梯級(jí)小水電開發(fā)河流最小生態(tài)流量計(jì)算與保障研究

王露露，丁曉雯*，李興拼，陳慶偉

(1.華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206；2.珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510610；3.水利部水資源管理中心，北京 100053)

在“碳達(dá)峰”“碳中和”背景下，小水電作為清潔的可再生能源，低碳環(huán)保，同時(shí)也是煤電的重要補(bǔ)充，對(duì)大氣環(huán)境的改善有重要貢獻(xiàn)。中國小水電建站數(shù)量大，主要分布在雨量豐沛、河流密布、河道天然落差大的長江以南山區(qū)，該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后、遠(yuǎn)離大電網(wǎng)且農(nóng)村人口相對(duì)集中。小水電在建設(shè)、運(yùn)行過程中會(huì)改變河道的天然水文過程，不可避免地對(duì)下游水生態(tài)環(huán)境造成不利影響，加上部分小水電大都缺乏科學(xué)的生態(tài)流量管控，導(dǎo)致下游河道出現(xiàn)不同程度的減脫水現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了河流水生態(tài)系統(tǒng)的健康可持續(xù)發(fā)展，使得國家不得不對(duì)一些違規(guī)小水電進(jìn)行拆除。計(jì)算東江干流最小生態(tài)流量對(duì)保護(hù)東江生態(tài)環(huán)境和指導(dǎo)上游小水電流量下泄具有重要意義，能夠保證生態(tài)環(huán)境和小水電健康可持續(xù)發(fā)展，使小水電能夠更好地為“碳達(dá)峰”“碳中和”貢獻(xiàn)力量，同時(shí)也為流域和生態(tài)的管理提供理論支持。因此，計(jì)算梯級(jí)小水電開發(fā)河流最小生態(tài)流量成為河流生態(tài)保護(hù)中必不可少的工作內(nèi)容。

目前，國內(nèi)外對(duì)于計(jì)算梯級(jí)小水電開發(fā)河流最小生態(tài)流量的方法尚不統(tǒng)一，相關(guān)學(xué)者提出的觀點(diǎn)也不盡相同，根據(jù)地形地貌及現(xiàn)有的水文資料，得到不同的計(jì)算最小生態(tài)流量的研究方法。李陽等[1]以盤溪梯級(jí)水電站的大洋水庫作為研究對(duì)象，采用年內(nèi)展布法、改進(jìn)頻率法、NGPRP 法等計(jì)算了該水庫下泄的最小生態(tài)流量，并選取95%保證率下的流量值作為最小生態(tài)流量；韓建軍等[2]以金雞口水電站為例，采用Tennant法、7Q10法、滿足水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)最小流量法以及最小連續(xù)30 d最小流量法計(jì)算最小下泄流量，對(duì)比分析后確定該水電站的最小下泄流量，并提出確保水電站最小下泄流量的保障措施；李小強(qiáng)等[3]在分析探討農(nóng)村水電站最小下泄流量時(shí)，在留金壩水電站上下游布設(shè)監(jiān)控?cái)嗝嬗?jì)算水電站最小下泄流量；廖千家驊等[4]以四川大通江某一梯級(jí)開發(fā)電站為例，采用R2-CROSS 法、濕周法、7Q10法計(jì)算減脫水河段最小生態(tài)需水量。

綜上所述，梯級(jí)小水電最小下泄流量的確定直接關(guān)系到河流水生態(tài)系統(tǒng)的健康可持續(xù)發(fā)展，最小下泄流量不應(yīng)低于最小生態(tài)流量。本文以梯級(jí)小水電開發(fā)河流——東江干流為例，選用水文學(xué)法中改進(jìn)的Tennant法[5-6]、QP法[7]、經(jīng)驗(yàn)法[8]、頻率曲線法[9]和NGPRP法[10]計(jì)算梯級(jí)小水電開發(fā)河流下游最小生態(tài)流量。選取95%保證率作為河流最小生態(tài)流量的保護(hù)目標(biāo)[1]，將上述5種計(jì)算結(jié)果與95%保證率下的流量值進(jìn)行對(duì)比分析，確定計(jì)算東江干流最小生態(tài)流量的方法和最小生態(tài)流量值，對(duì)科學(xué)合理指導(dǎo)河流上游小水電流量下泄、促進(jìn)小水電及河流水生態(tài)系統(tǒng)健康可持續(xù)發(fā)展均具有重要意義。

