江西省農村水電生態(tài)流量監(jiān)測與修復探討

鄧 升，溫毓繁，郭慶冰，彭 遙，曹騰飛

（江西省水利科學院，江西 南昌，330029）

0 引言

黨的十八大以來，黨中央、國務院高度重視生態(tài)文明建設，先后出臺了系列重大決策部署，對生態(tài)文明建設和生態(tài)環(huán)境保護提出一系列的新思想、新論斷和新要求[1]。習近平總書記指出，生態(tài)文明建設是關系中華民族永續(xù)發(fā)展的根本大計，堅持人與自然和諧共生，用最嚴格制度、最嚴密法治保護生態(tài)環(huán)境，加快制度創(chuàng)新，強化制度執(zhí)行，讓制度成為剛性約束和不可觸碰的高壓線[2]。

河湖水域是水生態(tài)系統(tǒng)主要部分，建設“美麗中國”主陣地，水電站是河湖水域的重要節(jié)點，維護河流健康關鍵所在。生態(tài)水電建設有助于推動綠色發(fā)展和生態(tài)文明建設，是滿足人民對美好生活向往的有效舉措[3-5]。農村水電重心由量的擴張轉向質的提升，水電開發(fā)建設和管理應統(tǒng)籌人與自然和諧發(fā)展，把水電開發(fā)與水資源利用、生態(tài)工程建設等有機結合，促進區(qū)域經濟社會可持續(xù)發(fā)展[6]。

近年來，國內外專家多方面探索水電生態(tài)修復研究，出臺了適應各自國家的生態(tài)修復辦法或條例[7]。21世紀初，法國頒布了《水法》，水資源實行統(tǒng)一管理，確定了最小生態(tài)流量優(yōu)先地位；美國部分州制定并頒布了水資源管理條例，規(guī)范了用水管理，提高用水效率；加拿大20世紀先后出臺了《水法》《環(huán)境法》《聯(lián)邦水事政策》及《環(huán)境保護法》等生態(tài)流量相關法律與政策[8]。

為保障河湖生態(tài)用水，推進小水電綠色發(fā)展，在長江經濟帶清理整改工作推進進程中[9，10]，各省相繼出臺不同政策，2017年貴州省實施《貴州省水資源保護條例》，要求制定水量調度方案以保障生態(tài)流量[11]，2013年福建省出臺《關于強化水電站最小生態(tài)下泄流量執(zhí)法監(jiān)管的通知》，明確電站最小生態(tài)下泄流量標準[12]，2010年廣東省發(fā)布《廣東省小水電管理辦法》，要求加強對生態(tài)流量泄放的監(jiān)管[13]，江西省于2019年出臺了《江西省小水電清理整改工作實施方案》，將小水電生態(tài)修復工作作為重要任務，結合江西省小水電開發(fā)方式與利用現(xiàn)狀特點，對小水電生態(tài)修復模式開展基礎研究。

江西省水系發(fā)達，蘊藏著豐富的水能資源。過去幾十年，始終響應黨和政府號召，大力發(fā)展水能資源，至2018年底，裝機5萬kW以下的小水電站共3 868座。江西省經小水電清理整改，現(xiàn)有4 122座小水電站，裝機總量達364.5萬kW，多年來，開展了農村電氣化縣級增效擴容等項目建設，為地方發(fā)展提供了能源支撐。隨著小水電綠色轉型發(fā)展，開展生態(tài)流量監(jiān)測與修復相關研究，對指導我省小水電生態(tài)修復具有積極的指導意義。

1 生態(tài)流量核定與泄放

1.1 核定方法

生態(tài)流量核定可采用不同頻率最枯月平均值法（QP法）、流量歷時曲線法、蒙大拿法（Tennant法）、濕周法等方法。結合江西實際，經多方咨詢與調研，采取蒙大拿法進行生態(tài)流量核定，生態(tài)流量不低于河道多年平均流量10%。

蒙大拿法是根據(jù)觀測資料建立的流量和棲息地質量間的經驗關系。僅利用歷史流量資料，根據(jù)設定的不同標準按比例縮小河流的寬度、深度和流速，計算得到的平均流量作為對應設定標準的流量估計值，即生態(tài)需水量。此方法操作簡單、方便，便于將結果與水資源規(guī)劃相結合，具有宏觀指導意義，可以在生態(tài)資料缺乏的地區(qū)使用。

