水利水電工程生態(tài)流量研究綜述

李 雪，彭金濤，童 偉

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

?

水利水電工程生態(tài)流量研究綜述

李 雪，彭金濤，童 偉

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

歸納了河流生態(tài)流量的計算方法和生態(tài)流量的泄放措施，指出了各自的優(yōu)缺點，并在介紹了國內外生態(tài)流量的取值范圍的基礎上，總結了我國部分水利水電工程的生態(tài)流量及下泄方式，最后分析了生態(tài)流量的計算方法和下泄措施等方面存在的問題，并進行了探討。

生態(tài)流量；計算方法；泄放方式

0 引 言

隨著我國水電技術進步以及能源需求持續(xù)增長，水電開發(fā)近十年呈加速度發(fā)展。然而，水電開發(fā)也會帶來不可避免的生態(tài)影響，其中引水式和混合式電站運行期以及堤壩式電站初期蓄水及調峰運行將使壩下河段水文情勢發(fā)生變化，形成減(脫)水河段，將對河道的綜合功能造成不利影響。如20世紀80～90年代的黃河下游，由于不利的來水來沙條件和過度的水資源開發(fā)利用，黃河持續(xù)斷流，斷流時間最長的1997年達226天，斷流長度600多km，帶來河床不斷抬升、河道嚴重萎縮等一系列生態(tài)災難[1]。目前，國家要求在積極支持水電發(fā)展的同時，對相應的生態(tài)保護工作非常重視，并將其作為水電開發(fā)的前提條件。《國民經濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》[2]已明確提出：“在做好生態(tài)保護和移民安置的前提下積極發(fā)展水電,重點推進西南地區(qū)大型水電站建設，因地制宜開發(fā)中小河流水能資源,科學規(guī)劃建設抽水蓄能電站”。為引導河流生態(tài)系統(tǒng)的良性演進和維持健康的河流生態(tài)系統(tǒng)，水電水利工程必須下泄一定的生態(tài)需水量，并將其納入工程水資源配置中統(tǒng)籌考慮，使河流水電動能經濟規(guī)模和水資源配置向“綠色”方向發(fā)展[3]。

1 生態(tài)需水量的計算依據和方法

為貫徹落實中共中央十六屆五中全會提出的“在保護生態(tài)基礎上有序開發(fā)水電”的要求，進一步規(guī)范水電水利建設項目水生生態(tài)與水環(huán)境影響評價工作，國家環(huán)境保護總局辦公廳和環(huán)境影響評價管理司先后發(fā)布了《關于印發(fā)水電水利建設項目水環(huán)境與水生生態(tài)保護技術政策研討會議紀要》的函(環(huán)辦函[2006]11號文)和“關于印發(fā)《水電水利建設項目生態(tài)用水、低溫水和過魚設施環(huán)境影響評價技術指南(試行)》的函”(環(huán)評函[2006]4號文)。《紀要》明確規(guī)定“為維護河段水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，水利水電工程必須下泄一定的生態(tài)流量，將其納入工程水資源綜合配置中統(tǒng)籌考慮”。且指出：生態(tài)流量需要考慮以下因素：工農業(yè)生產及生活需水量，維持水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定所需水量，維持河道水質的最小稀釋凈化水量，維持河口泥沙沖淤平衡和防止咸潮上溯所需水量，水面蒸散量、維持地下水位動態(tài)平衡補給需水，航運、景觀和水上娛樂環(huán)境需水量和河道外生態(tài)需水量。

根據對全球生態(tài)需水量方法現狀的考察，有記載的獨立方法總數達200多種。這些方法可以分類為水文學方法、水力學方法、生物棲息地法和生態(tài)水力學法。在此對這些方法分別作簡要介紹。

(1)水文學法：以歷史監(jiān)測數據為基礎，采用固定流量百分數的形式給出流量推薦值，通過這些推薦值來表示維持河流不同生態(tài)環(huán)境功能的最小生態(tài)流量。其代表方法有Tennant法[4]、徑流時段分析法、7Q10法、基本流量法[5-7]。

