水电站生态流量中的河道地下水补给需水计算

郑克勋，郭维祥，吴 镇，万进年

(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳550081；2.河海大学地球科学与工程学院，江苏南京211100)

水电站生态流量中的河道地下水补给需水计算

郑克勋1，郭维祥1，吴 镇2，万进年1

(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳550081；2.河海大学地球科学与工程学院，江苏南京211100)

大坝建设拦断河流，可能造成下游减脱水，减脱水河道内要产生地表径流，首先应满足河道地下径流的补给需水要求。即首先将河道地下孔隙充满，地下水位抬升至河道表面，而地下水处于流动状态，是一个动态平衡过程。就NB/T 35091—2016《水电工程生态流量计算规范》中河道地下水补给需水计算部分，建立了一套河道地下水补给需水定量计算流程和方法，以马马崖一级水电站为例，进行了试算，可作为相关计算和研究的一个参考和借鉴。

地下水补给需水；河道；渗流计算；生态流量；水电站

0 引 言

在对河流进行开发建设的过程中，修筑大坝截断河流，可能造成大坝下游河道减脱水，早期考虑较多的是对区域经济的发展和发电效益，而对保护生态水环境考虑得较少。特别是许多中小流域的梯级小水电开发，通过引水式电站开发形式，使得河流水能资源利用超过90%[1]。山区中小流域水能资源的过度开发，导致减水河段河流径流减少，水生态系统受到严重破坏。近年来，环境问题受到重视，水利水电工程减脱水河段的生态流量下放成为一个必须的内容，这就涉及到流量的计算和确定。目前有较多的生态流量计算方法[2-5]，其计算目标是确定河道内满足生态基本需求的一个地表径流量。

河道中的地表径流与地下径流是可以相互转化的，不发生渗漏的基岩河段，河道流量基本上为地表径流，而深厚覆盖层的河段地表径流部分转化为地下径流，地表径流会减小。在枯水期，地下径流量比例增大，深厚覆盖层河段的地下径流比例更大，甚至占河道径流量的绝大部分。对于补给型河流，两岸山体对河流存在地下水补给；对于排泄型河流，河水则存在漏失。

大坝建设拦断河流，减脱水河道内要产生地表径流，首先应满足河道地下径流的补给需水要求。即，首先将河道地下孔隙充满，地下水位抬升至河道表面，地下水处于流动状态，是一个动态平衡的过程。但是涉及河道地下水补给需水计算还没有简单可行的方法，目前涉及生态环境地下水问题的关注点主要为地下水位[2]。

笔者参加了NB/T 35091—2016《水电工程生态流量计算规范》的编写，负责河道地下水补给需水计算部分。经过一段时间的总结和研究，建立了一套河道地下水补给需水计算流程和方法，其中将马马崖一级水电站作为案例，进行了试算，可作为以后相关计算和研究的一个参考和借鉴。

1 河道地下水补给需水计算流程

河道地下水补给需水计算流程见图1。

图1 河道地下水补给需水计算流程

计算的思路是通过搜集资料和地质调查，确定因电站建设可能产生的减脱水河段，选择其中的大比降河段、各代表性地层单元、宽河谷、河床深厚覆盖层部位作为代表断面，进行需水计算。

首先计算某河道剖面的覆盖层地下水过流量，然后根据河流水文地质条件类型，按照补给型或排泄型河流，分别选择对应的方法计算两岸地下水补给量或漏失量。之后计算考虑岸坡的补排水后，该河道剖面所需的地下水补给需水量。各代表性剖面计算得到的最大需水量作为坝址下泄地下水补给需水量。

2 计算案例

2.1 电站概况

马马崖一级水电站地处贵州省关岭县和兴仁县交界的北盘江干流中游，是北盘江干流(茅口以下)梯级规划中的第2个梯级水电站。该电站坝址位于花江大桥上游20.2 km的尖山峡谷河段内。其上游为已建成的光照水电站，下游为规划的马马崖二级水电站和已建成的董菁水电站。电站坝址多年平均流量313 m3/s，最大坝高109 m，水库正常蓄水位585 m，电站装机容量558 MW，安装三台单机容量为180 MW的水轮发电机组和一台单机容量为18 MW 的生态流量机组。

