水牛家水电站下泄生态流量研究及效果分析

何月萍，张玉杉

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

火溪河系涪江上游左岸的一级支流，发源于岷山山脉南支摩天岭的北侧，河源段大致由南向北流，至大窝凼则转为由西北向东南流，经王朗自然保护区、白马、王坝楚、木座、新益、木皮等地，于平武县城以上9km的铁龙堡处汇入涪江，干流河道长114km，全流域集水面积为1 494km2。火溪河按河道特性区分，王坝楚以上为上游，王坝楚～木座乡为中游，木座乡以下为下游。

水牛家水电站为火溪河龙头水库电站，坝址位于白马乡稿史瑙村赖子湾附近，经9.5km长右岸引水隧洞引水至王坝楚下游平武涪源电冶厂附近建地面厂房发电，库尾上游约10km为王朗自然保护区。

2 下放生态流量的必要性

水牛家水电站采用混合式开发，电站最大引用流量40.8m3/s，水库具多年调节性能。工程建成后若按常规方式运行，坝、厂址间将形成12.7km的减水河段，其中坝址至第一条支沟——磨房沟间4.3km的河段除丰水年8月有少量下泄流量外，其他时间完全脱水。磨房沟至厂址河段由于沿途有洋洞河、大白河沟等支沟汇入，水量逐渐增多，但在总体上流量也较天然状况下明显减少。水牛家坝、厂址以及其间支沟流量见表1。

由于电站减水河段与平武～王朗公路相邻，河段减水，特别是脱水河段的出现将对区域景观的整体美感产生不利影响。因此，水牛家水电站需下放一定的生态流量，维持水生生物的基本生存条件，维护区域自然景观。

3 设计目标

3.1 工程河段生态环境需水要求的基本特点

根据对水牛家水电站工程区环境现状特点的分析，工程河段生态环境需水量主要将满足以下3方面的要求：(1)生态功能——河道中现有的水生生物维持基本栖息地需水要求；(2)资源功能——居民人畜用水、工农业灌溉取水要求；(3)环境功能——河道景观需水要求、河流自净需水要求。

由此分析，水牛家水电站工程河段生态环境需水量的表达式可以简单表达为：

河流系统生态环境需水=MAX{维持栖息地需水，自净需水，景观需水}+人畜生活用水+农业灌溉用水+工业取水-区间汇流。

3.1.1 工程河段水生生物栖息地需水的基本要求

根据对火溪河鱼类现状的调查分析，水牛家水电站所处的火溪河上游王坝楚以上工程河段基本无鱼类，因此水生生物栖息地需水不是工程河段生态环境需水控制性因素。

3.1.2 工程河段自净用水的基本要求

根据对工程河段现有水质污染源和当地工农业规划的情况分析，本工程河段污染源少、水质状况较好，水体自净用水不是控制因素。

表1 火溪河水牛家水电站坝、厂址区间各支沟年、月平均流量 m3/s

3.1.3 工程河段工农业及生活用水要求

根据调查，工程河段有两座小水电站为王坝楚电站及白马电站，王坝楚居民饮用水汲水井受到水牛家水电站运行河段减水的影响，其补偿及供水问题已得到妥善解决。

3.1.4 工程河段景观用水的基本要求

工程所在的白马乡白马藏族风情旅游资源，是平武县主要的人文旅游资源；工程区上游王朗自然保护区为生态旅游区。工程河段左岸为平武～王朗公路，该公路连接王朗自然保护区、白马乡与平武县，并在王坝楚接九环线旅游公路。

鉴于上述原因，减水河段保持能引起视觉效果的流水景观，就成为工程河段生态环境需水的控制性因素。

3.2 设计目标

考虑到目前景观功能尚无理论化和定量化的计算方法，计算景观需水的具体取值采用在当地居民中开展公众参与和有关专家评审相结合的专家系统综合给出。认为河流景观用水优劣有两个主要指标：水质和水量。具体标准见表2。

