觀音峽水電站最小生態(tài)流量分析計(jì)算

賈子燁，楊穎剛，王雙銀，王 曦，何冰晶

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院， 陜西 楊凌 712100；2.陜西省水利水電發(fā)展中心， 陜西 西安 710000)

水電站調(diào)度運(yùn)行不當(dāng)會(huì)造成下游河段水量減少或斷流，進(jìn)而對(duì)下游河道的水生生物、河岸陸生動(dòng)植物的種類和數(shù)量產(chǎn)生影響。近年來(lái)，陜西省在農(nóng)村水電工程規(guī)劃建設(shè)中對(duì)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題愈來(lái)愈重視，為了降低水電站開(kāi)發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境特別是河段水文情勢(shì)和生態(tài)功能的不利影響，必須分析計(jì)算水電站的生態(tài)流量。國(guó)內(nèi)外關(guān)于生態(tài)流量的計(jì)算方法有200多種，歸納后可分為水文學(xué)法、水力學(xué)法、生境模擬法和整體分析法[1-3]，目前國(guó)內(nèi)大部分水電站生態(tài)流量以多年平均流量的一定比例(Tennant法)為依據(jù)，也有部分水電站以幾種方法的平均值作為生態(tài)流量的推薦值，不能突出河流的主要生態(tài)問(wèn)題。論文以湑水河觀音峽水電站為研究對(duì)象，結(jié)合觀音峽水電站下游保護(hù)水生生物需求，選用現(xiàn)階段普遍應(yīng)用的Tennant法、90%保證率最枯月流量法、基流比例法、濕周法和生態(tài)水深-流速法對(duì)水電站的生態(tài)流量進(jìn)行估算，并通過(guò)構(gòu)建判斷矩陣分析計(jì)算不同方法的權(quán)重系數(shù)，采用加權(quán)平均法計(jì)算得到觀音峽水電站生態(tài)流量的推薦值，為水電站調(diào)度提供依據(jù)。

1 流域概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 流域概況

觀音峽水電站位于湑水河上游太白縣境內(nèi)，是湑水河干流11級(jí)梯級(jí)電站開(kāi)發(fā)的第1級(jí)，壩址控制流域面積431 km2。湑水河屬長(zhǎng)江流域漢江水系一級(jí)支流，發(fā)源于秦嶺南麓周至境內(nèi)的光頭山，流域總面積2 340 km2，干流全長(zhǎng)165.5 km，總落差1 636.0 m，河道平均比降5.59‰。湑水河流域位于北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)，多年平均氣溫14.1℃，多年平均降水量為788 mm，年降水量主要集中在7月—9月，多年平均7月—9月降水量占全年的53.1%。

觀音峽水電站裝機(jī)容量2.6萬(wàn) kW，為引水式水電站，攔河壩址至電站廠房之間13.15 km河段位于中低山區(qū)，在陜西太白湑水河水生野生動(dòng)物省級(jí)自然保護(hù)區(qū)范疇，該保護(hù)區(qū)總面積5 343 hm2，主要保護(hù)對(duì)象有大鯢、秦嶺細(xì)鱗鮭、川陜哲羅鮭、水獺、多鱗鏟頜魚(yú)、秦巴北鯢等珍稀水生動(dòng)物。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

酉水河酉水街水文站1959年—1998年逐月平均流量資料來(lái)源于陜西省水文水資源勘測(cè)局，河道斷面資料摘自《觀音峽水電站初步設(shè)計(jì)報(bào)告》。

2 計(jì)算方法

2.1 Tennant法

Tennant法是通過(guò)分析研究河流生態(tài)環(huán)境狀況與多年平均流量百分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系，以不同生態(tài)環(huán)境狀況對(duì)應(yīng)的多年平均流量百分?jǐn)?shù)作為生態(tài)流量，該方法簡(jiǎn)單，應(yīng)用較為廣泛，但對(duì)河道形態(tài)、水文參數(shù)考慮不足，對(duì)流量較小的河流有一定的局限[4-5]。

2.2 90%保證率最枯月流量法

該方法是依據(jù)實(shí)測(cè)歷年最枯月平均流量頻率曲線，取90%頻率流量作為生態(tài)流量[6]，一般適用于河川徑流量較小、開(kāi)發(fā)程度高且具有長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)徑流資料的河流。

2.3 Texas法

Texas法是對(duì)歷年逐月平均流量進(jìn)行頻率分析，以50%保證率下的數(shù)值作為標(biāo)準(zhǔn)，取其相應(yīng)的百分比作為生態(tài)流量[7]。

2.4 基流比例法

基流比例法針對(duì)年際年內(nèi)徑流變化較大的河流，按水量多少劃分年型(豐水年、平水年、枯水年和特枯水年)和季節(jié)(豐水期、平水期、枯水期)，分析同年型或同季節(jié)的基流量占平均流量比例，作為生態(tài)流量[8-10]。

