水电站生态流量核定要求与若干特例的探讨

欧 传 奇

(国际小水电中心，杭州 310002)

我国已建成水电站4万多座，97%以上的是惠及广大农民的农村水电站(小型水电站)，以易引起下游河道减脱水的引水式为主，涉及成千上万条河流。近年来国家日益重视绿色发展与水生态文明建设，水电站坝(闸)下河道减脱水现象愈发受到关注，2018年审计署发布的《长江经济带生态环境保护审计结果》公开指出长江经济带小水电造成河道断流总长超过1 000 km[1]，引发社会的极大反响，为此水利部、国家发展改革委、生态环境部、国家能源局四部门联合发文(水电〔2018〕312号)，要求集中开展小水电清理整改工作。河道生态流量保障是预防和减缓河道减脱水、实现河流生态自然修复的根本性措施。国外对此十分关注[2]，水利部发布的《绿色小水电评价标准》也将生态流量保障作为控制性指标[3]。针对河流生态流量的确定，学者研究提出了系列计算方法和技术保障要求，并反映到相关技术标准中[4-8]，对规范生态流量计算和确定起到极大的促进作用，但现有研究成果对于涉及人工渠道、串联引水、跨流域引水、地下水取水等一些特殊情况生态流量核定仍少有关注，且在实际操作中常常存在分歧。本文基于生态流量泄放目的，系统分析水电站对下游河道的影响特点，总结提出特殊情况下生态流量核定要求的相关建议。

1 生态流量的核定基本要求

1.1 内涵及构成要素

生态流量有广义和狭义、河道内外以及是否涵盖其过程之分。狭义的生态流量是针对维持河流自然生态系统最基本的需要(即河道内)，广义的生态流量包含了水资源综合利用的要求，还应加上下游生活、生产和环境需要的最小流量(即河道外)，通常称之为最小下泄流量，国际上习惯称为环境流量。关于狭义的生态流量，水利行业标准SL 709[6]定义“生态基流”(ecological baseflow)为“为维持河流基本形态和生态功能、防止河道断流、避免河流水生态系统功能遭受无法恢复的被破坏的河道内最小流量”；能源行业标准NB/T 35091[7]定义“生态流量”(ecological flow)为“满足水电工程下游河段保护目标生态需水基本要求的流量及过程”；国家环境保护标准HJ 2.3[8]定义“生态流量”(ecological flows)为“满足河流、湖库生态保护要求、维持生态系统结构和功能所需要的流量(水位)与过程”。关于广义的生态流量，2007年发布的《布里斯班宣言》[9]定义为：维持淡水、河口生态系统以及依赖于这些生态系统的人类宜居环境所需要的水流数量、过程和质量，其中数量是满足下游河段保护目标生态需水基本要求的各项需水的最低限量及其组合，过程强调泄放的连续性，质量体现在量值上取高标准过程上尽可能接近适宜保护对象的天然来水丰枯变化，以实现河流水系的完整性、水体的流动性、水质的良好性、水生生物的多样性、还有水文化的传承性。广义生态流量的核定以狭义生态流量的核定为基础，本文研究的生态流量系指狭义的生态流量。

1.2 水电站开发方式及其影响特点

水能开发分为坝式、引水式和混合式等3种方式[10-12]。坝式开发是利用筑坝集中河段落差的水能开发方式；引水式开发是修建引水建筑物集中河段落差的水能开发方式；混合式开发是利用坝和引水道共同集中河段落差的水能开发方式。水电站常常根据厂房布置不同，又将坝式分为坝后式和河床式等形式；而混合式与引水式因建筑物特征相似、分界线不明晰，一般统归为引水式。就蓄水发电影响而言，坝式发电水量直接回到下游河道，对下游河道减脱水防治有利；引水式发电引水使得下游厂坝间河道水量减少，对下游河道减脱水防治不利，两种开发方式影响差异明显，为此常常以开发方式来区分电站下泄生态流量的要求[13]。然而，这种对应开发方式的影响并不是绝对的。例如：

