基于改進Tennant法的橫溪水電站生態流量計算與生態調度

劉樹鋒， 陳記臣， 關 帥

(廣東省水利水電科學研究院，河口水利技術國家地方聯合工程實驗室，廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣州 510635)

水電站的建設使人類能夠有效地利用水資源，但水電站蓄水發電會對河流生態系統造成短期或長期的影響，尤其引水式水電站極易改變原有河流的水文情勢，對河流生態系統的動態平衡造成破壞[1-2]。因此，有必要開展水電站生態流量研究。

橫溪水電站位于廣東省韶關市乳源瑤族自治縣，其所在的河流為珠江流域北江水系上游武江支流楊溪河。橫溪水電站為引水式水電站，從橫溪水庫引水，總裝機容量為50 MW。橫溪水庫的壩上集雨面積為416 km2，屬于年調節水庫，總庫容為9 954萬立方米，死庫容為212萬立方米[3]。

橫溪水電站引水發電易導致下游河道出現減脫水河段，為維護河流健康，有必要進行生態流量計算和生態調度的研究。目前，美國田納西河[4]以及中國的良田河[5]、岷江下游航電梯級[6]等流域進行了考慮生態流量的水庫調度研究。但中國的研究基本集中在大流域，對于中小河流生態調度的研究比較少。研究采用改進Tennant法，對橫溪水電站進行不同來水頻率下的生態流量計算，并選取豐、平、枯3個典型年進行生態調度研究，以期為水電站平衡發電效益與生態效益以及中小河流的生態流量泄放管理提供依據。

1 研究方法

1.1 水文比擬法

因小水電所處的流域較小，一般不布設水文水位站，其流量資料較難獲得，通過水文比擬法進行橫溪水電站壩址處的徑流量計算。水文比擬法的計算公式[7-8]為

(1)

式(1)中：Q設和Q參分別為設計站和參證站流量；F設和F參分別為設計站和參證站集雨面積；P設和P參分別為設計站和參證站降雨量。

橫溪水電站與岳城水文站同屬珠江流域，橫溪水電站位于北江二級支流楊溪河上，岳城水文站位于東江一級支流新豐江上，二者的集雨面積均位于韶關市，地理位置較近(圖1)。因此，以岳城站為參證站，運用水文比擬法對橫溪水電站進行徑流量計算。

圖1 橫溪水電站與岳城水文站集雨面積圖Fig.1 Catchment areas of Hengxi hydropower station andYuecheng hydrometric station

1.2 改進Tennant法

生態流量計算方法較多，其中水文學法中的Tennant法[9]在中國河流研究中得到了廣泛的應用。Tennant法雖具有方法簡單與對生態系統的描述較為科學等優點，但存在未考慮水生生物對流量的需求等不足，Rosenfeld等[10]與田景環等[11]等研究者均對Tennant法進行了改進使其適宜不同地區的生態流量計算。中國對Tennant法計算生態流量的研究主要集中在北方地區，對于南方濕潤地區中小河流卻鮮有探討?，F從Tennant法的改進角度出發，提出一種適宜中國南方小水電的生態流量計算方法。小水電大多數位于山區性河流，其所在流域的徑流量年內變化往往比較大[12-13]。Tennant法在考慮徑流量年內變化時簡單地把1 a分成1個豐水期和1個枯水期，劃分顯得不夠細致。因此，需要對Tennant法進行改進，使其能夠滿足生態需水的年際變化和年內季節變化，將所有年份進行豐、平和枯水年分組，并對不同來水年的各月進行生態流量計算[14]。在水資源分析中，常按流量P分為豐水年(P<25%)、平水年(25%≤P≤75%)和枯水年(P>75%)[15]。根據Tennant法對河流生態流量的分級標準[16-17]，將不同來水年中各月多年平均流量的10%、30%、60%和100%分別作為最小、適中、最佳生態流量下限和最佳生態流量上限。

1.3 生態調度規則與約束

1.3.1 調度規則

(1)其他取水量。水電站的生態調度除了考慮發電引水和生態流量，還需考慮灌溉等其他用水。本研究主要考慮從橫溪水庫取水的必背灌區灌溉用水，必背灌區的灌溉面積為21.75萬畝。武江流域25%、50%和75%保證率下的灌溉定額分別為740、850、960 m3/畝。根據廣東省灌溉用水時段分配系數成果，灌溉水量月分配見表1。