表2 决定火溪河流景观需水量的主要参数标准

据表2，确定水牛家水电站水域景观保护设计目标为工程运行后减水河段水面面积达到天然河道枯期水面面积的40%以上，河段平均水深达到0.2～0.5m。

4 生态流量的确定

工程河段河谷形态为“U”形宽谷盆地夹峡谷，沿程河槽形态变化不大，且河床稳定，历年冲淤变化很小。根据对实测大断面资料及水文资料情况分析，选取坝址水尺断面作为研究断面，计算各水力参数，并得到生态环境需水的推荐值；以电站厂房附近王坝楚断面作为校核断面，验证生态环境需水推荐值的可行性。

4.1 减水段生态环境需水量推荐值

针对水牛家坝址水尺断面初步拟定9种下泄流量方案，其中方案4为国家发改委、水利部“全国水资源综合规划环境用水要求”所推荐的流量值1.32m3/s(为坝址断面多年平均流量的10%)；方案5为下游阴坪电站下泄生态流量。

根据水牛家坝址实测大断面图、水位～面积关系线见图1；水位～流量关系线见图2，计算得到各下泄方案相应的水面宽度、水深及水面宽增量比变化趋势，见表3、图3、图4。

由表3、图3、4可见，当坝址断面下泄流量为1.32m3/s时，对应的水面宽、平均水深分别为3.6m、0.22m。当将下泄流量提高到1.50m3/s时，水面宽曲线及增量比曲线出现明显的拐点，水面宽扩展为5.0m，水面宽增量比达到7.78；继续增加下泄流量，水面宽增量比逐渐下降，可以认为下泄1.50m3/s最为经济有效。据此，将1.50m3/s作为水牛家生态环境需水流量的初步推荐值。

4.2 下泄生态流量效果分析

水牛家坝址以下至厂房区间河段两岸依次分布有磨房沟、洋洞河及大白河沟3条较大支沟。工程运行后如不下泄生态流量，则减水河段各段的流量见表4。

如果坝址处下泄1.50m3/s生态流量，则减水河段各段流量见表5。

根据王坝楚断面的大断面图及水位～面积曲线(见图5)、水位流量关系线(见图6)，计算出工程河段在下泄1.50m3/s生态流量后的各水力参数值见表6。

表3 水牛家坝址各下泄流量方案分析

图1 水牛家坝址水尺大断面

图2 水牛家坝址水尺断面水位流量关系

图3 水牛家坝址下泄流量～水面宽关系线

图4 水牛家坝址水面宽～下泄流量增量比曲线

图5 火溪河王坝楚水文站大断面

图6 火溪河王坝楚水文站水位—流量关系

位 置距坝距离/km平均流量/m3·s-15月6月7月8月9月10月11月12月1月2月3月4月全年汛期(5～10月)枯期(11～4月)磨房沟口下4.30.610.70.930.910.860.660.440.330.280.260.270.390.550.780.33洋洞河口下9.52.572.983.953.853.642.81.861.41.191.11.141.662.353.301.39大白河口下12.13.484.045.355.214.933.792.521.891.611.491.542.253.184.471.88

表5 水牛家水电站下泄1.50m3/s流量后减水河段流量

表6 水牛家水电站下泄1.50m3/s流量后工程河段水力参数

由表6可见，当坝址处下泄1.50m3/s生态流量后，坝址断面、王坝楚断面枯期水面宽分别达到工程建设前的36.8%、79.2%，平均水深在0.2～0.5m之间，减水河段水面面积达到工程建设前枯期水面面积的61.1%，满足火溪河景观需水的主要参数指标要求(见表3)。据此，认为坝址断面下泄1.50m3/s生态流量能够较好地满足火溪河生态环境需水要求，是可行的。

5 生态泄流措施方案

5.1 生态泄流措施方案

水牛家水电站采用混合式开发，最大坝高108m，坝型为碎石土心墙堆石坝，若生态泄流措施采用水管穿越坝体，则可能对大坝的防渗、抗震的安全性产生影响，因此，拟由1号施工支洞处引水，通过1号施工支洞将水引至洞口外侧临河附近，流经小型发电机组后泄流。该方案取水点位于水牛家水电站引水隧洞的起始段，引水后对隧洞内水的流速、水头影响较小，且经环保电站泄流在合理利用水能资源的同时，也起到了消能作用，可减轻泄流对河床的冲刷，在技术上经济、可行。

