小水電站減脫水段最小生態流量計算
——以盤溪梯級水電站為例

李陽，林錦

(1.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210029;2.河海大學水文水資源學院，南京 210098)

小水電屬于清潔、綠色可再生能源,不存在資源枯竭問題，也不會對環境造成污染，是推進節能減排、改善大氣環境的有效舉措之一。我國小水電站量大面廣，小水電站的運行調節了河流水量，改變了河流水文過程，當大壩蓄水或者通過引水壩引流出部分水量進行發電時，下游一段區域內的流量就會減少，甚至出現斷流的情況，勢必會給生態環境造成不利影響，流量減少的這部分河段即為河流的減脫水段[1-3]。生態流量下泄不足是造成減脫水段生態惡化的主要原因。

目前，國內外對生態流量的研究主要集中在大江大河，對中小河流特別是小水電站減脫水河段生態流量的研究較少，對可選用的生態流量計算方法也缺乏科學分析，相當一部分小水電站還沒有確定最小生態流量[4-6]。據統計，目前國內外生態流量計算方法已有200多種，這些方法大致可分為水文學法、水力學法、棲息地定額法以及整體法4類[7-11]。由于小水電站多建于山區，位置偏僻且通信不便，資料短缺情況常見，研究者在概算生態流量時多以資料獲取程度和投入成本作為計算方法的選用標準。其中，水文學法作為計算生態流量的經典方法，是指基于實測或還原的歷史流量系列資料，選取天然流量百分比或者某一保證率下的流量作為生態流量，以Tennant法、年內展布法、頻率法等為代表，其原理簡單、易操作，尤其在資料缺乏地區具有優勢[12-18]。隨著生態流量研究的不斷深入，新的生態流量計算方法及工具也在不斷增加，如何在眾多方法中選取最為適合的、更加準確的方法，成為生態流量研究中待解決的問題之一。

以盤溪梯級水電站的大洋水庫為例，根據研究區域資料情況，采用改進的Tennant法、年內展布法、Q90法、改進的頻率法以及NGPRP(northern great plains resource program)法等水文學方法計算最小生態流量，經合理性分析，提出最適合該地區的最小生態流量計算方法，并計算了盤溪一級電站至四級電站區間最小生態流量過程。該思路計算得到的結果既反映了該地區季節性河流的水文情勢變化特性，又能在枯水季節維持所選定保證率下的河道水生態環境的最小流量。研究成果對我國小水電最小生態流量研究具有參考價值。

1 研究區概況

盤溪梯級水電站位于浙江省縉云縣胡源鄉，始建于1970年，屬于典型的龍頭水庫梯級開發模式，龍頭水庫為大洋水庫。該水電站共開發了七級水電站，分別是：盤溪一級、盤溪二級、盤溪三級、盤溪四級、天生橋、盤溪五級和盤溪六級水電站，盤溪梯級電站分布見圖1。其中，盤溪一級電站至四級電站位于盤溪上游，通過引水系統連續發電，即上一級尾水直接通過引水系統引至下一級電站發電，其間不回歸天然河道，并最終于盤溪四級電站處匯入原河道，故一級電站至四級電站區間天然河道內流量減少形成了減脫水河段。本文主要針對一級電站至四級電站的最小生態流量進行研究計算。

圖1 盤溪梯級電站分布Fig.1 Distribution diagram of Panxi cascade hydropower station

2 研究資料與思路方法

2.1 研究資料

利用大洋水庫的水文資料開展最小生態流量計算研究，在盤溪流域內無實測流量資料，但流域附近設有多個雨量站、水文站，其中：砩頭水文站流域集水面積18.4 km2，多年平均降水量1 715 mm；大洋水庫集水面積20.1 km2，多年平均降水量1 671.6 mm。兩站流域集水面積較為相似，多年平均降水量接近，位置靠近，域內地形均以山地為主。根據《2020年浙江省水資源公報》中全省年徑流深等值線圖所示，參證流域與設計流域徑流特征分布趨勢一致。砩頭站建于1966年，具有較長設計徑流資料系列。以砩頭站為參證站，將砩頭站逐日降雨徑流模型有關參數移用于本地區，利用設計流域1961—2011年歷年各月逐日降水量和逐日蒸發量，經分析計算，求得大洋水庫庫區1961—2011年歷年逐日徑流過程。大洋水庫至盤溪二級電站、二級電站至三級電站、三級電站至四級電站區間年徑流推求采用水文比擬法進行，以大洋水庫為參照點，得到歷年各月平均流量。

2.2 計算思路及方法

首先，按照三生用水統籌原則，建議最小生態流量保證率為95%，僅次于基本生活用水，高于一般工業用水。以大洋水庫作為研究站點，基于該研究站點可獲取的長系列還原徑流數據等資料，采用改進的Tennant法、年內展布法、Q90法、改進的頻率法、NGPRP法，分別對大洋水庫應下泄最小生態流量進行計算。

