淳化縣茨坪水電站生態流量計算分析

夏煥清,馬 康,霍秀秀

(咸陽水文水資源勘測中心,陜西 咸陽 712000)

1 概況

1.1 茨坪水電站概況

淳化縣茨坪水電站位于陜西省淳化縣馬家鎮涇河干流上,是流域內進行重點梯級開發的地段,茨坪水電站亦為其中的一個梯級,也是涇河東莊水庫上游小水電規劃中梯級開發的最后一級水電站。電站為徑流式引水電站,電站用水靠天然徑流,以涇河地表水作為取水水源,屬河道內取用水。隨著水資源開發利用程度的增加,需要以改善水環境為核心,重點解決河道與水電生態流量泄放的問題。

1.2 控制斷面的選取

經過調研和分析,茨坪水電站為徑流式引水電站,電站利用攔河壩抬高上游河床水位,通過引水渠、輸水隧洞、壓力前池和壓力鋼管引水發電,故選擇茨坪電站攔河壩為生態流量控制斷面,坐標:東經108°27′00″,北緯34°47′42.66″。該控制斷面避開死水區、回水區,且該處河床穩定、河段順直、水流平穩,在充分考慮交通狀況、經濟條件和實施安全的基礎上,重點考慮水文資料是否容易獲取,確保后期生態流量監測的可行性和準確性。

1.3 區域概況及水資源開發利用概況

根據《2020年陜西省水資源公報》,咸陽市水資源總量8.43億 m3,地表水資源總量4.68億 m3,地下水水資源量6.70億 m3,重復計算量為2.95億 m3。咸陽市年平均降水量574.0 mm,低于全省年平均656.2 mm的水平。

區域內河流眾多,但水力資源蘊藏量有限,唯涇河早飯頭—張家山峽谷,落差大,水流急,曲流深切,常流量足,水能資源十分豐富,具有相當大的開發價值,其河段區間內開發有多個小水電站,而茨坪電站則是位于涇河早飯頭—張家山峽谷段。

根據調查,陜西省涇河流域已建防洪工程共15 429 m,河道整治工程19處,其中丁壩41座、磨盤壩35座、順壩長260 m、導流堤3處,長1 884 m,工程主要分布于長武、彬縣及涇陽境內。陜西省涇河流域已建成水庫40座,總庫容1.67億 m3,現狀供水能力0.72億 m3;引水工程140座,現狀供水能力2.75億 m3;提水工程831座,現狀供水能力0.45億 m3。集雨工程5 211座,年利用量37.66萬 m3。

2 電站來水量分析

2.1 依據的資料與方法

淳化縣茨坪水電站工程位于淳化縣邊界涇河淳化縣一側,控制斷面選擇在茨坪水電站攔河壩位置。取水位置距涇河張家山水文站測驗斷面較近,故采用該站資料進行水量分析計算。

2.1.1 參證站的基本情況

張家山水文站為涇河下游干流控制站,系一類精度水文站,國家重要站,中央報汛站。上游建有景村水文站,下游建有桃園(二)站。1922年為修建引涇工程,民國陜西渭北水利工程局在涇陽縣張家山設立二龍王廟站進行涇河水位、流量、含沙量測驗,1925年停測。1930年10月涇惠渠施工建設,改在張家山水磨橋恢復水文測驗,自1932年1月起有連續水文記載,黃河水利委員會根據資料定1932年1月為張家山水文站建站日期,資料名稱為張家山(一)。1952年6月測驗斷面下遷2 700 m,資料名稱為張家山(二),站址位于涇陽縣王橋鎮岳家坡村趙家溝,東經108°36′,北緯34°38′。集水面積43 216 km2,控制河長397 km,河流平均比降2.78‰,距河口里程58 km。

測驗河段比較順直。砂卵石河床,兩岸為沙質土壤,窄深河槽,沖淤變化不大?；舅邤嗝嫔?、下游約300 m均有彎道?；舅呱嫌渭s4 km有涇惠渠大壩,最大引水量52 m3/s,閘門啟閉影響河道水位。涇惠渠斷面位于進水口下游1 250 m,野狐橋下游40 m處,順直無沖淤變化。進水口下游30 m處有一退水閘,2 km處有3號退水閘,均在基本水尺斷面以上匯入河道。測驗項目有水位、流量、泥沙、水溫、降水、蒸發、墑情。

2.1.2 “三性分析”

