小水电下泄生态流量计算方法研究进展

王志华，何艳虎，，刘树锋，关 帅

(1．广东工业大学生态环境与资源学院，广东 广州 510006；2．广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635)

0 引 言

随着人口数量持续增加，河道外的用水需求不断加大，河流的水资源开发利用程度也越来越高，水坝、水电站、水库等水利工程的修筑，不仅改变了河流的水力学性质，而且影响了河流的流速和其中的水生生物。由于无法保证河流中的最小生态流量，造成水生生物多样性的减少，威胁河流水生态安全[1]。其中，小型水电站由于数量众多、分布广泛成为社会焦点。如何实现小水电绿色发展，进行生态流量的确定、泄放、监测和调度，是当前研究的热点。

水电装机容量是指水电站中全部水力发电机组额定功率的总和，是衡量水电站规模和电力生产能力的主要指标，我国将小水电定义为装机容量在50 000 kW及以下的小型水电站或水力发电装置。

小水电是重要的可再生能源，是实现双碳目标的重要措施之一。自20世纪70年代以来，我国已建成小型水电站4万余座，总装机容量达8 000多万kW，约占全国水电总装机量的22%[2]。小水电的大量开发对于解决偏远农村地区的用电问题，在实现节能减排和提升农民生活质量方面发挥着重要作用；但随着经济社会的不断发展和人民生活水平的不断提高，小水电截流蓄水发电引起的下游水资源枯竭、水质恶化、纵向连通性丧失、生境退化和生物群落组成简化等负面影响也逐渐显露。

小水电大多是私营的盈利性发电站，在枯水期蓄水发电的方式会破坏河道生态，导致水生生物多样性受到威胁，破坏生态系统的稳定性。在智利拉哈河和鲁库埃河的研究中发现[3]，引水式水电站会对鱼类群落产生重大影响，导致鱼类群落数量减少；类似的结论也在罗马尼亚喀尔巴阡山脉研究中得到确认[4]，大量建设小水电威胁河流中水生生物多样性，特别对鳟鱼和牛头鱼影响最为严重，栖息地仅存约38%。在湿润多雨的区域，单座小水电站的影响并不明显，如西班牙西北部的4座小水电站的监测研究[5]，短期内没有显著影响河流的物理和化学特性，也没有改变底栖大型无脊椎动物的组成。然而，多座小水电的梯级开发可能忽视大规模生态和进化过程，河流流速降低，水质下降，导致遗传多样性降低，适应性减弱，增加局部灭绝的风险。

鉴于小水电的负面影响，2014年起，我国开始重视绿色水电开发，各省相继出台相关政策，并加强中小水电管理；2017年发布了《绿色小水电评价标准》，并计划清退和整改近2万座小水电站，以促进生态系统修复[6]。

小水电的生态环境影响主要体现在水文和生物多样性两方面，本文在综述传统生态计算方法的基础上，梳理了小水电下泄生态流量的计算方法研究现状，并进行了展望。

1 生态流量计算方法概述

生态需水概念最早由美国环保组织于20世纪60年代提出，指生态系统维持功能和生物多样性所需的水量。英国、澳大利亚等国在80年代接受了河流生态流量概念，并广泛研究。生态流量是在维持生态系统健康和生物多样性前提下，满足水生生物的生存、繁殖和栖息需求，维持水生生态系统功能的水量；减缓小水电对生态环境的影响需确保下游河道的最小生态流量，满足水生生物的最小生态需水，保持河道生态系统稳定[7]。国际上通用的河道生态环境流量计算方法包括以下4类：水文学法、水力学法、栖息地法和综合法。

1.1 水文学法

水文学法是一种常用的计算河流生态流量的方法(最早于1976年由美国提出了基于历史径流资料的Tenant法)，是利用长期的水文数据来估算生态流量；例如，用平均流量乘以1个百分数，或者用天然流量出现的概率作为保证率[8]；代表性的方法有Tennant法、7Q10法、流量历时曲线法、Texas法和RVA法等[9]。水文学法的优点在于方法简单、适应性强，可以利用已有的水文数据进行估算，不需要进行实地监测；缺点在于依赖长序列水文资料，没有考虑生物过程和需求，同时在季节性河流的计算过程中，尤其是干旱和半干旱流域，计算误差较大。

