梯级水电开发中最小生态流量的研究——以宝兴河为例

陈　忱　卞华锋　黄　勇　李　鑫

(1.环境保护部环境工程评估中心，北京　100012；2.中日友好环境保护中心，北京　100029；3.长安大学，西安　430070)



梯级水电开发中最小生态流量的研究
——以宝兴河为例

陈忱1卞华锋2黄勇1李鑫3

(1.环境保护部环境工程评估中心，北京100012；2.中日友好环境保护中心，北京100029；3.长安大学，西安430070)

【摘要】河流梯级水电开发对河道生态环境造成一定影响，为保证河道基本生态环境用水需要，须保证河道最小下泄流量。在宝兴河流域河段上的硗碛电站、宝兴电站、小关子电站、铜头电站布置14个代表断面，利用MIKE软件进行断面形状绘制及相关水力生境参数计算，建立河道断面湿周与流量关系曲线，估算推荐最小生态流量。并通过Tennant法、生态水力学法和湿周法三种方法的分析对比，结果表明：①宝兴河梯级电站引水式开发对生态流量的影响，表现为枯水期入库流量增加，丰水期入库流量减少，平水期则相差不大；②硗碛、宝兴、小关子、铜头电站分别下泄2.39m3/s、3.89m3/s、8.91m3/s和9.86m3/s生态流量，可保证下游生态系统的稳定。

【关键词】宝兴河；梯级水电站开发；MIKE；最小生态流量；生态环境

1引言

河流梯级电站的开发将为当地带来显著的经济和社会效益。但是，其在施工建设和运行发电等时期会对下游河流生态造成影响，而且这种影响是流域性的[1]。水电工程改变了河流的天然属性[2]，对河流从上游到下游都产生了各种不同程度的影响，导致河道形状的改变，河流连续体中断，植被退化[3]，生态系统结构破碎化等[4]。尤其是梯级引水式水电开发造成下游局部河段断流，为保障工程所在流域的生态环境不受影响，拟定下泄的生态流量，即为最小生态流量，协调水资源与社会经济发展及生态环境保护之间的矛盾[4]。为维持宝兴河干流减水条件下的河流生命健康及基本环境功能，各梯级电站必须下泄适宜的生态流量，以满足河流基本的生态环境需水要求。国内外常用4类计算方法，确定河道内生态需水量[5]：(a)水文指标法(HydrologicalIndexMethods)；(b)水力学法(HydraulicMethods)；(c)栖息地法(HabitatMethods)；(d)整体分析法(HolisticMethods)。不同的河流的地形地貌、生物多样性以及开发情况不同，其所需的最小生态需水量亦不同。因此研究流域生态需水量及生态环境影响减缓措施，可以更好的保护流域的生态环境。

本文通过对宝兴河流域监测和实地调查，分析梯级水电开发对流域水环境的影响，确定流域生态需水量，从而为宝兴河流域管理和环境保护提供依据。

2材料与方法

2.1流域概况

宝兴河位于四川盆地西部边缘，发源于夹金山南麓，上游紧靠阿坝高原，为崛江水系青衣江上游主源。地理位置在东经102°36′～103°14′，北纬30°02′～30°57′，全长142km，流域面积3321km2，天然落差3605米，河道平均比降255‰[6]，水电开发条件十分优越。

宝兴河流域梯级电站共规划为“一库八级”，总装机1015MW，“一库”即硗碛龙头水库，八个梯级电站从上至下依次为：硗碛、民治、宝兴、小关子、铜头、灵关河、飞仙关和雨城水电站，目前宝兴河段已建成硗碛、宝兴、小关子、铜头、雨城5座水电站[7]。

2.2水文监测断面设置

为进行水深、流速、流量、过水断面参数等的测定，沿宝兴河从上游硗碛电站至下游铜头电站共布设14个监测断面，断面布设位置见表1。

2.3最小生态流量计算方法

根据《关于印发<水电水利建设项目河道生态用水、低温水和过鱼设施环境影响评价技术指南(试行)>的函》(环评函[2006]4号)，维持水生生态系统稳定所需水量的计算方法主要有水文学法、水力学法、组合法、生境模拟法、综合法和生态水利学法[8]。其中：组合法需要建立生物数据和环境条件的关系来判断生物对流量需求和变化的影响；生境模拟法需要用大量详细的流量、河道水力学和生物特征等信息，且该方法本身操作比较复杂；综合法需要从系统的角度分析生态与环境的关系，研究周期较长。这三种方法在实际应用中常受到限制，较难实现。

