碗米坡水電站生態流量的計算與分析

朱朝輝 喻海濤 宋 兵

(1.五凌電力有限公司碗米坡水電廠,湖南 湘西 416500;2.五凌電力有限公司,湖南 長沙 410004)

水利水電工程在流域防洪、航運、水力發電、水資源保障供給等方面發揮著重要作用,但工程的不合理運行方式可能會造成下游河道減水、脫水甚至斷流,從而引起水環境質量惡化、生物多樣性銳減等一系列生態環境問題。《中華人民共和國長江保護法》中要求“長江干流、重要支流和重要湖泊上游的水利水電、航運樞紐等工程應當將生態用水調度納入日常運行調度規程,建立常規生態調度機制,保證河湖生態流量”。

《河湖生態修復與保護規劃編制導則》將“生態基流”定義為:為維持河流基本形態和生態功能、防止河道斷流、避免河流水生態系統功能遭受無法恢復的破壞的河道內最小流量。目前,生態流量計算方法已經成熟,大體可分為水文學法、水力學法、棲息地法和整體分析法四大類,由于水文學法使用方便且成本低,是目前使用最廣泛的生態基流計算方法。常見水文學法有Tennant法(蒙大拿法)、7Q10法(近十年最枯7天平均流量法)和Qp法(不同頻率最枯月平均流量法)等。由于我國降雨氣候地區差異明顯,目前尚未明確生態基流計算方法選擇準則[1-3]。為復蘇河湖生態環境,水利部已于2022年11月正式印發《已建水利水電工程生態流量核定與保障先行先試工作方案》。本研究擬選取酉水流域碗米坡水電站,采取多種計算方法計算并核定其生態流量指標,對其他已建水利水電工程生態流量核定具有一定借鑒意義。

1 研究區域概況

酉水是沅江最大一級支流,干流全長477km,集水面積18530km2,干流平均坡降1.05‰,多年平均流量約513.00m3/s。流域多年平均年徑流深873.7mm,年徑流分布與降水基本相應。多年平均水資源總量161.90億m3。酉水流域屬亞熱帶季風濕潤氣候,氣候溫和,雨量充沛,日照充足,四季分明。年平均氣溫15～16.9℃,雨量集中在春、夏,多見秋旱。酉水流域洪水主要由暴雨形成,洪水時空變化特性與暴雨特性一致,每年4—9月為汛期,年最大洪水多發生于4—8月,其中5月、6月出現次數最多。

碗米坡水電站位于湖南省保靖縣境內的酉水中游,見圖1,2005年開始蓄水發電,下游距保靖縣城20km,上游53km處建有石堤水電站,尾水與鳳灘水庫的回水相接。壩址以上控制流域面積10415km2,占酉水流域面積的56.2%,多年平均年徑流量94.30億m3,總庫容3.78億m3,水庫正常蓄水位248.00m,相應庫容2.53億m3;水庫設計洪水位249.78m,相應庫容2.86億m3;死水位238.00m,有效庫容1.25億m3,庫容系數0.013,具有不完全季調節性能。工程以發電為主,兼有航運、養殖等綜合效益。

石堤水電站下游5km建有石堤水文站,見圖1,設立于1956年12月,位于重慶市秀山縣石堤鎮水壩村,屬國家重要水文站,酉水中游控制站于2016年1月上遷208m,更名為石堤(二)站。斷面以上流域面積為8400km2,距河口距離189km。石堤水文站測驗項目包括水位、流量等。石堤水電站總庫容1.63億m3,2008年起蓄水發電,對石堤水文站徑流過程產生直接影響。

