水利水电工程生态流量研究综述

李 雪，彭金涛，童 伟

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)



水利水电工程生态流量研究综述

李 雪，彭金涛，童 伟

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

归纳了河流生态流量的计算方法和生态流量的泄放措施，指出了各自的优缺点，并在介绍了国内外生态流量的取值范围的基础上，总结了我国部分水利水电工程的生态流量及下泄方式，最后分析了生态流量的计算方法和下泄措施等方面存在的问题，并进行了探讨。

生态流量；计算方法；泄放方式

0 引 言

随着我国水电技术进步以及能源需求持续增长，水电开发近十年呈加速度发展。然而，水电开发也会带来不可避免的生态影响，其中引水式和混合式电站运行期以及堤坝式电站初期蓄水及调峰运行将使坝下河段水文情势发生变化，形成减(脱)水河段，将对河道的综合功能造成不利影响。如20世纪80～90年代的黄河下游，由于不利的来水来沙条件和过度的水资源开发利用，黄河持续断流，断流时间最长的1997年达226天，断流长度600多km，带来河床不断抬升、河道严重萎缩等一系列生态灾难[1]。目前，国家要求在积极支持水电发展的同时，对相应的生态保护工作非常重视，并将其作为水电开发的前提条件。《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》[2]已明确提出：“在做好生态保护和移民安置的前提下积极发展水电,重点推进西南地区大型水电站建设，因地制宜开发中小河流水能资源,科学规划建设抽水蓄能电站”。为引导河流生态系统的良性演进和维持健康的河流生态系统，水电水利工程必须下泄一定的生态需水量，并将其纳入工程水资源配置中统筹考虑，使河流水电动能经济规模和水资源配置向“绿色”方向发展[3]。

1 生态需水量的计算依据和方法

为贯彻落实中共中央十六届五中全会提出的“在保护生态基础上有序开发水电”的要求，进一步规范水电水利建设项目水生生态与水环境影响评价工作，国家环境保护总局办公厅和环境影响评价管理司先后发布了《关于印发水电水利建设项目水环境与水生生态保护技术政策研讨会议纪要》的函(环办函[2006]11号文)和“关于印发《水电水利建设项目生态用水、低温水和过鱼设施环境影响评价技术指南(试行)》的函”(环评函[2006]4号文)。《纪要》明确规定“为维护河段水生生态系统稳定，水利水电工程必须下泄一定的生态流量，将其纳入工程水资源综合配置中统筹考虑”。且指出：生态流量需要考虑以下因素：工农业生产及生活需水量，维持水生生态系统稳定所需水量，维持河道水质的最小稀释净化水量，维持河口泥沙冲淤平衡和防止咸潮上溯所需水量，水面蒸散量、维持地下水位动态平衡补给需水，航运、景观和水上娱乐环境需水量和河道外生态需水量。

根据对全球生态需水量方法现状的考察，有记载的独立方法总数达200多种。这些方法可以分类为水文学方法、水力学方法、生物栖息地法和生态水力学法。在此对这些方法分别作简要介绍。

(1)水文学法：以历史监测数据为基础，采用固定流量百分数的形式给出流量推荐值，通过这些推荐值来表示维持河流不同生态环境功能的最小生态流量。其代表方法有Tennant法[4]、径流时段分析法、7Q10法、基本流量法[5-7]。

(2)水力学法：通过计算不同流量状态下河道的水力参数，当参数满足某种标准或假设时的流量即为最小生态流量。其计算以确定河道几何形态为基础，需要野外实测和分析工作，包括了更为具体的河流信息，能更好的反映河流生态发展的本质需求。最常用的水力学法有：湿周法[8]、R2-Cross法[9]。

(3)生态水力学法：由影响主要水力生境参数和影响主要水力形态参数两个基本模块组成。该方法由于考虑了水力生境参数的全河段变化情况，避免了因某一段减水河段参数偏低,而该段在整个减水河段中所占比重非常小，单凭最低值进行判断所造成的判断失误，因此，计算结果更具全面性。

(4)生境模拟法：根据指示物种所需的水力条件确定河流流量，适用于大中型河流内的水生生物生态流量的计算，但是不适用于无脊椎动物和植物物种的分析。该方法与其他方法存在结果较复杂、实施耗费的资源大等不足。

