水牛家水電站下泄生態流量研究及效果分析

何月萍，張玉杉

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

火溪河系涪江上游左岸的一級支流，發源于岷山山脈南支摩天嶺的北側，河源段大致由南向北流，至大窩凼則轉為由西北向東南流，經王朗自然保護區、白馬、王壩楚、木座、新益、木皮等地，于平武縣城以上9km的鐵龍堡處匯入涪江，干流河道長114km，全流域集水面積為1 494km2。火溪河按河道特性區分，王壩楚以上為上游，王壩楚～木座鄉為中游，木座鄉以下為下游。

水牛家水電站為火溪河龍頭水庫電站，壩址位于白馬鄉稿史瑙村賴子灣附近，經9.5km長右岸引水隧洞引水至王壩楚下游平武涪源電冶廠附近建地面廠房發電，庫尾上游約10km為王朗自然保護區。

2 下放生態流量的必要性

水牛家水電站采用混合式開發，電站最大引用流量40.8m3/s，水庫具多年調節性能。工程建成后若按常規方式運行，壩、廠址間將形成12.7km的減水河段，其中壩址至第一條支溝——磨房溝間4.3km的河段除豐水年8月有少量下泄流量外，其他時間完全脫水。磨房溝至廠址河段由于沿途有洋洞河、大白河溝等支溝匯入，水量逐漸增多，但在總體上流量也較天然狀況下明顯減少。水牛家壩、廠址以及其間支溝流量見表1。

由于電站減水河段與平武～王朗公路相鄰，河段減水，特別是脫水河段的出現將對區域景觀的整體美感產生不利影響。因此，水牛家水電站需下放一定的生態流量，維持水生生物的基本生存條件，維護區域自然景觀。

3 設計目標

3.1 工程河段生態環境需水要求的基本特點

根據對水牛家水電站工程區環境現狀特點的分析，工程河段生態環境需水量主要將滿足以下3方面的要求：(1)生態功能——河道中現有的水生生物維持基本棲息地需水要求；(2)資源功能——居民人畜用水、工農業灌溉取水要求；(3)環境功能——河道景觀需水要求、河流自凈需水要求。

由此分析，水牛家水電站工程河段生態環境需水量的表達式可以簡單表達為：

河流系統生態環境需水=MAX{維持棲息地需水，自凈需水，景觀需水}+人畜生活用水+農業灌溉用水+工業取水-區間匯流。

3.1.1 工程河段水生生物棲息地需水的基本要求

根據對火溪河魚類現狀的調查分析，水牛家水電站所處的火溪河上游王壩楚以上工程河段基本無魚類，因此水生生物棲息地需水不是工程河段生態環境需水控制性因素。

3.1.2 工程河段自凈用水的基本要求

根據對工程河段現有水質污染源和當地工農業規劃的情況分析，本工程河段污染源少、水質狀況較好，水體自凈用水不是控制因素。

表1 火溪河水牛家水電站壩、廠址區間各支溝年、月平均流量 m3/s

3.1.3 工程河段工農業及生活用水要求

根據調查，工程河段有兩座小水電站為王壩楚電站及白馬電站，王壩楚居民飲用水汲水井受到水牛家水電站運行河段減水的影響，其補償及供水問題已得到妥善解決。

3.1.4 工程河段景觀用水的基本要求

工程所在的白馬鄉白馬藏族風情旅游資源，是平武縣主要的人文旅游資源；工程區上游王朗自然保護區為生態旅游區。工程河段左岸為平武～王朗公路，該公路連接王朗自然保護區、白馬鄉與平武縣，并在王壩楚接九環線旅游公路。

鑒于上述原因，減水河段保持能引起視覺效果的流水景觀，就成為工程河段生態環境需水的控制性因素。

3.2 設計目標

考慮到目前景觀功能尚無理論化和定量化的計算方法，計算景觀需水的具體取值采用在當地居民中開展公眾參與和有關專家評審相結合的專家系統綜合給出。認為河流景觀用水優劣有兩個主要指標：水質和水量。具體標準見表2。