1)可靠性分析

張家山站資料實測序列完整,數據經過在站整編,分局初審、省局復審、流域機關匯審和全國終審,最終形成水文年鑒整編成果,資料質量可靠。

2)一致性分析

資料一致性是指一個系列不同時期的資料成因應相同。水文頻率計算洪水資料必須具有一致性,也就是各年洪水的流域產流、匯流條件應保持基本相同。當流域內修建水庫、跨流域引水、分洪等工程及水文站遷移都會影響洪水資料的一致性。

20世紀80年代以來,涇河流域由于人類活動改變了流域下墊面條件,導致入滲、徑流、蒸發等水平衡要素發生一定的變化,從而造成涇河徑流的減少。下墊面變化對產流的影響非常復雜,如水土保持生態建設,改變了當地的下墊面條件,造成同等降水條件下產流量有所減少;地下水開采量增加,改變了地表水和地下水之間的轉換關系;大量水利工程的建設,增加了水面蒸發損失量等。人類活動影響了水文系列的一致性,必須進行系列一致性處理?！饵S河流域水資源綜合規劃》中,對1956年～2000年的河川徑流系列進行了還原計算和一致性處理。針對涇河實際情況,天然徑流量系列一致性處理主要采用《黃河流域(片)水資源綜合規劃技術細則》中提出的降水徑流關系方法,結合水土保持建設、地下水開采對地表水影響、水利工程建設引起的水面蒸發附加損失等因素成因分析方法,綜合進行分析計算。

水土保持影響量主要修正1956-1969年時段,地下水開采影響量主要修正1956-1989年時段,水利工程影響量修正水利工程投入運用以前時段。

張家山水文站-致性處理前后的天然徑流見表1,一致性處理前后天然徑流量多年平均情況下的年內分配過程見表2。

表1 張家山站一致性處理前后天然徑流量 億 m3

表2 張家山站一致性處理前后天然徑流量年內分配 億 m3

3)代表性分析

(1)徑流系列

從張家山站1932-2010年系列系列天然徑流過程線(見圖1)及1932-2010年系列的5年滑動平均過程線擬合分析(見圖2),張家山站天然徑流量具有弱的遞減趨勢性特征。

圖1 張家山站1932-2010年系列天然徑流過程線

圖2 張家山站1932-2010年5a滑動平均過程線

圖3和圖4分別給出了張家山水文站1932-2010年系列和1956-2000年系列模比系數差積曲線,可以看出,涇河1932-2010年間,1944-1949年,處于連續偏豐水時段;1950-1957年,處于連續平偏枯水時段;1963-1969年,處于連續偏豐水時段;1985-2002年處于連續偏枯時段,在2003年出現一次豐水年份,2004-2010年為連續偏枯時段。比較圖3與圖4,可見長短系列的累積模比系數具有較強的一致性,短系列中具有長系列中的豐、枯水年份及連續豐水和枯水的時段,1956-2000年系列具有一定的代表性。

圖3 張家山站79年徑流系列模比系數差積曲線

圖4 張家山站45年徑流系列模比系數差積曲線

(2)兩系列均值與變差系數比較

表3為涇河張家山水文站1932-2010年不同系列均值與變差系數Cv值的比較情況?？梢钥闯?1956-2000年系列多年平均徑流量比1932-2010年系列多0.53億 m3,僅占1932-2010年系列徑流量的2.9%,長短系列的Cv值基本一致。通過兩系列均值與Cv值對比結果,說明1956-2000年系列具有一定的代表性。1956-2000年和1932-2010年年徑流量頻率曲線分別見圖5和圖6。

圖6 張家山站79年天然徑流量頻率曲線

圖7 張家山站最枯月平均流量P-Ⅲ曲線圖

表3 張家山站不同系列均值與Cv值比較

鑒于1956-2000年系列張家山站天然徑流量與1932-2010年系列成果比較接近,而且1956-2000年系列進行了一致性處理;另考慮到黃河水資源配置和可供水量的確定是以1956-2000年45年系列成果為依據進行分析的,而且1956-2000年系列已經通過了水利部的認定,故選用徑流系列采用1956-2000年45 a系列是合適的。即根據還原后的成果,張家山站的多年天然河川徑流量為18.49億 m3,還原后的徑流系列為天然徑流系列。

2.2 電站來水量計算

控制斷面年徑流采用水文比擬法進行計算,依據張家山站徑流量按下式進行比擬計算。

W設=F設/F參×w參×P設/P參

(1)

式中:W設為設計流域年徑流量,m3;F設為設計流域流域面積,km2;F參為參證站流域面積,km2;W參為參證站站年徑流量,m3;P設為設計流域年降水量,mm;P參為參證站年降水量,mm。

