基于改進(jìn)Tennant法的橫溪水電站生態(tài)流量計(jì)算與生態(tài)調(diào)度

劉樹(shù)鋒， 陳記臣， 關(guān) 帥

(廣東省水利水電科學(xué)研究院，河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510635)

水電站的建設(shè)使人類能夠有效地利用水資源，但水電站蓄水發(fā)電會(huì)對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)造成短期或長(zhǎng)期的影響，尤其引水式水電站極易改變?cè)泻恿鞯乃那閯?shì)，對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡造成破壞[1-2]。因此，有必要開(kāi)展水電站生態(tài)流量研究。

橫溪水電站位于廣東省韶關(guān)市乳源瑤族自治縣，其所在的河流為珠江流域北江水系上游武江支流楊溪河。橫溪水電站為引水式水電站，從橫溪水庫(kù)引水，總裝機(jī)容量為50 MW。橫溪水庫(kù)的壩上集雨面積為416 km2，屬于年調(diào)節(jié)水庫(kù)，總庫(kù)容為9 954萬(wàn)立方米，死庫(kù)容為212萬(wàn)立方米[3]。

橫溪水電站引水發(fā)電易導(dǎo)致下游河道出現(xiàn)減脫水河段，為維護(hù)河流健康，有必要進(jìn)行生態(tài)流量計(jì)算和生態(tài)調(diào)度的研究。目前，美國(guó)田納西河[4]以及中國(guó)的良田河[5]、岷江下游航電梯級(jí)[6]等流域進(jìn)行了考慮生態(tài)流量的水庫(kù)調(diào)度研究。但中國(guó)的研究基本集中在大流域，對(duì)于中小河流生態(tài)調(diào)度的研究比較少。研究采用改進(jìn)Tennant法，對(duì)橫溪水電站進(jìn)行不同來(lái)水頻率下的生態(tài)流量計(jì)算，并選取豐、平、枯3個(gè)典型年進(jìn)行生態(tài)調(diào)度研究，以期為水電站平衡發(fā)電效益與生態(tài)效益以及中小河流的生態(tài)流量泄放管理提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 水文比擬法

因小水電所處的流域較小，一般不布設(shè)水文水位站，其流量資料較難獲得，通過(guò)水文比擬法進(jìn)行橫溪水電站壩址處的徑流量計(jì)算。水文比擬法的計(jì)算公式[7-8]為

(1)

式(1)中：Q設(shè)和Q參分別為設(shè)計(jì)站和參證站流量；F設(shè)和F參分別為設(shè)計(jì)站和參證站集雨面積；P設(shè)和P參分別為設(shè)計(jì)站和參證站降雨量。

橫溪水電站與岳城水文站同屬珠江流域，橫溪水電站位于北江二級(jí)支流楊溪河上，岳城水文站位于東江一級(jí)支流新豐江上，二者的集雨面積均位于韶關(guān)市，地理位置較近(圖1)。因此，以岳城站為參證站，運(yùn)用水文比擬法對(duì)橫溪水電站進(jìn)行徑流量計(jì)算。

圖1 橫溪水電站與岳城水文站集雨面積圖Fig.1 Catchment areas of Hengxi hydropower station andYuecheng hydrometric station

1.2 改進(jìn)Tennant法

生態(tài)流量計(jì)算方法較多，其中水文學(xué)法中的Tennant法[9]在中國(guó)河流研究中得到了廣泛的應(yīng)用。Tennant法雖具有方法簡(jiǎn)單與對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的描述較為科學(xué)等優(yōu)點(diǎn)，但存在未考慮水生生物對(duì)流量的需求等不足，Rosenfeld等[10]與田景環(huán)等[11]等研究者均對(duì)Tennant法進(jìn)行了改進(jìn)使其適宜不同地區(qū)的生態(tài)流量計(jì)算。中國(guó)對(duì)Tennant法計(jì)算生態(tài)流量的研究主要集中在北方地區(qū)，對(duì)于南方濕潤(rùn)地區(qū)中小河流卻鮮有探討。現(xiàn)從Tennant法的改進(jìn)角度出發(fā)，提出一種適宜中國(guó)南方小水電的生態(tài)流量計(jì)算方法。小水電大多數(shù)位于山區(qū)性河流，其所在流域的徑流量年內(nèi)變化往往比較大[12-13]。Tennant法在考慮徑流量年內(nèi)變化時(shí)簡(jiǎn)單地把1 a分成1個(gè)豐水期和1個(gè)枯水期，劃分顯得不夠細(xì)致。因此，需要對(duì)Tennant法進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠滿足生態(tài)需水的年際變化和年內(nèi)季節(jié)變化，將所有年份進(jìn)行豐、平和枯水年分組，并對(duì)不同來(lái)水年的各月進(jìn)行生態(tài)流量計(jì)算[14]。在水資源分析中，常按流量P分為豐水年(P<25%)、平水年(25%≤P≤75%)和枯水年(P>75%)[15]。根據(jù)Tennant法對(duì)河流生態(tài)流量的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[16-17]，將不同來(lái)水年中各月多年平均流量的10%、30%、60%和100%分別作為最小、適中、最佳生態(tài)流量下限和最佳生態(tài)流量上限。

1.3 生態(tài)調(diào)度規(guī)則與約束

1.3.1 調(diào)度規(guī)則

(1)其他取水量。水電站的生態(tài)調(diào)度除了考慮發(fā)電引水和生態(tài)流量，還需考慮灌溉等其他用水。本研究主要考慮從橫溪水庫(kù)取水的必背灌區(qū)灌溉用水，必背灌區(qū)的灌溉面積為21.75萬(wàn)畝。武江流域25%、50%和75%保證率下的灌溉定額分別為740、850、960 m3/畝。根據(jù)廣東省灌溉用水時(shí)段分配系數(shù)成果，灌溉水量月分配見(jiàn)表1。

