江西省小水電站生態(tài)流量、泄放設(shè)施及監(jiān)管平臺建設(shè)

曹騰飛

(江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029)

水利部、國家發(fā)展改革委等國家四部委印發(fā)了《關(guān)于開展長江經(jīng)濟帶小水電清理整改工作的意見》(水電〔2018〕312號)，決定開展長江經(jīng)濟帶小水電生態(tài)環(huán)境突出問題清理整改工作。江西省于2019年1月31日印發(fā)了《江西省小水電清理整改工作實施方案》，全面拉開了江西省小水電清理整改工作的序幕。

江西省地處長江流域中下游，境內(nèi)水系發(fā)達(dá)，儲存著巨大水能資源[1]。江西省多年平均降水量1 638 mm；多年平均水資源總量1 565×108m3；現(xiàn)有農(nóng)村水電站4 122座，裝機總量達(dá)364.5萬kW。因為水電站大壩的攔截導(dǎo)致河道砂石被滯留，改變了下游河床底部生物的生存環(huán)境[2]；同時電站的運行改變了河流自然的流量模式，對河流水文、水動力等特性產(chǎn)生了一定影響[3]。江西省農(nóng)村水電站廠壩間河道長度超過5 000 km，出現(xiàn)廠壩間脫水的水電站數(shù)量達(dá)1 812座，總長度超過930 km[4]。由于許多電站建設(shè)年代久遠(yuǎn)，建設(shè)初期未論證生態(tài)問題，生態(tài)流量泄放設(shè)施和監(jiān)測設(shè)施的建設(shè)較為滯后，實現(xiàn)通過在線監(jiān)測生態(tài)流量泄放的方式監(jiān)管水電站有一定的挑戰(zhàn)和難度。

1 生態(tài)流量

國內(nèi)生態(tài)流量的計算方法主要采用不同頻率最枯月平均值法(QP法)、流量歷時曲線法、蒙大拿法(Tennant法)、7Q10法、濕周法等，其中蒙大拿法提出水生生物生長最小生態(tài)流量應(yīng)為多年平均流量的10%，水生生物的滿意流量應(yīng)為多年平均流量的30%[5]。悅晉仁等認(rèn)為在特定時間、空間下為滿足特定的河流系統(tǒng)功能所需的最小臨界水量為河流最小生態(tài)環(huán)境需水量[6]，陳求穩(wěn)等提出根據(jù)魚類不同生活時期對流量的響應(yīng)關(guān)系確定生態(tài)流量過程線更為貼近魚類實際的生態(tài)需水[7]。江西省目前采用的是簡便可操作性強的蒙大拿法，以不低于河道天然多年平均流量的10%作為農(nóng)村水電站生態(tài)流量。

國際上，Hill,m.t.從流域整體徑流管理框架的角度，提出了維持河道基本流量、魚類生存需求流量、河岸棲息地流量、維持流域所需流量等多種生態(tài)流量的概念[8]。瑞士的布瑞諾河流域水電站群使用AQUASIM水動力數(shù)學(xué)模型運算模擬量化布瑞諾河各水生物棲息河段的流量、水位、水溫等參數(shù)[9]。所以，在生態(tài)流量問題上，我國更多考慮的是如何優(yōu)先滿足人類社會的能源結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境基本需求的問題，許多發(fā)達(dá)國家則更多關(guān)注如何恢復(fù)水生物種群和棲息地環(huán)境的生態(tài)流量的問題。

2 泄流設(shè)施

《江西省小水電清理整改工作實施方案》要求所有水電站均必須有枯水期可足量泄放生態(tài)流量的泄流設(shè)施(以死水位復(fù)核)，現(xiàn)有設(shè)施不滿足生態(tài)流量泄放要求的，若有增設(shè)或改造條件，應(yīng)在合適位置增設(shè)、改造生態(tài)流量泄放設(shè)施。

按照引水式、壩式、混合式等水電站的不同類型，從解決河道減脫水問題出發(fā)，選擇泄流能力不小于核定生態(tài)流量的泄流設(shè)施[10]。目前江西主流的生態(tài)流量泄放設(shè)施有：生態(tài)泄流孔(槽)、生態(tài)泄流閥、生態(tài)泄流閘、生態(tài)虹吸管、生態(tài)機組等；沒有增設(shè)或改造條件的，應(yīng)調(diào)整運行方式，實行枯期限制運行或生態(tài)運行調(diào)度。

1)改造已建閘門泄放生態(tài)流量。采用閘門限位方式，通過閘門行程控制器或在閘門底部設(shè)置控制閘門不完全關(guān)閉的水泥墩，利用閘門不完全關(guān)閉泄放生態(tài)流量。改造閘門進(jìn)行生態(tài)泄放能夠充分利用現(xiàn)有構(gòu)筑物，不會因新增泄水建筑物而影響壩體結(jié)構(gòu)，控制閘門的啟閉角度難以做到精確控制，且閘門長期小角度泄流產(chǎn)生的振動具有使構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)疲勞等缺點。此外，若通過壩體內(nèi)部泄流洞下泄水量，洞內(nèi)長期高速水流會引起空蝕現(xiàn)象破壞壩體結(jié)構(gòu)。