依據張家山站的天然徑流量系列資料,通過P-Ⅲ頻率曲線,計算不同頻率的年徑流量成果。茨坪水電站壩址以上流域面積為42 110 km2,張家山站控制斷面以上流域面積40 281 km2,與茨坪電站壩址以上流域面積分別相差2.56%,流域面雨量近似相等,經計算茨坪水電站處多年平均徑流量為18.02億 m3。

3 電站生態流量計算

3.1 Tennant法

利用還原后的張家山站天然徑流量數據,利用徑流量計算公式:W=Q·T推求出張家山站的多年平均流量分別為58.6 m3/s。

3.2 不同頻率最枯月平均值法(QP法)

從收集到的張家山站逐年平均流量資料中挑選出最枯月平均流量資料和最枯日平均流量資料,并繪制最枯月平均流量資料和最枯日平均流量頻率曲線。根據頻率曲線,計算出張家山站的90%保證率的最枯月平均流量分別為9.54 m3/s;張家山站的90%保證率的最枯日平均流量分別為2.61 m3/s。

3.3 近10a最枯月平均流量法

選用張家山站2012-2021年共計10 a最枯月平均流量系列資料,計算得出張家山站近10 a最枯月平均流量分別為18.3 m3/s。

3.4 不同方法的生態流量小結

由控制斷面多年平均徑流量與張家山多年平均徑流量的比值K張=0.974,乘以張家山站逐年、逐月、逐日徑流量,即為控制斷面相應的年、月、日徑流量。

3.5 生態流量確定

(1)近10 a最枯月平均流量法適用于缺乏長系列資料的情況,本次計算使用的張家山水文資料有長系列(n>30 a)資料(1956-2000年),且該方法使用資料系列較短,受短期內豐枯變化影響較大,故本次生態流量確定首先排除代表性較差的近10年最枯月平均流量法。

(2)Tennant法均適用于有長系列水文資料的計算,也適用于北方常年性河流;該方法作為經驗公式,主要適用于北溫帶較大的、常年性河流,作為河流規劃目標管理、戰略性管理方法,在我國南方水量較大的常年性河流的生態流量計算中應用較多。綜合考慮涇河季節性河流的特點,枯水季時水量較小,該方法不適合干旱地區季節性河流;又由于它沒有考慮河流的幾何形態對流量的影響,也未考慮到流量變化大等河流特性,故本次Tennant法計算成果不予采用。

(3)不同頻率最枯月平均值法(QP法),本次計算分別選取了90%保證率最枯月平均流量和90%保證率最枯日平均流量。其中采用90%保證率最枯月平均流量計算的茨坪水電站生態流量為9.29 m3/s,考慮到茨坪水電站的經濟效益和下游減水河段生態環境需水量不大,該方法不予采納。

為確保涇河生態環境的持續發展,結合控制斷面徑流特征、生態狀況及區域內水資源特點和開發利用現狀,本次計算成果采用90%保證率最枯日平均流量作為茨坪電站的生態流量,即2.61 m3/s。

4 結語

4.1 結論

本次分析在收集茨坪水電站竣工驗收設計工作報告資料和張家山站的實測水文數據的基礎上,對茨坪水電站開展了現場調研,實地了解電站生態流量泄放、下游河道減水情況,然后采用張家山站實測水文數據資料對小水電站開展生態流量計算分析,得到茨坪水電站攔河壩控制斷面的生態流量為2.61 m3/s。

4.2 建議

(1)加強涇河流域內梯級水庫水電站(群)統一運行調度,建立水庫水電站群、水庫水電站生態補償機制及利益均衡策略,解決水資源開發利用多主體投入產出關系、上下游生態環境用水與經濟用水、社會公平等之間日益突出的矛盾。

(2)加強河流生態功能區劃規劃與監管,設計劃定河流生態基流關鍵控制斷面及其閾值管理目標,強化河流開發利用中的景觀文化多樣性規劃設計,促進山川秀美之目標實現。

(3)加強河流濕地生態區保護,強化水庫水電站生態功能設計與調度研究,設立水庫水電站下游河道河岸線控制管理“紅線”,并根據水生生物的生活繁衍習性,通過人造洪峰調度方式對河道下游水生生物及魚類資源進行保護,實施水庫生態調度,保障水庫水電站下游泄洪安全、居民取用水安全與生態景觀安全。

(4)加快建設過魚設施、魚類增殖放流站、棲息地保護等措施,保護河段魚類資源和洄游通道。

(5)督促要求小水電站選擇合適的生態流量監測點,充分利用已經安裝監測設施,實現實時在線監測,同時借助咸陽市小水電生態流量監管信息平臺,實時在線查看站點監測信息并向上級監管部門開放相關實時監測數據。