水量計(jì)量在水電站生態(tài)流量下泄監(jiān)管中的應(yīng)用

申慶成,游姝虹,陳慶

(1.四川省水利科學(xué)研究院,成都,610072;2.四川省河湖保護(hù)和監(jiān)管事務(wù)中心,成都,610072)

四川小水電數(shù)量較多且開發(fā)較早,修建過程受開發(fā)理念、技術(shù)條件和監(jiān)管不到位等原因制約,造成一些河流小水電過度開發(fā),對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重破壞。按照長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶小水電清理整改要求,四川近期已完成在運(yùn)行小水電的清理整改工作和生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)治理,按照水電站下泄生態(tài)流量整改要求,增設(shè)了生態(tài)流量泄放和監(jiān)控設(shè)施,實(shí)現(xiàn)了河流的聯(lián)通、生態(tài)修復(fù)。但如何構(gòu)建水電站生態(tài)流量長(zhǎng)效監(jiān)管機(jī)制,如何評(píng)估河流生態(tài)修復(fù)成果,優(yōu)化生態(tài)流量泄放過程目標(biāo)管理,實(shí)現(xiàn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展,目前沒有進(jìn)一步要求。本課題從水電站生態(tài)流量泄放量值溯源方面進(jìn)行研究,提出根據(jù)不同生態(tài)流量泄放設(shè)施技術(shù)特點(diǎn)研究布置水量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置,開展水電站生態(tài)流量在線校準(zhǔn),為水電站生態(tài)流量分類監(jiān)管提供依據(jù),為水電站生態(tài)流量泄放長(zhǎng)效監(jiān)管提供技術(shù)支撐。

1 水電站生態(tài)流量泄放要求

河湖生態(tài)流量是指為了維系河流、湖泊等水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,需要保留在河湖內(nèi)符合水質(zhì)要求的流量(水量、水位)及其過程[1]。近年來,隨著河流生態(tài)保護(hù)理論的逐步發(fā)展,生態(tài)流量計(jì)算方法不斷豐富,目前已經(jīng)提出了水文學(xué)法、水力學(xué)法、生境模擬法、整體法四大類計(jì)算方法,形成兩百多種生態(tài)流量計(jì)算方法[2]。目前,水文學(xué)法、蒙大拿法、7Q10法、90%保證率法、基本流量法等是比較具有代表性的方法,河道生態(tài)需水量的計(jì)算方法大多都只是從水文數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)出發(fā),偏重于宏觀尺度,各種方法本身都存在一定的不足之處,應(yīng)通過實(shí)地調(diào)查和試驗(yàn)相結(jié)合,逐步完善河流生態(tài)需水量計(jì)算方法的適用性分析和試驗(yàn)研究,建立適合國(guó)內(nèi)不同河流或流域的生態(tài)流量的計(jì)算方法。

四川在《關(guān)于開展全省水電站下泄生態(tài)流量問題整改工作的通知》中要求“水電站的下泄生態(tài)流量不得低于河道天然同期多年平均流量10%;國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的水電站下泄生態(tài)流量不得低于河道天然同期多年平均流量的18%,省級(jí)及以下自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的水電站下泄生態(tài)流量不得低于河道天然同期多年平均流量的15%”。整改實(shí)施以來關(guān)于水電站生態(tài)流量下泄量值多有爭(zhēng)議,目前多數(shù)水電站已經(jīng)解決放的問題,但是對(duì)于如何放、放多少,如何平衡河流下游最小需水量且不影響水利水電工程正常效益的發(fā)揮尚未解決。

2 水電站生態(tài)流量泄放和監(jiān)測(cè)方式調(diào)查

2.1 生態(tài)流量泄放方式

按照長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶小水電清理整改和四川水電站生態(tài)流量泄放整改要求,水電站生態(tài)流量泄放設(shè)施改造方案應(yīng)遵循“因地制宜、安全可靠、技術(shù)合理、經(jīng)濟(jì)適用”的原則,根據(jù)水電站工程規(guī)模和樞紐布置方式,在考慮經(jīng)濟(jì)性及安全性上選擇合理的泄放設(shè)施。本課題對(duì)四川境內(nèi)成都、綿陽(yáng)和樂山幾個(gè)水電站較多、類型較豐富地區(qū)展開了水電站生態(tài)流量下泄調(diào)查工作,收集整理了水電站經(jīng)過改造之后生態(tài)流量泄放設(shè)施現(xiàn)狀,歸類分為如下幾種:泄流閘、泄流閥、泄流管、泄流孔、虹吸管、泄流槽、溢流堰、溢流槽、生態(tài)機(jī)組等[3]。調(diào)查結(jié)果見表1。

2.2 生態(tài)流量測(cè)量方式

根據(jù)對(duì)幾個(gè)市州的水電站調(diào)研結(jié)果,完成生態(tài)流量泄放改造的水電站中80%已安裝視頻監(jiān)控、流量監(jiān)測(cè)等監(jiān)控系統(tǒng),并已將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至省級(jí)監(jiān)控平臺(tái),只有少數(shù)位置較為偏僻、通訊不暢的水電站未能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)和現(xiàn)地保存視頻流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

