前坪水庫水利工程下泄生態(tài)流量保障措施探究

（淮河流域水資源保護局淮河水資源保護科學研究所 蚌埠 233000）

隨著我國社會經濟的發(fā)展和人口的大量增加，人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響越來越大。在河道內水生態(tài)環(huán)境方面，由于水資源時空分布不均勻等先天條件，加之在以前水利工程建設中的水資源配置中很少考慮生態(tài)需水，導致河道內生態(tài)用水被擠占由此引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題日益突出。水庫工程具有供水、防洪、灌溉、發(fā)電等多種功能，但大壩建設不可避免的阻隔河流的連通，改變壩址下游水文情勢，對下游水生態(tài)環(huán)境造成不利影響。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)，水利工程運行期必須維持下游生態(tài)水量，并將下泄生態(tài)流量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：在水利工程調度方案中應提出最小生態(tài)下泄流量泄放要求，明確生態(tài)流量過程，泄放設施及在線監(jiān)測設施和管理等保障措施內容。

1 前坪水庫概況

前坪水庫壩址位于北汝河干流上游、河南省汝陽縣縣城以西9km 的前坪村，壩址位置為北緯34° 6.480′，東經112° 20.730′。是以防洪為主，結合灌溉、供水，兼顧發(fā)電的大（2）型水庫。前坪水庫主壩設計洪水標準采用500年一遇，校核洪水標準采用5000年一遇，水庫死水位369.00m，汛限水位400.50m，正常蓄水位為403.00m，設計洪水位418.36m，校核洪水位422.41m；水庫總庫容5.84億m3，死庫容0.58 億m3，防洪庫容2.10 億m3，興利庫容2.61 億m3，總庫容5.84 億m3。可灌溉農田50.8 萬畝，每年可向下游城鎮(zhèn)提供生活及工業(yè)供水約6300 萬m3，水電站裝機容量6000kW，多年平均發(fā)電量約1881 萬kW·h。

2 前坪水庫最小下泄生態(tài)流量的確定

前坪水庫為多年調節(jié)水庫，對壩址下游水文情勢改變較大，保證壩址下游河段最小流量符合生態(tài)流量泄放要求是工程水生態(tài)系統(tǒng)保護的重要內容。結合北汝河流域環(huán)境背景，前坪水庫壩址下游河段生態(tài)環(huán)境需水量主要考慮滿足兩個方面的要求：維持水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定所需水量；維持河流水環(huán)境質量的最小稀釋凈化水量。針對北汝河的河道形態(tài)、徑流特征、環(huán)境特征和資料的可得性，采用了水規(guī)總院《水資源可利用量估算方法》：（1）90%保證率最枯月平均流量估算；（2）根據(jù)103月多年平均徑流的20%估算；（3）按多年平均徑流的10%估算，（4）枯水年和特枯年下游水環(huán)境需求。通過上述四種方法分析估算河道生態(tài)水量，最終取流量的外包線作為最小下泄流量，前坪水庫生態(tài)流量調度方案見表1。

2.1 90%保證率最枯月平均流量估算

根據(jù)前坪水庫1952—2010年日歷年共59年最枯月平均流量計算，保證率90%最小月平均流量為0.78m3/s，年水量為2270 萬m3。

2.2 根據(jù)10月—次年3月多年平均徑流的20%估算

4—9月是河流中魚類產卵育幼期，10月—次年3月是河流中魚類生長季節(jié)。10%的年平均流量為保護水生魚類棲息提供退化或貧瘠的棲息環(huán)境，20%的年平均流量為保護水生魚類棲息提供適當棲息環(huán)境。根據(jù)河流中保護水生魚類棲息環(huán)境要求，按20%的（10月—次年3月）多年平均流量標準估算河道基流水量。前坪水庫1952—2010年水文年共58年，10月—次年3月多年平均徑流量7388 萬m3，按20%估算基流年水量為1478 萬m3，平均流量為0.47m3/s。

