梯级小水电开发河流最小生态流量计算与保障研究

王露露，丁晓雯*，李兴拼，陈庆伟

(1.华北电力大学环境科学与工程学院，北京 102206；2.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东 广州 510610；3.水利部水资源管理中心，北京 100053)

在“碳达峰”“碳中和”背景下，小水电作为清洁的可再生能源，低碳环保，同时也是煤电的重要补充，对大气环境的改善有重要贡献。中国小水电建站数量大，主要分布在雨量丰沛、河流密布、河道天然落差大的长江以南山区，该地区经济发展相对落后、远离大电网且农村人口相对集中。小水电在建设、运行过程中会改变河道的天然水文过程，不可避免地对下游水生态环境造成不利影响，加上部分小水电大都缺乏科学的生态流量管控，导致下游河道出现不同程度的减脱水现象，严重影响了河流水生态系统的健康可持续发展，使得国家不得不对一些违规小水电进行拆除。计算东江干流最小生态流量对保护东江生态环境和指导上游小水电流量下泄具有重要意义，能够保证生态环境和小水电健康可持续发展，使小水电能够更好地为“碳达峰”“碳中和”贡献力量，同时也为流域和生态的管理提供理论支持。因此，计算梯级小水电开发河流最小生态流量成为河流生态保护中必不可少的工作内容。

目前，国内外对于计算梯级小水电开发河流最小生态流量的方法尚不统一，相关学者提出的观点也不尽相同，根据地形地貌及现有的水文资料，得到不同的计算最小生态流量的研究方法。李阳等[1]以盘溪梯级水电站的大洋水库作为研究对象，采用年内展布法、改进频率法、NGPRP 法等计算了该水库下泄的最小生态流量，并选取95%保证率下的流量值作为最小生态流量；韩建军等[2]以金鸡口水电站为例，采用Tennant法、7Q10法、满足水功能区水质目标最小流量法以及最小连续30 d最小流量法计算最小下泄流量，对比分析后确定该水电站的最小下泄流量，并提出确保水电站最小下泄流量的保障措施；李小强等[3]在分析探讨农村水电站最小下泄流量时，在留金坝水电站上下游布设监控断面计算水电站最小下泄流量；廖千家骅等[4]以四川大通江某一梯级开发电站为例，采用R2-CROSS 法、湿周法、7Q10法计算减脱水河段最小生态需水量。

综上所述，梯级小水电最小下泄流量的确定直接关系到河流水生态系统的健康可持续发展，最小下泄流量不应低于最小生态流量。本文以梯级小水电开发河流——东江干流为例，选用水文学法中改进的Tennant法[5-6]、QP法[7]、经验法[8]、频率曲线法[9]和NGPRP法[10]计算梯级小水电开发河流下游最小生态流量。选取95%保证率作为河流最小生态流量的保护目标[1]，将上述5种计算结果与95%保证率下的流量值进行对比分析，确定计算东江干流最小生态流量的方法和最小生态流量值，对科学合理指导河流上游小水电流量下泄、促进小水电及河流水生态系统健康可持续发展均具有重要意义。

1 流域小水电概况

东江是珠江流域三大水系之一，发源于江西省寻邬县桠髻钵山，上游称寻乌水，在广东省河源市龙川县合河坝与安远水汇合后称东江。东江干流流经广东、江西两省，在东莞市石龙镇流入珠江三角洲东部网河区，分南北两水道注入狮子洋，经虎门出海[11]，全长562 km，流域总面积35 340 km2。东江干流自上而下已投运和在建的梯级电站多达12座，各梯级电站的装机容量均未超出中国对小水电站装机容量界定的5万kW范围[12]，水电站的详细信息及分布见图1。东江水电站总装机容量达47.77万kW，占其干流技术可开发量的88.51%，因此,本文选择广东东江作为典型的梯级小水电开发河流。分布在东江中上游地区的小水电大多为引水式水电站，需要长期蓄水，导致下游流量匮乏，不利于水生态系统的健康可持续发展。由于东江流域的水文站多位于干流与支流的交汇之处，不能准确反映出东江流域流量的变化情况。博罗水文站位于东江下游，设立于1953年，是国家重点水文站，也是东江干流进入三角洲之前的控制性水文站，汇水面积为25 325 km2，占流域总面积71.7%[13]，相比其他水文站更具代表性，因此,本文选择博罗站作为研究对象。

