水電站減水河段河道生態流量計算

馬俊超　王琨　張仲偉

摘要：為了合理確定水電站減水河段河道生態流量，提出了分時段分方法計算河道生態流量的思路。以西藏扎拉水電站為例，對減水河段的河道生態流量進行了計算。在魚類生長繁殖期（4～9月）可采用生境模擬法;在非產卵繁殖期（10月至次年3月）可采用水文學法、水力學法及生態水力學法綜合分析計算。結果表明：在魚類生長繁殖旺盛期（5～8月）所需生態流量為33.0 m/s，一般繁殖期（4月及9月）為22.0 m/s，非產卵期（10月至次年3月）為15.9 m/s。研究結果可為水電站減水河段生態流量的確定提供借鑒。

關鍵詞：生態流量; 魚類生境 ; 減水河段; 玉曲河; 扎拉水電站

中圖法分類號：TV11;P333 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.002

文章編號：1006 - 0081（2022）07 - 0015 - 05

0 引 言

引水式電站通過引水系統截彎取直引水發電，易造成原河道中壩址與水電站廠址間河段水量減少，甚至斷流，形成減水河段。隨著引水流量的加大和下泄流量的減少，減水河段內的水深、流速、水面寬等影響魚類生存及生長的水力要素相應減小，導致魚類的生存環境變得不適宜，最終使魚類數量及物種減少[1]。因此，合理地確定水電站減水河段的生態流量顯得十分重要，對維持河流生態系統健康具有重要意義。

目前，國內外常用的河道生態流量計算方法大致可以分為以下幾類：水文學法、水力學法、生態水力學法、生境模擬法和其他經驗分析方法[2]。其中水文學法最常用的代表性方法是Tennant法、Texas法及7Q10法[3-5]等。水力學法主要有濕周法[6]和R2-Cross法。生態水力學法根據影響魚類棲息地的濕周、水位、流速、水面寬度等水力要素與流量的關系確定河道的生態流量[7]。生境模擬法[8-11]是對水力學方法的進一步發展，利用水力模型預測水位、流速等水力參數，與生境適宜性標準相比較，計算適于指定水生物種的生境面積，據此確定河道生態流量，主要計算方法為河道內流量增加法（IFIM法）[12-13]。現階段大部分生態流量計算方法僅分為汛期與非汛期，并未考慮魚類生長期及繁殖期，不符合水生動物及植物的生境需求。在多種河道生態流量計算方法中，如何針對不同時段選取最為合適準確的方法，成為亟待解決的問題。

本文以西藏扎拉水電站為例，根據魚類生長繁殖期不同時段，分別采用水文學法、水力學法、生態水力學法以及生境模擬法對減水河段的河道生態流量進行計算。創新性地提出了分時段分方法計算河道生態流量的思路。研究成果對水電站減水河段生態流量的確定具有參考價值。

1 研究區域概況

西藏玉曲河扎拉水電站是怒江一級支流玉曲河梯級開發方案中的第六級，壩址位于左貢縣碧土鄉扎郎村（圖1），壩址多年平均流量110 m/s。扎拉水電站總裝機容量1 015 MW（含生態機組15 MW），屬于引水式電站。壩址至廠址處的減水河段長度59.2 km，減水河段地處高山峽谷區域，兩岸多為巖石基質，落差較大，河面寬20～50 m。根據調查，減水河段河道斷面形態以U形、V形及W形斷面為主，河道淺灘較多。

2 研究對象

2.1 研究魚類

根據現場調查成果，扎拉水電站壩址下游至玉曲河河口處河段共分布3處鮡科魚類產卵場，同時壩址下游的減水河段也是部分裂腹魚的生長區域。因此，經綜合考慮選擇鮡科及裂腹魚作為研究魚類。

2.2 研究斷面

為了計算扎拉水電站減水河段考慮魚類生境需求的生態流量，選擇魚類產卵場河段的斷面作為研究斷面（圖1）。部分研究斷面形態見圖2。

3 生態流量計算

為合理計算扎拉水電站減水河段的生態流量，根據各種計算河道生態流量方法的適用性，本次選用水文學法中的Tennant法、水力學法中的濕周法、生態水力學法分析魚類非產卵繁殖期（10月至次年3月）的河道生態流量;采用生境模擬法分析魚類主要生長繁殖期（4～9月）的生態流量。通過各種生態流量計算方法的綜合比較，最終合理確定不同月份扎拉水電站壩址需下泄的生態流量。