2)采用或改造現(xiàn)有閥門泄放生態(tài)流量。針對現(xiàn)狀設(shè)有泄放閥的電站可采取部分開啟閥門或增設(shè)旁通放水管方式進(jìn)行生態(tài)流量泄放。對于設(shè)有錐形閥的電站大壩，可直接利用錐形閥進(jìn)行生態(tài)泄放，并根據(jù)要求生態(tài)流量確定閥門開度。對于設(shè)有閘閥的電站大壩，可增設(shè)旁通放水管泄放生態(tài)流量，其中對于水庫庫容較大的電站可在現(xiàn)有閘閥后焊接鋼管，再增加一個閥門，兩閥門之間增設(shè)旁通放水管，原閥門長期開啟，新增閥門關(guān)閉，以保證旁通放水管的生態(tài)流量泄放；對于水庫庫容較小的電站可直接放空水庫后，在現(xiàn)有閘閥前增設(shè)旁通放水管，原閥門長期關(guān)閉。旁通放水管一般不設(shè)置節(jié)制裝置，但若電站水庫兼具供水、灌溉等功能，則可考慮加裝節(jié)制裝置。

3)壩體內(nèi)增設(shè)泄放管泄放生態(tài)流量。在壩體埋設(shè)無節(jié)制泄放管，通過泄放管泄放生態(tài)流量。無節(jié)制泄放管能夠最大程度的排除人為干擾，保障生態(tài)流量的長期泄放，泄放管結(jié)構(gòu)簡單便于管理，易維護(hù)。但下泄水量得不到興利利用，由于無法控制開度，無法進(jìn)行流量精準(zhǔn)控制。同時，泄水管道較長時，容易堵塞，且泄水管貫穿壩體可能對大壩的防滲、抗震安全產(chǎn)生影響。

4)壩肩鉆孔敷設(shè)泄放管泄放生態(tài)流量。采用非開挖定向鉆孔技術(shù)，在壩肩部位鉆孔敷設(shè)泄放管進(jìn)行生態(tài)流量泄放。非開挖定向鉆孔技術(shù)克服了虹吸管水頭損失大、高差限制及設(shè)備易失效等缺點，具有良好的適用性和可靠性。但其對地形、地質(zhì)條件要求較嚴(yán)格，改造投資較大。

5)設(shè)置生態(tài)機組泄放生態(tài)流量。生態(tài)機組泄放生態(tài)流量是指通過新增發(fā)電小機組，利用不間斷下泄的生態(tài)流量進(jìn)行發(fā)電。生態(tài)機組既能通過不間斷下泄保障下游所需生態(tài)流量，又能充分利用下泄流量發(fā)電，經(jīng)濟效益明顯。

3 監(jiān)管平臺

農(nóng)村小水電生態(tài)流量的監(jiān)管在當(dāng)前的法律法規(guī)和政府事權(quán)劃分中一定程度上成了空白區(qū)域，主要表現(xiàn)在：監(jiān)管主體不明確、監(jiān)管依據(jù)不足、監(jiān)管措施不力等。江西小水電生態(tài)流量監(jiān)管系統(tǒng)結(jié)合水利部信息化“九大需求”中農(nóng)村水電生態(tài)流量監(jiān)管要求和頂層設(shè)計，以水利部“小水電清理整改工作管理平臺”為基礎(chǔ)，以水行政管理部門為監(jiān)管主體，以基線監(jiān)測與重點監(jiān)測相結(jié)合的方式，建立省、市、縣三級小水電生態(tài)流量監(jiān)管信息平臺，為各級水電行政管理部門開展小水電生態(tài)流量確定與管控、生態(tài)流量監(jiān)測預(yù)警機制和保障生態(tài)流量下泄等工作，提供了一套完整的可視化信息系統(tǒng)解決方案。生態(tài)流量監(jiān)管信息平臺示意圖見圖1。

由省級生態(tài)流量主管部門統(tǒng)一建立覆蓋省、市、縣三級以及水電站企業(yè)的農(nóng)村水電信息管理及生態(tài)流量在線監(jiān)測平臺。在線監(jiān)測設(shè)備由水電站企業(yè)負(fù)責(zé)，監(jiān)測設(shè)備主要包括：遙測終端機、流量計(流速計、水位計)、工業(yè)照相機等組成，并采取一桿式安裝、太陽能供電。主要完成現(xiàn)場水位、流速、流量及視頻監(jiān)控等實時數(shù)據(jù)的采集及傳輸。監(jiān)測方式主要采用動態(tài)與靜態(tài)、定性與定量、實時與抽檢相結(jié)合。可分為兩種監(jiān)測方式：

