小水電下泄生態(tài)流量計(jì)算方法研究進(jìn)展

王志華，何艷虎，，劉樹鋒，關(guān) 帥

(1．廣東工業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境與資源學(xué)院，廣東 廣州 510006；2．廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635)

0 引 言

隨著人口數(shù)量持續(xù)增加，河道外的用水需求不斷加大，河流的水資源開發(fā)利用程度也越來越高，水壩、水電站、水庫等水利工程的修筑，不僅改變了河流的水力學(xué)性質(zhì)，而且影響了河流的流速和其中的水生生物。由于無法保證河流中的最小生態(tài)流量，造成水生生物多樣性的減少，威脅河流水生態(tài)安全[1]。其中，小型水電站由于數(shù)量眾多、分布廣泛成為社會(huì)焦點(diǎn)。如何實(shí)現(xiàn)小水電綠色發(fā)展，進(jìn)行生態(tài)流量的確定、泄放、監(jiān)測和調(diào)度，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

水電裝機(jī)容量是指水電站中全部水力發(fā)電機(jī)組額定功率的總和，是衡量水電站規(guī)模和電力生產(chǎn)能力的主要指標(biāo)，我國將小水電定義為裝機(jī)容量在50 000 kW及以下的小型水電站或水力發(fā)電裝置。

小水電是重要的可再生能源，是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要措施之一。自20世紀(jì)70年代以來，我國已建成小型水電站4萬余座，總裝機(jī)容量達(dá)8 000多萬kW，約占全國水電總裝機(jī)量的22%[2]。小水電的大量開發(fā)對于解決偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)的用電問題，在實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和提升農(nóng)民生活質(zhì)量方面發(fā)揮著重要作用；但隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，小水電截流蓄水發(fā)電引起的下游水資源枯竭、水質(zhì)惡化、縱向連通性喪失、生境退化和生物群落組成簡化等負(fù)面影響也逐漸顯露。

小水電大多是私營的盈利性發(fā)電站，在枯水期蓄水發(fā)電的方式會(huì)破壞河道生態(tài)，導(dǎo)致水生生物多樣性受到威脅，破壞生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在智利拉哈河和魯庫埃河的研究中發(fā)現(xiàn)[3]，引水式水電站會(huì)對魚類群落產(chǎn)生重大影響，導(dǎo)致魚類群落數(shù)量減少；類似的結(jié)論也在羅馬尼亞喀爾巴阡山脈研究中得到確認(rèn)[4]，大量建設(shè)小水電威脅河流中水生生物多樣性，特別對鱒魚和牛頭魚影響最為嚴(yán)重，棲息地僅存約38%。在濕潤多雨的區(qū)域，單座小水電站的影響并不明顯，如西班牙西北部的4座小水電站的監(jiān)測研究[5]，短期內(nèi)沒有顯著影響河流的物理和化學(xué)特性，也沒有改變底棲大型無脊椎動(dòng)物的組成。然而，多座小水電的梯級開發(fā)可能忽視大規(guī)模生態(tài)和進(jìn)化過程，河流流速降低，水質(zhì)下降，導(dǎo)致遺傳多樣性降低，適應(yīng)性減弱，增加局部滅絕的風(fēng)險(xiǎn)。

鑒于小水電的負(fù)面影響，2014年起，我國開始重視綠色水電開發(fā)，各省相繼出臺相關(guān)政策，并加強(qiáng)中小水電管理；2017年發(fā)布了《綠色小水電評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，并計(jì)劃清退和整改近2萬座小水電站，以促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)[6]。

小水電的生態(tài)環(huán)境影響主要體現(xiàn)在水文和生物多樣性兩方面，本文在綜述傳統(tǒng)生態(tài)計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，梳理了小水電下泄生態(tài)流量的計(jì)算方法研究現(xiàn)狀，并進(jìn)行了展望。

1 生態(tài)流量計(jì)算方法概述

生態(tài)需水概念最早由美國環(huán)保組織于20世紀(jì)60年代提出，指生態(tài)系統(tǒng)維持功能和生物多樣性所需的水量。英國、澳大利亞等國在80年代接受了河流生態(tài)流量概念，并廣泛研究。生態(tài)流量是在維持生態(tài)系統(tǒng)健康和生物多樣性前提下，滿足水生生物的生存、繁殖和棲息需求，維持水生生態(tài)系統(tǒng)功能的水量；減緩小水電對生態(tài)環(huán)境的影響需確保下游河道的最小生態(tài)流量，滿足水生生物的最小生態(tài)需水，保持河道生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定[7]。國際上通用的河道生態(tài)環(huán)境流量計(jì)算方法包括以下4類：水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地法和綜合法。