表2 決定火溪河流景觀需水量的主要參數標準

據表2，確定水牛家水電站水域景觀保護設計目標為工程運行后減水河段水面面積達到天然河道枯期水面面積的40%以上，河段平均水深達到0.2～0.5m。

4 生態流量的確定

工程河段河谷形態為“U”形寬谷盆地夾峽谷，沿程河槽形態變化不大，且河床穩定，歷年沖淤變化很小。根據對實測大斷面資料及水文資料情況分析，選取壩址水尺斷面作為研究斷面，計算各水力參數，并得到生態環境需水的推薦值；以電站廠房附近王壩楚斷面作為校核斷面，驗證生態環境需水推薦值的可行性。

4.1 減水段生態環境需水量推薦值

針對水牛家壩址水尺斷面初步擬定9種下泄流量方案，其中方案4為國家發改委、水利部“全國水資源綜合規劃環境用水要求”所推薦的流量值1.32m3/s(為壩址斷面多年平均流量的10%)；方案5為下游陰坪電站下泄生態流量。

根據水牛家壩址實測大斷面圖、水位～面積關系線見圖1；水位～流量關系線見圖2，計算得到各下泄方案相應的水面寬度、水深及水面寬增量比變化趨勢，見表3、圖3、圖4。

由表3、圖3、4可見，當壩址斷面下泄流量為1.32m3/s時，對應的水面寬、平均水深分別為3.6m、0.22m。當將下泄流量提高到1.50m3/s時，水面寬曲線及增量比曲線出現明顯的拐點，水面寬擴展為5.0m，水面寬增量比達到7.78；繼續增加下泄流量，水面寬增量比逐漸下降，可以認為下泄1.50m3/s最為經濟有效。據此，將1.50m3/s作為水牛家生態環境需水流量的初步推薦值。

4.2 下泄生態流量效果分析

水牛家壩址以下至廠房區間河段兩岸依次分布有磨房溝、洋洞河及大白河溝3條較大支溝。工程運行后如不下泄生態流量，則減水河段各段的流量見表4。

如果壩址處下泄1.50m3/s生態流量，則減水河段各段流量見表5。

根據王壩楚斷面的大斷面圖及水位～面積曲線(見圖5)、水位流量關系線(見圖6)，計算出工程河段在下泄1.50m3/s生態流量后的各水力參數值見表6。

表3 水牛家壩址各下泄流量方案分析

圖1 水牛家壩址水尺大斷面

圖2 水牛家壩址水尺斷面水位流量關系

圖3 水牛家壩址下泄流量～水面寬關系線

圖4 水牛家壩址水面寬～下泄流量增量比曲線

圖5 火溪河王壩楚水文站大斷面

圖6 火溪河王壩楚水文站水位—流量關系

位 置距壩距離/km平均流量/m3·s-15月6月7月8月9月10月11月12月1月2月3月4月全年汛期(5～10月)枯期(11～4月)磨房溝口下4.30.610.70.930.910.860.660.440.330.280.260.270.390.550.780.33洋洞河口下9.52.572.983.953.853.642.81.861.41.191.11.141.662.353.301.39大白河口下12.13.484.045.355.214.933.792.521.891.611.491.542.253.184.471.88

表5 水牛家水電站下泄1.50m3/s流量后減水河段流量

表6 水牛家水電站下泄1.50m3/s流量后工程河段水力參數

由表6可見，當壩址處下泄1.50m3/s生態流量后，壩址斷面、王壩楚斷面枯期水面寬分別達到工程建設前的36.8%、79.2%，平均水深在0.2～0.5m之間，減水河段水面面積達到工程建設前枯期水面面積的61.1%，滿足火溪河景觀需水的主要參數指標要求(見表3)。據此，認為壩址斷面下泄1.50m3/s生態流量能夠較好地滿足火溪河生態環境需水要求，是可行的。

5 生態泄流措施方案

5.1 生態泄流措施方案

水牛家水電站采用混合式開發，最大壩高108m，壩型為碎石土心墻堆石壩，若生態泄流措施采用水管穿越壩體，則可能對大壩的防滲、抗震的安全性產生影響，因此，擬由1號施工支洞處引水，通過1號施工支洞將水引至洞口外側臨河附近，流經小型發電機組后泄流。該方案取水點位于水牛家水電站引水隧洞的起始段，引水后對隧洞內水的流速、水頭影響較小，且經環保電站泄流在合理利用水能資源的同時，也起到了消能作用，可減輕泄流對河床的沖刷，在技術上經濟、可行。