(2)水力學法：通過計算不同流量狀態(tài)下河道的水力參數，當參數滿足某種標準或假設時的流量即為最小生態(tài)流量。其計算以確定河道幾何形態(tài)為基礎，需要野外實測和分析工作，包括了更為具體的河流信息，能更好的反映河流生態(tài)發(fā)展的本質需求。最常用的水力學法有：濕周法[8]、R2-Cross法[9]。

(3)生態(tài)水力學法：由影響主要水力生境參數和影響主要水力形態(tài)參數兩個基本模塊組成。該方法由于考慮了水力生境參數的全河段變化情況，避免了因某一段減水河段參數偏低,而該段在整個減水河段中所占比重非常小，單憑最低值進行判斷所造成的判斷失誤，因此，計算結果更具全面性。

(4)生境模擬法：根據指示物種所需的水力條件確定河流流量，適用于大中型河流內的水生生物生態(tài)流量的計算，但是不適用于無脊椎動物和植物物種的分析。該方法與其他方法存在結果較復雜、實施耗費的資源大等不足。

上述這些方法都假定河流生態(tài)狀況健康性與水文特征或水力參數相對應，以其中一個或多個指標表征，各類計算方法的區(qū)別見表1。

表1 4種河道生態(tài)需水計算方法主要區(qū)別

2 國內外河流生態(tài)需水量的取值范圍

2.1 國外河流生態(tài)流量的取值方法

(1)美國。美國規(guī)定河道內大多數水生生物在主要生長期優(yōu)良的棲息條件和多數娛樂用途所推薦的徑流量為P=50%頻率下的河道徑流量的60%，而保持大多數水生動物有良好的棲息條件和一般的娛樂活動所推薦的基本徑流量為P=50%頻率下河道徑流量的30%～60%。河道內徑流為P=50%頻率下河道流量的10%，是保持大多數水生生物在全年生存所推薦的最低徑流量。另一項規(guī)定是采用P=90%頻率下最枯連續(xù)7天的平均水量作為河流最小流量設計值。

(2)法國。《鄉(xiāng)村法》規(guī)定：河流最低環(huán)境流量不應小于多年平均流量的 1/10；對于所有河流，或者部分河流，如果其多年平均流量大于 80 m3/s 時，政府可以給每條河制定法規(guī)，但最低流量的下限不得低于多年平均流量的1/20。

(3)日本。日本定義河川維持正常機能下所必要之流量稱“正常流量”，另對于河川欲維持航運、漁業(yè)、景觀、鹽害防治、河口閉塞防治、河川管理設施維護、地下水位維持及保育動植物等功能綜合考慮下必要之最小流量則為“維持流量”，其以各地河川之正常流量能維持 10 年內最大枯水期(最低旬流量)為原則。

2.2 國內河流生態(tài)流量的取值標準

目前國內水利水電項目的環(huán)境影響評價中對生態(tài)流量的確定往往依據國家環(huán)境保護總局辦公廳發(fā)布的《關于印發(fā)水電水利建設項目水環(huán)境與水生生態(tài)保護技術政策研討會議紀要》的函(環(huán)辦函[2006]11號文)的指導意見，“維持水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定所需水量一般不應小于河道控制斷面多年平均流量的10% (當多年平均流量大于80 m3/s時按5 %取用)”。水資源論證中對生態(tài)流量的確定往往依據《建設項目水資源論證導則(試行)》(SL/322-2005)規(guī)定的“生態(tài)流量取用多年平均流量的10%～20%的要求”。

但是，每條河流的自然狀況以及流域的社會經濟狀況千差萬別，需要因地制宜地確定維持河道基本功能的需水量標準。水利部門根據河流所處的不同地區(qū)，提出了確定河流生態(tài)流量的不同方法[1]。

