貴州水利工程運行期生態(tài)流量下泄過程中存在問題及對策探討

邱興春，郭艷娜

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司, 貴州 貴陽 550081)

生態(tài)流量是控制河湖水資源開發(fā)強度、維持河湖生態(tài)功能的重要指標[1]，是河湖保持生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)所需的基本水流流量。人類為充分利用水資源在供水、灌溉、航運、發(fā)電等方面帶來的社會經(jīng)濟效益，水庫大壩工程因此迅速發(fā)展[2-3]。目前，全球正在運行的水庫大壩( 壩高15 m以上)約5萬座，規(guī)模較小的水庫大壩約數(shù)百萬個[3-4]。不過，水庫工程在發(fā)揮巨大的社會經(jīng)濟效益的同時，對河流生態(tài)環(huán)境也產生了不利影響[3，5-6]。至今，人類還不斷加大對水資源的開發(fā)力度，造成水庫大壩下游水文流態(tài)、流量的變化，使得自然河流的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了明顯改變[3,7]，由此引發(fā)了河流的生態(tài)危機[8-9]。多數(shù)研究學者逐漸意識到河流生態(tài)流量對河流生態(tài)系統(tǒng)的重要性后，河流生態(tài)流量問題才開始逐漸受到關注，并成為20世紀以來全球關注的重大熱點問題之一[8,10]。隨著河流生態(tài)系統(tǒng)保護理論的逐步發(fā)展，生態(tài)流量計算方法不斷豐富，目前已經(jīng)提出了200多種生態(tài)流量計算方法[11-12]。不過，這些方法都是基于如何計算生態(tài)流量的技術方法，對河流生態(tài)流量下泄方式方面的研究卻鮮有報道,然而生態(tài)流量下泄方式卻是實現(xiàn)設計生態(tài)流量如期下泄至河道的重要環(huán)節(jié)，是保證河道生態(tài)系統(tǒng)功能正常發(fā)揮的關鍵。水庫大壩工程開發(fā)時，通常需要設計相應的河道生態(tài)環(huán)境保護措施，如計算下泄生態(tài)流量進行生態(tài)調度[3,13-15]，但多數(shù)運營單位存在追求水庫顯性利益最大化思想，實際進入壩下河道的生態(tài)流量大打折扣，導致河流水環(huán)境問題狀況日趨嚴重。

我國水利工程建設如火如荼的今天，水資源利用開發(fā)程度及河流生態(tài)流量的確定與下放已成為重大研究課題。近年來，環(huán)境保護行政主管部門雖然依據(jù)《中華人民共和國水法》、《中華人民共和國環(huán)境保護法》等法律法規(guī)提出了硬性管理要求，且在項目工程環(huán)境影響評價文件中都對工程運行以后，生態(tài)流量的下泄提出了明確要求,不過，實際情況是大多數(shù)水利工程生態(tài)流量泄放措施僅考慮了泄放能力——“放多少”的要求，對“怎么放”這一要求考慮明顯不足。理論上，生態(tài)流量下泄量既要時時維持下游生態(tài)平衡的最小需水量，又不能影響水利工程正常效益的發(fā)揮。

黨的十八大以來， 習近平總書記非常重視生態(tài)文明建設，其中在合理分水方面， 把確定生態(tài)流量作為水資源管理的一項先決性工作[16-17]。近兩年出臺的《水利部關于做好河湖生態(tài)流量確定和保障工作的指導意見》[18](水資管[2020]67號)、《水利部辦公廳關于印發(fā)全國重點河湖生態(tài)流量確定工作方案的通知》[19](辦資管〔2020〕151號)、《水利部辦公廳關于做好2021年重點河湖生態(tài)流量確定與保障工作的通知》[20](辦資管〔2021〕155號)，以及《貴州省水資源保護條例(2021年修訂)》[21]等國家政策和法規(guī)條例的制訂和頒布無不體現(xiàn)了國家當前對河流生態(tài)流量下泄與監(jiān)管的重視，因此，保證生態(tài)流量足額下泄方式的研究具有與時俱進的重要意義。

1 貴州水資源及水利工程規(guī)劃概況

1.1 貴州水資源概況

貴州全省多年平均徑流量1 062億m3，其中長江流域678.0 億m3，開發(fā)利用率10.9%；珠江流域382.0 億m3，開發(fā)利用率4.62%。徑流的年內分配極不均勻，汛期水量大且集中，枯水期水量小且平緩；多年平均最大連續(xù)4個月占全年徑流量的56%～73%，由東向西遞減；徑流的年際變化相對較小[22]。