在已完成生態(tài)流量泄放設(shè)施改造的水電站中,流量監(jiān)測(cè)分為兩類:一類為直接通過測(cè)量獲得,主要采用明渠測(cè)流和管道測(cè)流,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)分析,由于明渠監(jiān)測(cè)斷面不規(guī)則、流速儀安裝不規(guī)范、非滿管測(cè)流、流量計(jì)安裝不規(guī)范和監(jiān)測(cè)方法不完善等原因造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際情況不符、監(jiān)測(cè)精度不高。另一類為通過流量經(jīng)驗(yàn)公式得到計(jì)算值,通過泄流孔(管)和閥泄放生態(tài)流量的電站上傳至監(jiān)控平臺(tái)的流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均為不變的計(jì)算值,但在閥門開度或管徑大小恒定不變的情況下,通過生態(tài)流量泄放設(shè)施下泄的流量大小受水頭影響是變化的,水頭越高,壓力越大,泄放量越大,反之越小;另一種情況通過生態(tài)機(jī)組或發(fā)電機(jī)組泄放生態(tài)流量因具有一定的經(jīng)濟(jì)效益,泄放量能得到較大的保證且流量計(jì)算值較為準(zhǔn)確。目前經(jīng)過生態(tài)流量下泄整改已基本解決河流減脫水河段斷流問題,河流生態(tài)環(huán)境得到了一定程度的修復(fù),受限于水電站很難提供符合測(cè)量要求的標(biāo)準(zhǔn)量水堰槽和明渠及符合要求的直管道,生態(tài)流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)性得不到保證。

3 典型泄放方式現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量校準(zhǔn)

水電工程的建設(shè)是為了發(fā)揮其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益,如在發(fā)電、飲用水源、航運(yùn)、農(nóng)田灌溉用水等供給方面產(chǎn)生顯性社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益是建設(shè)單位主動(dòng)需求,而河流生態(tài)流量下泄產(chǎn)生的生態(tài)效益是被動(dòng)需求的隱性效益[4],因此生態(tài)流量是否下泄、是否達(dá)標(biāo)下泄與水電站建設(shè)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益存在矛盾。

根據(jù)調(diào)研結(jié)果,水電站選擇閘門、堰槽和泄流孔(管)進(jìn)行泄流占設(shè)施改造90%以上,本文針對(duì)以上幾種泄流設(shè)施生態(tài)流量下泄測(cè)量和河流生態(tài)修復(fù)措施進(jìn)行了研究,提出幾種生態(tài)改造及流量測(cè)量方案,明渠堰槽測(cè)流結(jié)合生態(tài)環(huán)境用水需求、泄流孔(管)測(cè)流結(jié)合自動(dòng)調(diào)壓進(jìn)水閥、高壩及長(zhǎng)尾水電站安裝生態(tài)機(jī)組、閘門泄流應(yīng)進(jìn)行模型試驗(yàn),改造完成既可提高生態(tài)流量泄放的保證率又可精確計(jì)量生態(tài)流量,依據(jù)量化的生態(tài)流量對(duì)河流保護(hù)目標(biāo)展開調(diào)查和監(jiān)測(cè),用于確定河流生態(tài)流量對(duì)環(huán)境的影響過程,指導(dǎo)河流生態(tài)修復(fù)。

(1)明渠堰槽測(cè)流校準(zhǔn)。明渠流量計(jì)一般由量水堰槽、液位計(jì)和積算儀組成,由于明渠測(cè)流設(shè)施笨重且不方便拆卸送檢,只能開展現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。明渠堰槽泄流設(shè)施改造過程中結(jié)合沿河群眾的生產(chǎn)生活需求、美麗鄉(xiāng)村建設(shè)和當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境修復(fù)建設(shè)需求,修建標(biāo)準(zhǔn)量水堰槽并預(yù)留校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)明渠斷面,利用速度面積法對(duì)在線監(jiān)測(cè)明渠堰槽流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn),兩者的有機(jī)結(jié)合既解決了水量測(cè)量的難題,又能實(shí)現(xiàn)美麗鄉(xiāng)村建設(shè)、鄉(xiāng)村振興和共同富裕的社會(huì)責(zé)任。對(duì)于泄放生態(tài)流量之后仍不能滿足用水需求的需采取新增生態(tài)跌坎、生態(tài)堰壩等一系列水生態(tài)修復(fù)措施[5]。

(2)泄流孔(管)測(cè)流校準(zhǔn)。利用泄流孔(管)下泄生態(tài)流量,一般在符合要求的直管且滿管段安裝電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等,直接測(cè)量瞬時(shí)下泄流量。調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)采用泄流孔(管)、閥測(cè)流上傳監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)為計(jì)算理論值,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)泄水孔堵塞、水位降低導(dǎo)致泄放量減少而與實(shí)際不符的情況。泄流孔(管)改造過程中進(jìn)水口采用恒流量自動(dòng)控制閥[4],實(shí)現(xiàn)閘閥隨水庫(kù)(前池)水位變化而自動(dòng)控制生態(tài)流量恒定下泄,泄流管排入下游河道過程中預(yù)留20倍管徑的直管段用于安裝外夾式超聲波流量計(jì)對(duì)泄流孔(管)泄放流量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。