表1 灌溉水量月分配Table 1 Monthly distribution of irrigation water

(2)起算庫(kù)容。起算庫(kù)容以橫溪水庫(kù)的死庫(kù)容計(jì)，即212萬(wàn)立方米。

(3)水量平衡方程為

W末(i)-W初(i)=Q來(lái)(i)-(Q灌(i)+Q過(guò)(i)+Q引(i))

(2)

式(2)中：W末(i)為第i月的月末庫(kù)容；W初(i)為第i月的月初庫(kù)容；Q來(lái)(i)為第i月的來(lái)水量；Q灌(i)為第i月的月灌溉水量；Q過(guò)(i)為第i月的過(guò)壩流量；Q引(i)為第i月的引水流量；i為月份，i=1，2，…，12。

1.3.2 調(diào)度約束

(1)生態(tài)流量約束。當(dāng)來(lái)水量小于最小生態(tài)流量時(shí)，過(guò)壩流量需滿足最小生態(tài)流量；當(dāng)來(lái)水量大于等于最小生態(tài)流量但小于等于最佳生態(tài)流量下限時(shí)，過(guò)壩流量等于當(dāng)月來(lái)水量；當(dāng)來(lái)水量大于最佳生態(tài)流量下限時(shí)，過(guò)壩流量需滿足最佳生態(tài)流量下限，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(3)

式(3)中：Qmin(i)為第i月的最小生態(tài)流量；E下(i)為第i月的最佳生態(tài)流量下限。

(2)水庫(kù)庫(kù)容約束。水庫(kù)庫(kù)容需處于死庫(kù)容和總庫(kù)容之間，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

W死≤W末(i)≤W總

(4)

式(4)中：W死為死庫(kù)容；W總為總庫(kù)容。

(3)水電站引水流量約束。水電站引水流量需小于其設(shè)計(jì)引水流量，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

Q引(i)≤Q引(設(shè))

(5)

式(5)中：Q引(設(shè))為水電站的設(shè)計(jì)引水流量。

2 結(jié)果與分析

2.1 來(lái)水量計(jì)算

圖2 橫溪水電站壩址處的月流量過(guò)程Fig.2 Month runoff process at the dam site of Hengxi hydropower station

本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為岳城站1960—2013年的逐月徑流資料。橫溪水電站與岳城站的集雨面積分別為416 km2和531 km2。根據(jù)《廣東省水文圖集》(2003年)，查得橫溪水電站與岳城站集雨范圍的多年平均降雨量分別為1 600 mm和1 800 mm。根據(jù)式(1)，求得橫溪水電站1960年1月—2013年12月的月流量(圖2)，其多年平均流量為14.50 m3/s。根據(jù)相關(guān)資料，橫溪水電站的多年平均徑流量為4.8億立方米，即多年平均流量為15.22 m3/s。本研究與其僅相差4.73%，計(jì)算結(jié)果較為合理。

2.2 生態(tài)流量計(jì)算

研究分別將25%、50%和75%作為豐、平和枯水年的典型年選取標(biāo)準(zhǔn)，最終分別選取1992年、1978年和2004年作為豐、平和枯水年的典型年。

基于運(yùn)用水文比擬法計(jì)算得到的橫溪水電站月流量系列(1960年1月—2013年12月)，采用改進(jìn)Tennant法計(jì)算橫溪水電站的各級(jí)生態(tài)流量。豐、平和枯水年3個(gè)典型年的來(lái)水量及其不同來(lái)水年的各級(jí)生態(tài)流量過(guò)程見(jiàn)圖3。

由圖3(a)可知，在1992年的來(lái)水過(guò)程中，其2月、3月和4月的來(lái)水量均超過(guò)了豐水年的最佳生態(tài)流量上限。由圖3(b)可知，在1978年的來(lái)水過(guò)程中，其3、4、5、8、10、11月的來(lái)水量均超過(guò)了平水年的最佳生態(tài)流量上限。由圖3(c)可知，在2004年的來(lái)水過(guò)程中，其2、3、4月的來(lái)水量均超過(guò)了枯水年的最佳生態(tài)流量上限。

2.3 生態(tài)調(diào)度

根據(jù)1.3節(jié)的生態(tài)調(diào)度規(guī)則與約束，計(jì)算得到的調(diào)度結(jié)果見(jiàn)圖4。

根據(jù)圖4，通過(guò)調(diào)度后橫溪水電站的豐、平、枯3個(gè)來(lái)水年的過(guò)壩流量均處于最小生態(tài)流量與最佳生態(tài)流量下限之間，滿足生態(tài)流量需求；同時(shí)，在滿足灌溉用水等其他用水的情況下能夠使得橫溪水電站的引水流量最大，即發(fā)電效益最大，豐、平、枯3個(gè)來(lái)水年的引水流量分別為29 452.98、25 647.23、11 750.96萬(wàn)m3。

3 結(jié)論

(1)由岳城站1960—2013年的逐月徑流資料，依據(jù)水文比擬法，求得橫溪水電站的多年平均流量為14.50 m3/s，計(jì)算結(jié)果較為合理。

(2)通過(guò)生態(tài)調(diào)度后，橫溪水電站的豐、平和枯水年的過(guò)壩流量均能滿足生態(tài)流量需求，而且在滿足其他用水的情況下能夠使得橫溪水電站的引水流量最大，即發(fā)電效益最大。

圖3 不同來(lái)水年的各級(jí)生態(tài)流量過(guò)程Fig.3 Multi-level ecological flow processes at different level years

圖4 不同來(lái)水年的生態(tài)調(diào)度流量過(guò)程Fig.4 Ecological operation flow processes atdifferent level years