小水電下泄生態流量計算方法研究進展

王志華，何艷虎，，劉樹鋒，關 帥

(1．廣東工業大學生態環境與資源學院，廣東 廣州 510006；2．廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635)

0 引 言

隨著人口數量持續增加，河道外的用水需求不斷加大，河流的水資源開發利用程度也越來越高，水壩、水電站、水庫等水利工程的修筑，不僅改變了河流的水力學性質，而且影響了河流的流速和其中的水生生物。由于無法保證河流中的最小生態流量，造成水生生物多樣性的減少，威脅河流水生態安全[1]。其中，小型水電站由于數量眾多、分布廣泛成為社會焦點。如何實現小水電綠色發展，進行生態流量的確定、泄放、監測和調度，是當前研究的熱點。

水電裝機容量是指水電站中全部水力發電機組額定功率的總和，是衡量水電站規模和電力生產能力的主要指標，我國將小水電定義為裝機容量在50 000 kW及以下的小型水電站或水力發電裝置。

小水電是重要的可再生能源，是實現雙碳目標的重要措施之一。自20世紀70年代以來，我國已建成小型水電站4萬余座，總裝機容量達8 000多萬kW，約占全國水電總裝機量的22%[2]。小水電的大量開發對于解決偏遠農村地區的用電問題，在實現節能減排和提升農民生活質量方面發揮著重要作用；但隨著經濟社會的不斷發展和人民生活水平的不斷提高，小水電截流蓄水發電引起的下游水資源枯竭、水質惡化、縱向連通性喪失、生境退化和生物群落組成簡化等負面影響也逐漸顯露。

小水電大多是私營的盈利性發電站，在枯水期蓄水發電的方式會破壞河道生態，導致水生生物多樣性受到威脅，破壞生態系統的穩定性。在智利拉哈河和魯庫埃河的研究中發現[3]，引水式水電站會對魚類群落產生重大影響，導致魚類群落數量減少；類似的結論也在羅馬尼亞喀爾巴阡山脈研究中得到確認[4]，大量建設小水電威脅河流中水生生物多樣性，特別對鱒魚和牛頭魚影響最為嚴重，棲息地僅存約38%。在濕潤多雨的區域，單座小水電站的影響并不明顯，如西班牙西北部的4座小水電站的監測研究[5]，短期內沒有顯著影響河流的物理和化學特性，也沒有改變底棲大型無脊椎動物的組成。然而，多座小水電的梯級開發可能忽視大規模生態和進化過程，河流流速降低，水質下降，導致遺傳多樣性降低，適應性減弱，增加局部滅絕的風險。

鑒于小水電的負面影響，2014年起，我國開始重視綠色水電開發，各省相繼出臺相關政策，并加強中小水電管理；2017年發布了《綠色小水電評價標準》，并計劃清退和整改近2萬座小水電站，以促進生態系統修復[6]。

小水電的生態環境影響主要體現在水文和生物多樣性兩方面，本文在綜述傳統生態計算方法的基礎上，梳理了小水電下泄生態流量的計算方法研究現狀，并進行了展望。

1 生態流量計算方法概述

生態需水概念最早由美國環保組織于20世紀60年代提出，指生態系統維持功能和生物多樣性所需的水量。英國、澳大利亞等國在80年代接受了河流生態流量概念，并廣泛研究。生態流量是在維持生態系統健康和生物多樣性前提下，滿足水生生物的生存、繁殖和棲息需求，維持水生生態系統功能的水量；減緩小水電對生態環境的影響需確保下游河道的最小生態流量，滿足水生生物的最小生態需水，保持河道生態系統穩定[7]。國際上通用的河道生態環境流量計算方法包括以下4類：水文學法、水力學法、棲息地法和綜合法。