2.3 按多年平均徑流的10%估算

在《水庫調度設計規(guī)范》（GB/T50587-2010）中，“當下游河道有敏感水生生物時，水庫最小下泄流量和泄水過程宜滿足其生物習性要求。對下游河道維持生態(tài)或凈化河道水質的基本水量要求，應盡可能予以考慮。”河道內生態(tài)基流計算，缺乏資料地區(qū)：可按多年平均流量的百分數(shù)估算河道內水生生物的需水量。一般枯水期可取平均流量10%。前坪水庫1952—2010年水文年共58年，多年平均入庫年徑流量為3.3205 億m3。按多年平均徑流量的10%估算，河道基流年水量為0.3321億m3，相應流量為1.05m3/s。

2.4 考慮到環(huán)境需求的流量

水庫的生態(tài)基流采用多年平均徑流量的10%（4—7月為20%）確定為1.05m3/s（4—7月為2.1m3/s）；根據(jù)水文情勢分析，水庫下平枯水期下泄流量1.05m3/s 時，北汝河壩下影響河段（至入沙河口）均不斷流且流量大于1.05m3/s（4—7月為2.1m3/s）； 根據(jù)壩下影響河段各控制斷面水環(huán)境水質預測結果分析，水庫在枯水年的枯水期間（10—次年3月份）需要最少下泄1.8m3/s 才能滿足壩下紫羅山省控斷面及其他控制斷面達Ⅲ類水質標準，滿足水功能區(qū)管理目標和要求。因此綜合生態(tài)基流、下流河道取水需求和環(huán)境用水量分析結果，水庫泄放水量控制要求在枯水年的枯水期間（年內10—次年3月份）下泄1.8m3/s。

2.5 綜合分析

按上述四種生態(tài)基流水量估算方法，為利于下游魚類的繁殖，正常年份河道基流泄放方案為：8月—次年3月河道基流量采用1.05m3/s；4—7月基流采用2.10m3/s，年河道基流放水量為4428 萬m3。此外考慮到環(huán)境需求，枯水年壩址下游區(qū)間來水較小，為保障下游環(huán)境，枯水年和特枯年（來水頻率在70%以上的年）最小下泄流量為：在枯水期間（10—次年3月份）下泄1.8m3/s。

3 生態(tài)流量下泄措施

3.1 初期蓄水期間生態(tài)流量保障措施

3.1.1 庫水位低于360.0m 高程

初期蓄水初期生態(tài)基流供水采用抽水方式。在泄洪洞進口設置WQK1200-20-110型水泵抽水至（三用一備）泄洪洞內，為下游生態(tài)基流進行供水。在泄洪洞進口344m 高程建抽水池，通過3 排Φ426管道進入泄洪洞，單根長度約6m，共計180m；水泵供電從永久供電線路架設臨時供電線路。

3.1.2 庫水位高于360.0m 高程

初期蓄水達到泄洪洞進口洞底高程360.0m 或灌溉發(fā)電輸水洞進口洞底高程361.0m 后，直接由泄洪洞或灌溉發(fā)電輸水洞下泄水量。生態(tài)流量泵站供水剖面圖見圖1。

表1 前坪水庫生態(tài)流量調度方案表（單位：m3/s）

3.2 運行期生態(tài)流量泄流方式

運行期生態(tài)基流下泄通過輸水洞，電站1 號機組為利用生態(tài)基流發(fā)電，電站尾水管與尾水池相接，尾水池末端設退水閘，經退水閘向下游河道放水。

機組檢修、停運期間通過輸水洞專設蝶閥下泄生態(tài)流量。

如遇水位低于泄洪洞進口洞底高程360.0m，仍沿用初期蓄水（360.0m 庫水位以下）下泄生態(tài)流量方式，采取水泵提水利用泄洪洞下泄生態(tài)基流。

3.3 生態(tài)基流監(jiān)測

采用在線監(jiān)測設備對下泄生態(tài)流量進行實時監(jiān)控，并保留監(jiān)控記錄。

3.3.1 測流斷面

測流斷面包括2 個：導流洞測流斷面和泄洪洞測流斷面。

導流洞測流斷面設在電站出口下游段，渠道為砼結構標準渠道， 無分流、 串溝、 死水、漫灘情況，測驗段面順直，渠底穩(wěn)定，條件較好。渠道總寬70m，桁架高于岸邊 1m， 待電站完成后安裝。