2 研究方法

2.1 河道水文情勢演化分析

Richter et al[4]于1996年提出包括河道徑流量值、頻率、發生時間、歷時以及變化率等33個表述水文情勢變化的5組指標(Index of Hydrologic Alteration,IHA)。IHA指標體系一般利用長序列日徑流資料計算受人類活動影響的河流,可對水利工程建設影響前后河道內的水文情勢變化進行分析。本研究基于1959—2022年石堤水文站整編逐日平均流量資料,分析石堤水電站運行前后下游河段重要水文指標變化情況,評估近60年酉水流域水資源量變化和上游水利工程運行對碗米坡水電站生態用水保障的影響。

2.2 碗米坡壩址斷面生態流量的計算

由于缺少碗米坡水電站2005年建成前壩址斷面徑流資料,且由2008年起石堤水文站實測徑流數據受石堤水電站運行調節直接影響,碗米坡水電站壩址斷面徑流還原和生態基流的計算分析主要按如下步驟進行。

2.2.1 石堤水文站徑流資料還原計算

由于受上游石堤水電站蓄水調節影響,為保證石堤水文站長時間序列水文資料系列的一致性,對2008年后石堤水文站實測水文資料進行還原計算。

石堤水文站斷面徑流過程主要受上游干流石堤電站調蓄影響,且區間基本無用水量,故石堤水文站還原計算的水量平衡方程為

W石堤水文還=W石堤水文實±W石堤電站蓄

(1)

式中:W石堤水文還為石堤水文站還原后的水量,m3;W石堤水文實為石堤水文站實測水量/m3;W石堤電站蓄為還原時段內石堤電站蓄水量變化值(蓄水為“+”,放水為“-”)/m3。

因石堤水電站中低水時期入庫出現“0”或“負數”較多,但水位較完整,故采用水位過程及水庫庫容曲線來反算水庫蓄水變量;再利用南方水文資料整編系統進行水文資料整編,得到石堤水電站逐日水量(流量)變化成果表;最后與石堤水文站逐日流量成果(調蓄后)表進行疊加,得到石堤水文站逐日流量還原成果。

2.2.2 碗米坡壩址斷面徑流資料還原和延長

采用面積比擬法和線性經驗關系法兩種方法,實現碗米坡壩址斷面徑流資料的還原和延長。

a.面積比擬法。由于工程控制斷面集水面積與水文站集水面積相差不超過20%,可采用面積比擬法推算壩址斷面多年逐月平均流量,面積比擬法計算公式為

(2)

式中:Q為流量;F為匯水面積;x和a代表水文站控制斷面及水電站控制斷面;n為修正系數,本研究只考慮面積的情況,取n=1。

b.線性經驗關系。建立石堤水文站斷面和碗米坡壩址斷面月平均流量間經驗關系。基于2008—2023年石堤水文站斷面實測逐月平均流量和碗米坡水電站月平均入庫流量,計算得到石堤—碗米坡區間月平均產流流量。將石堤—碗米坡區間產流流量與石堤斷面還原徑流流量相加可得到2008—2023年碗米坡水電站壩址斷面還原月平均流量序列。

根據2008—2023年石堤水文站斷面還原徑流量和碗米坡還原徑流量實測數據,建立石堤水文站斷面與碗米坡壩址斷面月平均流量間線性經驗關系,見圖2,經驗公式為y=1.2564x-2.4353,R2=0.9951。再根據建立的經驗公式,由石堤水文站整編流量資料還原得到2008年前碗米坡壩址斷面逐月徑流量,作為壩址斷面還原徑流量,實現碗米坡壩址斷面長時間序列徑流還原延長。

圖2 石堤斷面與碗米坡壩址斷面月平均流量線性經驗關系

2.3 碗米坡水電站生態流量的計算分析

鑒于碗米坡水電站基本情況及其上游水文站網水文資料收集年限,結合當前常用的生態流量計算方法,采用Tennant法、Qp法、7Q10法3種方法分別計算該水電站生態流量值[1],最后綜合分析核定碗米坡水電站生態流量。

a.Tennant法。依據長系列年徑流量資料,按照Tennant法取多年平均流量的10%作為生態流量。

b.Qp法。將長系列水文年份中各年內最小月平均實測流量進行排頻,取不同頻率最小月平均實測流量作為河段的生態流量。

c.7Q10法。以水文站長系列年平均流量資料為基礎進行排頻,選取90%或95%頻率對應的年份為典型年,從典型年內選取連續7天最枯的平均流量值作為生態流量值,本研究取頻率為90%。