其次，采用大洋水庫近30年還原徑流數據，評價上述各種方法計算結果的合理性，即評價計算結果在該斷面天然徑流過程中滿足設定保證率的程度。若滿足程度明顯超出或者低于設定的保證率要求，則認為該計算方法不適用于大洋水庫。

最后，通過多種方法的對比篩選出適合大洋水庫最小生態流量的計算方法。在滿足設定保證率基礎上，將多種適宜方法計算的最小生態流量的內包線作為該河段的最小生態流量過程。

3 生態流量計算

3.1 計算過程

3.1.1改進的Tennant法

Tennant法[19-21]，也叫蒙大拿法，以河道多年平均徑流量作為基礎，根據不同的需水情況和來水情況，選取一定的頻率計算河道生態流量，通常以年平均流量的10%作為河道最小生態流量。該方法是一種最簡單、最方便的生態流量計算方法，但其計算結果僅為一單一數值，忽略了河流的水文情勢變化，故常作為一種參考或者檢驗方法。

本文采用改進的Tennant法計算最小生態流量，即在Tennant方法的基礎上，將所有年份進行豐(保證率<25%)、平(25%≤保證率≤75%)和枯水年(保證率>75%)分組，并對不同來水年各月份分別計算最小生態流量。

當秋、冬季來水量較小時，應保證河流最小生態流量，即不同來水年下各月多年平均流量的10%分別作為最小生態流量下限。在春夏降雨量較多且正值魚類產卵育幼的季節，應采用不同來水年下各月平均流量的30%作為河流的最小生態流量?；诖?，利用改進的Tennant法最終確定豐、平、枯不同來水年各月最小生態流量過程，計算結果見表1，過程見圖2。

表1 改進的Tennant法計算的不同來水年各月最小生態流量Tab.1 The monthly minimum ecological flow for different water years calculated by the improved Tennant method 單位：m3/s

圖2 改進的Tennant法計算的不同來水年各月最小生態流量過程線Fig.2 The process line of the minimum ecological flow in different water years and months calculated by the improved Tennant method

3.1.2年內展布法

年內展布法[22-23]基于歷史流量資料，以年最小徑流總量與多年平均徑流總量二者之間的比值，得到各月生態流量與各月多年平均徑流量之間的關系，以此確定最小生態流量。該方法克服了Tennant法取多年平均流量的特定比例的主觀性，能夠定量地反映生態流量隨河流水文情勢的變化情況。

統計分析長系列水文徑流資料，利用皮爾遜Ⅲ型曲線，得到不同保證率下的年徑流量，同時為避免極枯與極豐年份數據對計算結果的影響，除去5%以下和95%以上的數據，以確保資料可靠合理。多年平均徑流量、最小年徑流量以及各月最小生態流量計算公式為

(1)

(2)

(3)

Qmin(i)=min(Qij)

(4)

(5)

(6)

根據公式(1)～(4)對大洋水庫應下泄的最小生態流量進行計算，計算結果見表2。

表2 年內展布法計算得到的大洋水庫各月應下泄的最小生態流量Tab.2 The minimum ecological flow that should be discharged from the Dayang reservoir in each month calculated by the spread method during the year 單位：m3/s

3.1.3Q90法

Q90法[24]對各年的月平均流量的最小月份流量值排頻，將其90%保證率下的流量值作為最小生態流量。根據大洋水庫1961—2011年歷史流量數據，獲得歷年月平均流量最小值并進行排頻，算得90%保證率對應的流量即0.019 m3/s，作為大洋水庫應下泄的最小生態流量。

3.1.4改進的頻率法

頻率法[25]是對多年時段流量系列進行頻率分析和配線，建立流量與頻率之間的函數關系，以選定的某一枯水期頻率的流量作為該時段的最小生態流量。

改進的頻率法利用多項式擬合各時段的流量頻率曲線，建立流量與頻率之間的函數關系，并把水深、流速等水力要素作為修正和參考標準因素之一。在滿足這些生態水力要素要求的基礎上，以枯水期頻率計算各月最小生態流量過程。計算過程如下。

對某時段(按旬、季、豐水期、枯水期等時段劃分單位，為方便與其他方法對比，以月為單位進行時段劃分)的多年流量系列從大到小排序計算經驗頻率P，對流量與經驗頻率進行擬合，建立流量q與P之間的函數關系。經驗頻率計算的表達式為

(5)

式中：m為流量按從大到小排序后的序號(計算時為避免特大流量對計算結果造成影響，可將其剔除)；qm為對應m排序的流量；N為樣本序列容量。

各月份的流量頻率擬合效果見圖3。

圖3 大洋水庫不同月份流量頻率擬合效果Fig.3 Comparison diagram of empirical frequency and fitting frequency of discharge of Dayang reservoir in different months

以75%的頻率作為枯水期頻率進行計算，根據流量頻率函數初步推求最小生態流量。以水深、流速作為約束條件，為保持河道的基本生態功能，取本地典型魚類體長的2～3倍記作生態水深；以當地優勢或典型魚類的適宜流速作為生態流速(當地無洄游性魚類，流速要求較小)，確定生態水深為0.3 m，生態流速為0.02 m/s。在生態水力要素的控制下，對頻率曲線法計算的生態流量重新修正，得到修正后各月最小生態流量，見表3。