1)動態(tài)視頻/靜態(tài)圖像監(jiān)測方式。對于網(wǎng)絡(luò)條件差，無法通過無線網(wǎng)橋接入附近公網(wǎng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的電站，或網(wǎng)絡(luò)條件好及采用無節(jié)制生態(tài)泄流設(shè)施的電站，可采取動態(tài)視頻(網(wǎng)絡(luò)條件好)或靜態(tài)圖像(無網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)條件差)監(jiān)測方式。監(jiān)測站具備生態(tài)流量泄放視頻/圖像監(jiān)測和保存功能，能自動上傳省級平臺系統(tǒng)(無網(wǎng)絡(luò)站點采取人工定期讀取數(shù)據(jù)上傳和上級不定期抽查方式實現(xiàn)監(jiān)測)。

2)實時流量+動態(tài)視頻(靜態(tài)圖像)監(jiān)測方式。對于網(wǎng)絡(luò)條件好及生態(tài)泄流設(shè)施為有節(jié)制方式或處于生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)(如重要濕地公園、重要資源保護(hù)區(qū)、飲用水源保護(hù)區(qū)等)，應(yīng)采用實時流量+動態(tài)視頻監(jiān)測方式。電站通過安裝流量計或采用標(biāo)準(zhǔn)斷面+水位/流速計量裝置，記錄連續(xù)生態(tài)流量泄放量；通過安裝攝像頭實現(xiàn)全天候動態(tài)視頻/靜態(tài)圖像監(jiān)測；測站將實時流量和視頻監(jiān)測數(shù)據(jù)保存并上傳省級平臺。

4 建 議

本文從生態(tài)流量、泄放設(shè)施和建管平臺三個方面對江西農(nóng)村小水電清理整改工作進(jìn)行初步的探究，但仍有許多問題需要在實際運用中不斷解決和完善。

1)生態(tài)流量計算有待完善。江西總體屬于豐水地區(qū)，以不低于河道天然多年平均流量的10%作為農(nóng)村水電站生態(tài)流量雖然可行，但略顯粗獷。近期：在部分水資源豐沛的河流，生態(tài)流量可按多年平均流量的30%計；中期：各河流按豐水期、平水期、枯水期分別進(jìn)行生態(tài)需水的計算；遠(yuǎn)期：引入數(shù)學(xué)模型針對不同河流的水生植物、水生動物、水體自凈能力等進(jìn)行運算模擬量化得出生態(tài)流量。

2)擴大生態(tài)流量泄放與監(jiān)測的對象。本次長江經(jīng)濟帶農(nóng)村小水電的清理整改工作主要針對由于修建水電站造成河道減脫水的問題進(jìn)行清理整改，對于僅有發(fā)電功能的電站進(jìn)行24小時的泄放，并放入重點監(jiān)測名單中。對于有調(diào)節(jié)功能、以灌溉和供水為主的水庫或塘堰等壩后式電站或引水式電站，河道出現(xiàn)減脫水段，主要是由于灌溉和防洪的需要而修建大壩導(dǎo)致的，主要責(zé)任不在電站；應(yīng)對由于修建水庫、大壩等造成河道減脫水的問題納入到泄放生態(tài)流量的對象中，水庫、堰壩的運行管理單位在滿足灌溉、供水等功能基礎(chǔ)上進(jìn)行季節(jié)性泄流以滿足河道生態(tài)流量的需求，并放入監(jiān)測名單中；下一階段還應(yīng)加快更加智能和信息化監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，明確具體的生態(tài)流量的下泄時間、下泄量、下泄方式和下泄責(zé)任單位。

3)制定獎懲制度。針對不足量泄放生態(tài)流量、違規(guī)不泄放生態(tài)流量和破壞生態(tài)環(huán)境等問題的水電站，制定切實可行的獎懲制度，大幅度提高違法成本，對于情節(jié)嚴(yán)重的應(yīng)停業(yè)整頓甚至吊銷取水許可和發(fā)電許可。對于足量泄放生態(tài)流量的水電站政府應(yīng)因地制宜的給予一定的經(jīng)濟補償，比如制定生態(tài)電價等措施。

4)加快建設(shè)數(shù)字流域。在水電站生態(tài)流量實現(xiàn)了在線監(jiān)測后，應(yīng)將監(jiān)管平臺融入到流域監(jiān)測系統(tǒng)中，并加大小流域的水情自動測報系統(tǒng)和防洪自動預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)，使三者共同成為數(shù)字流域的重要支撐，并根據(jù)流域各自特點建立不同的數(shù)字流域生態(tài)系統(tǒng)和決策支持。

5)積極創(chuàng)建綠色小水電。江西省農(nóng)村小水電站在進(jìn)行清改以后，要加入到積極創(chuàng)建綠色小水電的進(jìn)程中，全面提高水電站的自動化程度。未來政府關(guān)于水電站的資金投入也應(yīng)向無人值守或自動化程度較高的水電站傾斜。