淳化縣茨坪水電站生態(tài)流量計(jì)算分析

夏煥清,馬 康,霍秀秀

(咸陽(yáng)水文水資源勘測(cè)中心,陜西 咸陽(yáng) 712000)

1 概況

1.1 茨坪水電站概況

淳化縣茨坪水電站位于陜西省淳化縣馬家鎮(zhèn)涇河干流上,是流域內(nèi)進(jìn)行重點(diǎn)梯級(jí)開(kāi)發(fā)的地段,茨坪水電站亦為其中的一個(gè)梯級(jí),也是涇河?xùn)|莊水庫(kù)上游小水電規(guī)劃中梯級(jí)開(kāi)發(fā)的最后一級(jí)水電站。電站為徑流式引水電站,電站用水靠天然徑流,以涇河地表水作為取水水源,屬河道內(nèi)取用水。隨著水資源開(kāi)發(fā)利用程度的增加,需要以改善水環(huán)境為核心,重點(diǎn)解決河道與水電生態(tài)流量泄放的問(wèn)題。

1.2 控制斷面的選取

經(jīng)過(guò)調(diào)研和分析,茨坪水電站為徑流式引水電站,電站利用攔河壩抬高上游河床水位,通過(guò)引水渠、輸水隧洞、壓力前池和壓力鋼管引水發(fā)電,故選擇茨坪電站攔河壩為生態(tài)流量控制斷面,坐標(biāo):東經(jīng)108°27′00″,北緯34°47′42.66″。該控制斷面避開(kāi)死水區(qū)、回水區(qū),且該處河床穩(wěn)定、河段順直、水流平穩(wěn),在充分考慮交通狀況、經(jīng)濟(jì)條件和實(shí)施安全的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)考慮水文資料是否容易獲取,確保后期生態(tài)流量監(jiān)測(cè)的可行性和準(zhǔn)確性。

1.3 區(qū)域概況及水資源開(kāi)發(fā)利用概況

根據(jù)《2020年陜西省水資源公報(bào)》,咸陽(yáng)市水資源總量8.43億 m3,地表水資源總量4.68億 m3,地下水水資源量6.70億 m3,重復(fù)計(jì)算量為2.95億 m3。咸陽(yáng)市年平均降水量574.0 mm,低于全省年平均656.2 mm的水平。

區(qū)域內(nèi)河流眾多,但水力資源蘊(yùn)藏量有限,唯涇河早飯頭—張家山峽谷,落差大,水流急,曲流深切,常流量足,水能資源十分豐富,具有相當(dāng)大的開(kāi)發(fā)價(jià)值,其河段區(qū)間內(nèi)開(kāi)發(fā)有多個(gè)小水電站,而茨坪電站則是位于涇河早飯頭—張家山峽谷段。

根據(jù)調(diào)查,陜西省涇河流域已建防洪工程共15 429 m,河道整治工程19處,其中丁壩41座、磨盤(pán)壩35座、順壩長(zhǎng)260 m、導(dǎo)流堤3處,長(zhǎng)1 884 m,工程主要分布于長(zhǎng)武、彬縣及涇陽(yáng)境內(nèi)。陜西省涇河流域已建成水庫(kù)40座,總庫(kù)容1.67億 m3,現(xiàn)狀供水能力0.72億 m3;引水工程140座,現(xiàn)狀供水能力2.75億 m3;提水工程831座,現(xiàn)狀供水能力0.45億 m3。集雨工程5 211座,年利用量37.66萬(wàn) m3。

2 電站來(lái)水量分析

2.1 依據(jù)的資料與方法

淳化縣茨坪水電站工程位于淳化縣邊界涇河淳化縣一側(cè),控制斷面選擇在茨坪水電站攔河壩位置。取水位置距涇河張家山水文站測(cè)驗(yàn)斷面較近,故采用該站資料進(jìn)行水量分析計(jì)算。

2.1.1 參證站的基本情況

張家山水文站為涇河下游干流控制站,系一類精度水文站,國(guó)家重要站,中央報(bào)汛站。上游建有景村水文站,下游建有桃園(二)站。1922年為修建引涇工程,民國(guó)陜西渭北水利工程局在涇陽(yáng)縣張家山設(shè)立二龍王廟站進(jìn)行涇河水位、流量、含沙量測(cè)驗(yàn),1925年停測(cè)。1930年10月涇惠渠施工建設(shè),改在張家山水磨橋恢復(fù)水文測(cè)驗(yàn),自1932年1月起有連續(xù)水文記載,黃河水利委員會(huì)根據(jù)資料定1932年1月為張家山水文站建站日期,資料名稱為張家山(一)。1952年6月測(cè)驗(yàn)斷面下遷2 700 m,資料名稱為張家山(二),站址位于涇陽(yáng)縣王橋鎮(zhèn)岳家坡村趙家溝,東經(jīng)108°36′,北緯34°38′。集水面積43 216 km2,控制河長(zhǎng)397 km,河流平均比降2.78‰,距河口里程58 km。