1.2 水力学法

水力学法是基于水力学原理，针对缺乏水文数据的区域，把河流的流量变化和河道的形状、宽度、深度等水力几何学参数联系起来，通过收集流量、河道断面以及目标物种的水力特性等资料来计算生态流量，主要包括湿周法、R2CROSS法和生态水力半径法[10]。水力学法的优点在于它能够精确地考虑河道形态和目标物种的需求，对于缺乏水文资料的地区有较好的适用性，从而为河流生态保护提供更为科学的依据。然而，这种方法需要大量的现场测量数据，包括河道的测量以及指示物种的捕获，这些数据的获取可能会比较困难，适用于河宽在18～30 m的非季节性河流。

1.3 生境模拟法

通过对水力学的进一步研究，生境模拟法(栖息地法)结合生物学原理，考虑了物种对不同生境的选择和适应程度，使用物种的栖息地适宜度指数来定量化目标物种对水深、流速、底质、覆盖物等环境因子的敏感度，通过建立生境适宜性评价标准，借助软件建立水动力数值模拟模型，模拟不同来水情况下河道内的生境因子，计算不同模拟结果下的生境可利用面积，基于流量—生境可利用面积关系曲线确定生态流量；最代表性的方法是IFIM法[11]。生境模拟法的优点是能够考虑目标物种的栖息地偏好，能够预测不同流量下的栖息地质量和数量，并能够确定维持河流生态系统健康所需的生态流量。但是，生境模拟法也有一些局限性，如只能针对有明确生境偏好的物种，不能反映多物种的生态需求和相互作用，需要大量的水文资料和生境数据，观测和计算过程较为复杂和耗时，适用于小型湖泊和河流。

1.4 整体分析法

整体分析法，又称综合法，通过对河流生态系统的整体分析，确定最小生态需水量；方法包括BBM法、DRIFT法和ELOHA法。BBM法综合考虑专家意见和生态功能，但需要实测天然日流量系列、专家意见和公众参与，不易应用。DRIFT法通过模拟不同物种对水文、水力、水质等需求确定生态流量。ELOHA法基于水文资料对每条河流进行分类，确定不同类型河流的流量—生态关系，实现流域内河流生态环境流量管理。整体分析法科学性强，但需要大量水文生态数据，研究周期长，国内应用较少[12]。

1.5 总结

小水电下泄的最小生态流量，是保障下游生态系统和水生生物的重要条件。为了消除减水段的负面影响，需要科学合理地确定生态流量。目前，4类生态流量计算方法各有优缺点，在实际的应用中，需要根据河流特点、物种需求和水文数据等因素，灵活选择适合实际情况的计算方法，以促进小水电站的可持续发展和河流生态系统的健康。

2 生态流量计算方法的应用

自21世纪初以来，欧美国家的小型水力发电行业已经进入了一个绿色发展的新阶段。通过立法、补贴政策以及技术创新等多重措施，这些国家积极推动小水电的可持续发展[13]。此外，借助遥感技术、地理信息系统(GIS)、数值模拟和人工智能的快速发展，数据获取、分析和处理的效率和准确性也得到显著提高；这些进展为各地区提供了丰富的生态流量计算案例和生态流量推荐值。当前的研究主要集中在中国和东欧等发展中国家。以东欧的立陶宛为例[14]，该国在2017年首次应用MesoHABSIM栖息地模型，选择鲑鱼和鲤鱼等保护物种，计算河流的生态流量。另外，在波兰维斯瓦河[15]上游的水电站进行生态评估和发电量优化时，采用Tennant法计算得出年平均流量的25%为最佳解决方案。罗马尼亚[16]在2020年实施了生态流量法案，但其生态流量计算仍然以水文学为基础。在北瓦济里斯坦[17]和尼泊尔[18]等地，小水电快速发展，对此进行的研究侧重于改进现有方法，以此来适应不同条件下的应用。