(1)坝式水电站，若坝后厂房布置不便需靠下游布置时，可能存在几十米至数百米的厂坝间河段，与引水式相近，而与通常的坝式不同。

(2)引水式电站，如引瀑布水发电的，电站厂房建设在瀑布下方河道附近，可能不存在明显的厂坝间河段，此时与坝式相近，而与通常的引水式不同。

(3)人工渠道取水、串联引水、跨流域引水、地下水取水、多水源取水等一些特殊的开发布置方式，存在着坝式及引水式的组合影响特征。

显然，严格意义上，水电站对河流的影响及其生态流量泄放要求，不宜以开发方式定论，而应以具体的影响河段的特征来区别，否则容易误导而引发混乱，需要引起注意和重视。

1.3 核定断面选择

生态流量核定断面是指生态流量核定过程中，用于计算生态流量所选取的河流控制断面，只要该断面生态流量得到满足，则受影响的其余河段均能满足要求。以图1所示的常见的坝式及引水式水电站为例，通常不论开发方式，均会以坝闸处的断面2-2作为计算控制断面，但实际上这种做法是以默认整个重点影响河段的生态流量一致、忽略区间增量为前提，对于一些受影响的重点影响河段较长的情况(可能超过20 km)，将存在生态流量保障不足的风险。为此，生态流量核定断面应取重点关注河段生态需水最大的断面，这个断面即为重点关注河段最靠下游侧的断面，即断面3-3。对于引水式水电站，当厂坝间存在汇流且汇流后满足下游河道所需生态流量时，可上移至断面6-6。其他特殊情况及相关组合，可参照此述方法一一选定。

图1 不同开发方式坝下受影响需重点关注的河段

2 特殊情况生态流量核定的探讨

2.1 建在人工渠道上

如图2(a)所示建在供水、灌溉等人工渠道上的各站。其影响特点为：先有渠道，后有电站，渠道以供水、灌溉为主，电站充当渠道消能设施利用富余水能，无蓄水和调节能力。目前，对于此类情况的生态流量核定，除《绿色小水电评价标准》[3]外，尚未见其他规定。大多认为没有生态流量泄放要求，无需核定生态流量；也有认为应按取水流量确定。按前述原则，本文建议按分情况确定。

情况一：与河流相连的第一级，发电超量取水(渠首节制闸)可能对下游河道流量造成影响，应按无压引水式确定生态流量。若进水闸(带保障生态流量的分水闸)由主管部门控制，主管部门确认未对电站提出生态流量要求的，水电站可不核定生态流量。

情况二：发电尾水全部或部分回归河道的，对下游河道有补给任务的，其尾水闸(分水闸)分配至河道的泄流量及过程可能对下游河道造成影响，应类似于无压引水式，按尾水汇入点上游侧河道断面确定生态流量。若尾水闸(带保障生态流量的分水闸)由主管部门控制，主管部门确认未对电站提出生态流量要求的，水电站可不核定生态流量。

情况三：未从河道直接取水的(非与河流相连的第一级)，发电尾水仍回到渠道的，水电站相当于渠道消能设施，对河流没有影响，不具有常规开发方式的特点和对河流的影响特性，无需核定生态流量，但对于规模较大、运行年份较长的人工渠道的干渠及主要支渠，若已形成类似河道的生态环境，应视保护要求确定是否需要核定生态流量。

2.2 直接引用上一级尾水发电

如图2(b)所示各站。特点：若将串联电站群作为一座电站的若干车间，则具有明显的引水式特征。第一级电站与河道相连，一般有大坝及调节水库；区间电站直接取用上一级电站尾水发电，与天然河道无直接取水和退水关系，均无蓄水和调节能力，在充分利用水能的情况下，一般区间电站偏离河道距离较远，上一级尾水全部引入下一级发电，未能及时回归河道；最后一级电站尾水回归河道，形成补给。环保优势在于梯级电站群未筑坝不影响河道的连通性，可能的不利因素为区间河道较长又无水量补给。

图2 特殊情况生态流量核定的取水、退水关系

目前，对于此类情况的生态流量核定，尚存在分歧，既有认为无需核定生态流量，也有认为均需泄放生态流量。按前述原则，本文建议按分情况确定。

情况一：当电站群取水断面至退水断面区间河段有限时(例如：可按控制集雨面积的1%控制)，区间河道各断面生态流量几乎一致，生态流量可由第一级保障，即与河道相连的第一级需要核定生态流量，其余均可豁免。

情况二：当电站群取水断面至退水断面区间河段，或区间有新增取水要求时，需按各不同需水断面确定对应的生态流量及区间各级电站需要泄放至河道的生态流量，或由退水断面(断面2-2)所确定的生态需水量及区间新增用水要求来核定与河道相连的第一级的生态流量，由第一级(断面1-1)足量落实生态流量泄放。

2.3 跨流域引水发电

如图2(c)所示电站。特点：按开发方式，为引水式(混合式)；就对取水河流下游河道的影响而言，类似于坝前有河道外需水的坝后式，无厂坝间河段，但引走的水量自始至终不能回到原河道。