測(cè)驗(yàn)河段比較順直。砂卵石河床,兩岸為沙質(zhì)土壤,窄深河槽,沖淤變化不大?；舅邤嗝嫔?、下游約300 m均有彎道?；舅呱嫌渭s4 km有涇惠渠大壩,最大引水量52 m3/s,閘門(mén)啟閉影響河道水位。涇惠渠斷面位于進(jìn)水口下游1 250 m,野狐橋下游40 m處,順直無(wú)沖淤變化。進(jìn)水口下游30 m處有一退水閘,2 km處有3號(hào)退水閘,均在基本水尺斷面以上匯入河道。測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有水位、流量、泥沙、水溫、降水、蒸發(fā)、墑情。

2.1.2 “三性分析”

1)可靠性分析

張家山站資料實(shí)測(cè)序列完整,數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)在站整編,分局初審、省局復(fù)審、流域機(jī)關(guān)匯審和全國(guó)終審,最終形成水文年鑒整編成果,資料質(zhì)量可靠。

2)一致性分析

資料一致性是指一個(gè)系列不同時(shí)期的資料成因應(yīng)相同。水文頻率計(jì)算洪水資料必須具有一致性,也就是各年洪水的流域產(chǎn)流、匯流條件應(yīng)保持基本相同。當(dāng)流域內(nèi)修建水庫(kù)、跨流域引水、分洪等工程及水文站遷移都會(huì)影響洪水資料的一致性。

20世紀(jì)80年代以來(lái),涇河流域由于人類活動(dòng)改變了流域下墊面條件,導(dǎo)致入滲、徑流、蒸發(fā)等水平衡要素發(fā)生一定的變化,從而造成涇河徑流的減少。下墊面變化對(duì)產(chǎn)流的影響非常復(fù)雜,如水土保持生態(tài)建設(shè),改變了當(dāng)?shù)氐南聣|面條件,造成同等降水條件下產(chǎn)流量有所減少;地下水開(kāi)采量增加,改變了地表水和地下水之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系;大量水利工程的建設(shè),增加了水面蒸發(fā)損失量等。人類活動(dòng)影響了水文系列的一致性,必須進(jìn)行系列一致性處理?！饵S河流域水資源綜合規(guī)劃》中,對(duì)1956年～2000年的河川徑流系列進(jìn)行了還原計(jì)算和一致性處理。針對(duì)涇河實(shí)際情況,天然徑流量系列一致性處理主要采用《黃河流域(片)水資源綜合規(guī)劃技術(shù)細(xì)則》中提出的降水徑流關(guān)系方法,結(jié)合水土保持建設(shè)、地下水開(kāi)采對(duì)地表水影響、水利工程建設(shè)引起的水面蒸發(fā)附加損失等因素成因分析方法,綜合進(jìn)行分析計(jì)算。

水土保持影響量主要修正1956-1969年時(shí)段,地下水開(kāi)采影響量主要修正1956-1989年時(shí)段,水利工程影響量修正水利工程投入運(yùn)用以前時(shí)段。

張家山水文站-致性處理前后的天然徑流見(jiàn)表1,一致性處理前后天然徑流量多年平均情況下的年內(nèi)分配過(guò)程見(jiàn)表2。

表1 張家山站一致性處理前后天然徑流量 億 m3

表2 張家山站一致性處理前后天然徑流量年內(nèi)分配 億 m3

3)代表性分析

(1)徑流系列

從張家山站1932-2010年系列系列天然徑流過(guò)程線(見(jiàn)圖1)及1932-2010年系列的5年滑動(dòng)平均過(guò)程線擬合分析(見(jiàn)圖2),張家山站天然徑流量具有弱的遞減趨勢(shì)性特征。

