水牛家水電站下泄生態(tài)流量研究及效果分析

何月萍，張玉杉

(中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

火溪河系涪江上游左岸的一級(jí)支流，發(fā)源于岷山山脈南支摩天嶺的北側(cè)，河源段大致由南向北流，至大窩凼則轉(zhuǎn)為由西北向東南流，經(jīng)王朗自然保護(hù)區(qū)、白馬、王壩楚、木座、新益、木皮等地，于平武縣城以上9km的鐵龍堡處匯入涪江，干流河道長(zhǎng)114km，全流域集水面積為1 494km2?；鹣影春拥捞匦詤^(qū)分，王壩楚以上為上游，王壩楚～木座鄉(xiāng)為中游，木座鄉(xiāng)以下為下游。

水牛家水電站為火溪河龍頭水庫電站，壩址位于白馬鄉(xiāng)稿史瑙村賴子灣附近，經(jīng)9.5km長(zhǎng)右岸引水隧洞引水至王壩楚下游平武涪源電冶廠附近建地面廠房發(fā)電，庫尾上游約10km為王朗自然保護(hù)區(qū)。

2 下放生態(tài)流量的必要性

水牛家水電站采用混合式開發(fā)，電站最大引用流量40.8m3/s，水庫具多年調(diào)節(jié)性能。工程建成后若按常規(guī)方式運(yùn)行，壩、廠址間將形成12.7km的減水河段，其中壩址至第一條支溝——磨房溝間4.3km的河段除豐水年8月有少量下泄流量外，其他時(shí)間完全脫水。磨房溝至廠址河段由于沿途有洋洞河、大白河溝等支溝匯入，水量逐漸增多，但在總體上流量也較天然狀況下明顯減少。水牛家壩、廠址以及其間支溝流量見表1。

由于電站減水河段與平武～王朗公路相鄰，河段減水，特別是脫水河段的出現(xiàn)將對(duì)區(qū)域景觀的整體美感產(chǎn)生不利影響。因此，水牛家水電站需下放一定的生態(tài)流量，維持水生生物的基本生存條件，維護(hù)區(qū)域自然景觀。

3 設(shè)計(jì)目標(biāo)

3.1 工程河段生態(tài)環(huán)境需水要求的基本特點(diǎn)

根據(jù)對(duì)水牛家水電站工程區(qū)環(huán)境現(xiàn)狀特點(diǎn)的分析，工程河段生態(tài)環(huán)境需水量主要將滿足以下3方面的要求：(1)生態(tài)功能——河道中現(xiàn)有的水生生物維持基本棲息地需水要求；(2)資源功能——居民人畜用水、工農(nóng)業(yè)灌溉取水要求；(3)環(huán)境功能——河道景觀需水要求、河流自凈需水要求。

由此分析，水牛家水電站工程河段生態(tài)環(huán)境需水量的表達(dá)式可以簡(jiǎn)單表達(dá)為：

河流系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境需水=MAX{維持棲息地需水，自凈需水，景觀需水}+人畜生活用水+農(nóng)業(yè)灌溉用水+工業(yè)取水-區(qū)間匯流。

3.1.1 工程河段水生生物棲息地需水的基本要求

根據(jù)對(duì)火溪河魚類現(xiàn)狀的調(diào)查分析，水牛家水電站所處的火溪河上游王壩楚以上工程河段基本無魚類，因此水生生物棲息地需水不是工程河段生態(tài)環(huán)境需水控制性因素。

3.1.2 工程河段自凈用水的基本要求

根據(jù)對(duì)工程河段現(xiàn)有水質(zhì)污染源和當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)規(guī)劃的情況分析，本工程河段污染源少、水質(zhì)狀況較好，水體自凈用水不是控制因素。

