丹江干流(河南段)生態(tài)流量研究

張國輝，郭曉麗，吳 沛

(南陽市水利建筑勘測設(shè)計院，河南 南陽 473003)

丹江是漢江的重要支流，其干流水力資源相對豐富。在河南境內(nèi)丹江干流上建有小型水電站兩座，水力資源開發(fā)在為經(jīng)濟社會提供清潔能源的同時，也對下游河道生態(tài)造成了不利影響，其生態(tài)成本不容忽視。丹江下游分布有丹江濕地國家級自然保護區(qū)，保護丹江干流生態(tài)對于丹江濕地自然保護區(qū)的生態(tài)保護具有重要意義，而如何科學(xué)合理地確定丹江干流生態(tài)流量是一個重要的問題。本文通過多種方法對丹江干流生態(tài)流量進行了初步計算，并提出了保障措施和建議。

1 河道概況

丹江是漢江北岸最大的支流，也是南水北調(diào)中線工程水源丹江口水庫的主要入庫河流。丹江發(fā)源于陜西省商縣秦嶺中段南麓，流經(jīng)陜西、河南、湖北三省在丹江口匯入漢江，流全長390 km，流域面積16 138 km2,約占漢江總流域面積的1/10，占丹江口水庫流域面積的17.4%。丹江在河南境內(nèi)全長112 km，均位于南陽市淅川縣，落差120 m，河床比降1.1‰，河寬一般在500～800 m，主要支流是老灌河、淇河和滔河。丹江口水庫建成后，回水至大石橋鄉(xiāng)磨峪灣附近。

丹江干流在陜西省境內(nèi)有中型水庫一座即二龍山水庫，控制流域面積965 km2，總庫容8 100 萬m3，河南境內(nèi)丹江口水庫以上丹江干流無其他水庫。

丹江干流河南段現(xiàn)設(shè)有荊紫關(guān)和磨峪灣兩個水文站，觀測項目有水位、流量、水質(zhì)等。荊紫關(guān)水文站設(shè)立于1958年，集水面積為7 086 km2，由于武當山電站引水影響較大，水文站同時觀測電站引水渠(備戰(zhàn)渠)水位、流量。磨峪灣水文站設(shè)立于2011年，站址在大石橋鄉(xiāng)G209丹江大橋上游，集水面積9 113 km2，為丹江口水庫丹江流域入庫控制站。

丹江的徑流主要由降雨形成。根據(jù)丹江荊紫關(guān)水文站1959-2016年實測資料分析，站址處多年平均徑流量13.02 億m3(多年平均流量41.3 m3/s，已加入電站引水量)，徑流的年際變化較大，最大年徑流量為46.2 億m3(1964年)，最小年徑流量0.79 億m3(2002年)，極值比達58.5。丹江徑流的年內(nèi)分配十分不均勻，一般是4月開始漲水，5-6月水量增加，7月達到年內(nèi)豐水期，一直延續(xù)到10月底開始降落，至下年2月出現(xiàn)最枯流量；全年徑流量主要集中在汛期，占全年徑流總量的50%～70%。

2 河道水力開發(fā)情況、水生態(tài)現(xiàn)狀及存在的問題

丹江干流的水力資源較為豐富，總水能資源理論蘊藏量達22.7 萬kW，可開發(fā)量12.76 萬kW，其中河南段理論蘊藏量9.196 萬kW，可開發(fā)量2.105 萬kW。目前河南境內(nèi)丹江干流建成電站兩座，自上而下分別為武當山電站和清涼寺電站，兩者相距約30 km。武當山電站為引水式電站，清涼寺電站為河床式電站，發(fā)電尾水退入河道，基本不消耗水，但會導(dǎo)致攔河壩至退水渠區(qū)間河段流量減少。目前丹江上兩座電站均沒有專門的生態(tài)流量泄放和監(jiān)測裝置。

武當山電站在淅川縣荊紫關(guān)鎮(zhèn)丹江干流金斗溝口筑壩攔水，經(jīng)9.6 km引水渠道至武當山建站。攔河壩控制流域面積7 060 km2，電站規(guī)劃凈水頭18.7 m，引水流量51 m3/s，多年平均發(fā)電量為3 510 萬kWh。工程建成于2000年，目前運行正常。電站下游約3 km有荊紫關(guān)水文站。

清涼寺水電站工程位于淅川縣寺灣鎮(zhèn)，壩址在淇河入丹江的匯合口下游黨崗村丹江干流上，控制流域面積8 943 km2。工程建成于2017年，電站裝機8 000 kW，廠房位于渠首壩左岸。電站下游約6 km有磨峪灣水文站。