1.1 水文學法

水文學法是一種常用的計算河流生態流量的方法(最早于1976年由美國提出了基于歷史徑流資料的Tenant法)，是利用長期的水文數據來估算生態流量；例如，用平均流量乘以1個百分數，或者用天然流量出現的概率作為保證率[8]；代表性的方法有Tennant法、7Q10法、流量歷時曲線法、Texas法和RVA法等[9]。水文學法的優點在于方法簡單、適應性強，可以利用已有的水文數據進行估算，不需要進行實地監測；缺點在于依賴長序列水文資料，沒有考慮生物過程和需求，同時在季節性河流的計算過程中，尤其是干旱和半干旱流域，計算誤差較大。

1.2 水力學法

水力學法是基于水力學原理，針對缺乏水文數據的區域，把河流的流量變化和河道的形狀、寬度、深度等水力幾何學參數聯系起來，通過收集流量、河道斷面以及目標物種的水力特性等資料來計算生態流量，主要包括濕周法、R2CROSS法和生態水力半徑法[10]。水力學法的優點在于它能夠精確地考慮河道形態和目標物種的需求，對于缺乏水文資料的地區有較好的適用性，從而為河流生態保護提供更為科學的依據。然而，這種方法需要大量的現場測量數據，包括河道的測量以及指示物種的捕獲，這些數據的獲取可能會比較困難，適用于河寬在18～30 m的非季節性河流。

1.3 生境模擬法

通過對水力學的進一步研究，生境模擬法(棲息地法)結合生物學原理，考慮了物種對不同生境的選擇和適應程度，使用物種的棲息地適宜度指數來定量化目標物種對水深、流速、底質、覆蓋物等環境因子的敏感度，通過建立生境適宜性評價標準，借助軟件建立水動力數值模擬模型，模擬不同來水情況下河道內的生境因子，計算不同模擬結果下的生境可利用面積，基于流量—生境可利用面積關系曲線確定生態流量；最代表性的方法是IFIM法[11]。生境模擬法的優點是能夠考慮目標物種的棲息地偏好，能夠預測不同流量下的棲息地質量和數量，并能夠確定維持河流生態系統健康所需的生態流量。但是，生境模擬法也有一些局限性，如只能針對有明確生境偏好的物種，不能反映多物種的生態需求和相互作用，需要大量的水文資料和生境數據，觀測和計算過程較為復雜和耗時，適用于小型湖泊和河流。

1.4 整體分析法

整體分析法，又稱綜合法，通過對河流生態系統的整體分析，確定最小生態需水量；方法包括BBM法、DRIFT法和ELOHA法。BBM法綜合考慮專家意見和生態功能，但需要實測天然日流量系列、專家意見和公眾參與，不易應用。DRIFT法通過模擬不同物種對水文、水力、水質等需求確定生態流量。ELOHA法基于水文資料對每條河流進行分類，確定不同類型河流的流量—生態關系，實現流域內河流生態環境流量管理。整體分析法科學性強，但需要大量水文生態數據，研究周期長，國內應用較少[12]。

1.5 總結

小水電下泄的最小生態流量，是保障下游生態系統和水生生物的重要條件。為了消除減水段的負面影響，需要科學合理地確定生態流量。目前，4類生態流量計算方法各有優缺點，在實際的應用中，需要根據河流特點、物種需求和水文數據等因素，靈活選擇適合實際情況的計算方法，以促進小水電站的可持續發展和河流生態系統的健康。

2 生態流量計算方法的應用

自21世紀初以來，歐美國家的小型水力發電行業已經進入了一個綠色發展的新階段。通過立法、補貼政策以及技術創新等多重措施，這些國家積極推動小水電的可持續發展[13]。此外，借助遙感技術、地理信息系統(GIS)、數值模擬和人工智能的快速發展，數據獲取、分析和處理的效率和準確性也得到顯著提高；這些進展為各地區提供了豐富的生態流量計算案例和生態流量推薦值。當前的研究主要集中在中國和東歐等發展中國家。以東歐的立陶宛為例[14]，該國在2017年首次應用MesoHABSIM棲息地模型，選擇鮭魚和鯉魚等保護物種，計算河流的生態流量。另外，在波蘭維斯瓦河[15]上游的水電站進行生態評估和發電量優化時，采用Tennant法計算得出年平均流量的25%為最佳解決方案。羅馬尼亞[16]在2020年實施了生態流量法案，但其生態流量計算仍然以水文學為基礎。在北瓦濟里斯坦[17]和尼泊爾[18]等地，小水電快速發展，對此進行的研究側重于改進現有方法，以此來適應不同條件下的應用。