一般先分析計(jì)算豐水年的基流量占年平均流量的比例，以此為基礎(chǔ)，從豐到枯逐類型推算各年型的基流比例，具體計(jì)算過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。該方法的關(guān)鍵是確定豐水年的基流比例和各年型之間的基流比例倍數(shù)。

2.5 年內(nèi)展布法

年內(nèi)展布法認(rèn)為河流天然狀態(tài)下歷年最小月徑流量能夠滿足河流基本生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，能夠保證下游水生生物的生存空間，計(jì)算時(shí)首先求得各月歷年最小月平均流量的平均值與多年平均流量的比值，用此比值再乘上各月歷年多年平均流量就得到各月生態(tài)流量，具體參見(jiàn)文獻(xiàn)[11-12]。

2.6 濕周法

濕周法是依據(jù)河道斷面濕周-流量關(guān)系曲線，通過(guò)分析該曲線的變化特點(diǎn)確定生態(tài)流量，一般以濕周-流量關(guān)系曲線突變點(diǎn)相應(yīng)的流量作為生態(tài)流量。濕周法要求河床形狀穩(wěn)定，即有穩(wěn)定的濕周-流量關(guān)系曲線的河流[13]，依據(jù)曼寧公式和謝才公式，得到濕周-流量關(guān)系式：

(1)

式中：Q為流量，m3/s；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；n為曼寧粗糙系數(shù)；P為濕周，m；S為水面比降。

由于流量Q、濕周P和斷面面積A都是未知的，直接推求濕周-流量關(guān)系比較困難，根據(jù)有關(guān)濕周法估算生態(tài)流量的理論分析[14]，“V”字型河谷濕周-流量關(guān)系曲線表達(dá)式為：

Q=aPb

(2)

(3)

式中：Q為斷面流量，m3/s；P為斷面濕周，m；S為水面比降；θ為兩河邊夾角；n為曼寧糙率系數(shù)，a、b為常數(shù)。

突變點(diǎn)可以利用斜率為1法或曲率最大法求出，依據(jù)濕周-流量關(guān)系確定突變點(diǎn)的研究[15]，當(dāng)濕周-流量關(guān)系呈冪函數(shù)關(guān)系時(shí)，用斜率法得到轉(zhuǎn)折點(diǎn)更為合理，最小生態(tài)流量Qmin公式為：

(4)

式中：Qmin為最小生態(tài)流量，a、b同前。

2.7 生態(tài)水深-流速法

對(duì)于減脫水河段，為了保護(hù)生態(tài)目標(biāo)河道內(nèi)應(yīng)保持一定的水深和流速。生態(tài)水深-流速法是通過(guò)選擇河道指示物種并依據(jù)指示物種的生態(tài)水深、生態(tài)流速等生境條件推求河流的生態(tài)流量，推求的生態(tài)流量是指高于等于生態(tài)水深并且在適宜生態(tài)流速[vEmin，vEmax]范圍內(nèi)的流速對(duì)應(yīng)的流量[16]。該法考慮到了水生生物的需求，是水文學(xué)和水力學(xué)兩種方法的集成。

2.8 Saaty標(biāo)度法

1～9標(biāo)度法是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家Saaty[17-18]提出的，由一組專家兩兩比較不同因素的相對(duì)重要程度，構(gòu)成判斷矩陣，標(biāo)度等級(jí)如表1所示。隨后對(duì)判斷矩陣進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，從而建立合理的判斷矩陣，n個(gè)指標(biāo)構(gòu)成的判斷矩陣見(jiàn)下式：

表1 判斷矩陣標(biāo)度定義

(5)

式中：gij表示本層指標(biāo)i和指標(biāo)j基于上一層指標(biāo)的相對(duì)重要程度，且滿足gij>0；gii=1；gij=1/gji，(i，j=1,2，K，n)。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 水文數(shù)據(jù)分析

湑水河干流設(shè)有升仙村水文站，控制流域面積為2 143 km2，是觀音峽水電站壩址控制流域面積的5倍，而相鄰的酉水河干流酉水街水文站控制流域面積為911 km2，僅為觀音峽水電站壩址控制流域面積的2.1倍，據(jù)此以酉水街水文站為參證站分析觀音峽水電站的徑流特性。

依據(jù)酉水街水文站1959年—1998年的實(shí)測(cè)徑流資料，經(jīng)頻率分析得其多年平均流量為13.70 m3/s，Cv=0.52，Cs=2.50Cv。采用水文比擬法并考慮面積修正，計(jì)算得觀音峽水電站壩址處多年平均流量為6.48 m3/s，Cv=0.52，Cs=2.50Cv。以酉水街水文站多年平均逐月分配比例計(jì)算得觀音峽水電站壩址多年平均月流量見(jiàn)表2。

