碗米坡水电站生态流量的计算与分析

朱朝辉 喻海涛 宋 兵

(1.五凌电力有限公司碗米坡水电厂,湖南 湘西 416500;2.五凌电力有限公司,湖南 长沙 410004)

水利水电工程在流域防洪、航运、水力发电、水资源保障供给等方面发挥着重要作用,但工程的不合理运行方式可能会造成下游河道减水、脱水甚至断流,从而引起水环境质量恶化、生物多样性锐减等一系列生态环境问题。《中华人民共和国长江保护法》中要求“长江干流、重要支流和重要湖泊上游的水利水电、航运枢纽等工程应当将生态用水调度纳入日常运行调度规程,建立常规生态调度机制,保证河湖生态流量”。

《河湖生态修复与保护规划编制导则》将“生态基流”定义为: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破坏的河道内最小流量。目前,生态流量计算方法已经成熟,大体可分为水文学法、水力学法、栖息地法和整体分析法四大类,由于水文学法使用方便且成本低,是目前使用最广泛的生态基流计算方法。常见水文学法有Tennant法(蒙大拿法)、7Q10法(近十年最枯7天平均流量法)和Qp法(不同频率最枯月平均流量法)等。由于我国降雨气候地区差异明显,目前尚未明确生态基流计算方法选择准则[1-3]。为复苏河湖生态环境,水利部已于2022年11月正式印发《已建水利水电工程生态流量核定与保障先行先试工作方案》。本研究拟选取酉水流域碗米坡水电站,采取多种计算方法计算并核定其生态流量指标,对其他已建水利水电工程生态流量核定具有一定借鉴意义。

1 研究区域概况

酉水是沅江最大一级支流,干流全长477km,集水面积18530km2,干流平均坡降1.05‰,多年平均流量约513.00m3/s。流域多年平均年径流深873.7mm,年径流分布与降水基本相应。多年平均水资源总量161.90亿m3。酉水流域属亚热带季风湿润气候,气候温和,雨量充沛,日照充足,四季分明。年平均气温15～16.9℃,雨量集中在春、夏,多见秋旱。酉水流域洪水主要由暴雨形成,洪水时空变化特性与暴雨特性一致,每年4—9月为汛期,年最大洪水多发生于4—8月,其中5月、6月出现次数最多。

碗米坡水电站位于湖南省保靖县境内的酉水中游,见图1,2005年开始蓄水发电,下游距保靖县城20km,上游53km处建有石堤水电站,尾水与凤滩水库的回水相接。坝址以上控制流域面积10415km2,占酉水流域面积的56.2%,多年平均年径流量94.30亿m3,总库容3.78亿m3,水库正常蓄水位248.00m,相应库容2.53亿m3;水库设计洪水位249.78m,相应库容2.86亿m3;死水位238.00m,有效库容1.25亿m3,库容系数0.013,具有不完全季调节性能。工程以发电为主,兼有航运、养殖等综合效益。

石堤水电站下游5km建有石堤水文站,见图1,设立于1956年12月,位于重庆市秀山县石堤镇水坝村,属国家重要水文站,酉水中游控制站于2016年1月上迁208m,更名为石堤(二)站。断面以上流域面积为8400km2,距河口距离189km。石堤水文站测验项目包括水位、流量等。石堤水电站总库容1.63亿m3,2008年起蓄水发电,对石堤水文站径流过程产生直接影响。

2 研究方法

2.1 河道水文情势演化分析

Richter et al[4]于1996年提出包括河道径流量值、频率、发生时间、历时以及变化率等33个表述水文情势变化的5组指标(Index of Hydrologic Alteration,IHA)。IHA指标体系一般利用长序列日径流资料计算受人类活动影响的河流,可对水利工程建设影响前后河道内的水文情势变化进行分析。本研究基于1959—2022年石堤水文站整编逐日平均流量资料,分析石堤水电站运行前后下游河段重要水文指标变化情况,评估近60年酉水流域水资源量变化和上游水利工程运行对碗米坡水电站生态用水保障的影响。

2.2 碗米坡坝址断面生态流量的计算

由于缺少碗米坡水电站2005年建成前坝址断面径流资料,且由2008年起石堤水文站实测径流数据受石堤水电站运行调节直接影响,碗米坡水电站坝址断面径流还原和生态基流的计算分析主要按如下步骤进行。

2.2.1 石堤水文站径流资料还原计算

由于受上游石堤水电站蓄水调节影响,为保证石堤水文站长时间序列水文资料系列的一致性,对2008年后石堤水文站实测水文资料进行还原计算。

石堤水文站断面径流过程主要受上游干流石堤电站调蓄影响,且区间基本无用水量,故石堤水文站还原计算的水量平衡方程为

W石堤水文还=W石堤水文实±W石堤电站蓄

(1)

式中:W石堤水文还为石堤水文站还原后的水量,m3;W石堤水文实为石堤水文站实测水量/m3;W石堤电站蓄为还原时段内石堤电站蓄水量变化值(蓄水为“+”,放水为“-”)/m3。

因石堤水电站中低水时期入库出现“0”或“负数”较多,但水位较完整,故采用水位过程及水库库容曲线来反算水库蓄水变量;再利用南方水文资料整编系统进行水文资料整编,得到石堤水电站逐日水量(流量)变化成果表;最后与石堤水文站逐日流量成果(调蓄后)表进行叠加,得到石堤水文站逐日流量还原成果。