(4)閘門泄流校準(zhǔn)。目前平板閘門主要通過測(cè)量閘門前后水位及閘門開度來計(jì)算流量[7],且需根據(jù)不同流態(tài)采用不同的流量計(jì)算方法,現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)存在較大困難。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果,采用閘孔泄流多為計(jì)算理論值,壩前水位變化時(shí),泄放流量也發(fā)生變化,且閘門長(zhǎng)期小開度泄流產(chǎn)生的振動(dòng)可使構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)疲勞,可能會(huì)對(duì)壩體結(jié)構(gòu)造成一定的破壞[3]。對(duì)于閘孔泄流量復(fù)核應(yīng)進(jìn)行理論計(jì)算復(fù)核和實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)相結(jié)合,模擬現(xiàn)場(chǎng)水力學(xué)特性進(jìn)行測(cè)試研究。

4 加強(qiáng)水電站生態(tài)流量長(zhǎng)期監(jiān)管的建議

(1)水電站生態(tài)修復(fù)完成一段時(shí)間之后,應(yīng)進(jìn)一步研究適應(yīng)不同河流的生態(tài)流量泄放評(píng)價(jià)辦法,整體性判斷流域水電站生態(tài)修復(fù)的效果。干超等[8]在分析浙江地區(qū)小水電生態(tài)流量泄放的現(xiàn)狀及存在的問題后,總結(jié)提出了一種基于三類評(píng)價(jià)指標(biāo)的小水電生態(tài)流量泄放評(píng)價(jià)方法及建議,用于指導(dǎo)水電站生態(tài)流量泄放和監(jiān)管工作。

(2)加強(qiáng)水電站生態(tài)流量信息公開,調(diào)動(dòng)人民群眾參與的積極性,在水電站大壩生態(tài)流量泄放口位置設(shè)置生態(tài)流量信息、監(jiān)督主體和監(jiān)督電話公示牌,并將測(cè)量的生態(tài)流量瞬時(shí)信息在公示牌處進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,便于群眾及時(shí)發(fā)現(xiàn)水電站存在的生態(tài)流量問題,監(jiān)管部門可采取有效機(jī)制引導(dǎo)和鼓勵(lì)當(dāng)?shù)厝罕娭鲃?dòng)參與到水電站生態(tài)流量監(jiān)督過程中來。

(3)進(jìn)一步完善水電站生態(tài)流量泄放量值的計(jì)量設(shè)施改造,改造中應(yīng)按照規(guī)范設(shè)計(jì)、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)流斷面或量水堰槽,為流量計(jì)量提供工作條件。部分流經(jīng)場(chǎng)鎮(zhèn)人口密集地區(qū)的水電站,在進(jìn)行生態(tài)流量泄放設(shè)施改造時(shí)應(yīng)與生態(tài)堰壩、親水河流和生態(tài)護(hù)岸修復(fù)有機(jī)結(jié)合,開展水電工程生態(tài)化、景觀化改造,整合當(dāng)?shù)厮鷳B(tài)、水文化和休閑旅游等資源,探索創(chuàng)新發(fā)展的新趨勢(shì)、新業(yè)態(tài),打造親水型功能區(qū),助推當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展[5]。

(4)目前生態(tài)流量監(jiān)管過程中容易出現(xiàn)一刀切等極端手段,但是對(duì)于河流究竟需要多少水、河流生態(tài)保護(hù)的對(duì)象是什么、不同區(qū)域河流水文特征差異明顯[1]并沒有關(guān)注。通過在典型河流上開展生態(tài)流量在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究,進(jìn)一步提高生態(tài)流量監(jiān)測(cè)精度,完善生態(tài)流量計(jì)量測(cè)試技術(shù)及方法,對(duì)生態(tài)流量下泄評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、生態(tài)影響評(píng)估指導(dǎo)意見、魚類資源評(píng)估指導(dǎo)意見、生態(tài)補(bǔ)償電價(jià)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)和生態(tài)流量下泄設(shè)施管理開展研究,根據(jù)研究成果完善生態(tài)流量監(jiān)管相關(guān)的法律法規(guī),使得生態(tài)流量監(jiān)管做到有法可依、有的放矢。

5 結(jié)語(yǔ)

推動(dòng)水電站綠色發(fā)展,建立河流生態(tài)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng),修復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng),使水電站建設(shè)走上和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展之路。本文通過對(duì)水電站生態(tài)流量泄放設(shè)施改造情況進(jìn)行調(diào)研,歸納出4種常用的生態(tài)流量泄放設(shè)施,并根據(jù)設(shè)施的不同特點(diǎn)提出了改進(jìn)意見和現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法,使其滿足流量計(jì)量的條件,可實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)河流生態(tài)流量精確計(jì)量,監(jiān)測(cè)河流生態(tài)變化,指導(dǎo)河流生態(tài)修復(fù),實(shí)現(xiàn)對(duì)水電站生態(tài)流量的分類監(jiān)管,從而實(shí)現(xiàn)河流水資源開發(fā)與環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。