1.2 生態(tài)流量泄放原則

（1）農村水電站按照“電調服從水調”原則進行水量生態(tài)調度。

（2）當壩址天然來水量不超過核定生態(tài)流量時，按天然來水量泄放。

（3）無特殊情況，生態(tài)流量泄放不可間斷。防汛抗旱、應急調度、無脫水段河道等按相關要求暫?；蚍謺r段泄放。

（4）以供水、灌溉功能為主的水庫電站的生態(tài)泄放需優(yōu)先滿足供水和灌溉需求。

（5）統(tǒng)籌調度梯級電站，優(yōu)先泄放首站生態(tài)流量。當首站流量泄放小于泄放標準時，下游泄放可根據(jù)首站泄放量和集水面積進行調整。

1.3 生態(tài)流量泄放設施類型

采取改造電站引水系統(tǒng)、泄洪閘、大壩放空設施、沖砂設施、增設專用設施或生態(tài)機組等措施，確保小水電站穩(wěn)定足額下泄生態(tài)流量[14]。泄放設施主要有：

（1）生態(tài)泄流孔（槽）：生態(tài)泄流孔（槽）是設置在壩身或兩岸等適宜部位且滿足下游河道生態(tài)流量泄放要求的無節(jié)制過流通道。

（2）生態(tài)泄流閥（閘）：安裝在泄流孔、洞、管道（槽）上，并設置閥（閘）門最小開度限位，通過調節(jié)開度，控制下泄流量不小于下游生態(tài)流量的泄流設施。

（3）生態(tài)虹吸管：利用虹吸原理將壩（閘）上游側水體引流至下游側，泄流能力不小于下游生態(tài)流量的泄流設施。

（4）生態(tài)機組：泄放生態(tài)流量為目的，在現(xiàn)有設施無法保障生態(tài)流量時段，連續(xù)運行的小型發(fā)電機組。

（5）生態(tài)魚道：承擔過魚任務并兼顧生態(tài)流量泄放的過魚道。

各泄放設施的適用條件如表1所示。

表1 泄放設施及適用條件

2 生態(tài)流量監(jiān)測

2.1 監(jiān)測斷面

在線監(jiān)測生態(tài)流量，能夠合理安排閘壩下泄水量和泄流時段，維持生態(tài)用水需求，有效保護河流生態(tài)環(huán)境[15]。斷面應設置在發(fā)電廠房尾水下游和水庫大壩下游，且滿足下列條件，保證測流的精確性。

（1）渠段應平直，水流要均勻；

（2）測流渠段的縱橫斷面應比較規(guī)則、穩(wěn)定；

（3）斷面應垂直于水流方向，附近無阻水建筑物；

（4）襯砌整治不規(guī)則渠道，使測流斷面標準化。

2.2 監(jiān)測設備運行環(huán)境

監(jiān)測設備布置分散，采用分布式結構進行總體設計。各監(jiān)測傳感器與RTU連接，以GPRS/4G網(wǎng)路方式與縣監(jiān)測中心站主機相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在線傳輸與監(jiān)控。監(jiān)測系統(tǒng)結構如圖1所示。

監(jiān)測系統(tǒng)主要由現(xiàn)場設備、網(wǎng)絡平臺、服務器、監(jiān)測平臺等組成?，F(xiàn)場設備包括流量計、水位計、工業(yè)照相機、遙測終端箱、太陽能供電系統(tǒng)、立桿及支架等；網(wǎng)絡平臺采用無線傳輸；監(jiān)測平臺為純B/S架構，支持固定終端網(wǎng)頁訪問。