1.2 貴州水利工程規(guī)劃概況

貴州位于我國西南腹地，屬于典型的巖溶生態(tài)環(huán)境，生態(tài)環(huán)境脆弱。雖然水資源總量豐富，但因局部石漠化較嚴重，保水蓄水能力較差，因此成為典型的工程型缺水地區(qū)。為了提高水利工程對經(jīng)濟社會發(fā)展的支撐能力，保障城鄉(xiāng)居民生活用水和社會發(fā)展用水需求，促進貴州經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展[23]，《貴州省水利建設生態(tài)建設石漠化治理綜合規(guī)劃》[24](2010年)提出建設骨干性水庫工程432座，其中大型水庫4座、中型水庫142 座、小Ⅰ型水庫222座、?、蛐退畮?4 座，分布在貴州全省 411條河流上，覆蓋全省17.62 萬km2國土面積，規(guī)劃水庫總庫容106.4 億m3，占全省年徑流量1 062 億m3的10.02%[22]，因此保證河流生態(tài)流量足額下泄的理念融入水利工程規(guī)劃設計之中是很有必要的。

2 貴州水利工程生態(tài)流量下泄方式及特點

2.1 下泄河流生態(tài)流量的常用方式

根據(jù)水利工程所在河段特征和目前成熟的河流生態(tài)流量計算方法，結合《水電水利建設項目河道生態(tài)用水、低溫水和過魚設施環(huán)境影響評價技術指南(試行)》[25](環(huán)評函[2006]4號)、《建設項目水資源論證導則》[26](GB/T 35580—2017)、《河湖生態(tài)需水評估導則(試行)》[27](SL/Z 479—2010)等有關技術導則的規(guī)定，計算河流生態(tài)流量后，通過工程設計后安裝生態(tài)流量泄放設施進行下放。目前貴州在建或已建水利工程運行期的生態(tài)流量下泄方式，按照水利工程設計規(guī)模進行分類統(tǒng)計，代表性工程及基本情況分別見表1、表2。經(jīng)貴州下泄生態(tài)流量的方式按照生態(tài)流量管與放空管、供水管、取水管的接入方式(無發(fā)電機組)可分為3種，用發(fā)電機組下泄的為1種。

表1 無發(fā)電機組下泄生態(tài)流量的代表性水庫工程及基本情況

表2 發(fā)電機組下泄生態(tài)流量的代表性水庫工程及基本情況

各種生態(tài)流量下泄方式的工程設計思路如下：

(1) 用水庫放空管下泄。根據(jù)水庫工程規(guī)模及樞紐布置特點，并考慮經(jīng)濟性和大壩安全性，生態(tài)流量管與水庫放空管共用，水庫放空管進口高程布置于水庫死水位與水庫淤沙高程之間的適宜位置，放空管管徑依據(jù)水庫工程放空的需要而設定，放空管至閘閥室時，在管上設置開關閘閥。當水庫需要放空時，控制閘閥全打開，否則，僅調整合適的閘閥開度，下泄環(huán)境保護需求的生態(tài)流量。

(2) 用叉管接于供水設施上下泄。一般布置于供水管壩面出口適宜位置，其管徑大小因工程河段所需生態(tài)流量而定，生態(tài)流量管上設置流量控制閘閥來調整下泄的生態(tài)流量。

(3) 用支管接于取水管上下泄。這一形式是取水鋼管自水庫取水口引水出壩體后，于閘閥室處分支管接供水管、放空管、生態(tài)流量管，閘閥室內布置各管道閥門，主要包括放空管、生態(tài)流量管、取水管等設施的工作閥和檢修閥，生態(tài)流量管設置的工作閘閥用于調整流量下泄的大小。

(4) 用發(fā)電機組下泄。此類電站機組不承擔調峰任務，水庫主要利用汛期棄水和生態(tài)流量發(fā)電。采取此類下泄生態(tài)流量方式的水利工程一般為大中型水庫，由于下泄水量較大，為了充分利用水資源，將下泄的生態(tài)流量用于發(fā)電。當發(fā)電機組全部檢修時(最不利情況)不發(fā)電時，或引水發(fā)電流量不能滿足河道生態(tài)流量需求時，啟用備用生態(tài)流量管下泄補充。備用生態(tài)流量管接于發(fā)電機組前的壓力引水鋼管，引水至下游河道，在生態(tài)流量管上設置流量調節(jié)閥對下泄的生態(tài)流量進行控制。