(1)長江流域：生態(tài)基流一般采用90%或95%保證率最枯月河流平均流量。

(2)海河流域：生態(tài)基流量：高方案為21 252×108m3/a，中方案為13 179×108m3/a,低方案為6 932×108m3/a。在高中低方案中，生態(tài)基流量的最大值均在8月份，最小值均在2月份。

(3)珠江流域：維持河道基流為多年平均流量的40%～60%，可以保障河流生態(tài)和生命系統(tǒng)的基本健康。按此估算，珠江水系生態(tài)需水量至少應在1 500億m3左右。

(4) 遼河流域：最小生態(tài)流量自上而下，由東西遼河 8%～10%，遞減為遼河干流 5%～9%，維持河道規(guī)模從 40%～70%，遞減為 40%以下。適宜生態(tài)流量上游西遼河 19%～23%，下游干流 25%左右，比對應最小生態(tài)流量高 11%～19%，下游的差距高于上游。

2.3 部分水利水電工程生態(tài)需水量

目前，國家已對筑壩河流最小生態(tài)需水量作出了硬性要求，對于減緩水利水電工程對河流生態(tài)系統(tǒng)不利影響起到了非常積極的作用，同時也大大促進了水利水電工程在規(guī)劃、設計、建設和運行各階段專業(yè)人員環(huán)保意識的提高。近年來，新建水利水電工程在環(huán)境影響評價設計中均提出了生態(tài)需水量保障措施設計的相關內容。我國部分水利水電工程生態(tài)基流情況見表2。

表2 部分水利水電工程生態(tài)基流及下泄方式

3 生態(tài)需水量泄放措施

3.1 初期蓄水期生態(tài)需水量泄流

水庫蓄水初期，生態(tài)需水量泄放措施不僅需要依據工程特點和施工組織設計來進行設置，也需要考慮措施的可行性和經濟性。

通常，采用導流洞導流的工程，可采用在導流洞上設置生態(tài)流量放水管，或者通過泵站抽水方式解決。采用分期導流的工程，可在蓄水初期依靠控制一期工程導流設施(導流孔數目、閘門封閉程度)來泄放生態(tài)流量，直至水庫水位升至可由泄水建筑物和引水建筑物泄放生態(tài)流量的水位。

3.2 運行期生態(tài)需水量泄放

運行期通常采用的泄流方式有閘門泄流、壩體埋管泄流、放空洞泄流、引水洞泄流以及發(fā)電小機組泄流等方式，可根據不同的水利水電工程的類型和不同的生態(tài)流量要求加以選擇。為滿足常年泄流的要求，無論采用哪種泄流方式，其取水口均應低于水庫(或調節(jié)池)死水位。各種生態(tài)流量泄流方式比較如表3所示[10]。

表3 各種生態(tài)流量泄放方式比較

4 存在的問題及發(fā)展方向

4.1 生態(tài)需水量的計算方法

目前，生態(tài)流量的計算方法存在的一些問題，主要有：對河流生態(tài)流量的定義不明確，沒有成熟的理論體系，沒有評價指標體系和方法，缺乏完善的定量計算方法，現有的研究還達不到把一種流量或水流狀態(tài)同物種組成及物種豐富程度聯(lián)系起來的水平等。這些問題造成了研究人員只能從各自的角度研究河流生態(tài)流量，計算出的結果也存在一些差異。

筆者認為，在今后的研究中，應該首先明確河流生態(tài)流量不是一個定值，它是一個隨著季節(jié)、時段、河段的不同而發(fā)生變化的動態(tài)值；其次，每條河流都有它獨特的生態(tài)系統(tǒng)特性，不可能用某一固定的方法來確定各條河流的生態(tài)流量。只有以河流水文過程為基礎，并結合其河流生態(tài)系統(tǒng)的特性需求，才能較為合理地計算生態(tài)流量，這是今后河流生態(tài)流量理論與實踐研究的重要方向之一。

