有重要貢獻。中國小水電建站數量大，主要分布在雨量豐沛、河流密布、河道天然落差大的長江以南山區，該地區經濟發展相對落后、遠離大電網且農村人口相對集中。小水電在建設、運行過程中會改變河道的天然水文過程，不可避免地對下游水生態環境造成不利影響，加上部分小水電大都缺乏科學的生態流量管控，導致下游河道出現不同程度的減脫水現象，嚴重影響了河流水生態系統的健康可持續發展，使得國家不得不對一些違規小水電進行拆除。計算東江干流最小生態流量對保護東江生態環境和指導上游小水電流量下泄具有重要意義，能夠保證生態環境和小水電健康可持續發展，使小水電能夠更好地為“碳達峰”“碳中和”貢獻力量，同時也為流域和生態的管理提供理論支持。因此，計算梯級小水電開發河流最小生態流量成為河流生態保護中必不可少的工作內容。

目前，國內外對于計算梯級小水電開發河流最小生態流量的方法尚不統一，相關學者提出的觀點也不盡相同，根據地形地貌及現有的水文資料，得到不同的計算最小生態流量的研究方法。李陽等[1]以盤溪梯級水電站的大洋水庫作為研究對象，采用年內展布法、改進頻率法、NGPRP 法等計算了該水庫下泄的最小生態流量，并選取95%保證率下的流量值作為最小生態流量；韓建軍等[2]以金雞口水電站為例，采用Tennant法、7Q10法、滿足水功能區水質目標最小流量法以及最小連續30 d最小流量法計算最小下泄流量，對比分析后確定該水電站的最小下泄流量，并提出確保水電站最小下泄流量的保障措施；李小強等[3]在分析探討農村水電站最小下泄流量時，在留金壩水電站上下游布設監控斷面計算水電站最小下泄流量；廖千家驊等[4]以四川大通江某一梯級開發電站為例，采用R2-CROSS 法、濕周法、7Q10法計算減脫水河段最小生態需水量。

綜上所述，梯級小水電最小下泄流量的確定直接關系到河流水生態系統的健康可持續發展，最小下泄流量不應低于最小生態流量。本文以梯級小水電開發河流——東江干流為例，選用水文學法中改進的Tennant法[5-6]、QP法[7]、經驗法[8]、頻率曲線法[9]和NGPRP法[10]計算梯級小水電開發河流下游最小生態流量。選取95%保證率作為河流最小生態流量的保護目標[1]，將上述5種計算結果與95%保證率下的流量值進行對比分析，確定計算東江干流最小生態流量的方法和最小生態流量值，對科學合理指導河流上游小水電流量下泄、促進小水電及河流水生態系統健康可持續發展均具有重要意義。

1 流域小水電概況

東江是珠江流域三大水系之一，發源于江西省尋鄔縣椏髻缽山，上游稱尋烏水，在廣東省河源市龍川縣合河壩與安遠水匯合后稱東江。東江干流流經廣東、江西兩省，在東莞市石龍鎮流入珠江三角洲東部網河區，分南北兩水道注入獅子洋，經虎門出海[11]，全長562 km，流域總面積35 340 km2。東江干流自上而下已投運和在建的梯級電站多達12座，各梯級電站的裝機容量均未超出中國對小水電站裝機容量界定的5萬kW范圍[12]，水電站的詳細信息及分布見圖1。東江水電站總裝機容量達47.77萬kW，占其干流技術可開發量的88.51%，因此,本文選擇廣東東江作為典型的梯級小水電開發河流。分布在東江中上游地區的小水電大多為引水式水電站，需要長期蓄水，導致下游流量匱乏，不利于水生態系統的健康可持續發展。由于東江流域的水文站多位于干流與支流的交匯之處，不能準確反映出東江流域流量的變化情況。博羅水文站位于東江下游，設立于1953年，是國家重點水文站，也是東江干流進入三角洲之前的控制性水文站，匯水面積為25 325 km2，占流域總面積71.7%[13]，相比其他水文站更具代表性，因此,本文選擇博羅站作為研究對象。

圖1 東江干流梯級電站分布

2 生態流量計算

2.1 研究資料與方法

博羅水文站位于東江下游，是東江干流進入三角洲前的控制性水文站，具有長序列的月徑流資料，能夠計算出河流下游的最小生態流量。故選取東江博羅站1971—2000年連續月平均流量數據，計算得到多年平均徑流量為769.5 m3/s。