2.2 生態(tài)流量下泄的特點

上述水利工程運行期常采用的4種生態(tài)流量下泄方式中，均設有控制閘閥，以保證水庫蓄水和生態(tài)流量下放。生態(tài)流量管上安裝閘閥主要目的是在滿足國家硬性要求的最低流量下，盡可能少下放，以增加水利工程的顯性效益。前3種下泄方式，在管徑大小確定的情況下，通過生態(tài)流量管下放的具體流量大小，還與水庫水位動態(tài)變化有關，水庫水位高程越高，生態(tài)流量管進口處壓力越大，進而輸入的水量越大，反之，越小。第4種方式，正常情況下，僅與機組發(fā)電量的輸出大小有關，電量輸出越大，下泄的水量越大，反之越小。當機組全檢修時(最不利情況)，啟用配備的生態(tài)流量管設施，此時下泄的水量特點與前3種方式一致。相對來說，第4種下泄方式的生態(tài)流量保障程度更為可靠，因為小機組發(fā)電能給運營單位帶來經(jīng)濟效益，讓其能產生積極性，同時也能滿足環(huán)境保護要求，是能實現(xiàn)雙贏的生態(tài)流量下泄方式。

從應用范圍上來說，前3種下泄方式普遍應用于中小型水利工程，第4種僅能應用于大中型水利工程。

3 生態(tài)流量下泄存在的問題

(1) 機械式閘閥開度一定的情況下，下泄的生態(tài)流量隨水庫水位高程而變化。為了保證生態(tài)流量管出水滿足工程河段所需的最小生態(tài)流量，生態(tài)流量管管徑一般按照水庫死水位進行設計。目前這4種河流生態(tài)流量下泄方式，從理論上說，技術成熟可靠，均可實現(xiàn)生態(tài)流量足額下泄。但在實際操作中，由于水庫水位是動態(tài)變化的，而生態(tài)流量控制閥是機械式非自動的，就存在高水位時，下放的生態(tài)流量滿足生態(tài)需水要求，此時的閘閥開度在水庫水位運行至低水位時下泄水量就不能滿足要求的情況。但如果以水庫死水位時的壓力設置閘閥開度，那么當入庫水量小于工程河段生態(tài)需水量時，或水位高于水庫死水位時(水庫水位多數(shù)時段是高于死水位運行的)，就會影響水庫正常蓄水，從而影響水庫工程應有功能的發(fā)揮。

(2) 運營單位追求顯性效益最大化，導致生態(tài)流量下泄不足或關閘不泄的現(xiàn)象常有發(fā)生。水利工程建設是為了發(fā)揮社會效益和經(jīng)濟效益，如在居民飲水、農田灌溉用水等供給方面產生顯性社會經(jīng)濟效益，是運營單位主動需求，而河流生態(tài)流量下泄產生的生態(tài)效益是隱性效益，是被動需求，因此生態(tài)流量的時時足量下泄與水庫興利的社會經(jīng)濟效益就存在矛盾。在生態(tài)流量下泄的4種方式中，第4種方式相對較為可靠，因為下泄生態(tài)流量用于發(fā)電可以帶來顯性經(jīng)濟效益，可一舉兩得，而前3種方式下泄的生態(tài)流量全為隱性的生態(tài)效益，是運營單位的被動需求，在目前生態(tài)流量下泄監(jiān)管機制不健全的今天，下泄不足或關閘不泄的現(xiàn)象常有發(fā)生。

(3) 由于非人性化機械式閘閥設計，導致生態(tài)流量實時足額下泄事實上就難以保證。另外，前3種下泄方式生態(tài)流量下泄不足還存在一個非主觀原因，就是水庫水位是動態(tài)變化的，而生態(tài)流量管閘閥是機械式非自動的，如欲確保生態(tài)流量足額下泄，勢必需要實時調整流量閘閥開度，這明顯增加了人力物力的投入，而生態(tài)效益又是隱形的，是被動需求的，那么長期如此頻繁開關的操作模式，運營單位難免有“偷懶”的行為，生態(tài)流量時時足額下泄事實上就難以保證，也就是說，從保證生態(tài)流量足額下泄的方面來看，除了流量監(jiān)控管理方面有待進一步完善外，目前的中小型水庫工程還存在工程設計缺陷的一面。

4 保障生態(tài)流量下泄的對策舉措

4.1 加強恒流量自動控制閥在水利工程中的應用研究與應用

加強恒流量自動控制閥在中小型水利工程運行期生態(tài)流量下泄方面的研究與應用，實現(xiàn)閘閥隨水庫水位變化而自動控制生態(tài)流量恒定下泄，取消機械式非自動控制閥，可為人性化管理生態(tài)流量下泄提供技術保障。