马马崖一级水电站坝址及下游为典型的岩溶峡谷河流地貌，两岸宽谷期高程在800～900 m，河流深切峡谷高达300 m。基岩地层以三叠系可溶性碳酸盐岩类为主。第四系河床砂卵砾石层(Qal)厚0～25 m，一般厚度为6～12 m不等。由于坝址下游分布多个堆积体，河道内还存在坡积和滑坡堆积覆盖层。地下水在碳酸盐岩区属岩溶裂隙水和岩溶管道水，第四系中存在孔隙水。北盘江为区域内最低排泄基准面，为地下水补给河水类型河谷。北盘江在该电站上下游平均水力比降为0.2%。

下游的马马崖二级水电站正在进行可研阶段的勘察设计，正常蓄水位510 m，还没有明确的建设计划。马马崖二级下游的董箐水电站已经蓄水发电，水库正常蓄水位490 m，死水位483 m。

2.2 计算范围和计算断面

马马崖一级水电站与董箐水电站水库死水位(483 m)之间无具备稳定流量的河流汇入，在马马崖二级水电站未建设而马马崖一级水电站不下泄流量的情况下，该电站坝址至董箐水库死水位之间可能为减(脱)水河段。下游河段河床在小花江河段均低于483 m高程，河道地下水补给需水计算的范围为马马崖一级水电站大坝坝址至下游小花江之间的河段。

根据马马崖一级和二级水电站各阶段的勘察设计资料，计算河段覆盖层规模最大的河段为下岩堆积体河段，覆盖层以崩塌堆积和冲积物为主，渗透系数大；且该河段的水力比降较大，选取该处作为代表性断面，进行地下水补给需水计算，即计算断面A。同时，枢纽区河床可作为其他河段的代表性断面，选取坝下游剖面作为计算断面B。

2.3 计算方法和过程

2.3.1 计算断面A

根据勘察资料，计算断面A的河床地形和覆盖层分布见图2。由于未给出该断面的水生生态流基流水位，可用实测的枯期水位496 m代替，覆盖层底面高程483 m，恰好与董箐水电站死水位相同。断面A的河床覆盖层内地下水径流量

Q2=K1Adi

(1)

式中，K1为计算断面河床覆盖层渗透系数，覆盖层以崩塌堆积和冲积物为主，属极强透水层，渗透系数按照现行国家标准GB 50287《水力发电工程地质勘察规范》中的附录N确定，取0.01 m/s[6]；Ad为计算断面水生生态基流水位以下的河床覆盖层地下水过水断面面积，用实测枯期水位代替生态基流水位，面积为1 243.8 m2；i为计算断面上下游一定范围内的河道水力比降，该计算断面附近为险滩，实测水力比降为0.1。

本案例计算得到计算断面A的Q2为1.24 m3/s。

图2 计算断面A的河床地形和覆盖层分布示意

图3 河流岸坡地下水对河床的枯水期补给量示意

为掌握马马崖一级水电站左岸地下水位变化情况，在坝址左岸尖山村分水岭附近打了一个地下水位长观孔。即，ZK19钻孔于2005年9月22日竣工，同年10月20日成功实现孔内分层止水，并进行地下水水位长期观测。 ZK19孔深485 m，孔口高程1 090 m，孔底高程605 m，距河床最近距离约1 400 m。据该孔揭示，左岸杨柳井地层第3段T2y3具一定的隔水性，其上下地层T2y4和T2y1+2存在双层地下水位，上层最低水位高程1 048.8 m；下层最高水位859.2 m，最低水位高程851.85 m。T2y1+2与岸边所处的关岭组T2g地层之间无相对隔水层，应属于同一个含水系统。