武當山電站建設(shè)較早，當時沒有進行環(huán)境評價和水資源論證，為盡可能多利用水能資源，沒有考慮下泄生態(tài)流量，在電站引水后下游河段存在生態(tài)流量不足問題，電站多年平均引水量37.9 m3/s，占河道總流量的92%，河道內(nèi)魚類等水生生物稀少，干旱期壩后減水河段水量嚴重不足甚至?xí)霈F(xiàn)斷流現(xiàn)象。根據(jù)荊紫關(guān)水文站觀測，2013年曾出現(xiàn)近6個月的河道斷流現(xiàn)象，2014年出現(xiàn)了近8個月河道斷流現(xiàn)象，2016年出現(xiàn)了6個月的河道斷流現(xiàn)象，近十年間(2007-2016年)月均流量小于1 m3/s的月份有77個月，相當于一年中2/3的時間河道都處于極小的流量狀態(tài)，河道生態(tài)狀況堪憂。河道生態(tài)功能的退化也已經(jīng)嚴重影響了沿河群眾的生產(chǎn)生活。

清涼寺電站建成較晚，根據(jù)環(huán)評和水資源論證要求需下泄8 m3/s的生態(tài)流量。從實際運行看，河道水量大部分通過渠首壩左岸電站發(fā)電后由2.3 km長的尾水渠泄入河道，少部分通過壩頂直接溢流泄入下游，目前生態(tài)流量的泄放無法進行有效的監(jiān)管。

3 生態(tài)流量的計算

3.1 生態(tài)流量的含義及計算方法

河流是重要的生態(tài)系統(tǒng)，其水生生態(tài)系統(tǒng)和沿岸生態(tài)系統(tǒng)都依賴水體而存在。河道需保持一定的生態(tài)流量，這是維持河道生態(tài)功能的必要條件。河道生態(tài)流量是維持河流生態(tài)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)、保障河流水環(huán)境質(zhì)量、維持水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的最小流量[1]。

生態(tài)流量的計算方法主要有四類，即：水文學(xué)法(歷史流量法)、水力學(xué)方法、棲息地評價和整體分析[2-4]。其中水文學(xué)法主要采用歷史流量資料推算河道生態(tài)流量，常用方法有tennant法、枯水頻率法、流量歷時曲線法等；水力學(xué)法主要通過水力學(xué)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，分析河道流量與魚類棲息地指示因子的關(guān)系，其常用方法有濕周法和R2-Cross法；棲息地法將河段水力特性與某一給定生物種群偏愛的棲息地聯(lián)系在一起，以估計在不同流量條件下，給定生物種群棲息地的數(shù)量，常用的方法為河流流量增量法(IFIM法)；整體分析法從河流生態(tài)系統(tǒng)整體出發(fā)，根據(jù)專家意見綜合研究流量、泥沙輸移、河床形態(tài)與河岸帶群落之間的關(guān)系，一般用于綜合性、大流域生態(tài)需水研究[2]。

3.2 丹江生態(tài)流量的計算

根據(jù)丹江實測水文系列較長的實際情況，本次主要采用水文學(xué)法中的Tennant法、枯水頻率法、最小月平均流量法、流量歷時曲線法以及RVA法分別計算確定生態(tài)流量。根據(jù)水文站點分布情況，分別以荊紫關(guān)站和磨峪灣站為代表斷面，對應(yīng)作為武當山電站和清涼寺電站壩址斷面成果，其中磨峪灣水文站成果按荊紫關(guān)水文站成果按水文比擬法推算。

(1)Tennant法(即蒙大拿法)：Tennant法是目前應(yīng)用最廣泛的生態(tài)流量計算方法[5]。該法是以歷史流量為基礎(chǔ)確定河道的生態(tài)需水量的水文學(xué)方法,它采用年平均天然徑流量的百分比作為推薦流量,在不同月份采用不同百分比來估算河道生態(tài)需水量。Tennant法建立了河流流量與河流生態(tài)健康之間的關(guān)系[2,6,7]。根據(jù)研究，對于大多數(shù)水生物而言，10%的平均流量是支撐短期生存棲息地的最小瞬時流量，當河流流量占年均流量的30%～60%,河寬、水深及流速一般是令人滿意的[2]。我國一般取多年平均流量的10%～20% (北方地區(qū)取 10%～15%)作為河流最小生態(tài)流量[2,8]。本次計算一般用水期取多年平均流量的10%，魚類產(chǎn)卵育幼期采用多年平均流量的30%。Tennant法計算結(jié)果詳見表2。

