大渡河干流已建水電站生態(tài)基流目標值復核分析

陳在妮 劉宏高 黃克威 李書飛 曲田 易燃 陶江平

摘要：以大渡河干流已建水利水電工程為研究對象開展回顧性評價，為推動后續(xù)生態(tài)基流研究和水資源管理提供參考。研究采用多種水文學方法，包括Tennant 法、Texas法、Q90法、多年最小月平均流量法和NGPRP法，計算大渡河干流已建梯級水電站的生態(tài)基流目標值。根據(jù)計算結(jié)果中各控制斷面的最小值、最大值和平均值，建立生態(tài)基流目標值的參考區(qū)間，分別對應底線、優(yōu)和良好的標準線，并對大渡河干流已建梯級水電站生態(tài)基流目標進行了回顧性評價。結(jié)果表明，大多數(shù)斷面的現(xiàn)行生態(tài)基流目標值均在最大和最小參考值區(qū)間范圍，設置基本合理。針對不同歷史條件下或不同行業(yè)領域中存在的生態(tài)基流相關概念內(nèi)涵和適用邊界條件的不一致問題，以及攔河工程生態(tài)基流調(diào)度的實際問題，研究提出生態(tài)基流目標體系的雙指標控制法，并提出了大渡河干流已建梯級水電站生態(tài)基流目標建議值，建議雙江口、猴子巖、深溪溝、龔嘴、銅街子水電站的生態(tài)基流目標采用日均和瞬時雙控值，分別設為121/52、160/78、327/188、366/149和366/236 m3/s，而沙灣和安谷水電站均設為366 m3/s。

關鍵詞：生態(tài)基流；回顧性評價；雙指標控制法；大渡河

中圖分類號：TV213.4? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1674-3075（2024）01-0050-08

大渡河在我國13大水電開發(fā)基地中位列第5名（Tu et al， 2023），水電開發(fā)密度大、強度高。這里歷史上保存了豐富的生物資源和生物多樣性，流域內(nèi)國家級和地方級重點保護物種、瀕危物種和特有物種多、占比大，生態(tài)系統(tǒng)敏感脆弱。因此，在水電開發(fā)背景下解決大渡河流域生態(tài)需水問題十分具有挑戰(zhàn)性。

為解決這一問題，國內(nèi)學者進行了不少探索。Chen & Wu（2018）基于2001-2015年大渡河等多個流域的96個水電工程環(huán)境影響評價報告，對工程現(xiàn)狀、水文特征、下游魚類狀況和生態(tài)流量等內(nèi)容進行統(tǒng)計分析，建議將多年平均流量的17%作為生態(tài)流量約束紅線。邵甜等（2015）基于IFIM法對大渡河金川段棲息地二維計算發(fā)現(xiàn)隨流量增大齊口裂腹魚（Schizothorax prenanti）產(chǎn)卵場生境指標均呈先增后減的變化趨勢。洪思揚等（2018）利用棲息地指標法研究了大渡河上游足木足河、大金川、梭磨河和綽斯甲河魚類不同階段的最低流量適宜值和最小生態(tài)流量。金純等（2021）結(jié)合魚類繁殖條件需求，利用濕周法、Tennant 法、Tessman 法、逐月最小徑流法等水文水力學法研究大渡河上游生態(tài)流量。Yang等（2023b）利用改進的三維魚類生境評價模型與河流內(nèi)流量增量法（IFIM）相結(jié)合研究安順場河段流量與齊口裂腹魚生境指數(shù)曲線的關系，確定其適宜流量范圍為271.7～489.1 m3/s。Huang等（2023）通過建立多魚種綜合適宜性評價模型，并與二維水動力學模型耦合，揭示了龔嘴水電站下游隨著流量從800～2 000 m3/s變化，適宜生境斑塊面積從11 424 m2減少到1 268 m2。這些研究成果，為大渡河流域生態(tài)流量管理提供了基礎支撐。