表1 灌溉水量月分配Table 1 Monthly distribution of irrigation water

(2)起算庫容。起算庫容以橫溪水庫的死庫容計，即212萬立方米。

(3)水量平衡方程為

W末(i)-W初(i)=Q來(i)-(Q灌(i)+Q過(i)+Q引(i))

(2)

式(2)中：W末(i)為第i月的月末庫容；W初(i)為第i月的月初庫容；Q來(i)為第i月的來水量；Q灌(i)為第i月的月灌溉水量；Q過(i)為第i月的過壩流量；Q引(i)為第i月的引水流量；i為月份，i=1，2，…，12。

1.3.2 調度約束

(1)生態流量約束。當來水量小于最小生態流量時，過壩流量需滿足最小生態流量；當來水量大于等于最小生態流量但小于等于最佳生態流量下限時，過壩流量等于當月來水量；當來水量大于最佳生態流量下限時，過壩流量需滿足最佳生態流量下限，數學表達式為

(3)

式(3)中：Qmin(i)為第i月的最小生態流量；E下(i)為第i月的最佳生態流量下限。

(2)水庫庫容約束。水庫庫容需處于死庫容和總庫容之間，數學表達式為

W死≤W末(i)≤W總

(4)

式(4)中：W死為死庫容；W總為總庫容。

(3)水電站引水流量約束。水電站引水流量需小于其設計引水流量，數學表達式為

Q引(i)≤Q引(設)

(5)

式(5)中：Q引(設)為水電站的設計引水流量。

2 結果與分析

2.1 來水量計算

圖2 橫溪水電站壩址處的月流量過程Fig.2 Month runoff process at the dam site of Hengxi hydropower station

本研究的基礎數據為岳城站1960—2013年的逐月徑流資料。橫溪水電站與岳城站的集雨面積分別為416 km2和531 km2。根據《廣東省水文圖集》(2003年)，查得橫溪水電站與岳城站集雨范圍的多年平均降雨量分別為1 600 mm和1 800 mm。根據式(1)，求得橫溪水電站1960年1月—2013年12月的月流量(圖2)，其多年平均流量為14.50 m3/s。根據相關資料，橫溪水電站的多年平均徑流量為4.8億立方米，即多年平均流量為15.22 m3/s。本研究與其僅相差4.73%，計算結果較為合理。

2.2 生態流量計算

研究分別將25%、50%和75%作為豐、平和枯水年的典型年選取標準，最終分別選取1992年、1978年和2004年作為豐、平和枯水年的典型年。

基于運用水文比擬法計算得到的橫溪水電站月流量系列(1960年1月—2013年12月)，采用改進Tennant法計算橫溪水電站的各級生態流量。豐、平和枯水年3個典型年的來水量及其不同來水年的各級生態流量過程見圖3。

由圖3(a)可知，在1992年的來水過程中，其2月、3月和4月的來水量均超過了豐水年的最佳生態流量上限。由圖3(b)可知，在1978年的來水過程中，其3、4、5、8、10、11月的來水量均超過了平水年的最佳生態流量上限。由圖3(c)可知，在2004年的來水過程中，其2、3、4月的來水量均超過了枯水年的最佳生態流量上限。

2.3 生態調度

根據1.3節的生態調度規則與約束，計算得到的調度結果見圖4。

根據圖4，通過調度后橫溪水電站的豐、平、枯3個來水年的過壩流量均處于最小生態流量與最佳生態流量下限之間，滿足生態流量需求；同時，在滿足灌溉用水等其他用水的情況下能夠使得橫溪水電站的引水流量最大，即發電效益最大，豐、平、枯3個來水年的引水流量分別為29 452.98、25 647.23、11 750.96萬m3。

3 結論

(1)由岳城站1960—2013年的逐月徑流資料，依據水文比擬法，求得橫溪水電站的多年平均流量為14.50 m3/s，計算結果較為合理。

(2)通過生態調度后，橫溪水電站的豐、平和枯水年的過壩流量均能滿足生態流量需求，而且在滿足其他用水的情況下能夠使得橫溪水電站的引水流量最大，即發電效益最大。

圖3 不同來水年的各級生態流量過程Fig.3 Multi-level ecological flow processes at different level years

圖4 不同來水年的生態調度流量過程Fig.4 Ecological operation flow processes atdifferent level years