(2)枯水頻率法：主要是7Q10法,即90%保證率最枯月連續(xù)7天平均流量，國內(nèi)一般采用7Q10改進法，即近十年最枯月平均流量或90%保證率最枯月平均流量，我國環(huán)境影響評價中多用此方法[5,9-11]。

①近十年最枯月平均流量法：統(tǒng)計荊紫關(guān)水文站2007-2016年最枯月平均流量并取其均值，經(jīng)計算，荊紫關(guān)斷面生態(tài)流量為5.2 m3/s，推算磨峪灣斷面為6.7 m3/s；

表2 Tennant法計算成果表Tab.2 Calculation results of Tennant method

②90%保證率最枯月平均流量法:統(tǒng)計荊紫關(guān)水文站1959-2016年最枯月平均流量系列,并進行頻率分析，采用P-Ⅲ型曲線進行適線，采用均值8.7 m3/s，Cv=0.65，Cs=2Cv，計算荊紫關(guān)斷面生態(tài)流量為2.4 m3/s，推算磨峪灣斷面為3.0 m3/s。

(3)最小月平均流量法：以河道最小月平均流量的多年平均值作為河道基本生態(tài)需水量，該法在我國應(yīng)用較為廣泛[9,10,12]。按此方法計算，荊紫關(guān)斷面生態(tài)流量為8.7 m3/s，磨峪灣斷面為11.2 m3/s。

(4)流量歷時曲線法：利用歷史流量資料構(gòu)建各月流量歷時曲線，將某個累積頻率相應(yīng)的流量作為生態(tài)流量，頻率P一般可取90%[2,4]。本次計算采用90%保證率計算各月生態(tài)流量，根據(jù)荊紫關(guān)水文站逐月平均流量系列，逐月進行頻率分析，得到各月90%保證率的流量，計算結(jié)果詳見表3(磨峪灣站采用面積比法推算)。

表3 歷時曲線法計算各月生態(tài)流量(P=90%) m3/sTab.3 Calculation results of the monthly curve method

(5)RVA法(變化范圍法)：RVA 法是 1997 年由 Richter 在 IHA(Index of Hydrologic Alteration)指標體系的基礎(chǔ)上提出的，通過對比人類活動影響前后的河流水文情勢，反映水利工程建設(shè)及運行對河流流量的影響程度，是基于 IHA 指標體系的一種評價和管理河道生態(tài)環(huán)境的方法[13,14]。RVA 法通過規(guī)定流量指標的 RVA 閾值(即上下限)來估算河流生態(tài)流量，通常將 IHA 各指標發(fā)生機率的 75%和 25%的值作為 RVA 的上下限[8]?；?RVA 法的生態(tài)流量計算公式為：

S生態(tài)=S均值-(S上限-S下限)[13]

(1)

式中：S生態(tài)為河流生態(tài)流量；S均值為流量均值；S上限為RVA的閾值上限；S下限為RVA的閾值下限。

計算結(jié)果詳見表4。

表4 RVA法計算的荊紫關(guān)站各月生態(tài)流量結(jié)果 m3/sTab.4 Calculation results Of Jingziguan hydrological station based on RVA method

與流量歷時曲線法相比，該法得到的結(jié)果整體偏小40%左右。

(6)計算結(jié)果比較。以上不同方法中，90%保證率最枯月平均流量法計算結(jié)果最小、Tennant法中一般用水期流量(取多年平均流量的10%)和近十年最枯月平均流量法計算結(jié)果較為接近，基本反映了河流最小生態(tài)需水的要求。歷時曲線法和RVA法考慮了各個月份來水流量的差異，Tennant法考慮了魚類等生物不同生育階段的需求，其中RVA法計算的結(jié)果偏小，建議綜合歷時曲線法和Tennant法成果制定逐月生態(tài)流量，為更科學(xué)指導(dǎo)生態(tài)流量下泄提供依據(jù)。

3.3 推薦的生態(tài)流量方案

根據(jù)《水利部關(guān)于漢江流域水量分配方案的批復(fù)》(水資源〔2016〕262號)，丹江的荊紫關(guān)控制節(jié)點的最小泄流流量為5.1 m3/s(相當于荊紫關(guān)站多年平均流量的12.3%)，清涼寺電站按環(huán)評批復(fù)及水資源論證要求，應(yīng)確保下泄不小于8 m3/s(相當于磨峪灣站多年平均流量的15.1%)的生態(tài)流量。