隨著生態(tài)流量有關理論實踐研究的深入與國家重點河湖生態(tài)流量目標確定和保障實施方案的深化落實，以及已建水利水電工程生態(tài)流量先行先試方案的實施，大渡河流域的生態(tài)流量管理得到政府、企業(yè)和公眾越來越多的關注和行動支持，并進入良好的發(fā)展階段（張建永等，2023）。同時，相對成熟的生態(tài)流量目標確定方法、保障方案和相關技術標準（李志軍和汪紅，2023），為深化流域生態(tài)流量管理提供了初步依據(jù)。然而，由于歷史原因，大渡河流域各梯級在生態(tài)流量相關研究對生態(tài)基流概念的規(guī)定、目標確定的標準和方法、邊界條件設置等方面存在不一致的問題，導致部分河段生態(tài)流量研究和應用脫節(jié)，大多數(shù)生態(tài)流量管理實踐僅停留在生態(tài)基流水平。

為此，本研究將“生態(tài)基流”的定義限定于我國生態(tài)流量管理的框架范圍內(nèi)，特指維持河流、湖泊、沼澤等水生態(tài)系統(tǒng)功能不喪失所需要保留的最小流量（水量、水位和水深），是水電開發(fā)中水生態(tài)環(huán)境保護的底線要求?；谶@一內(nèi)涵，本研究以大渡河干流已建水利水電工程為研究對象，以水文站為參照，采用多種水文學方法計算生態(tài)基流，并結(jié)合現(xiàn)有相關成果開展回顧性評價，提出推薦的生態(tài)基流目標值。研究結(jié)果對保障大渡河生態(tài)流量、維護河流健康具有重要意義。

1? ?材料與方法

1.1? ?研究區(qū)域

大渡河發(fā)源于青海阿尼瑪卿山系，為岷江的最大一級支流、長江二級支流，流域地處青藏高原東南邊緣向四川盆地西部的過渡地帶，位于99°42′～103°48′E和28°15′～33°33′N，面積7.74萬km2（不含青衣江）。大渡河具有豐富的水能資源和生物資源（Wu et al，2016），干流全長1 155 km，天然落差4 175 m，平均比降約3.6‰，河口多年平均流量1 570 m3/s。干流下爾呷以下河段規(guī)劃采用28級梯級開發(fā)方案。截至2023年底，大渡河干流有14座水電站投產(chǎn)發(fā)電，6座水電站在建，其余水電站正在開展前期工作（Zhou et al，2021）。流域分布有魚類7目23科125種，其中包括國家Ⅰ級重點保護魚類1種，國家Ⅱ級重點保護魚類12種，四川省級重點保護魚類共12種。此外，還有 5 種魚類被列入中國《生物多樣性紅色名錄》的極危等級（CR），11 種魚類被列入瀕危等級（EN），43 種魚類為長江上游特有魚類。重點保護物種、瀕危物種和特有物種總計有 49 種。

選擇大渡河干流為研究區(qū)域，以干流在建的大型水電站雙江口水電站和已建的猴子巖、長河壩、黃金坪、瀘定、大崗山、龍頭石、瀑布溝、深溪溝、枕頭壩一級、沙坪二級、龔嘴、銅街子、沙灣和安谷水電站等14座大型水電站為研究對象。選擇雙江口水電站主要基于研究區(qū)域的代表性和完整性。

設置6個控制斷面作為參照，各控制斷面及參照河段分別是雙江口壩下（干流～雙江口壩下）、大金（干流～大金水文站）、瀘定二（干流～瀘定水文站）、石棉（干流～石棉水文站）、峨邊（干流～峨邊水文站）、沙灣（福祿鎮(zhèn)）（干流～沙灣（福祿鎮(zhèn)）水文站）。

1.2? ?數(shù)據(jù)資料

數(shù)據(jù)資料主要包括長江水利委員會水文局提供的水電站、水文站的設計參數(shù)，1959-2021年逐月平均流量數(shù)據(jù)，以及保證率分別為50%典型年、90%典型年和典型連續(xù)枯水3年的逐日平均流量整編數(shù)據(jù)。水文數(shù)據(jù)由長江水利委員會水文局插補、延長、還原和整編并通過可靠性、一致性和代表性審查。