傳統生態流量計算方法中，由于水文學法和水力學法操作簡單，應用也最為廣泛，生境模擬法多用于河流中存在明確要求的保護物種，整體分析法由于其費時費力的缺點，應用較少。在小水電的生態流量計算中，對于常年性的大型河流，有著完善的水文資料，適用于水文學法；而分布于偏遠區域的小水電，水文資料缺乏，因此水力學法和生境模擬法在山區小水電生態流量研究較多。

2.1 水文學法

在實際應用中，我國現有省管、市管及縣管河流小水電站的下泄生態流量計算一般取多年平均流量的10%和90%保證率最枯月平均流量法兩種計算方法中的大值，其余河流上的小水電站，由各地結合河道實際情況，自行選擇上述兩種方法的其中一種。因此，在進行小水電生態流量計算時，可以根據已有水文資料進行數據分析，用這兩種方法為標準進行參考。例如，針對云南省臨滄市南汀河大柏樹電站和鎮康縣鳳尾河電站，通過對上游水文站的枯期徑流資料分析[19]，在90%保證率下，用代表年法和長序列法計算引水式電站下泄生態流量，結果表明長序列法更接近天然狀態。

在無資料流域進行小水電生態流量計算時，由于存在下泄流量，根據降雨資料推求的水文數據就失去了參考價值，在此河流上水文學法適用性降低[20]。對于分布在流量較大的常年性河流上的梯級水電站，這類河流通常水文資料比較齊全，計算生態流量時，更適用于水文學法。在東江流域梯級小水電的最小生態流量計算中[21]，采用經驗法和頻率法，并結合Tennant法對核算結果進行評估，認為經驗法和頻率法更適合梯級小水電的最小生態流量核算。對石窟河梯級小水電進行最小生態流量計算時[22]，采用5種水文學方法和水力學方法進行比較，發現Texas法和Tennant法更適合該地區的情況。對比水力學方法，水文學方法更適合在河道比降較大且進行梯級小水電開發的河流中計算最小生態流量。

在小水電綠色轉型階段，全國小水電數量龐大，生態流量的計算工作量大，使用水文學法作為生態流量計算標準，在常年性的大型河流中，監測設備和水文資料完善，參照Tennant法的標準，無論是工作效率，還是選擇下泄流量的靈活性，都更加適合清理整改工作的快速推進。

2.2 水力學法

水力學法中最常用的濕周法和R2CROSS法在計算時都考慮到了河流的水力參數的影響，而R2CROSS法又需要選取河流中的水生生物作為指示物種。如使用R2CROSS法解決雅礱江錦屏二級引水式水電站下游河段減水問題時，需要根據河流的具體情況修訂水力參數，將魚類作為指示物種和保護目標，計算出的生態流量也滿足了魚類生存的水深和水面寬度[23]。位于偏遠山區的小水電站，由于河流豐枯差異大，旱季來臨時，部分水電站會選擇蓄水發電，寬且淺的河道，會導致河流易干涸，減脫水河段嚴重威脅水生生物。同時，山區河流缺乏長序列水文資料，惡劣的環境導致生境法和整體分析法費時費力，因此常使用水力學法來確定生態流量。但在實際應用中，河道崎嶇，河流斷面不規則，在計算時誤差較大，因此需要對河道斷面進行概化工作[24]。

綜合來說，水力學法對計算偏遠區域的小水電生態流量有著較好的應用，不需要長序列的水文數據和生物監測數據，在測量河道水力參數的基礎上，可以快速計算出河道生態流量；并在不斷的發展中將水生植物或無脊椎動物也加入了考慮范圍內，作為指示物種應用于山區河流小水電的生態流量估算。

