黑河干流引水式水电站生态流量计算

宋增芳 程玉菲 李莉

摘 要：祁连山区水电站建设改变了下游河道的水文条件，枯水期减水河段出现断流，河流自净能力减弱，河道污染加剧，为了恢复祁连山区水生生物的生态环境，运用改进的Tennant法评价标准对年内展布法、改进年内展布法、逐月最小生态流量、NGPRP法4种常用的生态流量计算方法进行合理性检验，选用评价结果较好的NGPRP法与改进年内展布法，计算了莺落峡站各月最小生态流量，在此基础上，结合水文比拟法计算了黑河干流7座引水式电站各月最小生态流量。黑河干流各水电站最小生态流量各月均值为8.43～83.99 m3/s，呈现先增大后减小的变化趋势，从1月开始逐渐增大，7月达到最大值，8—12月最小生态流量持续减小。

关键词：引水式水电站;Tennant评价标准;改进年内展布法;黑河干流

Abstract：The construction of hydropower stations in Qilian Mountains has changed the hydrological conditions of the lower reaches of the river. In the dry season， the flow of the reduced river reaches is cut off， the self purification capacity of the river is weakened and the pollution of the river is aggravated. In order to restore the ecological environment of aquatic organisms in Qilian Mountain area， the improved Tennant method was used to test the rationality of four commonly used ecological flow calculation methods， namely， the improved annual distribution method， the monthly minimum ecological flow， the annual distribution method and the NGPRP method. The evaluation results of NGPRP method and improved year distribution method are the best， which are combined to calculate the monthly minimum ecological flow of Yingluoxia Station. On this basis， the monthly minimum ecological flow of 7 diversion power stations the main stream of Heihe River was calculated by hydrological analogy method. The average monthly variation of the minimum ecological flow of each diversion type power station in the main stream of Heihe River is 8.43-83.99 m3/s， showing a trend of increasing at first and then decreasing， gradually increasing from January to reaching the maximum value in July and decreasing continuously from July to December.

Key words： diversion hydropower station; Tennant evaluation standard; improved year distribution method; main stream of Heihe River

祁連山区水能资源丰富，近年来，利用山区特殊的地理优势，在祁连山区河流上进行了较多引水式水电站的开发[1-2]。水电站建成后，改变了下游河道的水文条件，在大坝和下游厂房之间形成减水河段，减水河段对河流的生态环境造成极大破坏，尤其是枯水期减水河段出现断流，水生生物因丧失栖息地而死亡，局部生态系统由水生演变成陆生，河流自净能力减弱，河道污染加剧[3]。为了恢复水生生物的生态环境，引水式水电站在建设、运行时要考虑最小生态流量，以满足下游生态环境的最低要求。生态流量的确定是目前水利水电工程中一个较为复杂的问题，由于其关系到水资源的合理利用、生态保护和工程最大效益的发挥，因此合理确定水利水电工程的生态流量和运行管理方式十分重要。祁连山区引水式水电站附近水文测站较少，缺乏实测水文资料，减水河段的最小生态流量难以计算。因此，研究减水河段最小生态流量的计算方法是非常必要的，且对生态环境的可持续发展具有重要意义。

1 研究区概况

黑河干流发源于祁连山主峰南麓，在上游分为东西两岔，东岔八宝河由东南向西北流，于黄藏寺汇入黑河，干流长108 km;西岔自西北向东南流，于黄藏寺右纳八宝河，河长194 km。东西两岔在黄藏寺汇合后，折向北流至莺落峡出祁连山，进入张掖盆地，于正义峡穿越走廊北山，向北进入鼎新灌区及内蒙古自治区，最后入居延海[4-5]。黑河干流从祁连山发源地到尾闾居延海全长约928 km，其中甘肃省境内河长432 km[6]。黑河干流水文站主要有札马什克、莺落峡及其支流八宝河祁连水文站[7]，札马什克水文站位于青海省祁连县札马什克乡，控制流域面积4 589 km2;莺落峡水文站位于张掖市甘州区龙渠乡莺落峡，控制流域面积10 009 km2，支流八宝河祁连水文站位于青海省祁连县八宝乡，控制流域面积2 452 km2。黑河干流自上而下建设有宝瓶河水电站、三道湾水电站、二龙山水电站、大孤山水电站、小孤山水电站、龙首二级（西流水）水电站、龙汇水电站和龙首一级水电站[6-7]，总装机容量681.50 MW，其中龙首一级水电站为坝后式电站，不涉及生态流量。

2 研究资料与方法

（1）主要水文站多年平均流量计算。生态流量计算采用的水文站实测径流资料来源于经甘肃省水文水资源局整编审查、黄河水利委员会水文局组织汇编和水利部水文局组织审查刊印的《中华人民共和国水文年鉴》，笔者并对其可靠性、一致性和代表性进行了分析。札马什克水文站1959年设站，至2015年，径流资料系列长为57 a。莺落峡水文站始建于1943年10月，观测项目较齐全，测验精度较高，完整连续资料为1945—2015年，观测资料系列长为71 a。祁连水文站1968年设站，至2015年，资料系列长为48 a。各水文站多年平均流量、多年平均径流量见表1。