研究區(qū)域主要水電站和參照水文站的基本情況見表1，其中與生態(tài)基流研究密切關系的有多年平均流量、與下游水位銜接、調(diào)節(jié)性能和開發(fā)方式。

1.3? ?研究方法

1.3.1? ?水文趨勢檢測? ?為明確水文趨勢變化及生態(tài)基流計算方法的適用性，分別采用Mann-Kendall法（MK）、Pettitt法、Buishand U test法（BUT）、Standard Normal Homogeneity Test （SNHT） 法進行水文趨勢及突變點檢測，綜合評估水文變化趨勢（Daba et al，2020）。MK法用于檢測數(shù)據(jù)中的趨勢性變化，而不假設數(shù)據(jù)的分布情況。該方法基于數(shù)據(jù)點的順序關系，通過比較數(shù)據(jù)點之間的大小關系來判斷序列中是否存在趨勢。Pettitt 能夠確定在時間序列中是否存在顯著的突變點，即數(shù)據(jù)發(fā)生突然變化的位置。該檢驗基于對時間序列的累積和或累積差異的分析，通過比較不同時間點的值來檢測是否存在明顯的結(jié)構性變化。BUT 基于序列的極值（例如最大值或最小值）來判斷是否存在結(jié)構性的改變。該測試通過計算序列中不同區(qū)間的極值，并使用非參數(shù)統(tǒng)計方法來評估這些極值是否在統(tǒng)計上顯著，從而確定序列是否存在突變。SNHT法的主要目的是確定序列中是否存在結(jié)構性的變化，如趨勢、周期性或突變。

1.3.2? ?生態(tài)基流計算? ?生態(tài)流量的評估方法有200多種，常用方法主要包括水文法、水力-棲息地法和整體法等3類（李強等，2023）。實踐中選擇一般因應用目的、尺度范圍、工作周期、成本預算、預期成果、數(shù)據(jù)支持等具體情況而定（The European Communities，2015）。本研究結(jié)合大渡河生態(tài)基流回顧性評價研究基礎和需求，為克服采用單一方法的局限性，綜合采用了Tennant 法、Texas法、Q90法、多年最小月平均流量法和NGPRP（northern great plains resource program）法（Yue et al，2018）。Tennant法也叫蒙大拿法，是最常用的生態(tài)流量計算方法之一，一般采用多年平均流量的10%～30%作為生態(tài)基流。Texas法一般取50%保證率的月平均流量的30%～40%。Q90法通過各年月平均流量最小值法選樣作頻率分析，取90%保證率設計值作為生態(tài)基流。多年最小月流量法取多年最小月平均流量值作為生態(tài)基流。NGPRP法將系列年份劃分為枯水年、平水年、豐水年，并取平水年組90%保證率月平均流量作為生態(tài)流量。

1.3.3? ?生態(tài)基流目標回顧性評價? ?收集梳理工程相關資料，包括工程項目可行性研究和初步設計、環(huán)境影響評價、水資源論證、取水許可以及工程所在河湖的江河流域水量分配方案、生態(tài)流量保障實施方案及水量調(diào)度方案等成果及其審批文件。分析其生態(tài)基流計算方法和結(jié)果合理性，并利用本研究計算結(jié)果的最大值和最小值構成參考區(qū)間，將平均值作為推薦參考值進行對比分析?；仡櫺栽u價過程中重點關注生態(tài)基流目標成果缺乏一致性和尚未確定生態(tài)基流目標的梯級水電站。