表1 火溪河水牛家水電站壩、廠址區(qū)間各支溝年、月平均流量 m3/s

3.1.3 工程河段工農(nóng)業(yè)及生活用水要求

根據(jù)調(diào)查，工程河段有兩座小水電站為王壩楚電站及白馬電站，王壩楚居民飲用水汲水井受到水牛家水電站運(yùn)行河段減水的影響，其補(bǔ)償及供水問題已得到妥善解決。

3.1.4 工程河段景觀用水的基本要求

工程所在的白馬鄉(xiāng)白馬藏族風(fēng)情旅游資源，是平武縣主要的人文旅游資源；工程區(qū)上游王朗自然保護(hù)區(qū)為生態(tài)旅游區(qū)。工程河段左岸為平武～王朗公路，該公路連接王朗自然保護(hù)區(qū)、白馬鄉(xiāng)與平武縣，并在王壩楚接九環(huán)線旅游公路。

鑒于上述原因，減水河段保持能引起視覺效果的流水景觀，就成為工程河段生態(tài)環(huán)境需水的控制性因素。

3.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

考慮到目前景觀功能尚無理論化和定量化的計(jì)算方法，計(jì)算景觀需水的具體取值采用在當(dāng)?shù)鼐用裰虚_展公眾參與和有關(guān)專家評(píng)審相結(jié)合的專家系統(tǒng)綜合給出。認(rèn)為河流景觀用水優(yōu)劣有兩個(gè)主要指標(biāo)：水質(zhì)和水量。具體標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 決定火溪河流景觀需水量的主要參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

據(jù)表2，確定水牛家水電站水域景觀保護(hù)設(shè)計(jì)目標(biāo)為工程運(yùn)行后減水河段水面面積達(dá)到天然河道枯期水面面積的40%以上，河段平均水深達(dá)到0.2～0.5m。

4 生態(tài)流量的確定

工程河段河谷形態(tài)為“U”形寬谷盆地夾峽谷，沿程河槽形態(tài)變化不大，且河床穩(wěn)定，歷年沖淤變化很小。根據(jù)對(duì)實(shí)測(cè)大斷面資料及水文資料情況分析，選取壩址水尺斷面作為研究斷面，計(jì)算各水力參數(shù)，并得到生態(tài)環(huán)境需水的推薦值；以電站廠房附近王壩楚斷面作為校核斷面，驗(yàn)證生態(tài)環(huán)境需水推薦值的可行性。

4.1 減水段生態(tài)環(huán)境需水量推薦值

針對(duì)水牛家壩址水尺斷面初步擬定9種下泄流量方案，其中方案4為國(guó)家發(fā)改委、水利部“全國(guó)水資源綜合規(guī)劃環(huán)境用水要求”所推薦的流量值1.32m3/s(為壩址斷面多年平均流量的10%)；方案5為下游陰坪電站下泄生態(tài)流量。

根據(jù)水牛家壩址實(shí)測(cè)大斷面圖、水位～面積關(guān)系線見圖1；水位～流量關(guān)系線見圖2，計(jì)算得到各下泄方案相應(yīng)的水面寬度、水深及水面寬增量比變化趨勢(shì)，見表3、圖3、圖4。

由表3、圖3、4可見，當(dāng)壩址斷面下泄流量為1.32m3/s時(shí)，對(duì)應(yīng)的水面寬、平均水深分別為3.6m、0.22m。當(dāng)將下泄流量提高到1.50m3/s時(shí)，水面寬曲線及增量比曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，水面寬擴(kuò)展為5.0m，水面寬增量比達(dá)到7.78；繼續(xù)增加下泄流量，水面寬增量比逐漸下降，可以認(rèn)為下泄1.50m3/s最為經(jīng)濟(jì)有效。據(jù)此，將1.50m3/s作為水牛家生態(tài)環(huán)境需水流量的初步推薦值。

4.2 下泄生態(tài)流量效果分析

水牛家壩址以下至廠房區(qū)間河段兩岸依次分布有磨房溝、洋洞河及大白河溝3條較大支溝。工程運(yùn)行后如不下泄生態(tài)流量，則減水河段各段的流量見表4。