2.3 生境模擬法

計算小水電生態流量時，考慮對下游水生生物的保護，通過模擬下游生態環境，選取保護物種，確定適宜保護物種生存的流量。例如，張麗等在廣西大環江下湘電站下游河段[25]，選取鯉魚作為研究對象，采用生境模擬法分析了不同流量條件下的生境面積變化；結果表明，生境模擬法確定的最小生態流量和最佳生態流量均顯著高于最枯月平均流量法和Tennant法30%水平的計算值。生境模擬法的關鍵在于使用模擬軟件建立起生境面積與流量之間的關系曲線，除Mike軟件外，River2D模型也經常被用來進行水動力和魚類有效棲息地的計算與模擬，計算引水式小水電下游減水段最小生態流量，修復減脫水河段生態系統[26]。對于缺乏魚類資料的研究區域，利用底棲動物的豐富度和生物多樣性對適宜棲息地水深、流速的需求，將生境模擬法中的生境因子與生物多樣性聯系起來，模擬不同流量工況下，流量與生境面積的變化情況，計算減脫水河段底棲動物的適宜生態流量和最小生態流量[27]。

生態流量計算的目的在于減少減脫水河段對于水生生物的影響，使用生境模擬法計算出的適宜生態流量和最小生態流量，能夠根據選定生物的選擇不同的生態流量，起到重要的保護作用，更適用于有著珍稀物種或生態保護目標的河流；但更適合的結果，意味著更大的工作量，無論對于梯級水電站，還是偏遠山區，工作周期均過長，在短時間的小水電清理整改工作中應用較少。

3 結 論

現階段正是小水電清理整改的關鍵時刻，水文學法由于簡單易行的特點，在小水電清理整改的過程能極大提高效率，并且可以利用現有的水文站點進行監測，不需要額外的監測設備。生境模擬法能夠考慮小水電下游目標物種的生境偏好，預測不同流量下的棲息地數量和質量，根據保護物種的不同，確定不同的生態流量。水力學法用于缺乏水文資料的偏遠地區小水電，通過現場測量河道水力參數獲取數據，也在一定程度上考慮了水生生物的需求。生態流量作為小水電清理整改的重要影響因素，必須因地制宜，選擇符合實情的計算方法，才能兼顧環境效益和經濟效益，為小水電的綠色轉型提供科學依據。

4 結 語

小水電曾為偏遠地區的脫貧做出巨大貢獻，但現在卻面臨著全面清理整改的壓力。在黨中央將“碳達峰、碳中和”作為生態文明建設和“十四五”發展的重要目標后，小水電行業迎來了新的挑戰。小水電在當前的發展中依然存在許多問題，這也是實現節能減排、綠色轉型必須解決的問題。

4.1 存在的問題

(1)針對單個工程的小水電生態影響研究，其研究區域受到限制，難以反映中小型河流上梯級小水電無序開發對生態系統的累積效應，以及全流域水量減少的影響。為了揭示這一問題的本質和規律，亟需從流域尺度出發，開展生態調度的理論和方法研究。

(2)針對山區河流小水電生態流量計算方法的研究較為缺乏。南北方地質、氣候等特征差異大，北方需水研究多于南方，但南方山區河流缺乏水文資料，常規方法不適用，需要開發更準確的適用于山區河流的生態流量計算方法。

(3)目前，生態流量的確定多以水文學方法為基礎，但缺乏后續的監測評估，無法有效驗證生態流量是否滿足水生生物的生存需求。因此，后續的長期監測跟蹤有助于保證河流生態系統的健康與穩定。

4.2 研究展望

(1)當前對于不同的河流類型、生態目標和數據條件，對生態流量的計算方法和標準應有不同的要求和適用性。因此，建立適用于不同河流類型、生態目標和數據條件的生態流量計算方法和標準是提高小水電下泄生態流量科學性的重要措施。

(2)當前小水電的生態流量泄放研究主要關注生態效益，而忽視了經濟效益。未來的研究需要進一步探討生態流量泄放對經濟的影響，同時建立監督管理平臺，以實現小水電的精細化管理；綜合考慮經濟效益和生態效益，推動小水電的可持續發展。