圖1 張家山站1932-2010年系列天然徑流過(guò)程線

圖2 張家山站1932-2010年5a滑動(dòng)平均過(guò)程線

圖3和圖4分別給出了張家山水文站1932-2010年系列和1956-2000年系列模比系數(shù)差積曲線,可以看出,涇河1932-2010年間,1944-1949年,處于連續(xù)偏豐水時(shí)段;1950-1957年,處于連續(xù)平偏枯水時(shí)段;1963-1969年,處于連續(xù)偏豐水時(shí)段;1985-2002年處于連續(xù)偏枯時(shí)段,在2003年出現(xiàn)一次豐水年份,2004-2010年為連續(xù)偏枯時(shí)段。比較圖3與圖4,可見(jiàn)長(zhǎng)短系列的累積模比系數(shù)具有較強(qiáng)的一致性,短系列中具有長(zhǎng)系列中的豐、枯水年份及連續(xù)豐水和枯水的時(shí)段,1956-2000年系列具有一定的代表性。

圖3 張家山站79年徑流系列模比系數(shù)差積曲線

圖4 張家山站45年徑流系列模比系數(shù)差積曲線

(2)兩系列均值與變差系數(shù)比較

表3為涇河張家山水文站1932-2010年不同系列均值與變差系數(shù)Cv值的比較情況?？梢钥闯?1956-2000年系列多年平均徑流量比1932-2010年系列多0.53億 m3,僅占1932-2010年系列徑流量的2.9%,長(zhǎng)短系列的Cv值基本一致。通過(guò)兩系列均值與Cv值對(duì)比結(jié)果,說(shuō)明1956-2000年系列具有一定的代表性。1956-2000年和1932-2010年年徑流量頻率曲線分別見(jiàn)圖5和圖6。

圖6 張家山站79年天然徑流量頻率曲線

圖7 張家山站最枯月平均流量P-Ⅲ曲線圖

表3 張家山站不同系列均值與Cv值比較

鑒于1956-2000年系列張家山站天然徑流量與1932-2010年系列成果比較接近,而且1956-2000年系列進(jìn)行了一致性處理;另考慮到黃河水資源配置和可供水量的確定是以1956-2000年45年系列成果為依據(jù)進(jìn)行分析的,而且1956-2000年系列已經(jīng)通過(guò)了水利部的認(rèn)定,故選用徑流系列采用1956-2000年45 a系列是合適的。即根據(jù)還原后的成果,張家山站的多年天然河川徑流量為18.49億 m3,還原后的徑流系列為天然徑流系列。

2.2 電站來(lái)水量計(jì)算

控制斷面年徑流采用水文比擬法進(jìn)行計(jì)算,依據(jù)張家山站徑流量按下式進(jìn)行比擬計(jì)算。

W設(shè)=F設(shè)/F參×w參×P設(shè)/P參

(1)

式中:W設(shè)為設(shè)計(jì)流域年徑流量,m3;F設(shè)為設(shè)計(jì)流域流域面積,km2;F參為參證站流域面積,km2;W參為參證站站年徑流量,m3;P設(shè)為設(shè)計(jì)流域年降水量,mm;P參為參證站年降水量,mm。

依據(jù)張家山站的天然徑流量系列資料,通過(guò)P-Ⅲ頻率曲線,計(jì)算不同頻率的年徑流量成果。茨坪水電站壩址以上流域面積為42 110 km2,張家山站控制斷面以上流域面積40 281 km2,與茨坪電站壩址以上流域面積分別相差2.56%,流域面雨量近似相等,經(jīng)計(jì)算茨坪水電站處多年平均徑流量為18.02億 m3。

3 電站生態(tài)流量計(jì)算

3.1 Tennant法

利用還原后的張家山站天然徑流量數(shù)據(jù),利用徑流量計(jì)算公式:W=Q·T推求出張家山站的多年平均流量分別為58.6 m3/s。

3.2 不同頻率最枯月平均值法(QP法)

從收集到的張家山站逐年平均流量資料中挑選出最枯月平均流量資料和最枯日平均流量資料,并繪制最枯月平均流量資料和最枯日平均流量頻率曲線。根據(jù)頻率曲線,計(jì)算出張家山站的90%保證率的最枯月平均流量分別為9.54 m3/s;張家山站的90%保證率的最枯日平均流量分別為2.61 m3/s。

3.3 近10a最枯月平均流量法

選用張家山站2012-2021年共計(jì)10 a最枯月平均流量系列資料,計(jì)算得出張家山站近10 a最枯月平均流量分別為18.3 m3/s。

3.4 不同方法的生態(tài)流量小結(jié)

由控制斷面多年平均徑流量與張家山多年平均徑流量的比值K張=0.974,乘以張家山站逐年、逐月、逐日徑流量,即為控制斷面相應(yīng)的年、月、日徑流量。

3.5 生態(tài)流量確定

(1)近10 a最枯月平均流量法適用于缺乏長(zhǎng)系列資料的情況,本次計(jì)算使用的張家山水文資料有長(zhǎng)系列(n>30 a)資料(1956-2000年),且該方法使用資料系列較短,受短期內(nèi)豐枯變化影響較大,故本次生態(tài)流量確定首先排除代表性較差的近10年最枯月平均流量法。