生態流量是維系江河湖泊生態系統健康可持續發展的基本要素，是控制水資源合理優化配置的重要基礎[14]。據統計，國內外已有的河流生態流量計算方法已超過200多種，中國在該方面的研究雖然起步較晚，但發展迅速，針對中國河流特點，對傳統方法進行改進，同時也提出了很多新的計算方法。關于生態流量計算方法，主要包括水文學法、水力學法、生境模擬法和整體分析法四大類，水文學法相比于其他方法具有很多優勢，即不需要進行現場實測水文數據，簡單方便，對數據的要求不是很高，適用于優先度不高的河段[15-17]。

東江流域水量較大，開發利用程度高，無特殊生物保護目標且具有長序列的實測月徑流資料，但是缺少長時間的日徑流數據資料，因此選擇水文學法進行計算。本文綜合考慮東江的流域特征及實際發展狀況，并基于現有資料及計算方法的適用范圍，選用改進的Tennant法[5-6]、QP法[7]、經驗法[8]、頻率曲線法[9]和NGPRP法[10]分別計算最小生態流量，并將上述5種計算結果與1971—2000年系列95%保證率下的流量值進行對比，得出東江下游最小生態流量值，為梯級小水電流量合理下泄提供參考。

2.2 生態流量計算

a)改進的Tennant法。Tennant法也叫蒙大拿法，該方法通過控制斷面多年平均徑流量的百分比，判斷河湖水生生物、河流景觀與河流流量之間的關系，以多年平均徑流量的10%作為最小生態流量，是最簡單的一種方法[18]，但是計算結果沒有考慮水文情勢變化。因此本文選擇改進的Tennant法計算最小生態流量[5-6]，根據東江的徑流情況，分別將來水頻率20%、50%和70%作為豐水年、平水年、枯水年典型年的選取標準，最終選擇1976、1978、1986年作為豐、平、枯典型年代表。同時，非汛期(10月至次年3月)來水量較小，以多年平均徑流量的10%作為最小生態流量；汛期(4—9月)來水量大，以多年平均徑流量的30%作為最小生態流量。改進的Tennant法計算典型年各月的水文過程見表1。

表1 改進的Tennant法計算不同來水年各月最小生態流量 單位：m3/s

b)QP法。QP法是以控制斷面至少連續30年的最枯月平均流量、水位或徑流量排頻的一種生態流量計算方法[7]。基于東江博羅站1971—2000年連續月平均流量數據，利用P-Ⅲ型曲線將連續30年的最枯月平均流量進行排頻，求得90%保證率下的最小生態流量為232.81 m3/s，P-Ⅲ型曲線配線結果見圖2。

圖2 QP法P-Ⅲ型曲線配線結果

c)經驗法。經驗法是通過確定生態環境健康狀況與徑流量存在的經驗關系計算生態流量的一種計算方法[8]，通過多年對生態流量的相關研究得知，當河道流量為年平均流量的30%～60%時，生態環境及水生生物生存狀態較好。計算見式(1)。

Q1=Pe×Qa

(1)

式中Q1——某時段最小生態流量，m3/s；Qa——平均流量，m3/s；Pe——百分比，%。

基于東江博羅站1971—2000年連續月平均流量數據，利用P-Ⅲ型曲線對年平均流量進行排頻，Qa取50%保證率下的年平均流量，值為754.18 m3/s，P-Ⅲ型曲線配線結果見圖3。本文取Qa值的30%作為最小生態流量，結果為226.25 m3/s。

圖3 經驗法P-Ⅲ型曲線配線結果

d)頻率曲線法。頻率曲線法是選用連續至少30年的歷史徑流資料構建各月水文頻率曲線，計算汛期與非汛期生態流量的方法[9]。基于東江博羅站1971—2000年月平均流量數據，將其分為1—12月共12個月平均徑流系列，采用P-Ⅲ型曲線對系列進行配線，確定各月流量的均值、CV、CS/CV以及95%保證下各月生態流量，計算結果見表2。