经统计河床钻孔中大于3 Lu的高程为430 m。将此高程作为河床相对隔水层边界，岸坡含水层厚度也以此高程为参照计算。该水电站机组生态发电时对应的河床水位为504.66 m。

岸坡内深部为新鲜岩体，分析电站钻孔新鲜岩体中下部的压水试验结果，其透水率1～2 Lu，按照现行国家标准GB 50287《水力发电工程地质勘察规范》中的附录N中的规定，属于弱透水～微透水等级[6]。按照《工程地质手册(第四版)》的(9-3-11)式[7]计算出透水率为2 Lu对应的渗透系数K为2.6×10-7m/s，作为岸坡深部微新岩体的渗透系数。

计算左岸地下水向河床的枯水期单宽补给量(见图3)

q1=K2[(h1+h2)/2]·[(H1-H2)/l1]

(2)

式中，K2为岸坡岩土体渗透系数，取2.6×10-7m/s；h1为枯水期临江岸坡稳定水位至相对隔水层的高差，由ZK19最低水位851.85 m减去河床中3 Lu的透水率下限高程430 m，即421.85 m；h2为河床生态基流水位至相对隔水层的高差，电站生态机组发电对应的河床水位504.66 m减去河床中3 Lu的透水率下限高程430 m，即74.66 m；H1为枯水期临江岸坡稳定水位，为851.85 m；H2为河床水生生态基流水位，为504.66 m；l1为河床水边线至枯水期临江岸坡稳定水位线的距离，取ZK19至水边线的距离，为1 400 m。计算得到左岸地下水向河床的枯水期单宽补给量q1为1.60×10-5m2/s。

右岸为顺向斜坡地形，分水岭较远，取下岩堆积体勘探剖面的水位数据计算地下水向河床的枯水期单宽补给量q2。枯水期临江岸坡稳定水位可达900 m，至相对隔水层的高差h1约470 m，h2与左岸相同，取74.66 m；分水岭距离河边距离l1为2 500 m，岸坡稳定水位与河床水位差约400 m，渗透系数与左岸一致。计算公式和方法同左岸，计算得到右岸地下水向河床的枯水期单宽补给量q2为1.12×10-5m2/s。

计算断面A至大坝坝址沿河道的距离L为6 000 m。

枯水期大坝至计算断面A处的河道两岸山体地下水对河床的补给量

Q3=(q1+q2)·L

(3)

计算得到计算断面A的Q3为0.16 m3/s。

根据兴仁幅区域水文地质图，计算河段区域的枯期地下水径流模数为4～6 L/(s·km2)，计算河段两岸地下分水岭以内的流域面积约66 km2，根据地下水径流模数估算得到计算河段两岸山体地下水对河床的枯期补给量Q3为0.26～0.4 m3/s，与按照式(2)和式(3)计算得到的结果基本一致，说明本文计算方法是合理的。

根据实际观测，马马崖一级水电站通过渗控系统的坝基及绕坝渗漏量Q4为0.06 m3/s，其中部分为两岸山体来水。

按照式Q1A=Q2-Q3-Q4计算断面A处的河道地下水补给需水量Q1A，其中Q3取两种计算方法的小值，即为0.16 m3/s。计算得到计算断面A的Q1A为1.02 m3/s。

2.3.2 计算断面B

计算断面B为坝下游断面，电站下放生态流量31 m3/s在坝下游对应的河床水位为504.66 m，该水位以下的河床覆盖层面积为321.7 m2，该河段水力比降约0.2%。河床覆盖层为冲积的卵砾石层，属强透水层，渗透系数按照现行国家标准《水力发电工程地质勘察规范》GB 50287中的附录N确定，取1×10-3m/s[6]。按照公式(1)计算断面A的河床覆盖层内地下水径流量Q2为6.4×10-4m3/s，该流量很小，渗控系统渗漏水量远远超过该剖面的地下水补给需水量。