表3 改進的頻率法計算得到的大洋水庫應下泄的最小生態流量Tab.3 Minimum ecological flow that should be discharged from the Dayang reservoir calculated by the improved frequency method 單位：m3/s

3.1.5NGPRP法

NGPRP[26]法是指基于不同水文年的差別，將水文系列分為豐、平、枯水年組，取平水年組中各月流量90%保證率下的流量值作為最小生態流量。

針對大洋水庫1960—2011年的基本水文資料，基于上文中改進的Tennant法篩選得到的平水年基本數據，對該數據排頻分析，得到90%保證率下的流量0.067 m3/s作為大洋水庫應下泄的各月最小生態流量。

3.2 對比分析

利用上述5種方法計算大洋水庫應下泄的最小生態流量見表4。

表4 不同方法計算的各月最小生態流量Tab.4 Minimum ecological flow calculated by different methods 單位：m3/s

為驗證計算方法的合理性，將5種方法的計算結果與選定保證率為95%的最小生態流量比較分析，以確定適合該研究區域的最小生態流量計算方法。利用1961—2011年95%保證率下的流量數據，不同方法計算結果與95%保證率下的流量對比見圖4。

圖4 不同方法計算結果與95%保證率對比Fig.4 Comparison between calculation results by different methods and 95% guarantee rate

通過對比分析知：改進的Tennant法、Q90法以及NGPRP法的計算結果滿足程度明顯低于95%保證率，結果偏差較大；年內展布法和改進的頻率法得到的各月最小生態流量在95%保證率的流量線處上下波動，滿足程度明顯高于改進的Tennant法、Q90法以及NGPRP法。因此，年內展布法和改進的頻率法更適合于此區域最小生態流量計算，這兩種方法由河道的實際徑流情況推求得到河道不同月份的最小生態流量要求能夠更好地適應生態環境的季節變化特性。

綜上，考慮到在枯水年、枯水季節也應保證河道的最小生態流量，在滿足95%保證率的基礎上，采取年內展布法和改進的頻率法計算最小生態流量，并選取2種方法計算結果的內包線作為大洋水庫各月應下泄的最小生態流量。各月最小生態流量值見表5，其變化過程見圖5。

表5 大洋水庫各月下泄的最小生態流量Tab.5 ecological discharge of Dayang reservoir in each month 單位：m3/s

圖5 大洋水庫各月下泄的最小生態流量Fig.5 Minimum ecological flow of Dayang reservoir in each month

按此思路繼續計算二級和三級電站應下泄的最小生態流量，最終得到盤溪一級電站至四級電站區間所需的各月最小生態流量，計算結果詳見表6。

表6 盤溪梯級電站一級電站至四級電站各月最小生態流量Tab.6 Minimum ecological flow of Panxi cascade hydropower stations I～IV 單位： m3/s

2018年盤溪梯級水電站進行生態改造，取消各級電站對上級電站至本級電站區間來水的截流發電，讓區間來水回歸減脫水河道，增加河道生態流量?！犊N云縣盤溪梯級電站生態示范區(增效擴容改造增值)工程設計報告》資料顯示，一級電站至二級電站區間多年平均流量0.17 m3/s,二級電站至三級電站區間多年平均流量0.25 m3/s，三級電站至四級電站區間多年平均流量0.40 m3/s，加上盤溪一級電站泄放的最小生態流量，均能使各級電站區間保證河道生態需水要求，即大洋水庫按上述計算結果下泄最小生態流量后，補充一級電站至二級電站區間流量0.17 m3/s，可滿足一級電站至二級電站區間最小生態流量要求；同時考慮二級電站至三級電站區間多年平均流量0.25 m3/s后，可滿足二級電站至三級電站區間最小生態流量要求；加之三級電站至四級電站區間的多年平均流量0.40 m3/s，能夠滿足三級電站至四級電站區間處的最小生態流量要求。

4 結 論

采用改進的Tennant法、年內展布法、Q90法、改進的頻率法和NGPRP法等5種方法計算了盤溪一級電站至四級電站最小生態流量，得到如下結論。

以盤溪梯級水電站的大洋水庫為例，采用改進的Tennant法、年內展布法、Q90法、改進的頻率法以及NGPRP法計算最小生態流量。通過進一步的合理性分析，提出年內展布法和改進的頻率法是最適合該地區的最小生態流量計算方法。

在滿足95%保證率的情況下，采取年內展布法和改進的頻率法計算最小生態流量，并選取2種方法的內包線作為大洋水庫各月應下泄的最小生態流量。

經計算得到大洋水庫下泄的最小生態流量下限為0.152 m3/s，即枯水年的枯水月份也應保證下泄該流量。加上一級電站至四級電站各級區間來水后，一級電站至四級電站區間河道最小生態流量均能得到滿足。