1.1 水文學(xué)法

水文學(xué)法是一種常用的計(jì)算河流生態(tài)流量的方法(最早于1976年由美國提出了基于歷史徑流資料的Tenant法)，是利用長期的水文數(shù)據(jù)來估算生態(tài)流量；例如，用平均流量乘以1個(gè)百分?jǐn)?shù)，或者用天然流量出現(xiàn)的概率作為保證率[8]；代表性的方法有Tennant法、7Q10法、流量歷時(shí)曲線法、Texas法和RVA法等[9]。水文學(xué)法的優(yōu)點(diǎn)在于方法簡單、適應(yīng)性強(qiáng)，可以利用已有的水文數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，不需要進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測；缺點(diǎn)在于依賴長序列水文資料，沒有考慮生物過程和需求，同時(shí)在季節(jié)性河流的計(jì)算過程中，尤其是干旱和半干旱流域，計(jì)算誤差較大。

1.2 水力學(xué)法

水力學(xué)法是基于水力學(xué)原理，針對缺乏水文數(shù)據(jù)的區(qū)域，把河流的流量變化和河道的形狀、寬度、深度等水力幾何學(xué)參數(shù)聯(lián)系起來，通過收集流量、河道斷面以及目標(biāo)物種的水力特性等資料來計(jì)算生態(tài)流量，主要包括濕周法、R2CROSS法和生態(tài)水力半徑法[10]。水力學(xué)法的優(yōu)點(diǎn)在于它能夠精確地考慮河道形態(tài)和目標(biāo)物種的需求，對于缺乏水文資料的地區(qū)有較好的適用性，從而為河流生態(tài)保護(hù)提供更為科學(xué)的依據(jù)。然而，這種方法需要大量的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，包括河道的測量以及指示物種的捕獲，這些數(shù)據(jù)的獲取可能會(huì)比較困難，適用于河寬在18～30 m的非季節(jié)性河流。

1.3 生境模擬法

通過對水力學(xué)的進(jìn)一步研究，生境模擬法(棲息地法)結(jié)合生物學(xué)原理，考慮了物種對不同生境的選擇和適應(yīng)程度，使用物種的棲息地適宜度指數(shù)來定量化目標(biāo)物種對水深、流速、底質(zhì)、覆蓋物等環(huán)境因子的敏感度，通過建立生境適宜性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，借助軟件建立水動(dòng)力數(shù)值模擬模型，模擬不同來水情況下河道內(nèi)的生境因子，計(jì)算不同模擬結(jié)果下的生境可利用面積，基于流量—生境可利用面積關(guān)系曲線確定生態(tài)流量；最代表性的方法是IFIM法[11]。生境模擬法的優(yōu)點(diǎn)是能夠考慮目標(biāo)物種的棲息地偏好，能夠預(yù)測不同流量下的棲息地質(zhì)量和數(shù)量，并能夠確定維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康所需的生態(tài)流量。但是，生境模擬法也有一些局限性，如只能針對有明確生境偏好的物種，不能反映多物種的生態(tài)需求和相互作用，需要大量的水文資料和生境數(shù)據(jù)，觀測和計(jì)算過程較為復(fù)雜和耗時(shí)，適用于小型湖泊和河流。

1.4 整體分析法

整體分析法，又稱綜合法，通過對河流生態(tài)系統(tǒng)的整體分析，確定最小生態(tài)需水量；方法包括BBM法、DRIFT法和ELOHA法。BBM法綜合考慮專家意見和生態(tài)功能，但需要實(shí)測天然日流量系列、專家意見和公眾參與，不易應(yīng)用。DRIFT法通過模擬不同物種對水文、水力、水質(zhì)等需求確定生態(tài)流量。ELOHA法基于水文資料對每條河流進(jìn)行分類，確定不同類型河流的流量—生態(tài)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)河流生態(tài)環(huán)境流量管理。整體分析法科學(xué)性強(qiáng)，但需要大量水文生態(tài)數(shù)據(jù)，研究周期長，國內(nèi)應(yīng)用較少[12]。

1.5 總結(jié)