2.3 生態(tài)流量測流方法

具有施工條件的5m及以下寬的河段或渠道，采用超聲波多普勒流量計。閘后河道無法修建規(guī)則渠道，閘前和引水渠道各安裝一套超聲波多普勒流量計，計算出泄放流量。

不具備規(guī)則渠道或者低水位等施工條件，采用雷達式流量計。利用速度面積法測流，預設各項參數(shù)，利用水位-流量關系算出過流面積S，計算公式為：

其中：V 為流速，m/s；H 為過流面積，m2；S 為瞬時流量，m3/s；

由于采用了速度面積法測流，其可以適用于任何形態(tài)的斷面。

3 河流生態(tài)修復措施

3.1 生態(tài)跌坎

以生態(tài)修復為目的，采用較大石料沿河道橫向堆積并形成跌水的壅水建筑物，坎高不宜超2m，宜布置在水流平緩、有水生生物洄游的順直河段?？稍O置多級跌坎，其分級數(shù)量、坎高和間距，根據(jù)河勢、地質、控制斷面最小水深等具體情況綜合分析。中小河流河道比降一般在3‰左右，按照生態(tài)跌坎坎高2m、遠端控制斷面最小水深0.2m估算。生態(tài)跌坎剖面圖如圖2所示。

3.2 堰壩設置

生態(tài)堰壩是以河道生態(tài)修復為目的，頂部長期過水的壅水建筑物，河床以上部分堰高不宜超過3m，宜布設在現(xiàn)狀河面寬、河床巖基埋深淺、流態(tài)平順、對區(qū)間防洪影響小河段。生態(tài)堰壩按照材料和建筑工藝，一般有干砌石堰、漿砌石堰、堆石堰幾種類型。為了節(jié)省材料，還可以構造拱形堰、石墩堰等輕型堰（見圖3）。

生態(tài)堰壩堰高采用0.8m～1.5m，堰頂高程一般按最小水深要求設置。生態(tài)堰壩沿河道橫斷面方向的布置方式，應視控制斷面最小水深、河道底坡、河道水流特性及生物習性確定，一般滿足以下要求：

①應保證靠近河岸的河道保持水流連通，水生動物可自由洄游；

②堰壩宜兩端高，中間低。汛期堰壩整體宜處于淹沒狀態(tài)，增加泄流能力，減少沖刷；枯水期堰壩中間宜形成過流槽，聯(lián)通上下游；

③壩腳應利用原河谷、漫灘的天然地貌，采用高低錯落、結構柔性較好的坡腳；

④堰壩的布置應結合生態(tài)修復工程，尊重河流天然態(tài)勢，堰高小于1m，宜采用寬頂堰或坦水堰；堰高大于2m，宜采用滾水堰或多級跌水堰，滿足魚類自由洄游。

生態(tài)堰壩宜就地取材，采用鵝卵石等天然材料構建，以大粒徑為構架，輔以小粒徑填充以獲得最佳孔隙率。石材應考慮汛期防沖要求，并輔以木樁加固。當設計流速較大，大粒徑材料獲取困難時，也可采用鉛絲石籠。

3.3 岸坡治理與河道疏浚

從生態(tài)保護角度，岸坡應在不影響河道行洪能力情況下，劃定適宜岸線、合理布置堤防。岸坡防護應兼顧防洪和生態(tài)保護，采用具有透水性和多孔特性的生態(tài)型岸坡防護材料，易于水體滲入、植物生長和魚類產卵。盡量采用緩坡形式，根據(jù)水文地貌選擇適宜護岸形式，并與周圍自然景觀保持協(xié)調。

合理河道疏浚是水資源高效利用的重要保障，是促進水資源達到防洪、航運和生態(tài)等目標的關鍵措施。定期進行清淤，有效緩解泥沙淤積，改善河道泄洪、防澇能力，淤沙可用來填堵洼地，保持水流暢通。

4 結 語

自開展農村水電增效擴容項目建設和綠色小水電創(chuàng)建等工作以來，江西省積極貫徹落實相關政策，出臺系列辦法，取得了一定的成效，有效解決了我省農村小水電遇到的部分生態(tài)環(huán)境問題。隨著綠色轉型成為大勢所趨，未來農村小水電必將步入綠色發(fā)展之路，探究綠色小水電生態(tài)修復，合理協(xié)調水能開發(fā)與生態(tài)環(huán)境的關系，促進農村水電可持續(xù)發(fā)展，并為保持長期有效運行提供重要支撐，對保障生態(tài)環(huán)境、助力鄉(xiāng)村振興等方面具有重要意義。