表1　宝兴河研究河段横断面设置表

图1　宝兴河研究河段横断面设置

综合工程所在地环境状况、资料获取及研究周期情况，本次宝兴河梯级电站生态流量值复核采用水文学法中的Tennant法、生态水力学法、水力学法中的湿周法进行比较计算、分析。

(1)水文学法(Tennant法)。Tennant法以预先确定的年平均流量百分数作为河流推荐流量，比较适合河流进行最初的目标管理和河流的战略性管理。采用Tennant法计算时，各梯级电站按照最小生态流量不小于多年平均流量10%的标准计算，考虑下游生态用水及景观用水需要，按多年平均流量10%、15%、20%、30%的标准计算。一般研究认为，当枯水期河流基流为多年平均流量的20%时，可保护鱼类、野生动物、生态景观处于良好状态，基流量为多年平均流量的30%时，可达到水生生物生长的满意流量。

(2)生态水力学法。生态水力学法是指通过水生生物适应的水力生境参数确定合适的流量[9]。该方法假设水深、流速、水面宽、湿周、过水断面的面积、水面面积以及水温是流量变化对物种数量与分布造成影响的主要水力生境参数[8-10]。

本次调查研究过程中，对宝兴河干流自上游硗碛梯级至下游铜头梯级共计476km的减水河段，布设了14个典型断面进行各断面的水力生境参数计算。计算的流量条件分别是：多年平均流量的10%、15%、20%、30%，以及枯水期多年平均流量。计算的水力生境参数包括最大水深、平均水深、水面宽度、平均流速、过水断面、湿周、湿周率、水面面积等。应用MIKE11软件进行研究河段纵向一维水力计算，计算结果参照“指南”的标准进行分析判别，从而推算满足标准的最小流量。

(3)湿周法。湿周法采用湿周作为栖息地的质量指标，绘制临界栖息地区域湿周与流量的关系曲线，根据湿周流量关系中的转折点确定河道推荐流量值。

3结果与分析

3.1水文学法(Tennant法)

根据宝兴河流域各电站坝址处多年平均流量，利用tennant方法可以得到多年平均流量10%、15%、20%、30%的标准计算值，见表2。

表2　宝兴河梯级电站Tennant法计算生态流量(m3/s)

3.2生态水力学法

应用MIKE11软件进行研究河段纵向一维水力计算，即对硗碛电站(21#、20#、19#、18#)、宝兴电站(14#、13#、12#、11#、10#)、小关子电站(9#、8#、7#)、铜头电站(4#、3#)各电站处所布设的14个代表断面进行水力计算，由于篇幅有限，没有展示断面形状图。

由断面形状图，可获取断面处水深、水面宽度、湿周、断面面积等水力学参数，并根据得到的结果参照“指南”标准进行不同流量下各水力参数沿程变化分析。硗碛、宝兴、小关子、铜头梯级坝址下泄不同流量时最大水深、平均水深、流速、湿周等水力参数沿程变化因篇幅有限省略。

运用生态水力学法进行比较计算、分析，结果参照“指南”的标准进行分析判别，见表3。从表中可以看出，宝兴河各梯级电站下泄生态流量在大部分工况下(除小关子电站和铜头电站的枯水期多年平均流量工况)，过水断面面积和水面宽度两个指标都无法满足最低标准要求。这可能由于本次研究宝兴河为山区河流，河道坡降较大，断面深切，水深和流速则相对较大。从表中可以看到，平均水深、最大水深、平均流速都远远超过了标准要求。因此，考虑不将过水断面面积和水面宽度纳入指标体系。