（2）取水断面多年平均流量计算。各水电站取水断面处大多缺乏实测水文资料，流量的计算方法有水文比拟法、径流深等值线法等。黑河干流7座引水式电站断面处流量采用水文比拟法[8-9]计算得到。工程控制断面集水面积与水文站集水面积相差不超过20%，且在同一河流的上下游，流域内暴雨分布均匀、一致，因此采用上下游面积比拟法计算确定水电站取水断面多年逐月平均流量，面积比拟法计算公式：

（3）生态流量及计算方法。从广义上来说，生态流量是维持河湖生物多样性健康可持续发展的流量，包括保持河道形态稳定的输沙流量、保持河湖水质要求的污染物降解流量、维持河口咸淡平衡的流量等。从狭义上来说，生态流量是维系河流生态与环境需要的最小流量[10-11]。目前，各行各业的技术标准在表述形式上各有不同，如生态需水量（含最小或适宜生态流量）、生态基流、生态环境需水量、生态敏感需水、最低生态水位、最小流量等。其中，生态基流是保障河流最基本的环境功能不被破坏，在河道中常年流动的最小水量（或流量）临界值[12-15]。

选取黑河札马什克、莺落峡、祁连3个水文站多年逐月径流资料，运用年内展布法、改进年内展布法及逐月最小生态流量等计算方法，分析黑河干流各站点不同月份生态流量变化趋势，并结合Tennant评价标准对各方法计算的生态流量进行评价。其中改进年内展布法将特定频率P=95%下的河道年径流量与除去极丰和极枯年份年径流资料计算的最小年平均流量进行耦合，代替多年最小年平均流量，确定多年平均流量与最小年平均流量的同期均值比。

3 生态流量计算

（1）调整的Tennant法评价标准。根据黑河干流区域气候特点及引水式电站所在河道内主要鱼类（鲫鱼、草鱼、鲤鱼等）的产卵育幼期，将Tennant法的一般用水期由原来的10月至次年3月调整为11月至次年3月，鱼类产卵育幼期由4—9月调整为4—10月[16-20]，并结合黑河干流水文情况确定评价标准，见表2。

（2）最小生态流量计算结果。运用改进年内展布法、逐月最小生態流量、年内展布法、NGPRP法[21-28]对黑河札马什克、祁连、莺落峡3个水文站进行最小生态流量计算，见表3。

采用调整的Tennant法对上述4种方法计算结果的合理性进行检验。从表3可以看出，非汛期最小生态流量占比均在40%以上，汛期最小生态流量占比在20%以上。根据Tennant法评价标准，非汛期评价等级在很好以上，汛期评价等级在一般以上。另外，由表3明显看出，莺落峡站汛期最小生态流量计算结果占比，逐月最小生态流量法为32.90%，评价等级为较好，年内展布法为23.72%，评价等级为一般，而改进年内展布法与NGPRP法计算结果占比分别为76.20%、71.07%，评价等级均为最佳。理论上，计算的最小生态流量应恰好满足水生生物的最低生活条件，也就是取年平均流量的10%作为生态基流值即可，但为了生态系统的长远发展，应预留一定的空间[21]。年内展布法与改进年内展布法相比，计算结果不稳定，误差较大。黑河干流河道狭窄，水流湍急，河底坡降大[29]，逐月最小生态流量只适用于水流和水质条件改变较小的河流[30]。因此，取评价等级为最佳的NGPRP法和改进年内展布法计算结果进行耦合，并将取其内包线作为最小生态流量过程。莺落峡站最小生态流量过程见图1。

以黑河干流下游莺落峡站资料为例，运用水文比拟法计算黑河干流7座引水式电站各月最小生态流量，见表4。根据计算结果可知，黑河干流各水电站最小生态流量各月均值为8.43～83.99 m3/s，各月均值呈现先增大后减小的变化趋势，从1月开始逐渐增大，到7月达到最大值，8—12月最小生态流量持续减小。

4 结 论

（1）提出了一种更为稳定、合理的计算河道最小生态流量的改进年内展布法，该方法不仅避免了年内展布法计算结果不稳定以及误差较大的情况，而且消除了极丰和极枯年份河道年平均流量对计算结果的影响。将特定频率P=95%下的河道年平均流量与除去极丰和极枯年份径流资料计算的最小年平均流量进行耦合，代替多年最小年平均流量，确定多年平均流量与最小年平均流量的同期均值比，进而计算出河道最小生态流量。

（2）根据调整的Tennant法检验标准，结合各方法的优缺点及适应性，取评价等级为最佳的NGPRP法和改进年内展布法计算结果进行耦合，并取其内包线作为水文站最小生态流量过程。

（3）黑河干流引水式水电站最小生态流量各月均值为8.43～83.99 m3/s，呈现先增大后减小的变化趋势，从1月开始逐渐增大，到7月达到最大值，8—12月持续减小。

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【责任编辑 吕艳梅】