1 流域小水電概況

東江是珠江流域三大水系之一，發(fā)源于江西省尋鄔縣椏髻缽山，上游稱尋烏水，在廣東省河源市龍川縣合河壩與安遠(yuǎn)水匯合后稱東江。東江干流流經(jīng)廣東、江西兩省，在東莞市石龍鎮(zhèn)流入珠江三角洲東部網(wǎng)河區(qū)，分南北兩水道注入獅子洋，經(jīng)虎門出海[11]，全長562 km，流域總面積35 340 km2。東江干流自上而下已投運(yùn)和在建的梯級(jí)電站多達(dá)12座，各梯級(jí)電站的裝機(jī)容量均未超出中國對(duì)小水電站裝機(jī)容量界定的5萬kW范圍[12]，水電站的詳細(xì)信息及分布見圖1。東江水電站總裝機(jī)容量達(dá)47.77萬kW，占其干流技術(shù)可開發(fā)量的88.51%，因此,本文選擇廣東東江作為典型的梯級(jí)小水電開發(fā)河流。分布在東江中上游地區(qū)的小水電大多為引水式水電站，需要長期蓄水，導(dǎo)致下游流量匱乏，不利于水生態(tài)系統(tǒng)的健康可持續(xù)發(fā)展。由于東江流域的水文站多位于干流與支流的交匯之處，不能準(zhǔn)確反映出東江流域流量的變化情況。博羅水文站位于東江下游，設(shè)立于1953年，是國家重點(diǎn)水文站，也是東江干流進(jìn)入三角洲之前的控制性水文站，匯水面積為25 325 km2，占流域總面積71.7%[13]，相比其他水文站更具代表性，因此,本文選擇博羅站作為研究對(duì)象。

圖1 東江干流梯級(jí)電站分布

2 生態(tài)流量計(jì)算

2.1 研究資料與方法

博羅水文站位于東江下游，是東江干流進(jìn)入三角洲前的控制性水文站，具有長序列的月徑流資料，能夠計(jì)算出河流下游的最小生態(tài)流量。故選取東江博羅站1971—2000年連續(xù)月平均流量數(shù)據(jù)，計(jì)算得到多年平均徑流量為769.5 m3/s。

生態(tài)流量是維系江河湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康可持續(xù)發(fā)展的基本要素，是控制水資源合理優(yōu)化配置的重要基礎(chǔ)[14]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)外已有的河流生態(tài)流量計(jì)算方法已超過200多種，中國在該方面的研究雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，針對(duì)中國河流特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)方法進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)也提出了很多新的計(jì)算方法。關(guān)于生態(tài)流量計(jì)算方法，主要包括水文學(xué)法、水力學(xué)法、生境模擬法和整體分析法四大類，水文學(xué)法相比于其他方法具有很多優(yōu)勢，即不需要進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測水文數(shù)據(jù)，簡單方便，對(duì)數(shù)據(jù)的要求不是很高，適用于優(yōu)先度不高的河段[15-17]。

東江流域水量較大，開發(fā)利用程度高，無特殊生物保護(hù)目標(biāo)且具有長序列的實(shí)測月徑流資料，但是缺少長時(shí)間的日徑流數(shù)據(jù)資料，因此選擇水文學(xué)法進(jìn)行計(jì)算。本文綜合考慮東江的流域特征及實(shí)際發(fā)展?fàn)顩r，并基于現(xiàn)有資料及計(jì)算方法的適用范圍，選用改進(jìn)的Tennant法[5-6]、QP法[7]、經(jīng)驗(yàn)法[8]、頻率曲線法[9]和NGPRP法[10]分別計(jì)算最小生態(tài)流量，并將上述5種計(jì)算結(jié)果與1971—2000年系列95%保證率下的流量值進(jìn)行對(duì)比，得出東江下游最小生態(tài)流量值，為梯級(jí)小水電流量合理下泄提供參考。

2.2 生態(tài)流量計(jì)算

a)改進(jìn)的Tennant法。Tennant法也叫蒙大拿法，該方法通過控制斷面多年平均徑流量的百分比，判斷河湖水生生物、河流景觀與河流流量之間的關(guān)系，以多年平均徑流量的10%作為最小生態(tài)流量，是最簡單的一種方法[18]，但是計(jì)算結(jié)果沒有考慮水文情勢變化。因此本文選擇改進(jìn)的Tennant法計(jì)算最小生態(tài)流量[5-6]，根據(jù)東江的徑流情況，分別將來水頻率20%、50%和70%作為豐水年、平水年、枯水年典型年的選取標(biāo)準(zhǔn)，最終選擇1976、1978、1986年作為豐、平、枯典型年代表。同時(shí)，非汛期(10月至次年3月)來水量較小，以多年平均徑流量的10%作為最小生態(tài)流量；汛期(4—9月)來水量大，以多年平均徑流量的30%作為最小生態(tài)流量。改進(jìn)的Tennant法計(jì)算典型年各月的水文過程見表1。