1.3.4? ?生態(tài)基流目標值確定? ?對尚未確定生態(tài)基流目標的斷面，推薦采用本研究計算結(jié)果的平均值。對已具有生態(tài)基流目標且符合計算結(jié)果區(qū)間范圍的斷面，推薦沿用現(xiàn)行目標值；對不符合的斷面，推薦采用計算結(jié)果的平均值。提出推薦值時采用以下原則：（1）注重現(xiàn)行有關成果的延續(xù)性及成果之間的一致性；（2）重點關注生態(tài)基流目標成果缺乏一致性和尚未確定生態(tài)基流目標的梯級水電站；（3）充分考慮各斷面調(diào)度運行實際，充分考慮可行性；（4）對于推薦生態(tài)基流目標值較高、調(diào)度運行實際中難以滿足或經(jīng)濟社會效益受損明顯的情況，在滿足與下游斷面水位銜接的條件下，可考慮采用“日均流量/瞬時流量”雙指標控制法，即下泄的生態(tài)基流需同時滿足日均流量目標和瞬時流量目標。

2? ?結(jié)果與分析

2.1? ?水文趨勢

通過MK、Pettitt、BUT、SNHT法進行水文趨勢及突變點檢測的結(jié)果綜合分析表明，雙江口以下15個水電站（表2）和丹巴等6個水文站（表3）1959-2021年徑流序列的變化趨勢和突變性不顯著，徑流觀測序列較接近天然來流，因而本研究擬采用的水文學方法具有適用性。

2.2? ?生態(tài)基流

基于大渡河雙江口及以下已建水電站、主要水文站1959-2021年逐月平均流量數(shù)據(jù)和Tennant 法（采用多年平均流量的10%基準）、Texas法（采用Q50值的35%基準）、Q90和多年最小月平均流量法，以及采用保證率分別為50%的典型年逐日平均流量數(shù)據(jù)和NGPRP法計算的生態(tài)基流結(jié)果如表4。其中，Tennant 法（10%）計算結(jié)果相對最低，NGPRP法相對最高，其余介于兩者之間。

2.3? ?生態(tài)基流目標回顧性評價

2.3.1? ?現(xiàn)行生態(tài)基流目標? ?對大渡河流域現(xiàn)行生態(tài)基流、生態(tài)流量、最小下泄流量等進行了梳理（表5），其生態(tài)基流目標確定主要考慮以下幾個方面：一是綜合考慮了“三生”用水需求；二是上中下游依據(jù)的主線各有側(cè)重，上游主線是保護瀕危、珍稀和特有魚類及其生境，中游主要圍繞瀘定斷面景觀用水需求，而下游考慮的焦點是航運生產(chǎn)用水；三是大多數(shù)水電站都在原計算結(jié)果的基礎上，結(jié)合機組基荷發(fā)電流量值進行了調(diào)整。

2.3.2? ?生態(tài)基流目標合理性評價? ?為了綜合處理不同方法計算結(jié)果的差異，取計算最大值、最小值和平均值設置3條參考線（圖1）。結(jié)果表明，大多數(shù)斷面的現(xiàn)行生態(tài)基流目標值均在最大和最小參考值區(qū)間范圍，目標值設置基本合理；其中瀘定以上（除猴子巖）、瀑布溝以下斷面的現(xiàn)行生態(tài)基流與計算值平均參考線吻合度較好，目標值設置合理。猴子巖和龍頭石水電站生態(tài)基流目標值分別為38.7 m3/s和50 m3/s，明顯低于最小值參考線，且與上下游不協(xié)調(diào)。由于沙灣和安谷水電站生態(tài)基流目標值為15 m3/s和150 m3/s，這僅是針對壩下短距離減水河段的目標值。實際上，發(fā)電尾水匯入后實施的最小下泄流量分別為 390 m3/s 和 400 m3/s。

2.4? ?生態(tài)基流目標值建議

基于大渡河生態(tài)基流現(xiàn)行目標值和計算值的回顧性評價分析（圖1），并綜合考慮表1中列出與下游水位銜接、調(diào)節(jié)性能和開發(fā)方式，提出如下生態(tài)基流目標值建議：各控制斷面中，石棉、瀘定（二）和沙灣（福祿鎮(zhèn)）生態(tài)基流值分別為165.4、184和366 m3/s。