2.3.3 下泄流量要求

根据各计算断面的补给需水量反推出坝(闸)址处所需的下泄流量，应取各计算断面所需的下泄流量的最大值作为地下水补给需水的计算成果。对马马崖一级水电站来说，只要满足了计算断面A的地下水补给需水即可保证工程下游河段对应水生生态基流水位的河床覆盖层内不脱水；则其所在河道地下水补给需水量为1.02 m3/s。

根据坝址下流其他生态流量需求分析，结合建设单位与贵州省安顺市地方海事局、黔西南州地方海事局签订的《北盘江光照、董箐、马马崖水电站工程建设施工通航安全维护协议》，确定在马马崖一级水电站工程初期蓄水过程中下放生态流量31 m3/s；水库初期蓄水过程中，分别采取导流洞闸门、放空底孔、溢流表孔和引水发电等措施，保证下游生态流量；水库正常运行期间，采用生态小机组下放生态流量。

3 结 语

马马崖一级水电站和其他水电站的计算结果表明，河道地下水补给需水计算的计算断面选择很重要。对一般的补给型河流平缓河段，由于水力比降小，河道地下水需水量较小。对急流险滩河段，河流水力比降大，覆盖层深厚。山区河流河道内覆盖层主要为砂卵砾石，甚至孤块石，渗透系数大；应特别注意调查覆盖层是否存在架空现象，一旦有架空，其地下水补给需水量将急剧增大。对排泄型河流，由于存在漏失，地下水补给需水量将比补给型河流大得多。

[1]何怀光. 引水式水电站下游减水河段生态环境流量及修复补救措施研究[D]. 长沙： 长沙理工大学, 2012．

[2]苏飞. 河流生态需水计算模式及应用研究[D]. 南京： 河海大学, 2005．

[3]倪晋仁, 金玲, 赵业安. 黄河下游河流最小生态环境需水量初步研究[J]. 水利学报, 2002(10)： 1- 7．

[4]杨志峰, 张远. 河道生态环境流量研究方法比较[J]. 水动力学研究与进展, 2003, 18(3)： 294- 301．

[5]郭文献, 夏自强. 长江中下游河道生态流量研究[J]. 水利学报, 2007(S1): 624- 628．

[6]GB 50287—2006水力发电工程地质勘察规范[S]．

[7]《工程地质手册》编委会.工程地质手册[M]. 第4版. 北京: 中国建筑工业出版社, 2007．

(责任编辑 陈 萍)

收稿日期：2017- 03- 09

作者简介：潘海泽(1978—)，男，黑龙江大庆人，副教授，主要从事工程环境控制、工程管理研究；朱梦姝(通讯作者)．

Calculation of Instream Groundwater Recharge Demands in Ecological Flow of Hydropower Projects

ZHENG Kexun1, GUO Weixiang1, WU Zhen2, WAN Jinnian1
(1. PowerChina Guiyang Engineering Corporation Limited, Guiyang 550081, Guizhou, China;2. School of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, Jiangsu, China)

The construction of dam will cut off river flows, which may cause flow reduction in downstream. As a result, the instream groundwater recharge needs to be met at first if the surface runoff needs to be produced in river channel. That is to say, the underground pores under riverbed should firstly be filled with water and then the underground water table will be uplifted to riverbed surface, and at the same time, the groundwater is in a state of flowing, which is a dynamic balance process. According to the terms of NB/T 35091—2016 “Code for Calculation of Ecological Flow of Hydropower Projects”, a set of quantitative calculation processes and methods are established for the calculation of instream groundwater recharge demands. Taking Mamaya I Hydropower Station as study case, the instream groundwater recharge demand is calculated by using above processes and methods. The conclusions can be used as references in relative calculations and researches in future．

groundwater recharge demand; river channel; seepage calculation; ecological flow; hydropower station

2017- 04- 14

郑克勋(1982—)，男，四川安岳人，高级工程师，硕士，从事水利水电工程地质勘察及研究工作．

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0559- 9342(2017)08- 0006- 04