图1 东江干流梯级电站分布

2 生态流量计算

2.1 研究资料与方法

博罗水文站位于东江下游，是东江干流进入三角洲前的控制性水文站，具有长序列的月径流资料，能够计算出河流下游的最小生态流量。故选取东江博罗站1971—2000年连续月平均流量数据，计算得到多年平均径流量为769.5 m3/s。

生态流量是维系江河湖泊生态系统健康可持续发展的基本要素，是控制水资源合理优化配置的重要基础[14]。据统计，国内外已有的河流生态流量计算方法已超过200多种，中国在该方面的研究虽然起步较晚，但发展迅速，针对中国河流特点，对传统方法进行改进，同时也提出了很多新的计算方法。关于生态流量计算方法，主要包括水文学法、水力学法、生境模拟法和整体分析法四大类，水文学法相比于其他方法具有很多优势，即不需要进行现场实测水文数据，简单方便，对数据的要求不是很高，适用于优先度不高的河段[15-17]。

东江流域水量较大，开发利用程度高，无特殊生物保护目标且具有长序列的实测月径流资料，但是缺少长时间的日径流数据资料，因此选择水文学法进行计算。本文综合考虑东江的流域特征及实际发展状况，并基于现有资料及计算方法的适用范围，选用改进的Tennant法[5-6]、QP法[7]、经验法[8]、频率曲线法[9]和NGPRP法[10]分别计算最小生态流量，并将上述5种计算结果与1971—2000年系列95%保证率下的流量值进行对比，得出东江下游最小生态流量值，为梯级小水电流量合理下泄提供参考。

2.2 生态流量计算

a)改进的Tennant法。Tennant法也叫蒙大拿法，该方法通过控制断面多年平均径流量的百分比，判断河湖水生生物、河流景观与河流流量之间的关系，以多年平均径流量的10%作为最小生态流量，是最简单的一种方法[18]，但是计算结果没有考虑水文情势变化。因此本文选择改进的Tennant法计算最小生态流量[5-6]，根据东江的径流情况，分别将来水频率20%、50%和70%作为丰水年、平水年、枯水年典型年的选取标准，最终选择1976、1978、1986年作为丰、平、枯典型年代表。同时，非汛期(10月至次年3月)来水量较小，以多年平均径流量的10%作为最小生态流量；汛期(4—9月)来水量大，以多年平均径流量的30%作为最小生态流量。改进的Tennant法计算典型年各月的水文过程见表1。

表1 改进的Tennant法计算不同来水年各月最小生态流量 单位：m3/s

b)QP法。QP法是以控制断面至少连续30年的最枯月平均流量、水位或径流量排频的一种生态流量计算方法[7]。基于东江博罗站1971—2000年连续月平均流量数据，利用P-Ⅲ型曲线将连续30年的最枯月平均流量进行排频，求得90%保证率下的最小生态流量为232.81 m3/s，P-Ⅲ型曲线配线结果见图2。

图2 QP法P-Ⅲ型曲线配线结果

c)经验法。经验法是通过确定生态环境健康状况与径流量存在的经验关系计算生态流量的一种计算方法[8]，通过多年对生态流量的相关研究得知，当河道流量为年平均流量的30%～60%时，生态环境及水生生物生存状态较好。计算见式(1)。

Q1=Pe×Qa

(1)

式中Q1——某时段最小生态流量，m3/s；Qa——平均流量，m3/s；Pe——百分比，%。

基于东江博罗站1971—2000年连续月平均流量数据，利用P-Ⅲ型曲线对年平均流量进行排频，Qa取50%保证率下的年平均流量，值为754.18 m3/s，P-Ⅲ型曲线配线结果见图3。本文取Qa值的30%作为最小生态流量，结果为226.25 m3/s。

图3 经验法P-Ⅲ型曲线配线结果

d)频率曲线法。频率曲线法是选用连续至少30年的历史径流资料构建各月水文频率曲线，计算汛期与非汛期生态流量的方法[9]。基于东江博罗站1971—2000年月平均流量数据，将其分为1—12月共12个月平均径流系列，采用P-Ⅲ型曲线对系列进行配线，确定各月流量的均值、CV、CS/CV以及95%保证下各月生态流量，计算结果见表2。