小水電下泄的最小生態(tài)流量，是保障下游生態(tài)系統(tǒng)和水生生物的重要條件。為了消除減水段的負(fù)面影響，需要科學(xué)合理地確定生態(tài)流量。目前，4類生態(tài)流量計(jì)算方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際的應(yīng)用中，需要根據(jù)河流特點(diǎn)、物種需求和水文數(shù)據(jù)等因素，靈活選擇適合實(shí)際情況的計(jì)算方法，以促進(jìn)小水電站的可持續(xù)發(fā)展和河流生態(tài)系統(tǒng)的健康。

2 生態(tài)流量計(jì)算方法的應(yīng)用

自21世紀(jì)初以來，歐美國家的小型水力發(fā)電行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)綠色發(fā)展的新階段。通過立法、補(bǔ)貼政策以及技術(shù)創(chuàng)新等多重措施，這些國家積極推動(dòng)小水電的可持續(xù)發(fā)展[13]。此外，借助遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、數(shù)值模擬和人工智能的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)獲取、分析和處理的效率和準(zhǔn)確性也得到顯著提高；這些進(jìn)展為各地區(qū)提供了豐富的生態(tài)流量計(jì)算案例和生態(tài)流量推薦值。當(dāng)前的研究主要集中在中國和東歐等發(fā)展中國家。以東歐的立陶宛為例[14]，該國在2017年首次應(yīng)用MesoHABSIM棲息地模型，選擇鮭魚和鯉魚等保護(hù)物種，計(jì)算河流的生態(tài)流量。另外，在波蘭維斯瓦河[15]上游的水電站進(jìn)行生態(tài)評估和發(fā)電量優(yōu)化時(shí)，采用Tennant法計(jì)算得出年平均流量的25%為最佳解決方案。羅馬尼亞[16]在2020年實(shí)施了生態(tài)流量法案，但其生態(tài)流量計(jì)算仍然以水文學(xué)為基礎(chǔ)。在北瓦濟(jì)里斯坦[17]和尼泊爾[18]等地，小水電快速發(fā)展，對此進(jìn)行的研究側(cè)重于改進(jìn)現(xiàn)有方法，以此來適應(yīng)不同條件下的應(yīng)用。

傳統(tǒng)生態(tài)流量計(jì)算方法中，由于水文學(xué)法和水力學(xué)法操作簡單，應(yīng)用也最為廣泛，生境模擬法多用于河流中存在明確要求的保護(hù)物種，整體分析法由于其費(fèi)時(shí)費(fèi)力的缺點(diǎn)，應(yīng)用較少。在小水電的生態(tài)流量計(jì)算中，對于常年性的大型河流，有著完善的水文資料，適用于水文學(xué)法；而分布于偏遠(yuǎn)區(qū)域的小水電，水文資料缺乏，因此水力學(xué)法和生境模擬法在山區(qū)小水電生態(tài)流量研究較多。

2.1 水文學(xué)法

在實(shí)際應(yīng)用中，我國現(xiàn)有省管、市管及縣管河流小水電站的下泄生態(tài)流量計(jì)算一般取多年平均流量的10%和90%保證率最枯月平均流量法兩種計(jì)算方法中的大值，其余河流上的小水電站，由各地結(jié)合河道實(shí)際情況，自行選擇上述兩種方法的其中一種。因此，在進(jìn)行小水電生態(tài)流量計(jì)算時(shí)，可以根據(jù)已有水文資料進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用這兩種方法為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行參考。例如，針對云南省臨滄市南汀河大柏樹電站和鎮(zhèn)康縣鳳尾河電站，通過對上游水文站的枯期徑流資料分析[19]，在90%保證率下，用代表年法和長序列法計(jì)算引水式電站下泄生態(tài)流量，結(jié)果表明長序列法更接近天然狀態(tài)。

