某水電站下游減脫水河段生態(tài)流量研究

孔得兵

(江西省鄱陽縣水利局，江西 鄱陽 333100)

1 工程背景

某小型水電站為引水式水電站設(shè)計，設(shè)計水頭為16.6m，最大工作水頭21.3m，最小工作水頭12.44，電站裝機容量為2×2MW+2×0.6MW，共4臺混流式水輪機組，設(shè)計年發(fā)電量為2545萬kW·h，年利用小時數(shù)約4125h。電站大壩為混凝土面板堆石壩設(shè)計，壩軸線長106m，最大壩高25.5m，設(shè)計庫容1260萬m3。電站建成運行之后，會造成下游約5400m脫水段。如不采取有效措施，下游脫水段河道會逐漸向半水生和陸地生轉(zhuǎn)化，周邊的植被由于缺乏水資源的涵養(yǎng)，造成了比較嚴重的生態(tài)化境破壞，因此選擇合適的生態(tài)下瀉流量，在保證河道的生態(tài)環(huán)境的同時實現(xiàn)電站經(jīng)濟效益的最大化，是電站調(diào)度中必須要解決的關(guān)鍵問題[1]。

2 材料與方法

2.1 研究河段概況

研究河段位于電站下游，長度約5400m，在電站建成之后會形成脫水河段。該河段的由于處于山地丘陵區(qū)，河道的高低起伏較大，因此河道局部的流速和水深具有十分顯著的變化。河道的橫斷面多為典型的U型和拋物線型，兩岸山體較為陡峭，植被整體比較茂密，局部河段存在植被破壞現(xiàn)象。由于水電站建成運行，研究河段的流量明顯受限，大部分河段的流量和水深幾乎為0，對河道的生態(tài)環(huán)境造成十分顯著的影響。

2.2 研究數(shù)據(jù)的來源

本次研究共在研究河段設(shè)置了10個采樣點，并在2020年的5月、8月和10月進行野外采樣調(diào)查，采樣點利用北斗全球定位系統(tǒng)進行經(jīng)緯度的記錄。對現(xiàn)場采樣點進行水深、流速、水面寬以及流量的現(xiàn)場測定，此外，對于研究所需要的水位和流量數(shù)據(jù)來自電站建設(shè)中的相關(guān)數(shù)據(jù)資料[2]。研究中擬采用生境模擬法進行生態(tài)流量研究，采樣區(qū)域為采樣點上下游各20m范圍[3]。鑒于魚類是河流生態(tài)系統(tǒng)中的主要生物品種，同時也是頂級捕食者，不僅就有河道水環(huán)境安全和水資源保護方面的重要指示性作用，同時也是河道生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動的重要影響因素[4]。因此，本文研究將河道中的魚類作為研究對象，探討脫水段的生態(tài)流量。采樣方式為電魚法和掛網(wǎng)法相結(jié)合的方式進行，對于采集到的魚類樣品在進行觀察記錄之后予以放生。

2.3 計算過程

目前，在目標魚種的選擇方面并沒有統(tǒng)一的標準，但一般會選擇河道生態(tài)系統(tǒng)中的優(yōu)勢種或特有種。結(jié)合本次研究對象的特點，研究中引入優(yōu)勢種和相對重要性的概念，其中，優(yōu)勢種的特點是具有高度的生態(tài)適應(yīng)性，可以在相當程度上生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的環(huán)境條件[5]。當然，優(yōu)勢種應(yīng)當具有數(shù)量和重量方面的顯著優(yōu)勢，并且在季節(jié)因素中具有持續(xù)性。在本次研究中，以相對重要性指數(shù)為表征量，大于100的為重要種，大于1000的為優(yōu)勢種。根據(jù)采樣數(shù)據(jù)的分析，共得到各種魚類37種，并隸屬于5目、12科。其中最多的為鯉型目，有23種，數(shù)量占全部的62%。為進一步確定優(yōu)勢種，對各魚類的相對重要性指數(shù)進行統(tǒng)計計算，結(jié)果顯示鯽魚在3個季節(jié)的相對重要性指數(shù)都在1000以上，因此將鯽魚作為研究過程中的代表魚種。

生境適宜性曲線的繪制是生境模擬中十分重要的步驟，其準確性將會直接影響計算結(jié)果的準確性[6]。結(jié)合本文研究目標，僅討論目標魚類和水文生境因子之間的關(guān)系，通過對現(xiàn)場文獻和實測水文數(shù)據(jù)進行調(diào)查和統(tǒng)計分析之后，分別得到目標魚類的生境適宜性曲線[7]。本次研究確定的代表魚種鯽魚屬于鯉形目，是分布極為廣泛的一種淡水魚種。根據(jù)羅祖奎教授的研究和實測數(shù)據(jù)，鯽魚的適宜生存水深范圍為0.1～2.0m，其中0.8～1.0m的水深范圍內(nèi)分布數(shù)量最多，為最適宜水深。