表2 頻率曲線法年內不同時段值計算成果

e)NGPRP法。NGPRP法是考慮不同水平年差別，將水文系列分為豐、平、枯3種不同的水文組，取平水年組中各月流量在90%保證率下的流量值作為最小生態流量的方法[10]。利用距平百分率P(-10%≤P≤10%)確定平水年組，并對平水年組各月生態流量排頻，得到90%保證率下的流量值作為最小生態流量，值為354.00 m3/s。

2.3 計算結果分析

利用以上5種最小生態流量計算方法，得到博羅站最小生態流量過程，見表3。

表3 不同計算方下的最小生態流量過程 單位：m3/s

為了驗證計算結果的合理性，將上述5種計算結果與1971—2000年系列95%保證率下的流量值(1971—2000年逐年月徑流量最小值系列在95%保證率下的值為226.00 m3/s)進行比較，對比結果見圖4。

圖4 不同方法計算結果與95%保證率對比

由圖4可知，NGPRP法計算得到的最小生態流量明顯高于95%保證率的流量值，實際情況很難滿足該最小生態流量；改進的Tennant法和頻率曲線法得到的各月最小生態流量在保證率95%的流量線上下波動，能夠達到一定的滿足程度；QP法和經驗法計算得到的最小生態流量均不低于95%保證率的流量值。因此，為更有利于保護東江流域生態流量生態環境且能體現出河流徑流量的季節變化特征，選擇QP法計算得到的最小生態流量值232.81 m3/s作為博羅站最小生態流量下限值，并選取改進的Tennant法和頻率曲線法的內包線作為各月最小生態流量，各月最小生態流量具體值見表4，其過程見圖5。

表4 各月最小生態流量過程 單位：m3/s

圖5 各月最小生態流量過程

3 確保東江干流最小生態流量的具體措施

a)優化水資源總量分配方案。根據東江干流水資源總量與上下游各河段的需水要求，制定東江流域三大水庫聯合調度管理辦法，保障東江流域(石龍以上)及珠江三角洲地區的生態安全，兼顧航運、發電等多方需求。

b)完善最小生態流量監管制度。東江生態流量關鍵節點與重要部位進行實時在線監控，實現主要控制斷面生態流量預警的自動分析，并建立最小生態流量監督管理長效機制。

c)建立最小生態流量監測預警機制。根據保障生態流量管控目標要求，以生態流量監測機制與生態流量調度方案作為前提，確定最小生態流量預警體系，建立最小生態流量保障的預警機制，以確保生態水量滿足保證率要求。

d)加強流域水質監督與管理。在保障最小生態流量目標的同時，要加強河流污染排放控制，做好水質監管工作，確保水質符合《調度方案》中規定的目標要求。

4 結論

采用改進的Tennant法、QP法、經驗法、頻率曲線法和NGPRP法等5種方法計算梯級小水電開發河流——東江干流最小生態流量，得到如下結論。

a)以梯級小水電開發河流——東江干流為例，采用改進的Tennant法、QP法、經驗法、頻率曲線法和NGPRP法計算最小生態流量，通過對比分析，提出改進的Tennant法、頻率曲線法、QP法和經驗法計算得到的最小生態流量均能達到一定的滿足程度。

b)在滿足95%保證率的條件下，采用QP法和經驗法計算最小生態流量，2種計算結果相近且不低于95%保證率流量值，為更有利于保護東江流域生態環境，選擇QP法計算得到的最小生態流量值232.81 m3/s作為博羅站最小生態流量下限值，即各月的最小生態流量均不能低于該值。同時選取改進的Tennant法和頻率曲線法的內包線作為各月最小生態流量過程，為上游小水電的流量下泄提供參考。

c)為保證東江干流的最小生態流量，應采取一定的保障措施，如優化水資源總量分配方案、完善最小生態流量監管制度、建立最小生態流量監測預警機制、加強流域水質監督與管理，以此來保證河流水生態系統健康可持續發展。

5 展望

采用較為通用的水文學法計算梯級小水電開發河流最小生態流量，為流域和生態的管理提供理論支持，從而更好地保證小水電以及河流水生態系統健康可持續發展。但是梯級小水電開發河流最小生態流量的確定方法尚未統一，且影響因素較多，故本研究在最小生態流量的計算過程中還存在一定的改進空間。為進一步完善小水電與生態系統的管理與保障工作，在今后的研究中應當不斷深化最小生態流量的確定方法，如構建“水文-生態響應關系”，考慮多方面因素使得研究過程更加理論、系統，計算結果更加合理。