雙江口及以下15個梯級電站中，雙江口水電站生態(tài)流量建議調(diào)整為121 m3/s（日均）/52 m3/s（瞬時）雙控，猴子巖水電站生態(tài)流量建議調(diào)整為160 m3/s （日均）/78 m3/s（瞬時）雙控，深溪溝水電站生態(tài)流量建議調(diào)整為327 m3/s （日均，當枕頭壩一級水電站庫水位低于619.3 m 時還應滿足瞬時188 m3/s），龔嘴水電站生態(tài)流量建議調(diào)整為366 m3/s（日均，當銅街子上游水位低于469.8 m 時還應滿足瞬時149 m3/s），銅街子水電站生態(tài)流量建議調(diào)整為366 m3/s（日均，當沙灣上游水位低于430.47 m時還應滿足瞬時236 m3/s），沙灣水電站生態(tài)流量建議調(diào)整為366 m3/s （其中壩下老河道減水河段17 m3/s），安谷水電站生態(tài)流量建議調(diào)整為366 m3/s （尾水渠出口匯合處，其中壩下按瞬時150 m3/s泄放）。其余梯級電站生態(tài)流量建議維持原成果。

圖2表明本次提出的生態(tài)基流目標建議值與計算值平均值具有很好的相關性。雖然圖中瀘定、大崗山和龍頭石等3個點略微偏離曲線，但可利用瀑布溝年調(diào)節(jié)性能得到修正。

3? ?討論

3.1? ?多種水文法的綜合應用

生態(tài)流量實踐中，由于應用目的、尺度范圍、工作周期、成本預算、預期成果、數(shù)據(jù)支持等要求不同，往往需要綜合采用多種水文法、水力-棲息地法和整體法（The European Communities，2015）。例如，在流域規(guī)劃中，或研究尺度大、工作周期短、成本預算有限、預期成果精度要求不高以及數(shù)據(jù)支持不足等情況下，一般采取水文法；否則需增加水力-棲息地法和整體法作為支撐。本研究旨在對大渡河流域的生態(tài)基流目標回顧性評價，受工作周期、成本預算和數(shù)據(jù)可獲得性等條件限制，依據(jù)這一原則選擇了水文法，但不足之處是缺乏生態(tài)學依據(jù)以及對生態(tài)與水文物理邏輯關系的認識。為此，研究綜合應用Tennant 法、Texas法、Q90法、多年最小月平均流量法和NGPRP法等，取計算最小值、最大值和平均值設置3條參考線，在實踐中一定程度上彌補了采用單一水文學方法的不足。生態(tài)基流目標值在區(qū)間范圍內(nèi)即可視為合理，在平均值參考線以上則為良好，這與Chen & Wu（2018）的結(jié)論基本一致。

3.2? ?雙指標控制法的探索

在研究大渡河各梯級水電站和水文站生態(tài)基流管理實踐時，我們發(fā)現(xiàn)不同歷史時期、不同生態(tài)保護目標要求和不同行業(yè)管理差異，導致生態(tài)基流、生態(tài)流量和最小下泄流量等概念的內(nèi)涵在學術領域甚至不同行業(yè)之間存在不一致的問題，造成研究與管理、不同行業(yè)之間存在壁壘（王中根等，2020）。例如，關于生態(tài)基流的學術術語有枯水流量、最小可接受流量、河道內(nèi)最小流量、基本生態(tài)流量、生態(tài)可接受流量和環(huán)境流量等等，其中“流量”一詞又常因研究需要被改為“需水”“用水”“水位”或“水量”。在我國生態(tài)環(huán)境管理中，生態(tài)基流、生態(tài)流量和最小下泄流量的概念均有使用，其目的通常是滿足下游生態(tài)、生活和生產(chǎn)需要；而水利管理中的生態(tài)基流則僅限于應保留在河道內(nèi)以滿足生態(tài)需水的部分。因此，如果僅采用單一瞬時流量值作為目標值，可能會影響水利水電航運等工程的預期調(diào)節(jié)性能和經(jīng)濟社會效益，甚至可能導致工程重大變更（Yang et al，2023a）。本研究提出在充分梳理有關概念及內(nèi)涵的基礎上，結(jié)合上下游梯級水位、流量銜接關系分析采用雙指標控制的方法，同時從日均流量和瞬時流量加以限制，為解決這些問題提供了新的方案。

