長距離引水電站的脫水河段生態(tài)流量計(jì)算分析

于建棟，張小艷，李 潔

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

1 研究背景

西北內(nèi)陸黃土高原上有著許多發(fā)源于青藏高原和祁連山脈的小型河流，河道本身承載的水量足以滿足這一空間內(nèi)生物群落的正常生存所需。由于人類對(duì)社會(huì)快速發(fā)展的迫切需要，在河道上建成了許多中小型水電站。一方面，為當(dāng)?shù)鼗騾^(qū)域的居民提供了生活用電，改善了生活質(zhì)量；另一方面，減少居民對(duì)柴草的砍伐，這在一定程度上保護(hù)了陸生生態(tài)[1]。

然而，幾十年間水電的無序開發(fā)和流域相對(duì)薄弱的綜合管理，引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境問題，隨之而來的便是原有河道水流態(tài)勢被改變、各種生物的生存環(huán)境被破壞[2-3]。再者，電站為增大有效利用水頭，建設(shè)遠(yuǎn)程的引水隧洞[4]，形成壩后脫減河段，極大影響了河流原住水生生物和兩岸的陸生生物，同時(shí)，在一定程度上也影響了部分灌區(qū)對(duì)農(nóng)作物的灌溉[5]。

為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和“碳中和”[6-7]等戰(zhàn)略目標(biāo)，在開發(fā)水電的同時(shí)，應(yīng)充分考慮經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。不僅要在未來的設(shè)計(jì)方案中體現(xiàn)這一概念，更要適度地改善已建成電站的缺點(diǎn)，使之“綠色、健康”地運(yùn)行。

在“生態(tài)保護(hù)、全球治理”的大環(huán)境下，水電站的生態(tài)保護(hù)也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。由此，生態(tài)流量的概念被提出，其研究也逐步開展[8]，計(jì)算方法也日趨多樣化，研究對(duì)象也從重點(diǎn)區(qū)域試行轉(zhuǎn)向全國各區(qū)域應(yīng)用[9]。目前全球大約超過200種方法計(jì)算生態(tài)流量[10-11]，其中較為經(jīng)典和常用的屬水文學(xué)法和水力學(xué)法2大類，但各方法所考慮的因素也有所差異[12]。水文學(xué)法以流域的歷史徑流資料為基礎(chǔ)進(jìn)行分析計(jì)算，代表方法有：7Q10法、Tennant法、Qp法(p=90%或95%)、年內(nèi)展布法等；水力學(xué)法以河道代表斷面的水力特性為基礎(chǔ)計(jì)算生態(tài)流量，代表方法有：R2CROSS法[13]、濕周法等。

王浩[14]等所作的西北地區(qū)水資源合理配置和承載能力研究拉開了我國生態(tài)需水研究的序幕。本文以洮河流域第13個(gè)梯級(jí)水電站——扎古錄水電站為研究對(duì)象、以洮河流域長系列歷史水文資料為依據(jù)、以水文學(xué)法為主要計(jì)算生態(tài)流量方法，結(jié)合Tennant法、Tessman法、Qp法(p=90%或95%)、年內(nèi)展布法4種常用方法綜合計(jì)算分析，初步得出扎古錄水電站壩后脫水河段的最小生態(tài)流量值。

2 區(qū)域概況

洮河屬黃河水系，地處甘肅省境內(nèi)黃河的較大一級(jí)支流之一，是典型的溫帶大陸性氣候，干流全長673.1km，流域面積25527km2，河道平均比降2.8‰，年平均流量156m3/s。

位于洮河干流中游的扎古錄水電站為低壓引水式發(fā)電，引水距離6.441km，主要任務(wù)為發(fā)電，無灌溉、防洪等要求。正常蓄水位2720.00m，全年平均降雨量499.0mm，平均氣溫3.4℃[15]，依據(jù)扎古錄水電站壩址處1947—2003年共57年徑流資料系列，求得扎古錄水電站壩址處多年各月平均流量，如圖1所示。

圖1 扎古錄水電站壩址處多年各月平均流量

3 研究方法與結(jié)果

3.1 “Tennant法”

“Tennant法”又稱“蒙大拿法”，系屬長系列水文學(xué)計(jì)算生態(tài)流量。此方法以歷史徑流資料內(nèi)多年各月天然平均流量為基本指標(biāo)，通過分析代表年內(nèi)各月平均流量，計(jì)算年內(nèi)推薦的流量占較枯和較豐時(shí)段多年天然流量百分比，以此來獲得下游河道所需的生態(tài)流量[16-17]。