表1 改進(jìn)的Tennant法計(jì)算不同來水年各月最小生態(tài)流量 單位：m3/s

b)QP法。QP法是以控制斷面至少連續(xù)30年的最枯月平均流量、水位或徑流量排頻的一種生態(tài)流量計(jì)算方法[7]?；跂|江博羅站1971—2000年連續(xù)月平均流量數(shù)據(jù)，利用P-Ⅲ型曲線將連續(xù)30年的最枯月平均流量進(jìn)行排頻，求得90%保證率下的最小生態(tài)流量為232.81 m3/s，P-Ⅲ型曲線配線結(jié)果見圖2。

圖2 QP法P-Ⅲ型曲線配線結(jié)果

c)經(jīng)驗(yàn)法。經(jīng)驗(yàn)法是通過確定生態(tài)環(huán)境健康狀況與徑流量存在的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系計(jì)算生態(tài)流量的一種計(jì)算方法[8]，通過多年對(duì)生態(tài)流量的相關(guān)研究得知，當(dāng)河道流量為年平均流量的30%～60%時(shí)，生態(tài)環(huán)境及水生生物生存狀態(tài)較好。計(jì)算見式(1)。

Q1=Pe×Qa

(1)

式中Q1——某時(shí)段最小生態(tài)流量，m3/s；Qa——平均流量，m3/s；Pe——百分比，%。

基于東江博羅站1971—2000年連續(xù)月平均流量數(shù)據(jù)，利用P-Ⅲ型曲線對(duì)年平均流量進(jìn)行排頻，Qa取50%保證率下的年平均流量，值為754.18 m3/s，P-Ⅲ型曲線配線結(jié)果見圖3。本文取Qa值的30%作為最小生態(tài)流量，結(jié)果為226.25 m3/s。

圖3 經(jīng)驗(yàn)法P-Ⅲ型曲線配線結(jié)果

d)頻率曲線法。頻率曲線法是選用連續(xù)至少30年的歷史徑流資料構(gòu)建各月水文頻率曲線，計(jì)算汛期與非汛期生態(tài)流量的方法[9]?；跂|江博羅站1971—2000年月平均流量數(shù)據(jù)，將其分為1—12月共12個(gè)月平均徑流系列，采用P-Ⅲ型曲線對(duì)系列進(jìn)行配線，確定各月流量的均值、CV、CS/CV以及95%保證下各月生態(tài)流量，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 頻率曲線法年內(nèi)不同時(shí)段值計(jì)算成果

e)NGPRP法。NGPRP法是考慮不同水平年差別，將水文系列分為豐、平、枯3種不同的水文組，取平水年組中各月流量在90%保證率下的流量值作為最小生態(tài)流量的方法[10]。利用距平百分率P(-10%≤P≤10%)確定平水年組，并對(duì)平水年組各月生態(tài)流量排頻，得到90%保證率下的流量值作為最小生態(tài)流量，值為354.00 m3/s。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

利用以上5種最小生態(tài)流量計(jì)算方法，得到博羅站最小生態(tài)流量過程，見表3。

表3 不同計(jì)算方下的最小生態(tài)流量過程 單位：m3/s

為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的合理性，將上述5種計(jì)算結(jié)果與1971—2000年系列95%保證率下的流量值(1971—2000年逐年月徑流量最小值系列在95%保證率下的值為226.00 m3/s)進(jìn)行比較，對(duì)比結(jié)果見圖4。

圖4 不同方法計(jì)算結(jié)果與95%保證率對(duì)比

由圖4可知，NGPRP法計(jì)算得到的最小生態(tài)流量明顯高于95%保證率的流量值，實(shí)際情況很難滿足該最小生態(tài)流量；改進(jìn)的Tennant法和頻率曲線法得到的各月最小生態(tài)流量在保證率95%的流量線上下波動(dòng)，能夠達(dá)到一定的滿足程度；QP法和經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算得到的最小生態(tài)流量均不低于95%保證率的流量值。因此，為更有利于保護(hù)東江流域生態(tài)流量生態(tài)環(huán)境且能體現(xiàn)出河流徑流量的季節(jié)變化特征，選擇QP法計(jì)算得到的最小生態(tài)流量值232.81 m3/s作為博羅站最小生態(tài)流量下限值，并選取改進(jìn)的Tennant法和頻率曲線法的內(nèi)包線作為各月最小生態(tài)流量，各月最小生態(tài)流量具體值見表4，其過程見圖5。