如果壩址處下泄1.50m3/s生態(tài)流量，則減水河段各段流量見表5。

根據(jù)王壩楚斷面的大斷面圖及水位～面積曲線(見圖5)、水位流量關(guān)系線(見圖6)，計(jì)算出工程河段在下泄1.50m3/s生態(tài)流量后的各水力參數(shù)值見表6。

表3 水牛家壩址各下泄流量方案分析

圖1 水牛家壩址水尺大斷面

圖2 水牛家壩址水尺斷面水位流量關(guān)系

圖3 水牛家壩址下泄流量～水面寬關(guān)系線

圖4 水牛家壩址水面寬～下泄流量增量比曲線

圖5 火溪河王壩楚水文站大斷面

圖6 火溪河王壩楚水文站水位—流量關(guān)系

位 置距壩距離/km平均流量/m3·s-15月6月7月8月9月10月11月12月1月2月3月4月全年汛期(5～10月)枯期(11～4月)磨房溝口下4.30.610.70.930.910.860.660.440.330.280.260.270.390.550.780.33洋洞河口下9.52.572.983.953.853.642.81.861.41.191.11.141.662.353.301.39大白河口下12.13.484.045.355.214.933.792.521.891.611.491.542.253.184.471.88

表5 水牛家水電站下泄1.50m3/s流量后減水河段流量

表6 水牛家水電站下泄1.50m3/s流量后工程河段水力參數(shù)

由表6可見，當(dāng)壩址處下泄1.50m3/s生態(tài)流量后，壩址斷面、王壩楚斷面枯期水面寬分別達(dá)到工程建設(shè)前的36.8%、79.2%，平均水深在0.2～0.5m之間，減水河段水面面積達(dá)到工程建設(shè)前枯期水面面積的61.1%，滿足火溪河景觀需水的主要參數(shù)指標(biāo)要求(見表3)。據(jù)此，認(rèn)為壩址斷面下泄1.50m3/s生態(tài)流量能夠較好地滿足火溪河生態(tài)環(huán)境需水要求，是可行的。

5 生態(tài)泄流措施方案

5.1 生態(tài)泄流措施方案

水牛家水電站采用混合式開發(fā)，最大壩高108m，壩型為碎石土心墻堆石壩，若生態(tài)泄流措施采用水管穿越壩體，則可能對(duì)大壩的防滲、抗震的安全性產(chǎn)生影響，因此，擬由1號(hào)施工支洞處引水，通過1號(hào)施工支洞將水引至洞口外側(cè)臨河附近，流經(jīng)小型發(fā)電機(jī)組后泄流。該方案取水點(diǎn)位于水牛家水電站引水隧洞的起始段，引水后對(duì)隧洞內(nèi)水的流速、水頭影響較小，且經(jīng)環(huán)保電站泄流在合理利用水能資源的同時(shí)，也起到了消能作用，可減輕泄流對(duì)河床的沖刷，在技術(shù)上經(jīng)濟(jì)、可行。

5.2 生態(tài)泄流電站水工建筑物布置

5.2.1 引水系統(tǒng)

環(huán)保電站壓力管道布置于水牛家水電站大壩下游，電站從引水隧洞1號(hào)施工支洞取水，引用流量1.50m3/s，引至洞口，繞過泄洪陡槽霧化區(qū)至臨河廠房。該段河谷寬闊，河水面高程2 155～2 156m。

河谷右岸山體雄厚，谷坡陡峻，自然坡度一般50°～75°，廠房地基由上部沖積含砂卵礫石和下部沖積砂土質(zhì)卵礫石及沖積含漂砂土卵礫石組成，力學(xué)強(qiáng)度較高，能夠滿足基礎(chǔ)承載和變形要求。

