长距离引水电站的脱水河段生态流量计算分析

于建栋，张小艳，李 洁

(甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070)

1 研究背景

西北内陆黄土高原上有着许多发源于青藏高原和祁连山脉的小型河流，河道本身承载的水量足以满足这一空间内生物群落的正常生存所需。由于人类对社会快速发展的迫切需要，在河道上建成了许多中小型水电站。一方面，为当地或区域的居民提供了生活用电，改善了生活质量；另一方面，减少居民对柴草的砍伐，这在一定程度上保护了陆生生态[1]。

然而，几十年间水电的无序开发和流域相对薄弱的综合管理，引发了一系列生态环境问题，随之而来的便是原有河道水流态势被改变、各种生物的生存环境被破坏[2-3]。再者，电站为增大有效利用水头，建设远程的引水隧洞[4]，形成坝后脱减河段，极大影响了河流原住水生生物和两岸的陆生生物，同时，在一定程度上也影响了部分灌区对农作物的灌溉[5]。

为实现可持续发展和“碳中和”[6-7]等战略目标，在开发水电的同时，应充分考虑经济与生态环境的协调发展。不仅要在未来的设计方案中体现这一概念，更要适度地改善已建成电站的缺点，使之“绿色、健康”地运行。

在“生态保护、全球治理”的大环境下，水电站的生态保护也得到了进一步的发展。由此，生态流量的概念被提出，其研究也逐步开展[8]，计算方法也日趋多样化，研究对象也从重点区域试行转向全国各区域应用[9]。目前全球大约超过200种方法计算生态流量[10-11]，其中较为经典和常用的属水文学法和水力学法2大类，但各方法所考虑的因素也有所差异[12]。水文学法以流域的历史径流资料为基础进行分析计算，代表方法有：7Q10法、Tennant法、Qp法(p=90%或95%)、年内展布法等；水力学法以河道代表断面的水力特性为基础计算生态流量，代表方法有：R2CROSS法[13]、湿周法等。

王浩[14]等所作的西北地区水资源合理配置和承载能力研究拉开了我国生态需水研究的序幕。本文以洮河流域第13个梯级水电站——扎古录水电站为研究对象、以洮河流域长系列历史水文资料为依据、以水文学法为主要计算生态流量方法，结合Tennant法、Tessman法、Qp法(p=90%或95%)、年内展布法4种常用方法综合计算分析，初步得出扎古录水电站坝后脱水河段的最小生态流量值。

2 区域概况

洮河属黄河水系，地处甘肃省境内黄河的较大一级支流之一，是典型的温带大陆性气候，干流全长673.1km，流域面积25527km2，河道平均比降2.8‰，年平均流量156m3/s。

位于洮河干流中游的扎古录水电站为低压引水式发电，引水距离6.441km，主要任务为发电，无灌溉、防洪等要求。正常蓄水位2720.00m，全年平均降雨量499.0mm，平均气温3.4℃[15]，依据扎古录水电站坝址处1947—2003年共57年径流资料系列，求得扎古录水电站坝址处多年各月平均流量，如图1所示。

图1 扎古录水电站坝址处多年各月平均流量

3 研究方法与结果

3.1 “Tennant法”

“Tennant法”又称“蒙大拿法”，系属长系列水文学计算生态流量。此方法以历史径流资料内多年各月天然平均流量为基本指标，通过分析代表年内各月平均流量，计算年内推荐的流量占较枯和较丰时段多年天然流量百分比，以此来获得下游河道所需的生态流量[16-17]。

具体计算为：已知坝址处多年平均流量为62.9m3/s，将代表年内各月份分为枯水期(12—次年4月)和丰水期(5—11月)，为满足下游河道生态需水，取“Tennant法”评估标准[17-20]见表1，计算结果见表2。

表1 “Tennant法”评估标准

生态流量又名下游河道最小需水量[21]。根据表2中由“Tennant法”计算的扎古录水电站下游河道生态流量值，取其最小值为生态流量，故年内较枯月份和较丰月份最小生态流量均为6.29m3/s。

表2 扎古录水电站下游河道生态需水量

3.2 “Tessman法”

“Tessman法”计算下游河道生态需水量是由“Tennant法”进一步修改而来的。其计算思路主要是依据径流设计代表年内各月来水量多少划分丰水期、平水期和枯水期，再根据各月的平均流量与年平均流量关系进行计算，计算过程如下：

(1)若本月平均流量低于代表年平均流量的40% 时，将本月的平均流量作为该月生态流量。

(2)若本月平均流量是代表年平均流量的40%～100% 时，将代表年平均流量的40%作为该月的生态流量。

(3)若本月平均流量大于代表年的平均流量时，将本月平均流量的40%作为该月生态流量。

以扎古录水电站坝址处多年各月平均流量为基本资料，年均值为62.9m3/s，1—12月各占年平均流量百分比分别为：38.5%、38.3%、43.9%、61.0%、91.4%、107.0%、153.9%、176.5%、194.0%、152.9%、86.5%、50.7%；计算得生态流量见表3。

表3 “Tessman法”计算生态流量表

3.3 Qp法

Qp法又称为保证率法[18]，一般以90%或95%保证率下的设计代表年最枯月平均流量作为本电站脱水河道的最小生态流量。由于洮河干流对水资源的开发程度高，径流量相对较小，故选取Qp法为95%保证率计算生态流量。

选取p=95%概率下扎古录水电站坝址处年内各月平均流量为基本资料，计算结果如图2所示。

图2 各种方法计算得生态流量

3.4 年内展布法

年内展布法系属长系列水文学法，以主要研究的河道历史长系列径流资料为依据，引入多年平均流量和最小年平均流量的同期均值比，通过此值同需要计算的河道生态流量建立联系，进而确定脱水段河道最小生态流量的值，计算步骤如下：

(2)求取多年平均流量和最小年平均流量的同期均值比。

(1)

(3)求得脱水河段最小生态流量值。

(2)

4 分析与结论

综合上述4种方法计算得到的扎古录水电站坝址处下游河道生态流量值，用生态基流满足程度来综合分析[22]，哪种方法得到的结果更适用于扎古录水电站。

生态基流满足程度用长系列水文资料中各月的径流量超过最小生态流量的月份除以长系列水文资料中月份总数，此值的高低即可表示该河段最小生态流量的满足程度，计算结果如图3所示。

图3 生态基流满足程度/%

由图3生态基流满足程度可知，“Tennant法”、“Tessman法”、Qp法(p=95%)和年内展布法计算结果基本满足要求。其中，“Tennant法”的满足程度更高，对于下游河道内生物群落保护更有利。

扎古录水电站的开发任务为引水发电，在一定范围内，引用发电的水量决定水电站的经济效益[23]。通过计算生态流量占拟引用发电水量的百分比，分析水电站经济效益，计算结果如图4所示。

图4 生态基流占引用发电水量百分比

综合生态流量的满足程度和水电站经济效益的分析，长距离引水电站的脱水河段生态流量计算引用“Tennant法”更合理，所得的结果满足程度更高、水电站经济效益更好，建议使用“Tennant法”所得值6.29m3/s作为扎古录水电站生态流量。