3 結果與討論

3.1 水文情勢變化分析

a.年徑流量。1959—2022年,石堤斷面多年平均流量為234.96m3/s,沒有表現出明顯變化趨勢,見圖3。按1959—2007年和2008—2022年兩個時期統計,多年平均流量分別為239.60m3/s和227.10m3/s,下降了5.2%。

圖3 石堤水文站年徑流量變化過程

b.月平均流量。比較1959—2007年和2008—2022年兩個時期石堤斷面月平均流量(見表1),石堤斷面豐水期6—8月平均流量下降幅度為20.0%,9月平均流量上升23.9%;枯水期11—12月平均流量出現下降,但年內最枯的1月平均流量不降反升11.3%,可能與上游石堤水電站運行調節有關。

表1 石堤斷面月平均流量變化統計

c.年極值流量。1959—2003年和2004—2022年兩個時期,受上游石堤水電站調節影響,石堤水文站年極小流量特征值由22.53m3/s減少至5.42m3/s,下降76.0%;年極大流量由3541.00m3/s減少至2827.00m3/s,減少20.2%。

3.2 生態流量計算

碗米坡水電站壩址斷面歷年最小月平均流量的水文頻率分析曲線見圖4。采用Tennant法、Qp法、7Q10法計算的碗米坡水電站生態流量分別為29.40m3/s、25.80m3/s(25.06m3/s)、25.20m3/s,見表2。Tennant法計算的成果較Qp法及7Q10法分別偏大12.2%和14.3%,Qp法及7Q10法計算成果較為接近。與相鄰的澧水流域類似,碗米坡水電站所在的酉水亦屬于豐枯變化劇烈的山溪性河流,河道徑流季節變異較大,按多年平均流量的10%計算的生態流量值要大于其他兩種方法[4]。

表2 生態流量計算成果

圖4 碗米坡水電站Qp法水文頻率分析曲線(1959—2023年)

3.3 典型枯水期的生態流量保障

2022年下半年,湖南省遭遇了自1961年有連續監測資料以來罕見的夏秋冬連旱影響。2022年10月,碗米坡入庫流量呈鋸齒狀上下劇烈波動,月平均入庫流量為30.00m3/s。為保證生態流量、出庫流量均勻平穩下泄,進入11月后,碗米坡水位日趨接近死水位運行,見圖5。由于流域內長期無有效降雨,入庫流量僅10.00m3/s左右,碗米坡存蓄水量難以保障生態流量 下泄,見圖6。

圖5 碗米坡水位過程

圖6 碗米坡出入庫流量過程

4 研究結論

a.采用面積比擬法和經驗公式法還原和延長碗米坡水電站徑流序列,并用Tennant法、Qp法、7Q10法三種常見水文學方法計算壩址斷面生態流量指標,計算成果分別為29.40m3/s、25.80m3/s(25.06m3/s)、25.20m3/s。Tennant法計算的成果較Qp法及7Q10法分別偏大12.2%、14.3%,Qp法及7Q10法計算成果較為接近。

b.碗米坡水電站所在的酉水屬于豐枯變化劇烈的山溪性河流,近60年來酉水流域年徑流量總體相對穩定,河道徑流季節變化較大。受上游石堤水電站運行調節影響,枯水期河道徑流量變化程度進一步加大,枯水期碗米坡水電站生態流量保障難度較大,宜采用Qp法計算生態流量成果。同時,應建立流域水資源統一調度管理機制,強化枯水期生態流量協同調度,提高生態流量保障程度。