(2)Tennant法均適用于有長(zhǎng)系列水文資料的計(jì)算,也適用于北方常年性河流;該方法作為經(jīng)驗(yàn)公式,主要適用于北溫帶較大的、常年性河流,作為河流規(guī)劃目標(biāo)管理、戰(zhàn)略性管理方法,在我國(guó)南方水量較大的常年性河流的生態(tài)流量計(jì)算中應(yīng)用較多。綜合考慮涇河季節(jié)性河流的特點(diǎn),枯水季時(shí)水量較小,該方法不適合干旱地區(qū)季節(jié)性河流;又由于它沒(méi)有考慮河流的幾何形態(tài)對(duì)流量的影響,也未考慮到流量變化大等河流特性,故本次Tennant法計(jì)算成果不予采用。

(3)不同頻率最枯月平均值法(QP法),本次計(jì)算分別選取了90%保證率最枯月平均流量和90%保證率最枯日平均流量。其中采用90%保證率最枯月平均流量計(jì)算的茨坪水電站生態(tài)流量為9.29 m3/s,考慮到茨坪水電站的經(jīng)濟(jì)效益和下游減水河段生態(tài)環(huán)境需水量不大,該方法不予采納。

為確保涇河生態(tài)環(huán)境的持續(xù)發(fā)展,結(jié)合控制斷面徑流特征、生態(tài)狀況及區(qū)域內(nèi)水資源特點(diǎn)和開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀,本次計(jì)算成果采用90%保證率最枯日平均流量作為茨坪電站的生態(tài)流量,即2.61 m3/s。

4 結(jié)語(yǔ)

4.1 結(jié)論

本次分析在收集茨坪水電站竣工驗(yàn)收設(shè)計(jì)工作報(bào)告資料和張家山站的實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,對(duì)茨坪水電站開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,實(shí)地了解電站生態(tài)流量泄放、下游河道減水情況,然后采用張家山站實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)資料對(duì)小水電站開(kāi)展生態(tài)流量計(jì)算分析,得到茨坪水電站攔河壩控制斷面的生態(tài)流量為2.61 m3/s。

4.2 建議

(1)加強(qiáng)涇河流域內(nèi)梯級(jí)水庫(kù)水電站(群)統(tǒng)一運(yùn)行調(diào)度,建立水庫(kù)水電站群、水庫(kù)水電站生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制及利益均衡策略,解決水資源開(kāi)發(fā)利用多主體投入產(chǎn)出關(guān)系、上下游生態(tài)環(huán)境用水與經(jīng)濟(jì)用水、社會(huì)公平等之間日益突出的矛盾。

(2)加強(qiáng)河流生態(tài)功能區(qū)劃規(guī)劃與監(jiān)管,設(shè)計(jì)劃定河流生態(tài)基流關(guān)鍵控制斷面及其閾值管理目標(biāo),強(qiáng)化河流開(kāi)發(fā)利用中的景觀文化多樣性規(guī)劃設(shè)計(jì),促進(jìn)山川秀美之目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

(3)加強(qiáng)河流濕地生態(tài)區(qū)保護(hù),強(qiáng)化水庫(kù)水電站生態(tài)功能設(shè)計(jì)與調(diào)度研究,設(shè)立水庫(kù)水電站下游河道河岸線控制管理“紅線”,并根據(jù)水生生物的生活繁衍習(xí)性,通過(guò)人造洪峰調(diào)度方式對(duì)河道下游水生生物及魚(yú)類資源進(jìn)行保護(hù),實(shí)施水庫(kù)生態(tài)調(diào)度,保障水庫(kù)水電站下游泄洪安全、居民取用水安全與生態(tài)景觀安全。

(4)加快建設(shè)過(guò)魚(yú)設(shè)施、魚(yú)類增殖放流站、棲息地保護(hù)等措施,保護(hù)河段魚(yú)類資源和洄游通道。

(5)督促要求小水電站選擇合適的生態(tài)流量監(jiān)測(cè)點(diǎn),充分利用已經(jīng)安裝監(jiān)測(cè)設(shè)施,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè),同時(shí)借助咸陽(yáng)市小水電生態(tài)流量監(jiān)管信息平臺(tái),實(shí)時(shí)在線查看站點(diǎn)監(jiān)測(cè)信息并向上級(jí)監(jiān)管部門(mén)開(kāi)放相關(guān)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。