5.2 生态泄流电站水工建筑物布置

5.2.1 引水系统

环保电站压力管道布置于水牛家水电站大坝下游，电站从引水隧洞1号施工支洞取水，引用流量1.50m3/s，引至洞口，绕过泄洪陡槽雾化区至临河厂房。该段河谷宽阔，河水面高程2 155～2 156m。

河谷右岸山体雄厚，谷坡陡峻，自然坡度一般50°～75°，厂房地基由上部冲积含砂卵砾石和下部冲积砂土质卵砾石及冲积含漂砂土卵砾石组成，力学强度较高，能够满足基础承载和变形要求。

压力管道总长795.088m，一共9个镇墩。(管)0+000.000～(管)0+463.848m段为明管，转弯处设有镇墩，每5m设一个支墩，管道左边设浆砌石踏步；(管)0+463.848～(管)0+795.088m段为沟埋管，转弯处设有镇墩，钢管外包1.9m×1.9m的C20混凝土，两侧用砂石回填。压力管道管径900mm，管材采用16MnR，壁厚8mm；压力管道共设4个波纹补偿器，满足地基的不均匀沉降。

5.2.2 厂房布置

电站为引水式地面厂房，厂房布置在火溪河右岸临河的阶地上，厂房地基由上部冲积含砂卵砾石和下部冲积砂土质卵砾石及冲积含漂砂土卵砾石组成，力学强度较高，能够满足基础承载和变形要求。厂区枢纽由主厂房、副厂房、防洪墙、尾水平台及尾水渠等建筑物组成。厂房右侧为主机间，左侧为安装间，副厂房平行布置在主厂房上游侧。安装间左侧布置回车场与进厂公路连接，进厂公路外接水牛家引水隧洞1号支洞施工公路。外地坪高程为2 154.50m。

厂房内安装一台卧式金属蜗壳混流式水轮发电机组，装机容量1 000kW，采用机组轴线与厂房纵轴线平行而与进水压力钢管中心线垂直的布置方式。主厂房总长24.00m(其中主机间、安装间各12.00m)，净宽11.00m；屋顶高程2 165.50m,机组安装高程2 155.50m,发电机层高程2 154.50m;防洪墙顶高程2 461.50m，左、右侧防洪墙嵌入基岩中；厂房建基高程2 148.00m。厂内安装桥式吊车一台；副厂房长24.00m，净宽5.00m，高8.00m；主、副厂房发电机层同高。尾水平台高程2 156.50m，宽1.70m。

6 结 论

水牛家水电站采用混合式开发，水库具多年调节性能。工程建成后若按常规方式运行，坝、厂址间将形成12.7km的减水河段。

根据水牛家水电站工程区环境现状特点分析，工程河段基本无鱼类分布，工农业生产生活用水需求已得到妥善解决。因此减水河段保持能引起视觉效果的流水景观，就成为工程河段生态环境需水的控制性因素。本文采用在当地居民中开展公众参与和有关专家评审，确定水牛家水电站水域景观保护设计目标为工程运行后减水河段水面面积达到天然河道枯期水面面积的40%以上，河段平均水深达到0.2～0.5m。

针对水牛家坝址水尺断面初步拟定了9种下泄流量方案，将1.50m3/s作为水牛家生态环境需水流量的初步推荐值。当坝址处下泄1.50m3/s生态流量后，坝址断面、王坝楚断面枯期水面宽分别达到工程建设前的36.8%、79.2%，平均水深在0.2～0.5m之间，减水河段水面面积达到工程建设前枯期水面面积的61.1%，满足火溪河景观需水的主要参数指标要求。根据水牛家水电站的工程特点，为修建环保电站提出生态泄流措施，在下泄生态流量的同时合理利用水能资源。