2.2.2 碗米坡坝址断面径流资料还原和延长

采用面积比拟法和线性经验关系法两种方法,实现碗米坡坝址断面径流资料的还原和延长。

a.面积比拟法。由于工程控制断面集水面积与水文站集水面积相差不超过20%,可采用面积比拟法推算坝址断面多年逐月平均流量,面积比拟法计算公式为

(2)

式中:Q为流量;F为汇水面积;x和a代表水文站控制断面及水电站控制断面;n为修正系数,本研究只考虑面积的情况,取n=1。

b.线性经验关系。建立石堤水文站断面和碗米坡坝址断面月平均流量间经验关系。基于2008—2023年石堤水文站断面实测逐月平均流量和碗米坡水电站月平均入库流量,计算得到石堤—碗米坡区间月平均产流流量。将石堤—碗米坡区间产流流量与石堤断面还原径流流量相加可得到2008—2023年碗米坡水电站坝址断面还原月平均流量序列。

根据2008—2023年石堤水文站断面还原径流量和碗米坡还原径流量实测数据,建立石堤水文站断面与碗米坡坝址断面月平均流量间线性经验关系,见图2,经验公式为y=1.2564x-2.4353,R2=0.9951。再根据建立的经验公式,由石堤水文站整编流量资料还原得到2008年前碗米坡坝址断面逐月径流量,作为坝址断面还原径流量,实现碗米坡坝址断面长时间序列径流还原延长。

图2 石堤断面与碗米坡坝址断面月平均流量线性经验关系

2.3 碗米坡水电站生态流量的计算分析

鉴于碗米坡水电站基本情况及其上游水文站网水文资料收集年限,结合当前常用的生态流量计算方法,采用Tennant法、Qp法、7Q10法3种方法分别计算该水电站生态流量值[1],最后综合分析核定碗米坡水电站生态流量。

a.Tennant法。依据长系列年径流量资料,按照Tennant法取多年平均流量的10%作为生态流量。

b.Qp法。将长系列水文年份中各年内最小月平均实测流量进行排频,取不同频率最小月平均实测流量作为河段的生态流量。

c.7Q10法。以水文站长系列年平均流量资料为基础进行排频,选取90%或95%频率对应的年份为典型年,从典型年内选取连续7天最枯的平均流量值作为生态流量值,本研究取频率为90%。

3 结果与讨论

3.1 水文情势变化分析

a.年径流量。1959—2022年,石堤断面多年平均流量为234.96m3/s,没有表现出明显变化趋势,见图3。按1959—2007年和2008—2022年两个时期统计,多年平均流量分别为239.60m3/s和227.10m3/s,下降了5.2%。

图3 石堤水文站年径流量变化过程

b.月平均流量。比较1959—2007年和2008—2022年两个时期石堤断面月平均流量(见表1),石堤断面丰水期6—8月平均流量下降幅度为20.0%,9月平均流量上升23.9%;枯水期11—12月平均流量出现下降,但年内最枯的1月平均流量不降反升11.3%,可能与上游石堤水电站运行调节有关。

表1 石堤断面月平均流量变化统计

c.年极值流量。1959—2003年和2004—2022年两个时期,受上游石堤水电站调节影响,石堤水文站年极小流量特征值由22.53m3/s减少至5.42m3/s,下降76.0%;年极大流量由3541.00m3/s减少至2827.00m3/s,减少20.2%。

3.2 生态流量计算

碗米坡水电站坝址断面历年最小月平均流量的水文频率分析曲线见图4。采用Tennant法、Qp法、7Q10法计算的碗米坡水电站生态流量分别为29.40m3/s、25.80m3/s(25.06m3/s)、25.20m3/s,见表2。Tennant法计算的成果较Qp法及7Q10法分别偏大12.2%和14.3%,Qp法及7Q10法计算成果较为接近。与相邻的澧水流域类似,碗米坡水电站所在的酉水亦属于丰枯变化剧烈的山溪性河流,河道径流季节变异较大,按多年平均流量的10%计算的生态流量值要大于其他两种方法[4]。

表2 生态流量计算成果

图4 碗米坡水电站Qp法水文频率分析曲线(1959—2023年)

3.3 典型枯水期的生态流量保障

2022年下半年,湖南省遭遇了自1961年有连续监测资料以来罕见的夏秋冬连旱影响。2022年10月,碗米坡入库流量呈锯齿状上下剧烈波动,月平均入库流量为30.00m3/s。为保证生态流量、出库流量均匀平稳下泄,进入11月后,碗米坡水位日趋接近死水位运行,见图5。由于流域内长期无有效降雨,入库流量仅10.00m3/s左右,碗米坡存蓄水量难以保障生态流量 下泄,见图6。

图5 碗米坡水位过程

图6 碗米坡出入库流量过程

4 研究结论

a.采用面积比拟法和经验公式法还原和延长碗米坡水电站径流序列,并用Tennant法、Qp法、7Q10法三种常见水文学方法计算坝址断面生态流量指标,计算成果分别为29.40m3/s、25.80m3/s(25.06m3/s)、25.20m3/s。Tennant法计算的成果较Qp法及7Q10法分别偏大12.2%、14.3%,Qp法及7Q10法计算成果较为接近。

b.碗米坡水电站所在的酉水属于丰枯变化剧烈的山溪性河流,近60年来酉水流域年径流量总体相对稳定,河道径流季节变化较大。受上游石堤水电站运行调节影响,枯水期河道径流量变化程度进一步加大,枯水期碗米坡水电站生态流量保障难度较大,宜采用Qp法计算生态流量成果。同时,应建立流域水资源统一调度管理机制,强化枯水期生态流量协同调度,提高生态流量保障程度。