在不考虑过水断面面积和水面宽度两个指标的前提下，各梯级电站满足水力生境指标中最大水深、平均水深、平均速度、水面面积、湿周率等其他指标的最低标准及累计河段长度比例要求的最小下泄生态流量值均为各电站坝址处多年平均流量的10%，即硗碛电站下泄2.39m3/s，宝兴电站下泄3.89m3/s，小关子电站下泄8.91m3/s，铜头电站下泄9.86m3/s，可满足各电站下游减水河段生态的最低需求。

3.3水力学法(湿周法)

本次研究选取了4个断面作为典型断面，采取湿周法进行生态流量分析。4个断面分别为硗碛电站减水河段断面19#，宝兴电站减水河段断面12#，小关子电站减水河段断面8#和铜头电站减水河段断面3#。通过MIKE11计算，建立流量～湿周关系，见图2。

图2　典型断面湿周——流量关系曲线

电站名生境参数指标最大水深平均水深平均速度水面宽度湿周率过水断面面积水域水面面积水温标准最低标准鱼类体长的2～3倍≥0.3m≥0.3m/s≥30m≥50%≥30m2≥70%适合鱼类生存、繁殖累计河段长段的百分比95%95%95%95%95%95%硗碛达标情况多年平均流量的10%(2.39m3/s)100%100%100%097%083.9%符合多年平均流量的15%(3.59m3/s)100%100%100%0100%088.9%符合多年平均流量的20%(4.78m3/s)100%100%100%0100%093.9%符合多年平均流量的30%(7.17m3/s)100%100%100%0100%097.4%符合枯水期多年平均流量(9.24m3/s)100%100%100%21%100%0100%符合宝兴达标情况多年平均流量的10%(3.89m3/s)100%100%100%35%96%080.1%符合多年平均流量的15%(5.84m3/s)100%100%100%47%98%085.9%符合多年平均流量的20%(7.78m3/s)100%100%100%53%100%089.9%符合多年平均流量的30%(11.67m3/s)100%100%100%69%100%18%94.6%符合枯水期多年平均流量(16.80m3/s)100%100%100%92%100%62%100%符合小关子达标情况多年平均流量的10%(8.91m3/s)100%100%100%34%95%15%75.6%符合多年平均流量的15%(13.37m3/s)100%100%100%78%96%18%79.5%符合多年平均流量的20%(17.82m3/s)100%100%100%84%98%38%83.7%符合多年平均流量的30%(26.73m3/s)100%100%100%95%100%94%96.5%符合枯水期多年平均流量(32.60m3/s)100%100%100%97%100%100%100%符合铜头达标情况多年平均流量的10%(9.86m3/s)100%100%100%0100%071.8%符合多年平均流量的15%(14.79m3/s)100%100%100%0100%076.9%符合多年平均流量的20%(19.72m3/s)100%100%100%0100%083.3%符合多年平均流量的30%(29.58m3/s)100%100%100%0100%88%86.9%符合枯水期多年平均流量(35.80m3/s)100%100%100%91%100%96%100%符合

说明：水域水面面积=某流量下计算河段的水面面积/枯水期河段水面面积×100%。

从图1可以看出，各典型断面的湿周——流量关系曲线都存在拐点，其中：硗碛电站减水河段19#断面拐点流量为9.34m3/s，对应电站下泄生态流量为7.17m3/s(30%)；宝兴电站减水河段12#断面拐点流量为15.11m3/s，对应电站下泄生态流量为11.67m3/s(30%)；小关子电站减水河段8#断面拐点流量为26.73m3/s，对应电站下泄生态流量为26.73m3/s(30%)；铜头电站减水河段3#断面拐点流量为29.73m3/s，对应电站下泄生态流量为29.58m3/s(30%)。根据湿周法计算结果，各电站推荐生态流量值均为坝址处多年平均流量的30%。

湿周法计算河道生态流量受河道断面形状影响很大，计算过程没有考虑河道断面形态的多变性。研究表明，三角形河道的湿周—流量曲线的增长变化点难以判别，因此本法更适用于规则河道生态流量的计算，同时要求河床形状稳定。而本次研究河段河道断面形状复杂，以”V”型断面为主，且河道深切，因此得到的流量湿周关系不明显，拟合的曲线拐点不清晰，本法计算结果在本次研究中精确度相对较差。