在無資料流域進(jìn)行小水電生態(tài)流量計(jì)算時(shí)，由于存在下泄流量，根據(jù)降雨資料推求的水文數(shù)據(jù)就失去了參考價(jià)值，在此河流上水文學(xué)法適用性降低[20]。對于分布在流量較大的常年性河流上的梯級水電站，這類河流通常水文資料比較齊全，計(jì)算生態(tài)流量時(shí)，更適用于水文學(xué)法。在東江流域梯級小水電的最小生態(tài)流量計(jì)算中[21]，采用經(jīng)驗(yàn)法和頻率法，并結(jié)合Tennant法對核算結(jié)果進(jìn)行評估，認(rèn)為經(jīng)驗(yàn)法和頻率法更適合梯級小水電的最小生態(tài)流量核算。對石窟河梯級小水電進(jìn)行最小生態(tài)流量計(jì)算時(shí)[22]，采用5種水文學(xué)方法和水力學(xué)方法進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)Texas法和Tennant法更適合該地區(qū)的情況。對比水力學(xué)方法，水文學(xué)方法更適合在河道比降較大且進(jìn)行梯級小水電開發(fā)的河流中計(jì)算最小生態(tài)流量。

在小水電綠色轉(zhuǎn)型階段，全國小水電數(shù)量龐大，生態(tài)流量的計(jì)算工作量大，使用水文學(xué)法作為生態(tài)流量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，在常年性的大型河流中，監(jiān)測設(shè)備和水文資料完善，參照Tennant法的標(biāo)準(zhǔn)，無論是工作效率，還是選擇下泄流量的靈活性，都更加適合清理整改工作的快速推進(jìn)。

2.2 水力學(xué)法

水力學(xué)法中最常用的濕周法和R2CROSS法在計(jì)算時(shí)都考慮到了河流的水力參數(shù)的影響，而R2CROSS法又需要選取河流中的水生生物作為指示物種。如使用R2CROSS法解決雅礱江錦屏二級引水式水電站下游河段減水問題時(shí)，需要根據(jù)河流的具體情況修訂水力參數(shù)，將魚類作為指示物種和保護(hù)目標(biāo)，計(jì)算出的生態(tài)流量也滿足了魚類生存的水深和水面寬度[23]。位于偏遠(yuǎn)山區(qū)的小水電站，由于河流豐枯差異大，旱季來臨時(shí)，部分水電站會(huì)選擇蓄水發(fā)電，寬且淺的河道，會(huì)導(dǎo)致河流易干涸，減脫水河段嚴(yán)重威脅水生生物。同時(shí)，山區(qū)河流缺乏長序列水文資料，惡劣的環(huán)境導(dǎo)致生境法和整體分析法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此常使用水力學(xué)法來確定生態(tài)流量。但在實(shí)際應(yīng)用中，河道崎嶇，河流斷面不規(guī)則，在計(jì)算時(shí)誤差較大，因此需要對河道斷面進(jìn)行概化工作[24]。

綜合來說，水力學(xué)法對計(jì)算偏遠(yuǎn)區(qū)域的小水電生態(tài)流量有著較好的應(yīng)用，不需要長序列的水文數(shù)據(jù)和生物監(jiān)測數(shù)據(jù)，在測量河道水力參數(shù)的基礎(chǔ)上，可以快速計(jì)算出河道生態(tài)流量；并在不斷的發(fā)展中將水生植物或無脊椎動(dòng)物也加入了考慮范圍內(nèi)，作為指示物種應(yīng)用于山區(qū)河流小水電的生態(tài)流量估算。

2.3 生境模擬法

計(jì)算小水電生態(tài)流量時(shí)，考慮對下游水生生物的保護(hù)，通過模擬下游生態(tài)環(huán)境，選取保護(hù)物種，確定適宜保護(hù)物種生存的流量。例如，張麗等在廣西大環(huán)江下湘電站下游河段[25]，選取鯉魚作為研究對象，采用生境模擬法分析了不同流量條件下的生境面積變化；結(jié)果表明，生境模擬法確定的最小生態(tài)流量和最佳生態(tài)流量均顯著高于最枯月平均流量法和Tennant法30%水平的計(jì)算值。生境模擬法的關(guān)鍵在于使用模擬軟件建立起生境面積與流量之間的關(guān)系曲線，除Mike軟件外，River2D模型也經(jīng)常被用來進(jìn)行水動(dòng)力和魚類有效棲息地的計(jì)算與模擬，計(jì)算引水式小水電下游減水段最小生態(tài)流量，修復(fù)減脫水河段生態(tài)系統(tǒng)[26]。對于缺乏魚類資料的研究區(qū)域，利用底棲動(dòng)物的豐富度和生物多樣性對適宜棲息地水深、流速的需求，將生境模擬法中的生境因子與生物多樣性聯(lián)系起來，模擬不同流量工況下，流量與生境面積的變化情況，計(jì)算減脫水河段底棲動(dòng)物的適宜生態(tài)流量和最小生態(tài)流量[27]。