3.3? ?存在的不足與下一步研究方向

大渡河流域生態(tài)流量管理仍面臨一些挑戰(zhàn)：一是敏感生態(tài)流量研究剛起步，需要開展大量現(xiàn)場工作、采集生物數(shù)據(jù)，并綜合利用水力-棲息地法和整體法（王浩和胡鵬，2022）；二是氣候變化和人類活動加劇了生態(tài)流量危機，特別需要重點考慮極端氣候現(xiàn)象（Zhang et al，2022）、規(guī)劃水電站陸續(xù)建設運行（Biswas，2023）和一系列大規(guī)模調(diào)水計劃的影響（Fan et al，2023）。這些重大科學問題和關鍵技術在本研究中均未得到體現(xiàn)，需要持續(xù)深入、多學科、多方法和多尺度地開展研究。

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（責任編輯? ?鄭金秀）

Assessment of Ecological Base Flow Targets for Cascaded Hydropower

Plants on Dadu River

CHEN Zai‐ni1， LIU Hong‐gao2， HUANG Ke‐wei3， LI Shu‐fei3， QU Tian1， YI Ran2， TAO Jiang‐ping2

（1. Dadu River Basin Production Command Center，CHN Energy，Chengdu? ?610041， P.R. China;

2. Key Laboratory of Ecological Impacts of Hydraulic-Projects and Restoration of Aquatic Ecosystem，

Ministry of Water Resources， Institute of Hydroecology， Ministry of Water Resources

and Chinese Academy of Sciences， Wuhan? ?430079， P.R. China;

3. Hubei Key Laboratory of Basin Water Security， Changjiang Survey， Planning，

Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan? ?430014， P.R. China）

Abstract：Ecological flow is crucial for maintaining the structure and function of aquatic ecosystems in rivers and lakes， and the ecological base flow has been recognized as the minimum required to maintain the ecological function of aquatic ecosystems. The Dadu River basin is important for both hydropower development and biodiversity conservation in China and it is therefore important to conduct regular assessments of ecological base flow targets. In this study， five methods were used to calculate target values of ecological base flow for the cascaded hydropower plants on Dadu River，including Tennant， Texas， Q90， multi-year average monthly minimum flow， and the Northern Great Plains Resource Program （NGPRP）. A reference range of ecological base flow targets was established based on the minimum， maximum and average values of each river reach， in order to meet the respective targets of bottom line， good status line and moderate status line for ecological base flow. The retrospective assessment of ecological base flow targets in Dadu River was then carried out using the three-line range system. Results show that the current ecological base flow is suitable in most control sections. Controversies about the connotations and applicable boundary conditions for ecological base flow resulting from different historical scenarios and industries make it difficult to regulate ecological base flow for hydraulic projects. We thus provide a double-indexed control method for meeting ecological base flow targets for cascaded hydropower plants on Dadu River. It is recommended that the ecological base flow targets for Shuangjiangkou， Houziyan， Shenxigou， Gongzui and Tongjiezi hydropower stations are set at daily and instantaneous dual control values of 121/52， 160/78， 327/188， 366/149 and 366/236 m3/s respectively， while Shawan and Angu? hydropower stations are both set at 366 m3/s， respectively. Our study provides an effective method for retrospective evaluation of ecological base flow targets at the watershed scale， and guidance for future ecological base flow research and management.

Key words：ecological base flow; retrospective assessment; double-indexed control method; Dadu River

收稿日期：2023-11-28

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2021YFC3200304）；水利部財政專項水資源管理項目（126202006000190003）；長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司自主創(chuàng)新項目（CX2020Z02）。

作者簡介：陳在妮，1984年生，女，碩士，高級工程師。E-mail：12036139@ceic.com

通信作者：劉宏高，1975年生，男，博士，副研究員。E-mail：155121822@qq.com