4讨论与结论

根据对各梯级电站年内引水发电运行形成的下游减水河段流量变化分析，硗碛电站下游减水河段分为三段，坝下至生态泄流管出口的586m河段已经脱水，无法保证生态流量，生态泄流管出口至第一支支流汇入口河段仅能保证1.7m3/s的生态流量，此生态流量值经复核偏小，需要加大泄流管下泄的生态流量值至2.39m3/s，第一段支流汇入口至尾水出口河段为第三段减水河段，此段河道得到了有效补水，减水影响得到了一定的缓解。宝兴电站下游减水河段分为两段，坝下至第一支支流汇入口河段仅能保证3～4m3/s的生态流量，通过生态泄流孔进行泄放，目前运行期内基本按照要求进行了生态流量的泄放，第一支支流汇入口至尾水出口河段流量得到了支流的补充，河段减水影响相对减小，通过加强生态流量泄放管理和监测，可以保证减水河段的生态流量需求。小关子、铜头两座电站均由于建设时间较早，没有考虑泄放生态流量，电站也没有增设生态流量泄放设施的可能性，运行期内，平、枯水期电站弃水很少，甚至无弃水，直接导致大坝下游河段经常性减水。根据本次研究，两座电站推荐按照8.91m3/s和9.86m3/s下泄生态流量，泄流方式通过开启冲砂闸和排污道的方式，可以满足下泄生态流量的要求。

总之，宝兴河梯级电站引水式开发对生态流量的影响，表现为枯水期入库流量增加，丰水期入库流量减少，平水期则相差不大。硗碛、宝兴、小关子、铜头电站分别下泄2.39m3/s、3.89m3/s、8.91m3/s和9.86m3/s生态流量，可以维持流域生态系统的稳定。

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作者简介：陈忱，高工，主要从事生态环境影响评价研究

通讯作者：卞华锋，工程师，主要从事环境影响评价咨询及研究工作

中图分类号：X21

文献标识码：A

文章编号：1673-288X(2016)04-0063-04

Research on Impacts of Hydroelectric Cascade Exploitation on MinimumEcologicalFlowintheDownstreamofBaoxingRiver

CHEN Chen1BIAN Huafeng2HUANG Yong1LI Xin3

(1.The Appraisal Center of Environmental Engineering，Ministry of Environmental Protection，Beijing 100012，China；2.Sino-JapanFriendshipCentreforEnvironmentalProtection，Beijing100029，China；3.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，Chang’anUniversity，Xi'an，Shaanxi710054，China)

Abstract：Hydroelectric Cascade Exploitations make some influence on ecological environment of rivers. The minimum discharged flow should be guaranteed to satisfy the basic ecological environment water resource requirements in the river. There were 14 representative sections in total having been arranged separately on the Qiaoqi，Baoxing，Xiaoguanzi and Tongtou hydroelectric station of Baoxing river basin. The geometry shape of the sections were mapped and the relative hydraulic parameters were calculated using MIKE software. Then the relationship curves between wetted perimeter and flood discharge of river sections were established to estimate the recommended minimum ecological flow. Finally the analysis and comparison among Tennant method，ecological hydraulic method and wetted perimeter method were made. The results indicated that：(1) the impacts of hydroelectric cascade exploitation on minimum ecological flow of Baoxing River presented that the reservior inflow increased in the high-water period，decreased in low-flow period and varied slightly in normal-flow period；(2)when the ecological discharge of Qiaoqi，Baoxing，Xiaoguanzi and Tongtou hydroelectric station are respectively 2.39m3/s，3.89m3/s，8.91m3/s and 9.86m3/s，the stability of ecosystem of the downstream can be guaranteed.

Keywords：Baoxing River；Hydroelectric Cascade Exploitation；MIKE；Minimum Ecological Flow；Ecological Environment

引用文献格式：陈忱等.梯级水电开发中最小生态流量的研究[J].环境与可持续发展，2016，41(4)：63-66.