表2 频率曲线法年内不同时段值计算成果

e)NGPRP法。NGPRP法是考虑不同水平年差别，将水文系列分为丰、平、枯3种不同的水文组，取平水年组中各月流量在90%保证率下的流量值作为最小生态流量的方法[10]。利用距平百分率P(-10%≤P≤10%)确定平水年组，并对平水年组各月生态流量排频，得到90%保证率下的流量值作为最小生态流量，值为354.00 m3/s。

2.3 计算结果分析

利用以上5种最小生态流量计算方法，得到博罗站最小生态流量过程，见表3。

表3 不同计算方下的最小生态流量过程 单位：m3/s

为了验证计算结果的合理性，将上述5种计算结果与1971—2000年系列95%保证率下的流量值(1971—2000年逐年月径流量最小值系列在95%保证率下的值为226.00 m3/s)进行比较，对比结果见图4。

图4 不同方法计算结果与95%保证率对比

由图4可知，NGPRP法计算得到的最小生态流量明显高于95%保证率的流量值，实际情况很难满足该最小生态流量；改进的Tennant法和频率曲线法得到的各月最小生态流量在保证率95%的流量线上下波动，能够达到一定的满足程度；QP法和经验法计算得到的最小生态流量均不低于95%保证率的流量值。因此，为更有利于保护东江流域生态流量生态环境且能体现出河流径流量的季节变化特征，选择QP法计算得到的最小生态流量值232.81 m3/s作为博罗站最小生态流量下限值，并选取改进的Tennant法和频率曲线法的内包线作为各月最小生态流量，各月最小生态流量具体值见表4，其过程见图5。

表4 各月最小生态流量过程 单位：m3/s

图5 各月最小生态流量过程

3 确保东江干流最小生态流量的具体措施

a)优化水资源总量分配方案。根据东江干流水资源总量与上下游各河段的需水要求，制定东江流域三大水库联合调度管理办法，保障东江流域(石龙以上)及珠江三角洲地区的生态安全，兼顾航运、发电等多方需求。

b)完善最小生态流量监管制度。东江生态流量关键节点与重要部位进行实时在线监控，实现主要控制断面生态流量预警的自动分析，并建立最小生态流量监督管理长效机制。

c)建立最小生态流量监测预警机制。根据保障生态流量管控目标要求，以生态流量监测机制与生态流量调度方案作为前提，确定最小生态流量预警体系，建立最小生态流量保障的预警机制，以确保生态水量满足保证率要求。

d)加强流域水质监督与管理。在保障最小生态流量目标的同时，要加强河流污染排放控制，做好水质监管工作，确保水质符合《调度方案》中规定的目标要求。

4 结论

采用改进的Tennant法、QP法、经验法、频率曲线法和NGPRP法等5种方法计算梯级小水电开发河流——东江干流最小生态流量，得到如下结论。

a)以梯级小水电开发河流——东江干流为例，采用改进的Tennant法、QP法、经验法、频率曲线法和NGPRP法计算最小生态流量，通过对比分析，提出改进的Tennant法、频率曲线法、QP法和经验法计算得到的最小生态流量均能达到一定的满足程度。

b)在满足95%保证率的条件下，采用QP法和经验法计算最小生态流量，2种计算结果相近且不低于95%保证率流量值，为更有利于保护东江流域生态环境，选择QP法计算得到的最小生态流量值232.81 m3/s作为博罗站最小生态流量下限值，即各月的最小生态流量均不能低于该值。同时选取改进的Tennant法和频率曲线法的内包线作为各月最小生态流量过程，为上游小水电的流量下泄提供参考。

c)为保证东江干流的最小生态流量，应采取一定的保障措施，如优化水资源总量分配方案、完善最小生态流量监管制度、建立最小生态流量监测预警机制、加强流域水质监督与管理，以此来保证河流水生态系统健康可持续发展。

5 展望

采用较为通用的水文学法计算梯级小水电开发河流最小生态流量，为流域和生态的管理提供理论支持，从而更好地保证小水电以及河流水生态系统健康可持续发展。但是梯级小水电开发河流最小生态流量的确定方法尚未统一，且影响因素较多，故本研究在最小生态流量的计算过程中还存在一定的改进空间。为进一步完善小水电与生态系统的管理与保障工作，在今后的研究中应当不断深化最小生态流量的确定方法，如构建“水文-生态响应关系”，考虑多方面因素使得研究过程更加理论、系统，计算结果更加合理。