对于跨流域引水发电的情况，目前常规做法是以坝址处河流断面(断面1-1)来核定生态流量，其忽视了下游河道相关断面生态需水随集雨面积增加而增长的需求，若下游没有有效支流的及时汇入，则相关断面可能存在生态流量不足的情况。本文建议，按下游侧最近一处支流(枯水期不断流)汇入处靠上游侧的断面(断面2-2)生态需水要求核定生态流量，并宜复核下一个支流(枯水期不断流)汇入处靠上游侧的断面(断面3-3)生态需水满足情况。若下游还有其他河道外需水要求，则应复核其他相关断面所需流量，以定取水断面(断面1-1)最适宜的生态流量。

2.4 引用地下水发电的

如图2(d)所示电站，包括引用暗河、洞水、泉水等情况，常见于我国云贵川等喀斯特地貌区域。特点：所影响水源多数天然就未形成有效的地表径流，或形成的地表径流不连续、天然就具有明显的季节性，不具有常规开发方式的特点和对河流的影响特性。目前，对于此类情况的生态流量核定，按前述原则并参考文献[14]，建议按下述情况确定。

情况一：建站前取水与退水断面之间已形成地表径流的(包括泉眼、湖泊)，应核定生态流量。

情况二：建站前取水与退水断面间没有形成地表径流的，可不核定和泄放生态流量，但应符合地下水管理的有关要求，完善生态环境保护措施。

2.5 引瀑布水发电

对于山区性河流，河水在流经断层、凹陷等地区时，常常垂直地从高空跌落形成瀑布。引瀑布水发电的情况在国内外均比较常见。特点：所处河流季节性强，水头集中，不筑坝或采用低坝引水式开发，无调节能力，是一种投资比较省的开发方式。一般厂坝间河道较短，甚至可以忽略，对河流影响特征类由类似引水式渐变为类似坝后式。对于此类情况的生态流量核定，建议按下述情况确定。

情况一：电站厂房建设在瀑布下方河道附近，不存在明显的厂坝间河段，河道季节性强，天然存在减脱水情况，水生生物对减脱水情况有耐受性，或区域对瀑布景观无特殊要求的，可不核定生态流量，但需采取堰坝等工程措施，确保瀑布底部河道常年有水。

情况二：电站坝闸与厂房之间的河段较长，需泄放生态流量才能保障瀑布底部河道常年有水的，以及对瀑布景观有要求的，应按规定核定生态流量。

2.6 取季节性支沟水发电

在小水电站多水源取水的电站中比较常见。当取水水源涉及流域面积小、枯水期天然长时间断流的支沟时，按照有关方法核定的生态流量理论数值相对更小(以浙江为例，估算约为多年平均流量的3%～5%)，既泄放困难、增加企业负担，也起不到实际作用，不具有实用价值。为此建议：

情况一：涉及敏感区域或有特殊保护目标的，建议拆除相关引水设施全额泄放，并恢复其河道原貌。

情况二：不涉及敏感区域、无特殊保护目标、产流在0.1 m3/s以内的此类支沟(约对应降雨量1 000 mm、产流系数0.8的4 km2集雨面积)，无需核定生态流量。该流量的5%对应约1 m水头5 cm管口出流流量，按20 cm×2.5 cm的过水断面估计仅可形成0.1 m/s的流速。

3 结 论

在分析研究水电站影响及其生态流量核定要点的基础上，针对特殊情况下的水电站生态流量核定提出了相关建议，有关结论总结如下。

(1)水电站生态流量泄放要求不宜以开发方式定论，而应以具体影响河段的特征来区别。通常，坝式水电站发电尾水直接回到下游河道，对下游河道减脱水防治有利；引水式水电站发电引水使得下游厂坝间河道减水，对下游河道减脱水防治不利，但这种对应开发方式的影响并非绝对，有可能截然相反，或存在影响特征相互组合的情况，需要引起注意和重视。

(2)生态流量核定应以取水口至回归河道尾水断面(或有效支流汇入口)间河道全断面保障为核心目标。电站取水、退水关系多样，对河道影响复杂，对于各种情况，包括涉人工渠道取水，引上一级尾水、跨流域引水、地下水取水、引瀑布式发电等具有一定的特殊性的，均应以取水口至回归河道尾水断面(或有效支流汇入口)间河道全断面保障为核心目标，确定其基础要求。

(3)生态流量核定断面为影响河段最靠下游侧的断面，而非坝址所在断面。生态流量对应的是河流生态的需求，主要与相应断面控制集雨面积有关，为确保满足所有影响河段的生态流量，生态流量核定断面应为重点影响河段生态需水最大的控制断面，这个控制断面靠下游侧，当前普遍取坝址所处断面是有条件的，即重点影响河段较短，可忽略整个重点影响河段区间生态流量需求增量。

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