壓力管道總長(zhǎng)795.088m，一共9個(gè)鎮(zhèn)墩。(管)0+000.000～(管)0+463.848m段為明管，轉(zhuǎn)彎處設(shè)有鎮(zhèn)墩，每5m設(shè)一個(gè)支墩，管道左邊設(shè)漿砌石踏步；(管)0+463.848～(管)0+795.088m段為溝埋管，轉(zhuǎn)彎處設(shè)有鎮(zhèn)墩，鋼管外包1.9m×1.9m的C20混凝土，兩側(cè)用砂石回填。壓力管道管徑900mm，管材采用16MnR，壁厚8mm；壓力管道共設(shè)4個(gè)波紋補(bǔ)償器，滿足地基的不均勻沉降。

5.2.2 廠房布置

電站為引水式地面廠房，廠房布置在火溪河右岸臨河的階地上，廠房地基由上部沖積含砂卵礫石和下部沖積砂土質(zhì)卵礫石及沖積含漂砂土卵礫石組成，力學(xué)強(qiáng)度較高，能夠滿足基礎(chǔ)承載和變形要求。廠區(qū)樞紐由主廠房、副廠房、防洪墻、尾水平臺(tái)及尾水渠等建筑物組成。廠房右側(cè)為主機(jī)間，左側(cè)為安裝間，副廠房平行布置在主廠房上游側(cè)。安裝間左側(cè)布置回車場(chǎng)與進(jìn)廠公路連接，進(jìn)廠公路外接水牛家引水隧洞1號(hào)支洞施工公路。外地坪高程為2 154.50m。

廠房?jī)?nèi)安裝一臺(tái)臥式金屬蝸殼混流式水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量1 000kW，采用機(jī)組軸線與廠房縱軸線平行而與進(jìn)水壓力鋼管中心線垂直的布置方式。主廠房總長(zhǎng)24.00m(其中主機(jī)間、安裝間各12.00m)，凈寬11.00m；屋頂高程2 165.50m,機(jī)組安裝高程2 155.50m,發(fā)電機(jī)層高程2 154.50m;防洪墻頂高程2 461.50m，左、右側(cè)防洪墻嵌入基巖中；廠房建基高程2 148.00m。廠內(nèi)安裝橋式吊車一臺(tái)；副廠房長(zhǎng)24.00m，凈寬5.00m，高8.00m；主、副廠房發(fā)電機(jī)層同高。尾水平臺(tái)高程2 156.50m，寬1.70m。

6 結(jié) 論

水牛家水電站采用混合式開發(fā)，水庫具多年調(diào)節(jié)性能。工程建成后若按常規(guī)方式運(yùn)行，壩、廠址間將形成12.7km的減水河段。

根據(jù)水牛家水電站工程區(qū)環(huán)境現(xiàn)狀特點(diǎn)分析，工程河段基本無魚類分布，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水需求已得到妥善解決。因此減水河段保持能引起視覺效果的流水景觀，就成為工程河段生態(tài)環(huán)境需水的控制性因素。本文采用在當(dāng)?shù)鼐用裰虚_展公眾參與和有關(guān)專家評(píng)審，確定水牛家水電站水域景觀保護(hù)設(shè)計(jì)目標(biāo)為工程運(yùn)行后減水河段水面面積達(dá)到天然河道枯期水面面積的40%以上，河段平均水深達(dá)到0.2～0.5m。

針對(duì)水牛家壩址水尺斷面初步擬定了9種下泄流量方案，將1.50m3/s作為水牛家生態(tài)環(huán)境需水流量的初步推薦值。當(dāng)壩址處下泄1.50m3/s生態(tài)流量后，壩址斷面、王壩楚斷面枯期水面寬分別達(dá)到工程建設(shè)前的36.8%、79.2%，平均水深在0.2～0.5m之間，減水河段水面面積達(dá)到工程建設(shè)前枯期水面面積的61.1%，滿足火溪河景觀需水的主要參數(shù)指標(biāo)要求。根據(jù)水牛家水電站的工程特點(diǎn)，為修建環(huán)保電站提出生態(tài)泄流措施，在下泄生態(tài)流量的同時(shí)合理利用水能資源。