5.2 生態泄流電站水工建筑物布置

5.2.1 引水系統

環保電站壓力管道布置于水牛家水電站大壩下游，電站從引水隧洞1號施工支洞取水，引用流量1.50m3/s，引至洞口，繞過泄洪陡槽霧化區至臨河廠房。該段河谷寬闊，河水面高程2 155～2 156m。

河谷右岸山體雄厚，谷坡陡峻，自然坡度一般50°～75°，廠房地基由上部沖積含砂卵礫石和下部沖積砂土質卵礫石及沖積含漂砂土卵礫石組成，力學強度較高，能夠滿足基礎承載和變形要求。

壓力管道總長795.088m，一共9個鎮墩。(管)0+000.000～(管)0+463.848m段為明管，轉彎處設有鎮墩，每5m設一個支墩，管道左邊設漿砌石踏步；(管)0+463.848～(管)0+795.088m段為溝埋管，轉彎處設有鎮墩，鋼管外包1.9m×1.9m的C20混凝土，兩側用砂石回填。壓力管道管徑900mm，管材采用16MnR，壁厚8mm；壓力管道共設4個波紋補償器，滿足地基的不均勻沉降。

5.2.2 廠房布置

電站為引水式地面廠房，廠房布置在火溪河右岸臨河的階地上，廠房地基由上部沖積含砂卵礫石和下部沖積砂土質卵礫石及沖積含漂砂土卵礫石組成，力學強度較高，能夠滿足基礎承載和變形要求。廠區樞紐由主廠房、副廠房、防洪墻、尾水平臺及尾水渠等建筑物組成。廠房右側為主機間，左側為安裝間，副廠房平行布置在主廠房上游側。安裝間左側布置回車場與進廠公路連接，進廠公路外接水牛家引水隧洞1號支洞施工公路。外地坪高程為2 154.50m。

廠房內安裝一臺臥式金屬蝸殼混流式水輪發電機組，裝機容量1 000kW，采用機組軸線與廠房縱軸線平行而與進水壓力鋼管中心線垂直的布置方式。主廠房總長24.00m(其中主機間、安裝間各12.00m)，凈寬11.00m；屋頂高程2 165.50m,機組安裝高程2 155.50m,發電機層高程2 154.50m;防洪墻頂高程2 461.50m，左、右側防洪墻嵌入基巖中；廠房建基高程2 148.00m。廠內安裝橋式吊車一臺；副廠房長24.00m，凈寬5.00m，高8.00m；主、副廠房發電機層同高。尾水平臺高程2 156.50m，寬1.70m。

6 結 論

水牛家水電站采用混合式開發，水庫具多年調節性能。工程建成后若按常規方式運行，壩、廠址間將形成12.7km的減水河段。

根據水牛家水電站工程區環境現狀特點分析，工程河段基本無魚類分布，工農業生產生活用水需求已得到妥善解決。因此減水河段保持能引起視覺效果的流水景觀，就成為工程河段生態環境需水的控制性因素。本文采用在當地居民中開展公眾參與和有關專家評審，確定水牛家水電站水域景觀保護設計目標為工程運行后減水河段水面面積達到天然河道枯期水面面積的40%以上，河段平均水深達到0.2～0.5m。

針對水牛家壩址水尺斷面初步擬定了9種下泄流量方案，將1.50m3/s作為水牛家生態環境需水流量的初步推薦值。當壩址處下泄1.50m3/s生態流量后，壩址斷面、王壩楚斷面枯期水面寬分別達到工程建設前的36.8%、79.2%，平均水深在0.2～0.5m之間，減水河段水面面積達到工程建設前枯期水面面積的61.1%，滿足火溪河景觀需水的主要參數指標要求。根據水牛家水電站的工程特點，為修建環保電站提出生態泄流措施，在下泄生態流量的同時合理利用水能資源。