表2 觀音峽水電站徑流量多年平均年內(nèi)分配表

3.2 Tennant法

研究表明多年平均徑流量的10%是保持河流生態(tài)系統(tǒng)健康的最小流量，據(jù)此計(jì)算的觀音峽水電站的最小生態(tài)流量為0.65 m3/s。

3.3 90%保證率最枯月平均流量法

依據(jù)酉水街水文站1959年—1998年共40年的逐月平均流量資料，得到歷年最枯月平均流量系列，經(jīng)適線后得到該水文站最枯月平均流量多年平均值為2.36 m3/s，變差系數(shù)Cv=0.41，偏態(tài)系數(shù)Cs=2.0Cv，酉水街水文站90%保證率最枯月平均流量為1.24 m3/s，約占多年平均流量的9%。采用水文比擬法并考慮面積修正計(jì)算的觀音峽水電站壩址90%保證率最枯月平均流量為0.59 m3/s。

3.4 Texas法

論文對(duì)酉水街水文站1958年—1998年共480個(gè)月的徑流量進(jìn)行頻率分析，根據(jù)學(xué)者對(duì)北方河流的研究[10]，通常取50%保證率徑流量的20%作為生態(tài)流量，即0.62 m3/s。

3.5 基流比例法

(1) 各年型生態(tài)流量計(jì)算。依據(jù)酉水街水文站1959年—1998年逐月平均流量資料，根據(jù)距平百分率法計(jì)算得到酉水街水文站豐、平、枯、特枯水年平均流量值分別為21.92 m3/s、13.95 m3/s、8.73 m3/s、4.48 m3/s，將豐水年歷年最枯月的平均流量占豐水年平均流量的百分比作為豐水年基流比例，即12%，逐類型推算各年型的基流比例，得到平水年基流比例為15%，枯水年基流比例為18%，特枯水年基流比例為25%。經(jīng)計(jì)算，酉水街水文站豐水年生態(tài)流量為2.63 m3/s，平水年生態(tài)流量為2.09 m3/s，枯水年生態(tài)流量為1.57 m3/s，特枯水年生態(tài)流量為1.12 m3/s。依據(jù)水文比擬法計(jì)算得到觀音峽水電站壩址處豐、平、枯、特枯水年生態(tài)流量分別為1.24 m3/s、0.99 m3/s、0.74 m3/s、0.53 m3/s，占其多年平均流量的8%～19%。

(2) 年內(nèi)各時(shí)段生態(tài)流量計(jì)算。由表2可知，觀音峽水電站壩址處12月—次年3月為枯水期；4月—6月、11月為平水期；7月—10月流量為豐水期。依據(jù)酉水街水文站各個(gè)時(shí)期的流量平均值和各年型的基流比例分別計(jì)算各年型各時(shí)期的生態(tài)流量后，通過(guò)水文比擬法推算觀音峽壩址處豐水年豐、平、枯時(shí)期生態(tài)流量，見(jiàn)表3，觀音峽水電站生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果為0.22～2.56 m3/s，約占多年平均流量的3%～40%，除了特枯年，各年型的平水期和枯水期生態(tài)流量差別較小。

表3 觀音峽水電站基流比例法和年內(nèi)展布法計(jì)算結(jié)果

3.6 年內(nèi)展布法

依據(jù)酉水街水文站各月歷年最小月均流量計(jì)算得到酉水街水文站各月歷年最小月均流量的平均值為1.73 m3/s，多年平均流量為13.70 m3/s，則均值比為13%。結(jié)合各水文站多年月均流量的年內(nèi)過(guò)程，計(jì)算酉水街水文站生態(tài)流量，通過(guò)水文比擬法得到觀音峽水電站壩址處各月份生態(tài)流量，見(jiàn)表3。

3.7 濕周法

引水式水電站典型河段為壩址至匯流處之間的河段[19]，選用觀音峽水電站壩址處斷面作為研究斷面。根據(jù)公式(2)、公式(3)，依據(jù)壩址實(shí)測(cè)斷面圖、壩址斷面處上下游河道縱剖圖，根據(jù)《觀音峽水電站初步設(shè)計(jì)報(bào)告》確定觀音峽壩址處θ=30°，n=0.055，S=10‰，結(jié)合圖1壩址處水位-流量關(guān)系曲線，得到濕周-流量關(guān)系曲線，見(jiàn)圖2。根據(jù)公式(6)計(jì)算得出最小生態(tài)需水量為1.23 m3/s，約占多年平均流量的19%。