研究中應(yīng)用MIKE 21FM 水動力學模塊對研究段的水深、流速和水位進行數(shù)值模擬，為了準確反映河道和河灘地形，同時滿足流場計算精度的要求，基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在復雜邊界擬合方面的優(yōu)勢，研究中采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對研究區(qū)進行網(wǎng)格剖分，共生成24340個網(wǎng)格，13230個計算節(jié)點[8]。

在建模過程中以水電站建設(shè)前2015年的研究河段水文數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，確定模型下邊界的水位邊界條件以及上邊界的流量邊界條件，河道糙率為0.026，以上述數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對研究河段的流量、水深、水位以及流速進行數(shù)值模擬，模擬的時間間隔為1h，共計720步。

圖1 網(wǎng)格劃分示意圖

3 計算結(jié)果與分析

3.1 流量與有效棲息地面積關(guān)系計算結(jié)果分析

研究中根據(jù)模擬結(jié)果和目標魚類的適宜性曲線，構(gòu)建起研究河段的流量和目標魚類有效棲息地面積之間的關(guān)系曲線，結(jié)果如圖2所示。顯然，曲線的轉(zhuǎn)折點極為目標魚類的最小生態(tài)流量，最高點為目標魚類的適宜流量。由圖可知，曲線在流量為12.5m3/s時發(fā)生轉(zhuǎn)折，在15m3/s時達到最大，因此，認為研究河段適合鯽魚生存的最小生態(tài)流量為12.5m3/s，適宜生態(tài)流量為15m3/s。

圖2 流量和目標魚類有效棲息地面積之間的關(guān)系曲線

3.2 繁殖期生態(tài)流量計算結(jié)果與分析

根據(jù)魚類的繁殖要求，僅考慮棲息地面積顯然是不夠的，還需要對繁殖期棲息地的水深和流速多樣性進行進一步的分析和研究。提取模擬結(jié)果中的相關(guān)數(shù)據(jù)，按照不同的水深和流速對斑塊進行統(tǒng)計，獲得見表1—2的不同流量下水深和流速斑塊劃分結(jié)果。其中，水深0～0.5m以下為淺灘水、水深0.5～1.0m為較淺水、水深1.0～2.0m為較深水、2.0m以上為深水；流速小于0.3m/s為緩流、流速在0.3-0.5m/s之間為較緩流、流速在0.5～1.0m/s之間為較急流、流速在1.0以上為急流。由表中的計算結(jié)果可以看出，隨著流量的增加，淺灘和深潭的比例呈線性增長的趨勢，在流量達到20m3/s時，上述兩種斑塊的面積可以達到研究河段有水面積的60%以上；從流速分布來看，隨著流量的增加，緩流呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，急流則呈現(xiàn)出逐漸增長的趨勢。較淺水、較深水、較緩流和較急流的變化則存在比較明顯的拐點，拐點位于10～12.5m3/s，可以作為生態(tài)流量確定的重要指標。

表1 不同流量下水深斑塊比例計算結(jié)果

表2 不同流量下流速斑塊計算結(jié)果。

根據(jù)表1—2中的結(jié)果，對不同流量下的棲息地水深-流速多樣性進行計算，結(jié)果如表3所示。由計算結(jié)果可知，隨著流量的不斷增加，水深-流速多樣性指數(shù)呈現(xiàn)出整體上升的趨勢，并在流量為5m3/s時達到第一個拐點，達到1.538，且在流量為17.5m3/s時達到最大值，為2.236。從水深多樣性和流速多樣性指數(shù)的計算結(jié)果來看，也呈現(xiàn)出類似的規(guī)律。一般來說，多樣性指數(shù)越大，生物在生存過程中受到的威脅就越少。同時，在該流量下，河道急流淺灘的區(qū)的面積明顯大于10～12.5m3/s，而急流前灘區(qū)是目標魚類的主要產(chǎn)卵區(qū)。因此，從多樣性指數(shù)視角來看，可以將17.5m3/s的流量作為繁殖期的生態(tài)流量。

表3 不同流量下水深流速多樣性計算結(jié)果

4 結(jié)語

本次研究以具體工程為背景，利用生境模擬法對水電站下游脫水段的生態(tài)流量進行研究分析，獲得如下主要結(jié)論。

(1)從研究河段的流量和目標魚類有效棲息地面積之間的關(guān)系曲線來看，研究河段適合鯽魚生存的最小生態(tài)流量為12.5m3/s，適宜生態(tài)流量為15m3/s。

(2)從斑塊的分布情況以及棲息地水深-流速多樣性來看，可以將17.5m3/s的流量作為繁殖期的生態(tài)流量。

(3)綜合研究結(jié)果，在目標魚類的繁殖期，建議采用17.5m3/s的生態(tài)流量，在其他時期采用15m3/s的生態(tài)流量。