泄洪洞測流斷面設在出口上方位置， 該段同為砼結構標準建筑物體，無分流、 串溝、死水、漫灘情況，測驗條件較好。渠道寬5m。目前已安裝完成生態(tài)流量在線監(jiān)測。

3.3.2 測流原理

通過雷達水位計實時監(jiān)測該斷面水位， 通過流速儀實時監(jiān)測斷面表面流速， 利用斷面已建立的水位流速關系線， 推算出實時流量， 從而實現(xiàn)流量的實時在線監(jiān)控。水位觀測設備采用雷達波自記水位計。探頭安裝在桁架上。雷達水位計在測量水位時， 不與水體接觸， 不受水流含沙量和水面漂浮物的影響。雷達水位計探頭懸掛渠道中間上方。

3.3.3 報信方式

圖1 生態(tài)流量泵站供水剖面圖

選用 GSM/GPRS 通信信道、備份使用短波電臺傳輸進行水位、流量數(shù)據(jù)傳輸。GSM/GPRS 通信是種依附于GSM/GPRS 網絡進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ攀侄危谧鳛樾畔⒎諅鬏斴d體時，將短信息系統(tǒng)與信息平臺相連，用戶通過GSM 終端機將帶有對方地址的業(yè)務代碼通過GSM/GPRS 網絡以短信息的形式發(fā)出，短信息系統(tǒng)在收到信息請求后，根據(jù)業(yè)務代碼將信息請示發(fā)往相應的信息平臺，然后將后者回送的信息以短信息的形式發(fā)送給提出申請的用戶。

4 結論和展望

前坪水庫設計綜合考慮了四種生態(tài)水量估算方法確定前坪水庫最小下泄生態(tài)流量，下泄生態(tài)流量方案為：正常年份河道生態(tài)流量泄放方案為：8月—次年3月河道流量采用1.05m3/s；4—7月采用2.10m3/s，枯水年和特枯年（來水頻率在70%以上的年）最小下泄生態(tài)流量為：在枯水期間（10—次年3月份）下泄1.8m3/s。前坪水庫工程在水資源配置過程中充分考慮了下泄生態(tài)流量，特別是枯水年的枯水期增加了最小下泄流量保障下游河道環(huán)境質量，有效減少水庫對下游河道水生態(tài)系統(tǒng)的不利影響。

前坪水庫生態(tài)流量下泄方式為初期蓄水當庫水位低于360.0m 高程時利用水泵抽水至泄洪洞下泄，達到泄洪洞進口洞底高程360.0m 或灌溉發(fā)電輸水洞進口洞底高程361.0m 后，直接由泄洪洞或灌溉發(fā)電輸水洞下泄水量。運行期生態(tài)基流下泄通過輸水洞，電站1 號機組為利用生態(tài)基流發(fā)電，電站尾水管與尾水池相接，尾水池末端設退水閘，經退水閘向下游河道放水。如遇機組檢修、停運期間通過輸水洞專設蝶閥下泄生態(tài)流量。同時采用在線監(jiān)測設備對下泄生態(tài)流量進行實時監(jiān)控，并保留監(jiān)控記錄。通過前坪水庫下泄生態(tài)流量保障措施，工程在發(fā)揮流域防洪、灌溉、供水等效益的同時有效可行的保障下游河道生態(tài)流量的泄放。

在水利工程水資源配置過程中保障下游生態(tài)需水并以生態(tài)流量下泄工程和管理措施加以保證，能夠充分突出人與自然的和諧，貫徹水資源可持續(xù)利用的思想，可有效減少了大壩對河道斷阻斷作用，在一定程度上對恢復下游河道水生態(tài)系統(tǒng)，維持水環(huán)境質量起到至關重要的作用。在今后水利工程水資源配置、水利與國民經濟協(xié)調發(fā)展以及流域水資源規(guī)劃和配置中，應將生態(tài)需水特別是枯水期生態(tài)需水作為水資源供需平衡重點考慮的內容，才能夠把水利規(guī)劃及水利工程建設和生態(tài)環(huán)境保護有機結合起來，實現(xiàn)生態(tài)需水與經濟需水的統(tǒng)籌協(xié)調，實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)的水資源優(yōu)化配置■