生態(tài)流量計(jì)算的目的在于減少減脫水河段對于水生生物的影響，使用生境模擬法計(jì)算出的適宜生態(tài)流量和最小生態(tài)流量，能夠根據(jù)選定生物的選擇不同的生態(tài)流量，起到重要的保護(hù)作用，更適用于有著珍稀物種或生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的河流；但更適合的結(jié)果，意味著更大的工作量，無論對于梯級水電站，還是偏遠(yuǎn)山區(qū)，工作周期均過長，在短時(shí)間的小水電清理整改工作中應(yīng)用較少。

3 結(jié) 論

現(xiàn)階段正是小水電清理整改的關(guān)鍵時(shí)刻，水文學(xué)法由于簡單易行的特點(diǎn)，在小水電清理整改的過程能極大提高效率，并且可以利用現(xiàn)有的水文站點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，不需要額外的監(jiān)測設(shè)備。生境模擬法能夠考慮小水電下游目標(biāo)物種的生境偏好，預(yù)測不同流量下的棲息地?cái)?shù)量和質(zhì)量，根據(jù)保護(hù)物種的不同，確定不同的生態(tài)流量。水力學(xué)法用于缺乏水文資料的偏遠(yuǎn)地區(qū)小水電，通過現(xiàn)場測量河道水力參數(shù)獲取數(shù)據(jù)，也在一定程度上考慮了水生生物的需求。生態(tài)流量作為小水電清理整改的重要影響因素，必須因地制宜，選擇符合實(shí)情的計(jì)算方法，才能兼顧環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，為小水電的綠色轉(zhuǎn)型提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié) 語

小水電曾為偏遠(yuǎn)地區(qū)的脫貧做出巨大貢獻(xiàn)，但現(xiàn)在卻面臨著全面清理整改的壓力。在黨中央將“碳達(dá)峰、碳中和”作為生態(tài)文明建設(shè)和“十四五”發(fā)展的重要目標(biāo)后，小水電行業(yè)迎來了新的挑戰(zhàn)。小水電在當(dāng)前的發(fā)展中依然存在許多問題，這也是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、綠色轉(zhuǎn)型必須解決的問題。

4.1 存在的問題

(1)針對單個(gè)工程的小水電生態(tài)影響研究，其研究區(qū)域受到限制，難以反映中小型河流上梯級小水電無序開發(fā)對生態(tài)系統(tǒng)的累積效應(yīng)，以及全流域水量減少的影響。為了揭示這一問題的本質(zhì)和規(guī)律，亟需從流域尺度出發(fā)，開展生態(tài)調(diào)度的理論和方法研究。

(2)針對山區(qū)河流小水電生態(tài)流量計(jì)算方法的研究較為缺乏。南北方地質(zhì)、氣候等特征差異大，北方需水研究多于南方，但南方山區(qū)河流缺乏水文資料，常規(guī)方法不適用，需要開發(fā)更準(zhǔn)確的適用于山區(qū)河流的生態(tài)流量計(jì)算方法。

(3)目前，生態(tài)流量的確定多以水文學(xué)方法為基礎(chǔ)，但缺乏后續(xù)的監(jiān)測評估，無法有效驗(yàn)證生態(tài)流量是否滿足水生生物的生存需求。因此，后續(xù)的長期監(jiān)測跟蹤有助于保證河流生態(tài)系統(tǒng)的健康與穩(wěn)定。

4.2 研究展望

(1)當(dāng)前對于不同的河流類型、生態(tài)目標(biāo)和數(shù)據(jù)條件，對生態(tài)流量的計(jì)算方法和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)有不同的要求和適用性。因此，建立適用于不同河流類型、生態(tài)目標(biāo)和數(shù)據(jù)條件的生態(tài)流量計(jì)算方法和標(biāo)準(zhǔn)是提高小水電下泄生態(tài)流量科學(xué)性的重要措施。

(2)當(dāng)前小水電的生態(tài)流量泄放研究主要關(guān)注生態(tài)效益，而忽視了經(jīng)濟(jì)效益。未來的研究需要進(jìn)一步探討生態(tài)流量泄放對經(jīng)濟(jì)的影響，同時(shí)建立監(jiān)督管理平臺，以實(shí)現(xiàn)小水電的精細(xì)化管理；綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，推動(dòng)小水電的可持續(xù)發(fā)展。