3.1 水文學法

基于扎拉水電站壩址斷面1979～2015年共37 a各月平均流量數據及下游支流匯入情況，按照Tennant法進行計算分析。為了滿足扎拉壩址下游斷面生態基流要求，取壩址處多年平均流量的10%作為生態流量，即11.0 m/s。

3.2 水力學法

采用濕周-流量對數函數作為濕周流量關系曲線的擬合函數。根據各斷面的濕周-流量曲線，采用曲線斜率為1的方法擬定各斷面拐點，由拐點處流量估算最小生態流量。通過對比分析確定濕周法計算的各斷面所需生態基流，并反推到扎拉壩址處需下泄的生態流量為12.8 m/s。

3.3 生態水力學法

運用MIKE11一維水動力模型模擬多年平均流量的5%，10%，12.5%，15%，17.5%和20%共6個工況下減水河段內的影響魚類生境的最大水深、平均水深、平均流速及濕周率等水力生境參數，綜合確定扎拉水電站需下泄的生態流量（圖3）。

根據不同工況下減水河段水力生境參數的匯總分析，當河道流量為13.8 m/s時，最大水深、平均流速、濕周率等各水力生境參數均滿足標準要求;但水面面積未能達到標準要求。當流量為16.5 m/s時，最大水深、平均水深及水面面積等各項水力生境參數均滿足標準要求。通過進一步的內插計算得到，當流量為15.9 m/s時，各水力要素均能達到減水河段魚類生境要求。

3.4 生境模擬法

本文結合目前中國有關鮡科魚類及裂腹魚類的生態習性、繁殖習性等方面的研究，最終確定鮡科魚類繁殖期所需的適宜水深為0～3.00 m，其中，最適宜水深為0.45～1.00 m;適宜流速為0.45～3.00 m/s，其中最適宜流速為1.00～1.75 m/s。裂腹魚類的適宜水深為0～2.5 m，其中最適水深為0.5～1.5 m;適宜流速為0.45～3.50 m/s，其中最適流速為1.00～2.00 m/s。

使用水位-流量方法（STGQ）模擬減水河段的水位，采用水深檢定法推估各斷面流速，選用生境應用模型（HABTAE）將水文模型（WSL、Velocity）計算得到的各單元水深及流速與生境適配曲線上所描述的水深、流速適配度結合起來，將各單元適宜度與單元面積相乘求得不同工況下的指示物種的棲息地加權可利用面積（WUA），并最終得到WUA-流量關系曲線[14-15]，結果如圖4所示。

各斷面流量與鮡科及裂腹魚可利用棲息地面積的關系曲線均呈先增加后減小的變化趨勢。將曲線上第一拐點處的流量對應魚類的繁殖初期及一般生長期所需的流量，峰值處的流量對應魚類的繁殖旺期及生長旺期所需的流量。為滿足減水河段鮡科及裂腹魚的生長及繁殖需求，扎拉壩址4月和9月需下泄的生態流量為22.0 m/s、5～8月需下泄的生態流量為33.0 m/s。

4 生態流量綜合分析

考慮工程建設中“生態優先、綠色發展”的要求，本次綜合考慮各種模擬方法后推薦：在魚類生長繁殖旺盛期（5～8月）、魚類一般生長繁殖期（4月和9月）扎拉水電站壩址處需下泄的生態流量分別為33 m/s和22 m/s。魚類非產卵繁殖期（10月至次年3月）壩址處需下泄生態流量為15.9 m/s。

5 結 語

本文以國內外常用的計算方法計算了扎拉水電站減水河段不同月份的生態流量，其中，魚類非產卵期的10月至次年3月生態流量采用水文學法、水力學法及生態水力學法進行計算。生態水力學法計算結果為15.9 m/s，較水文學法及水力學法大，這是因為采用生態水力學法在計算過程中考慮了減水河段魚類的基本生境需求。在魚類繁殖期的4～9月采用生境模擬法中的物理棲息地模型進行計算，并首次將魚類的繁殖期分為一般繁殖期（4月及9月）及繁殖旺盛期（5～8月）。經計算，在鮡科及裂腹魚一般繁殖期所需生態流量為22.0 m/s，在繁殖旺盛期所需生態流量為33.0 m/s。