表4 各月最小生態(tài)流量過程 單位：m3/s

圖5 各月最小生態(tài)流量過程

3 確保東江干流最小生態(tài)流量的具體措施

a)優(yōu)化水資源總量分配方案。根據(jù)東江干流水資源總量與上下游各河段的需水要求，制定東江流域三大水庫聯(lián)合調(diào)度管理辦法，保障東江流域(石龍以上)及珠江三角洲地區(qū)的生態(tài)安全，兼顧航運(yùn)、發(fā)電等多方需求。

b)完善最小生態(tài)流量監(jiān)管制度。東江生態(tài)流量關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)與重要部位進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)主要控制斷面生態(tài)流量預(yù)警的自動(dòng)分析，并建立最小生態(tài)流量監(jiān)督管理長效機(jī)制。

c)建立最小生態(tài)流量監(jiān)測預(yù)警機(jī)制。根據(jù)保障生態(tài)流量管控目標(biāo)要求，以生態(tài)流量監(jiān)測機(jī)制與生態(tài)流量調(diào)度方案作為前提，確定最小生態(tài)流量預(yù)警體系，建立最小生態(tài)流量保障的預(yù)警機(jī)制，以確保生態(tài)水量滿足保證率要求。

d)加強(qiáng)流域水質(zhì)監(jiān)督與管理。在保障最小生態(tài)流量目標(biāo)的同時(shí)，要加強(qiáng)河流污染排放控制，做好水質(zhì)監(jiān)管工作，確保水質(zhì)符合《調(diào)度方案》中規(guī)定的目標(biāo)要求。

4 結(jié)論

采用改進(jìn)的Tennant法、QP法、經(jīng)驗(yàn)法、頻率曲線法和NGPRP法等5種方法計(jì)算梯級(jí)小水電開發(fā)河流——東江干流最小生態(tài)流量，得到如下結(jié)論。

a)以梯級(jí)小水電開發(fā)河流——東江干流為例，采用改進(jìn)的Tennant法、QP法、經(jīng)驗(yàn)法、頻率曲線法和NGPRP法計(jì)算最小生態(tài)流量，通過對(duì)比分析，提出改進(jìn)的Tennant法、頻率曲線法、QP法和經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算得到的最小生態(tài)流量均能達(dá)到一定的滿足程度。

b)在滿足95%保證率的條件下，采用QP法和經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算最小生態(tài)流量，2種計(jì)算結(jié)果相近且不低于95%保證率流量值，為更有利于保護(hù)東江流域生態(tài)環(huán)境，選擇QP法計(jì)算得到的最小生態(tài)流量值232.81 m3/s作為博羅站最小生態(tài)流量下限值，即各月的最小生態(tài)流量均不能低于該值。同時(shí)選取改進(jìn)的Tennant法和頻率曲線法的內(nèi)包線作為各月最小生態(tài)流量過程，為上游小水電的流量下泄提供參考。

c)為保證東江干流的最小生態(tài)流量，應(yīng)采取一定的保障措施，如優(yōu)化水資源總量分配方案、完善最小生態(tài)流量監(jiān)管制度、建立最小生態(tài)流量監(jiān)測預(yù)警機(jī)制、加強(qiáng)流域水質(zhì)監(jiān)督與管理，以此來保證河流水生態(tài)系統(tǒng)健康可持續(xù)發(fā)展。

5 展望

采用較為通用的水文學(xué)法計(jì)算梯級(jí)小水電開發(fā)河流最小生態(tài)流量，為流域和生態(tài)的管理提供理論支持，從而更好地保證小水電以及河流水生態(tài)系統(tǒng)健康可持續(xù)發(fā)展。但是梯級(jí)小水電開發(fā)河流最小生態(tài)流量的確定方法尚未統(tǒng)一，且影響因素較多，故本研究在最小生態(tài)流量的計(jì)算過程中還存在一定的改進(jìn)空間。為進(jìn)一步完善小水電與生態(tài)系統(tǒng)的管理與保障工作，在今后的研究中應(yīng)當(dāng)不斷深化最小生態(tài)流量的確定方法，如構(gòu)建“水文-生態(tài)響應(yīng)關(guān)系”，考慮多方面因素使得研究過程更加理論、系統(tǒng)，計(jì)算結(jié)果更加合理。