传统生态流量计算方法中，由于水文学法和水力学法操作简单，应用也最为广泛，生境模拟法多用于河流中存在明确要求的保护物种，整体分析法由于其费时费力的缺点，应用较少。在小水电的生态流量计算中，对于常年性的大型河流，有着完善的水文资料，适用于水文学法；而分布于偏远区域的小水电，水文资料缺乏，因此水力学法和生境模拟法在山区小水电生态流量研究较多。

2.1 水文学法

在实际应用中，我国现有省管、市管及县管河流小水电站的下泄生态流量计算一般取多年平均流量的10%和90%保证率最枯月平均流量法两种计算方法中的大值，其余河流上的小水电站，由各地结合河道实际情况，自行选择上述两种方法的其中一种。因此，在进行小水电生态流量计算时，可以根据已有水文资料进行数据分析，用这两种方法为标准进行参考。例如，针对云南省临沧市南汀河大柏树电站和镇康县凤尾河电站，通过对上游水文站的枯期径流资料分析[19]，在90%保证率下，用代表年法和长序列法计算引水式电站下泄生态流量，结果表明长序列法更接近天然状态。

在无资料流域进行小水电生态流量计算时，由于存在下泄流量，根据降雨资料推求的水文数据就失去了参考价值，在此河流上水文学法适用性降低[20]。对于分布在流量较大的常年性河流上的梯级水电站，这类河流通常水文资料比较齐全，计算生态流量时，更适用于水文学法。在东江流域梯级小水电的最小生态流量计算中[21]，采用经验法和频率法，并结合Tennant法对核算结果进行评估，认为经验法和频率法更适合梯级小水电的最小生态流量核算。对石窟河梯级小水电进行最小生态流量计算时[22]，采用5种水文学方法和水力学方法进行比较，发现Texas法和Tennant法更适合该地区的情况。对比水力学方法，水文学方法更适合在河道比降较大且进行梯级小水电开发的河流中计算最小生态流量。

在小水电绿色转型阶段，全国小水电数量庞大，生态流量的计算工作量大，使用水文学法作为生态流量计算标准，在常年性的大型河流中，监测设备和水文资料完善，参照Tennant法的标准，无论是工作效率，还是选择下泄流量的灵活性，都更加适合清理整改工作的快速推进。

2.2 水力学法

水力学法中最常用的湿周法和R2CROSS法在计算时都考虑到了河流的水力参数的影响，而R2CROSS法又需要选取河流中的水生生物作为指示物种。如使用R2CROSS法解决雅砻江锦屏二级引水式水电站下游河段减水问题时，需要根据河流的具体情况修订水力参数，将鱼类作为指示物种和保护目标，计算出的生态流量也满足了鱼类生存的水深和水面宽度[23]。位于偏远山区的小水电站，由于河流丰枯差异大，旱季来临时，部分水电站会选择蓄水发电，宽且浅的河道，会导致河流易干涸，减脱水河段严重威胁水生生物。同时，山区河流缺乏长序列水文资料，恶劣的环境导致生境法和整体分析法费时费力，因此常使用水力学法来确定生态流量。但在实际应用中，河道崎岖，河流断面不规则，在计算时误差较大，因此需要对河道断面进行概化工作[24]。

综合来说，水力学法对计算偏远区域的小水电生态流量有着较好的应用，不需要长序列的水文数据和生物监测数据，在测量河道水力参数的基础上，可以快速计算出河道生态流量；并在不断的发展中将水生植物或无脊椎动物也加入了考虑范围内，作为指示物种应用于山区河流小水电的生态流量估算。