圖1 觀音峽壩址水位-流量關(guān)系曲線

圖2 觀音峽壩址濕周-流量關(guān)系曲線

3.8 生態(tài)水深-流速法

魚(yú)類是河流生態(tài)中與人類關(guān)系最為密切的頂級(jí)生物，對(duì)河流的水文情勢(shì)變化敏感，宜選用魚(yú)類作為指示物種[20-21]。研究河段魚(yú)類以秦嶺細(xì)鱗鮭、多磷鏟頜魚(yú)和拉式魚(yú)為主，論文選取珍稀魚(yú)類秦嶺細(xì)鱗鮭作為指示物種。魚(yú)類適宜水深下限約為魚(yú)類體長(zhǎng)的3倍，觀音峽水電站下游秦嶺細(xì)鱗鮭體長(zhǎng)約9.6 cm～30.3 cm，取一般體長(zhǎng)的均值作為產(chǎn)卵期的適宜水深，生態(tài)水深為0.6 m。據(jù)相關(guān)研究，大多數(shù)魚(yú)類產(chǎn)卵適宜流速在0.3 m/s～1.5 m/s的范圍內(nèi)[22-23]，即vE∈[0.3 m/s，1.5 m/s]。結(jié)合河道斷面參數(shù)，通過(guò)曼寧公式的計(jì)算和修正得到觀音峽水電站壩址下游秦嶺細(xì)鱗鮭生態(tài)流量為1.48 m3/s，約占多年平均流量的23%。

3.9 生態(tài)流量綜合分析

論文選用Tennant法、90%保證率最枯月平均流量法、Texas法、基流比例法、年內(nèi)展布法、濕周法和生態(tài)水深-流速法計(jì)算了觀音峽水電站最小生態(tài)流量，基流比例法和年內(nèi)展布法計(jì)算結(jié)果為范圍值，基流比例法選取除特枯水年外的其它年型平水期的平均值作為代表值，年內(nèi)展布法取各月生態(tài)流量的均值作為代表值，各計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果分別為0.65 m3/s、0.59 m3/s、0.62 m3/s、0.78 m3/s、0.90 m3/s、1.23 m3/s、1.48 m3/s。

各種計(jì)算方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，為了綜合考慮不同方法的計(jì)算結(jié)果，基于Saaty提出的標(biāo)度法，邀請(qǐng)水電站工作人員和專家學(xué)者對(duì)各種計(jì)算方法中所考慮的指示因子的重要性進(jìn)行評(píng)判打分，Tennant法是目前計(jì)算生態(tài)流量普遍應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)方法，較為重要；90%保證率最枯月平均流量法得到的結(jié)果太小，基本不作考慮；基流比例法是根據(jù)北方河流的年際間和年內(nèi)變化而提出的方法，對(duì)我國(guó)北方河流具有很好的適用性，所以重要程度較高；濕周法受河床形狀限制，當(dāng)河谷呈“V”型時(shí)計(jì)算得到的結(jié)果要略高，重要程度上偏低；由于觀音峽水電站指示物種為國(guó)家Ⅱ級(jí)保護(hù)動(dòng)物秦嶺細(xì)鱗鮭，所以在計(jì)算方法打分上，更偏向于考慮了生物因素的生態(tài)水深-流速法。根據(jù)專家打分情況，用傳統(tǒng)的“1～9”標(biāo)度法構(gòu)建Tennant法、90%保證率最枯月平均流量法、Texas法、基流比例法、年內(nèi)展布法、濕周法和生態(tài)水深-流速法的判斷矩陣(見(jiàn)表4)，加權(quán)平均后得到觀音峽水電站生態(tài)流量推薦值為1.12 m3/s，約占多年平均流量的17%。

表4 觀音峽水電站計(jì)算方法判斷矩陣及權(quán)重計(jì)算

4 結(jié) 論

(1) 依據(jù)酉水街水文站長(zhǎng)系列水文資料，選用Tennant法、90%保證率最枯月平均流量法、Texas法、基流比例法、年內(nèi)展布法、濕周法和生態(tài)水深-流速法對(duì)湑水河觀音峽水電站生態(tài)流量進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果分別為0.65 m3/s、0.59 m3/s、0.62 m3/s、0.22～2.56 m3/s、0.90 m3/s、1.23 m3/s、1.48 m3/s。

(2) 對(duì)各種計(jì)算方法中所考慮的指示因子的重要性進(jìn)行評(píng)判打分后構(gòu)建矩陣得到Tennant法、90%保證率最枯月平均流量法、Texas法、基流比例法、年內(nèi)展布法、濕周法和生態(tài)水深-流速法的權(quán)重系數(shù)分別為0.064 0、0.025 6、0.025 6、0.197 1、0.197 1、0.099 4、0.391 2。

(3) 各方法計(jì)算結(jié)果的加權(quán)平均值為1.10 m3/s，可作為觀音峽水電站壩址生態(tài)流量推薦值，約占多年平均流量的17%。多種方法計(jì)算結(jié)果加權(quán)平均法可為其他水電站核算生態(tài)流量提供參考。