4.2 生態(tài)需水量泄放的措施

目前水利水電工程生態(tài)流量泄放保障方面仍存在以下問題：

(1)保障生態(tài)流量泄放的利益機制尚不完善。由于生態(tài)流量泄放考核指標為瞬時流量，且保證率為100%，水庫不間斷泄放生態(tài)流量對于非汛期庫區(qū)蓄水的影響較為顯著，由此構成生態(tài)流量泄放與水庫興利功能發(fā)揮之間的矛盾。由于發(fā)電、灌溉、供水和航運是顯性收益，而生態(tài)流量泄放的生態(tài)效益為隱性效益，在流域生態(tài)補償機制尚不完善的背景下，生態(tài)流量的泄放就相當于減少了工程的經濟收益，由此造成生態(tài)流量泄放不能得到充分保障。

(2)水利水電工程最小生態(tài)流量基本上為一固定值，沒有體現出河流水生生物適應水文情勢豐枯自然變化節(jié)律的需求。

(3)現階段盡管環(huán)保部要求生態(tài)流量泄放過程有在線監(jiān)控設備，但在線監(jiān)控設備均由工程業(yè)主管理，尚無將在線監(jiān)控系統(tǒng)接入相關環(huán)境保護或水行政主管部門的硬性要求。

筆者認為，應根據水電工程的實際情況，科學合理的制定下游河道基本功能的需水量，需要探討兼顧多種目標的方案，尋找各利益相關者一種可以接受的生態(tài)流量下泄措施。同時從水能資源利用的角度分析，在滿足發(fā)電水頭、流量要求和符合經濟評價的情況下，宜優(yōu)先采用生態(tài)流量泄放與發(fā)電小機組相結合方案，以實現雙贏的局面。

此外，為了確保生態(tài)流量的下泄，應將水利水電工程生態(tài)流量泄放監(jiān)測設備的監(jiān)測對象改為壩下河道，在壩下河段合適位置建設流量自動測報系統(tǒng)，并接入環(huán)保或水行政主管部門的管理系統(tǒng)中。

[1] 汪秀麗.河流生態(tài)流量淺論[J].水利電力科技, 2007,33(1):20-29.

[2] 我國水電發(fā)展“十二五”規(guī)劃報告[R].國家能源局,2011(6).

[3] Sheail J.Historycal development of setting compensastion flow in Gustard[J].Institue of Hydrology,Wallingford.Appendix,1984.

[4] Falkenmark.Coping with water scarcity under rapid population growth[R].Conference of SADC minsters,Preoria,1995:23-24.

[5] Baird A J.Eco-hydrology:Plant and water in terrestrial and aquatic environments[M].London and New York:Pout ledge Press,1999.

[6] Whipple,DuBois,Grigg.A Proposed to Coordination of Water Resource Development and Environmental Regulations [J].Journal of the American Water Resources Association,1999,35(4):713-716.

[7] McCarthy J H. Wetted Perimeter Assessment[A]. Shoal Harbour River, Shoal Harbour, Clarenville, January 8, 2003.

[8] MacKay,Heather,Brian M．The Importance of Instream Flow Requirements for Decision-Making in the Okavango River Basin[J].Transboundary Rivers，Sovererignty and Development：Hydropolitical Drivers in the Okavango River Basin/Anthony Turton，Peter Ashton & Eugene Cloete Pretoria：African Water Issues Research Unit，2003:275-302.

[9] Stalnaker C. B., Lamb B. L., et al. The instream flow incremental methodology: a primer for IFIM[M].National E-cology Research Center，International Publication, Fort Collins, Colorado, USA, 1994, 99.

[10] 杜強，譚紅武，張士杰，等. 生態(tài)流量保障與小機組泄放方式的現狀及問題[J].中國水能及電氣化, 2012(12):1-6.

2015-06-08

李雪(1984-)，女，四川成都人，碩士，工程師，從事環(huán)境保護工作。

X171.4

B

1003-9805(2016)04-0071-05