2.3 生境模拟法

计算小水电生态流量时，考虑对下游水生生物的保护，通过模拟下游生态环境，选取保护物种，确定适宜保护物种生存的流量。例如，张丽等在广西大环江下湘电站下游河段[25]，选取鲤鱼作为研究对象，采用生境模拟法分析了不同流量条件下的生境面积变化；结果表明，生境模拟法确定的最小生态流量和最佳生态流量均显著高于最枯月平均流量法和Tennant法30%水平的计算值。生境模拟法的关键在于使用模拟软件建立起生境面积与流量之间的关系曲线，除Mike软件外，River2D模型也经常被用来进行水动力和鱼类有效栖息地的计算与模拟，计算引水式小水电下游减水段最小生态流量，修复减脱水河段生态系统[26]。对于缺乏鱼类资料的研究区域，利用底栖动物的丰富度和生物多样性对适宜栖息地水深、流速的需求，将生境模拟法中的生境因子与生物多样性联系起来，模拟不同流量工况下，流量与生境面积的变化情况，计算减脱水河段底栖动物的适宜生态流量和最小生态流量[27]。

生态流量计算的目的在于减少减脱水河段对于水生生物的影响，使用生境模拟法计算出的适宜生态流量和最小生态流量，能够根据选定生物的选择不同的生态流量，起到重要的保护作用，更适用于有着珍稀物种或生态保护目标的河流；但更适合的结果，意味着更大的工作量，无论对于梯级水电站，还是偏远山区，工作周期均过长，在短时间的小水电清理整改工作中应用较少。

3 结 论

现阶段正是小水电清理整改的关键时刻，水文学法由于简单易行的特点，在小水电清理整改的过程能极大提高效率，并且可以利用现有的水文站点进行监测，不需要额外的监测设备。生境模拟法能够考虑小水电下游目标物种的生境偏好，预测不同流量下的栖息地数量和质量，根据保护物种的不同，确定不同的生态流量。水力学法用于缺乏水文资料的偏远地区小水电，通过现场测量河道水力参数获取数据，也在一定程度上考虑了水生生物的需求。生态流量作为小水电清理整改的重要影响因素，必须因地制宜，选择符合实情的计算方法，才能兼顾环境效益和经济效益，为小水电的绿色转型提供科学依据。

4 结 语

小水电曾为偏远地区的脱贫做出巨大贡献，但现在却面临着全面清理整改的压力。在党中央将“碳达峰、碳中和”作为生态文明建设和“十四五”发展的重要目标后，小水电行业迎来了新的挑战。小水电在当前的发展中依然存在许多问题，这也是实现节能减排、绿色转型必须解决的问题。

4.1 存在的问题

(1)针对单个工程的小水电生态影响研究，其研究区域受到限制，难以反映中小型河流上梯级小水电无序开发对生态系统的累积效应，以及全流域水量减少的影响。为了揭示这一问题的本质和规律，亟需从流域尺度出发，开展生态调度的理论和方法研究。

(2)针对山区河流小水电生态流量计算方法的研究较为缺乏。南北方地质、气候等特征差异大，北方需水研究多于南方，但南方山区河流缺乏水文资料，常规方法不适用，需要开发更准确的适用于山区河流的生态流量计算方法。

(3)目前，生态流量的确定多以水文学方法为基础，但缺乏后续的监测评估，无法有效验证生态流量是否满足水生生物的生存需求。因此，后续的长期监测跟踪有助于保证河流生态系统的健康与稳定。

4.2 研究展望

(1)当前对于不同的河流类型、生态目标和数据条件，对生态流量的计算方法和标准应有不同的要求和适用性。因此，建立适用于不同河流类型、生态目标和数据条件的生态流量计算方法和标准是提高小水电下泄生态流量科学性的重要措施。

(2)当前小水电的生态流量泄放研究主要关注生态效益，而忽视了经济效益。未来的研究需要进一步探讨生态流量泄放对经济的影响，同时建立监督管理平台，以实现小水电的精细化管理；综合考虑经济效益和生态效益，推动小水电的可持续发展。