4.2 推動智慧水利平臺建設

為了便于下泄生態(tài)流量的智能化管理，在生態(tài)流量采用合理方法計算確定后，充分運用移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、監(jiān)測感知、智能識別、云計算等先進技術，根據(jù)水庫水位數(shù)據(jù)計算生態(tài)流量管高程處的壓力自動調整生態(tài)流量管控制閘閥開度，確保生態(tài)流量時時足額下泄。

4.3 加強水庫調度運行管理

生態(tài)用水調度應納入水庫工程運行調度規(guī)程[29]，確保生態(tài)流量實時能足額下放。

4.4 對已建工程，在水利工程壩下安裝實時在線監(jiān)測和視頻監(jiān)控系統(tǒng)

在水庫工程投入運行前，壩下應建設完成生態(tài)流量實時監(jiān)測系統(tǒng)，并與相關監(jiān)管部門聯(lián)網(wǎng)，實時了解運行期壩址下游河道的流量情況，當下泄流量低于生態(tài)流量設計要求的最低流量時，及時報警。監(jiān)控系統(tǒng)應具有數(shù)據(jù)遠程傳輸和監(jiān)控的功能，將實時流量數(shù)據(jù)傳輸至集控中心，并結合管理需要將數(shù)據(jù)同時傳輸至環(huán)境保護行政部門和水行政主管部門的有關監(jiān)控平臺[18]，以此對水利工程的生態(tài)流量下泄情況實施遠程自動監(jiān)控[30]，對暫時還不能實時監(jiān)測或視頻監(jiān)視的，運營單位應當保存生態(tài)流量連續(xù)泄放的圖片、視頻或監(jiān)測數(shù)據(jù)備查，并定期報送至縣級水行政主管部門和生態(tài)環(huán)境主管部門[31]。

4.5 進一步推進納入河流生態(tài)流量保障目標的河流，提升河流生態(tài)流量監(jiān)管能力和水平

2019年底，貴州省完成全省50 km2以上河流的行政控制斷面、重要生態(tài)敏感區(qū)斷面、小(二)型以上水庫等4 978個斷面生態(tài)流量目標核定，2020年制定出臺了全省重點河湖生態(tài)流量確定和保障實施工作方案，確定了43條省級重點河流，明確生態(tài)流量目標確定的責任單位和完成時間[32]?！顿F州省水利建設生態(tài)建設石漠化建設綜合規(guī)劃》(2010年)提出的水利工程規(guī)劃涉及400余條河流，相對于這些河流來說，目前只是大約10%的河流納入了生態(tài)流量監(jiān)管。應進一步加大河流生態(tài)流量監(jiān)管的覆蓋面，提升河流生態(tài)流量監(jiān)管能力和水平，促進全省河流生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)健發(fā)展。

5 結 語

河流生態(tài)流量是否足額下泄，關系到河流生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)的持續(xù)、穩(wěn)定、健康發(fā)展，尤其是水生生物的正常生存與繁衍。本文通過分析現(xiàn)階段水利工程生態(tài)流量下泄方式的可靠性，認為水利工程采取“發(fā)電機組+生態(tài)流量管”的方式下泄生態(tài)流量最為可靠，但基于河流自身來水量及工程規(guī)模的原因，僅適用于大中型水利工程。從河流水資源開發(fā)水利工程的數(shù)量上來說，眾多的還是中小型規(guī)模水利工程，涉及河流多，范圍廣，如果生態(tài)流量不能足額下泄，甚至關閘不泄，固然對河流生態(tài)系統(tǒng)影響最大，故關注中小型水利工程的生態(tài)流量是否足額下泄尤為重要。目前頒布的《中華人民共和國長江保護法》[29](2020年)、《水利部關于做好河湖生態(tài)流量確定和保障工作的指導意見》[18](水資管〔2020〕67號)，以及《貴州水資源保護條例》[21](2021年)等等，都強調了生態(tài)流量的足額下泄，讓有關行政主管部門對水利工程生態(tài)流量下泄的加強管理有法可依，但工程設計上存在的設計缺陷應盡早完善解決，同時推動智慧水利平臺建設，生態(tài)流量的足額時時下泄才更加得以保障。為了實現(xiàn)中小型水利工程運行期能實時足額下泄生態(tài)流量，且方便管理，恒流量自動控制閥在水利工程中的應用與研究是未來發(fā)展方向，完善管理部門的監(jiān)控平臺和工程河段在線監(jiān)測和視頻監(jiān)控系統(tǒng)、加強水庫運行管理等方面是重要管理手段，再以有關生態(tài)流量下泄的現(xiàn)行法律法規(guī)為抓手，可保障水利工程河段生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定健康發(fā)展，維持河流生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)，從而實現(xiàn)河流水資源開發(fā)與環(huán)境保護的協(xié)調發(fā)展。