表5 生態(tài)流量不同計算方法對比 m3/sTab.5 Comparison of different calculation methods for ecological flow

結(jié)合本次分析計算，認為上述流量基本可滿足河流最小生態(tài)需水，建議有關(guān)主管部門協(xié)調(diào)武當山電站在引水發(fā)電的同時要確保下泄不小于5.1 m3/s的生態(tài)流量，清涼寺電站應(yīng)不小于8 m3/s；如果天然來水小于上述最小生態(tài)流量，電站應(yīng)停止發(fā)電，按天然來水下泄。同時，考慮不同月份天然來水的差異性和生態(tài)需求，建議在魚類產(chǎn)卵育幼期(4-9月)加大下泄流量，下泄流量可根據(jù)Tennant法和歷時曲線法結(jié)果擇優(yōu)選定(兩者逐月比較，取其大值，見表6)，推薦的生態(tài)流量占河道多年平均流量的12.3%～44.0%。

表6 推薦采用的各月生態(tài)流量成果 m3/sTab.6 Recommended results of monthly ecological flow

4 生態(tài)流量的保障措施分析

為保護丹江干流生態(tài)，保障生態(tài)流量按照標準泄放刻不容緩。水利、環(huán)保、發(fā)改等有關(guān)部門應(yīng)加強丹江水資源管理，尤其是規(guī)范水電站管理，嚴格審批新建河道內(nèi)取用水項目，已建電站要及時完善水資源論證及環(huán)境評價手續(xù)，不滿足要求的應(yīng)限期進行生態(tài)改造、枯水期限制運行、調(diào)整上網(wǎng)電價等措施。應(yīng)要求電站方提出保障生態(tài)流量的具體措施和調(diào)度方案，按照審批的生態(tài)流量方案保證下泄，恢復(fù)河道水生態(tài)，保證不因發(fā)電導(dǎo)致下游減水河段斷流和水生態(tài)環(huán)境的惡化。

電站生態(tài)流量泄放方式比較常見的有生態(tài)機組泄放、管道泄放、閘門泄放和壩頂開槽泄放等。結(jié)合丹江干流已建電站實際，為保證電站生態(tài)流量泄放，在電站改造之前較為簡單可行的方案是采用已建沖沙閘下泄生態(tài)流量。建議短期內(nèi)通過開啟攔河壩沖砂閘下泄生態(tài)流量，適時進行渠首壩改造、增設(shè)專門的生態(tài)泄流孔保障下泄生態(tài)流量。同時要加強下泄流量監(jiān)控和信息化管理，近期可結(jié)合水文站觀測與河道現(xiàn)有視頻裝置進行監(jiān)控，下一步應(yīng)專門增設(shè)在線計量及視頻監(jiān)控設(shè)施對電站生態(tài)泄流進行實時監(jiān)測。另外，應(yīng)加大輿論宣傳和公眾參與力度，動員社會力量對水電站生態(tài)流量泄放情況進行監(jiān)督。

鑒于丹江下游為國家級濕地自然保護區(qū)，建議有關(guān)部門對丹江干流尤其是兩個水電站下游河段的生態(tài)環(huán)境和生物多樣性進行持續(xù)動態(tài)監(jiān)測評估，并根據(jù)評估情況進一步完善生態(tài)流量泄放方案。

5 結(jié) 語

在丹江干流河南段的水力資源開發(fā)過程中，由于對河流生態(tài)保護缺乏足夠的認識，生態(tài)流量泄放不足，電站對下游河道生態(tài)環(huán)境的不利影響日益凸顯。根據(jù)生態(tài)文明建設(shè)的要求，科學(xué)安排電站下泄生態(tài)流量刻不容緩。

本文根據(jù)丹江河道實際，綜合采用Tennant法、枯水頻率法、最小月平均流量法、流量歷時曲線法以及RVA法等方法對河道生態(tài)流量進行了計算，并與已有審批成果進行了對比，提出了逐月的生態(tài)流量泄放建議值,推薦的生態(tài)流量占河道多年平均流量的12.3%～44.0%。為保障生態(tài)流量泄放效果，提出了規(guī)范水電站管理，增加生態(tài)流量泄放設(shè)施和信息化管理設(shè)施，加大社會監(jiān)督，對河道生態(tài)實施動態(tài)監(jiān)測等保障措施。本文提出的河道生態(tài)流量數(shù)值及保障措施等有關(guān)建議，可供有關(guān)主管部門參考。