具體計(jì)算為：已知壩址處多年平均流量為62.9m3/s，將代表年內(nèi)各月份分為枯水期(12—次年4月)和豐水期(5—11月)，為滿足下游河道生態(tài)需水，取“Tennant法”評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)[17-20]見表1，計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 “Tennant法”評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

生態(tài)流量又名下游河道最小需水量[21]。根據(jù)表2中由“Tennant法”計(jì)算的扎古錄水電站下游河道生態(tài)流量值，取其最小值為生態(tài)流量，故年內(nèi)較枯月份和較豐月份最小生態(tài)流量均為6.29m3/s。

表2 扎古錄水電站下游河道生態(tài)需水量

3.2 “Tessman法”

“Tessman法”計(jì)算下游河道生態(tài)需水量是由“Tennant法”進(jìn)一步修改而來的。其計(jì)算思路主要是依據(jù)徑流設(shè)計(jì)代表年內(nèi)各月來水量多少劃分豐水期、平水期和枯水期，再根據(jù)各月的平均流量與年平均流量關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程如下：

(1)若本月平均流量低于代表年平均流量的40% 時(shí)，將本月的平均流量作為該月生態(tài)流量。

(2)若本月平均流量是代表年平均流量的40%～100% 時(shí)，將代表年平均流量的40%作為該月的生態(tài)流量。

(3)若本月平均流量大于代表年的平均流量時(shí)，將本月平均流量的40%作為該月生態(tài)流量。

以扎古錄水電站壩址處多年各月平均流量為基本資料，年均值為62.9m3/s，1—12月各占年平均流量百分比分別為：38.5%、38.3%、43.9%、61.0%、91.4%、107.0%、153.9%、176.5%、194.0%、152.9%、86.5%、50.7%；計(jì)算得生態(tài)流量見表3。

表3 “Tessman法”計(jì)算生態(tài)流量表

3.3 Qp法

Qp法又稱為保證率法[18]，一般以90%或95%保證率下的設(shè)計(jì)代表年最枯月平均流量作為本電站脫水河道的最小生態(tài)流量。由于洮河干流對(duì)水資源的開發(fā)程度高，徑流量相對(duì)較小，故選取Qp法為95%保證率計(jì)算生態(tài)流量。

選取p=95%概率下扎古錄水電站壩址處年內(nèi)各月平均流量為基本資料，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 各種方法計(jì)算得生態(tài)流量

3.4 年內(nèi)展布法

年內(nèi)展布法系屬長系列水文學(xué)法，以主要研究的河道歷史長系列徑流資料為依據(jù)，引入多年平均流量和最小年平均流量的同期均值比，通過此值同需要計(jì)算的河道生態(tài)流量建立聯(lián)系，進(jìn)而確定脫水段河道最小生態(tài)流量的值，計(jì)算步驟如下：

(2)求取多年平均流量和最小年平均流量的同期均值比。

(1)

(3)求得脫水河段最小生態(tài)流量值。

(2)

4 分析與結(jié)論

綜合上述4種方法計(jì)算得到的扎古錄水電站壩址處下游河道生態(tài)流量值，用生態(tài)基流滿足程度來綜合分析[22]，哪種方法得到的結(jié)果更適用于扎古錄水電站。

生態(tài)基流滿足程度用長系列水文資料中各月的徑流量超過最小生態(tài)流量的月份除以長系列水文資料中月份總數(shù)，此值的高低即可表示該河段最小生態(tài)流量的滿足程度，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 生態(tài)基流滿足程度/%

由圖3生態(tài)基流滿足程度可知，“Tennant法”、“Tessman法”、Qp法(p=95%)和年內(nèi)展布法計(jì)算結(jié)果基本滿足要求。其中，“Tennant法”的滿足程度更高，對(duì)于下游河道內(nèi)生物群落保護(hù)更有利。

扎古錄水電站的開發(fā)任務(wù)為引水發(fā)電，在一定范圍內(nèi)，引用發(fā)電的水量決定水電站的經(jīng)濟(jì)效益[23]。通過計(jì)算生態(tài)流量占擬引用發(fā)電水量的百分比，分析水電站經(jīng)濟(jì)效益，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 生態(tài)基流占引用發(fā)電水量百分比

綜合生態(tài)流量的滿足程度和水電站經(jīng)濟(jì)效益的分析，長距離引水電站的脫水河段生態(tài)流量計(jì)算引用“Tennant法”更合理，所得的結(jié)果滿足程度更高、水電站經(jīng)濟(jì)效益更好，建議使用“Tennant法”所得值6.29m3/s作為扎古錄水電站生態(tài)流量。