本文根據扎拉水電站減水河段生態流量的計算分析，提出了分時段分方法計算河道生態流量的思路，可為其他水電站減水河段河道生態流量計算提供參考。

參考文獻：

[1] 戴凌全，王煜，戴會超，等.金沙江下游向家壩水庫不同出庫流量對四大家魚生境面積影響的定量分析 [J].環境科學研究，2021，34（7）：1710-1718.

[2] 肖衛，周剛炎.三種生態流量計算方法適應性分析及選擇[J].水利水電快報，2020，41（12）：59-62.

[3] 王瑞玲，黃錦輝，葛雷，等.基于黃河鯉棲息地水文-生態響應關系的黃河下游生態流量研究 [J].水利學報，2020，51（9）：1175-1187.

[4] 汪青遼，劉媛，郝紅升，等.滇中引水工程取水口下游金沙江生態流量研究[J] .水力發電，2020，46（9）：28-31.

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

[6] GIPPEL C J， STEWARDSON M J.Use of the wetted perimeter in defining minimum environmental flows[J]. Regulated Rivers：Research and Management，1998，14（1）：53-67.

[7] 李嘉，王玉蓉，李克鋒，等. 計算河段最小生態需水的生態水力學法[J].水利學報，2006（10）：1169-1174.

[8] 蔣紅霞，黃曉榮，李文華，等.基于物理棲息地模擬的減水河段魚類生態需水量研究[J].水力發電學報，2012（12）：141-147.

[9] 郝增超，尚松浩.基于棲息地模擬的河道生態需水量多目標評價方法及其應用[J].水利學報，2008，39（5）：557-561.

[10] 張文鴿，黃強，蔣曉輝.基于物理棲息地模擬的河道內生態流量研究[J].水科學進展，2008，19（2）：192-197.

[11] 李建，夏自強.基于物理棲息地模擬的長江中游生態流量研究[J].水利學報，2011（6）：678-684.

[12] 班璇，郭丹等.長江中游典型河段底棲動物的物理棲息地模型構建與應用[J].水利學報，2020，51（8）：934-946.

[13] DUNBAR M J，GUSTARD A，ACREMAN M，et al.Review of Overseas Approaches to Setting River Flow Objectives[R]. Wallingford：Institute of Hydrology，1997.

[14] 劉國民，姜翠玲，王維琳，等.基于棲息地模型的新安江壩下生態流量研究[J].水資源與水工程學報，2016（8）：61-65.

[15] 楊志峰，于世偉，陳賀，等.基于棲息地突變分析的春汛期生態需水閾值模型 [J].水科學進展，2010，21（4）：567-574.

（編輯：李 慧）

Study on calculation of ecological flow in water reducing reach of hydropower station

MA Junchao WANG Kun ZHANG Zhongwei

（1.Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.，Wuhan 430010， China; 2. Bureau of Hydrology，Changjiang River Water Resources Commission，Wuhan 430010， China）

Abstract：In order to determine the ecological flow in water reducing reach of hydropower station reasonably， the idea of calculating the river ecological flow by time-slot and situation-based method was put forward. The Zhala Hydropower Station was taken as example to calculate the ecological flow in water reducing reach. The habitat simulation method was used in the fish growth and breeding period（April to September）; in the non breeding period（October to March）， the comprehensive analysis and calculation of hydrology method， hydraulic method and ecological hydraulic method were used. The results showed that the ecological flows needed in the period of vigorous growth and reproduction（May to August） were 33.0 m/s， and 22.0 m3/s in the general breeding period（April and September）; the ecological flow in non breeding period（October to March） was 15.9 m3/s. This research results can provide reference for the determination of ecological flow in water reducing reach of hydropower station.

Key words： ecological flow; fish habitat; water reducing reach; Yuqu River; Zhala Hydropower Station