上述这些方法都假定河流生态状况健康性与水文特征或水力参数相对应，以其中一个或多个指标表征，各类计算方法的区别见表1。

表1 4种河道生态需水计算方法主要区别

2 国内外河流生态需水量的取值范围

2.1 国外河流生态流量的取值方法

(1)美国。美国规定河道内大多数水生生物在主要生长期优良的栖息条件和多数娱乐用途所推荐的径流量为P=50%频率下的河道径流量的60%，而保持大多数水生动物有良好的栖息条件和一般的娱乐活动所推荐的基本径流量为P=50%频率下河道径流量的30%～60%。河道内径流为P=50%频率下河道流量的10%，是保持大多数水生生物在全年生存所推荐的最低径流量。另一项规定是采用P=90%频率下最枯连续7天的平均水量作为河流最小流量设计值。

(2)法国。《乡村法》规定：河流最低环境流量不应小于多年平均流量的 1/10；对于所有河流，或者部分河流，如果其多年平均流量大于 80 m3/s 时，政府可以给每条河制定法规，但最低流量的下限不得低于多年平均流量的1/20。

(3)日本。日本定义河川维持正常机能下所必要之流量称“正常流量”，另对于河川欲维持航运、渔业、景观、盐害防治、河口闭塞防治、河川管理设施维护、地下水位维持及保育动植物等功能综合考虑下必要之最小流量则为“维持流量”，其以各地河川之正常流量能维持 10 年內最大枯水期(最低旬流量)为原则。

2.2 国内河流生态流量的取值标准

目前国内水利水电项目的环境影响评价中对生态流量的确定往往依据国家环境保护总局办公厅发布的《关于印发水电水利建设项目水环境与水生生态保护技术政策研讨会议纪要》的函(环办函[2006]11号文)的指导意见，“维持水生生态系统稳定所需水量一般不应小于河道控制断面多年平均流量的10% (当多年平均流量大于80 m3/s时按5 %取用)”。水资源论证中对生态流量的确定往往依据《建设项目水资源论证导则(试行)》(SL/322-2005)规定的“生态流量取用多年平均流量的10%～20%的要求”。

但是，每条河流的自然状况以及流域的社会经济状况千差万别，需要因地制宜地确定维持河道基本功能的需水量标准。水利部门根据河流所处的不同地区，提出了确定河流生态流量的不同方法[1]。

(1)长江流域：生态基流一般采用90%或95%保证率最枯月河流平均流量。

(2)海河流域：生态基流量：高方案为21 252×108m3/a，中方案为13 179×108m3/a,低方案为6 932×108m3/a。在高中低方案中，生态基流量的最大值均在8月份，最小值均在2月份。

(3)珠江流域：维持河道基流为多年平均流量的40%～60%，可以保障河流生态和生命系统的基本健康。按此估算，珠江水系生态需水量至少应在1 500亿m3左右。

(4) 辽河流域：最小生态流量自上而下，由东西辽河 8%～10%，递减为辽河干流 5%～9%，维持河道规模从 40%～70%，递减为 40%以下。适宜生态流量上游西辽河 19%～23%，下游干流 25%左右，比对应最小生态流量高 11%～19%，下游的差距高于上游。

2.3 部分水利水电工程生态需水量

目前，国家已对筑坝河流最小生态需水量作出了硬性要求，对于减缓水利水电工程对河流生态系统不利影响起到了非常积极的作用，同时也大大促进了水利水电工程在规划、设计、建设和运行各阶段专业人员环保意识的提高。近年来，新建水利水电工程在环境影响评价设计中均提出了生态需水量保障措施设计的相关内容。我国部分水利水电工程生态基流情况见表2。

表2 部分水利水电工程生态基流及下泄方式

3 生态需水量泄放措施

3.1 初期蓄水期生态需水量泄流

水库蓄水初期，生态需水量泄放措施不仅需要依据工程特点和施工组织设计来进行设置，也需要考虑措施的可行性和经济性。

通常，采用导流洞导流的工程，可采用在导流洞上设置生态流量放水管，或者通过泵站抽水方式解决。采用分期导流的工程，可在蓄水初期依靠控制一期工程导流设施(导流孔数目、闸门封闭程度)来泄放生态流量，直至水库水位升至可由泄水建筑物和引水建筑物泄放生态流量的水位。

3.2 运行期生态需水量泄放

运行期通常采用的泄流方式有闸门泄流、坝体埋管泄流、放空洞泄流、引水洞泄流以及发电小机组泄流等方式，可根据不同的水利水电工程的类型和不同的生态流量要求加以选择。为满足常年泄流的要求，无论采用哪种泄流方式，其取水口均应低于水库(或调节池)死水位。各种生态流量泄流方式比较如表3所示[10]。

表3 各种生态流量泄放方式比较

4 存在的问题及发展方向

4.1 生态需水量的计算方法

目前，生态流量的计算方法存在的一些问题，主要有：对河流生态流量的定义不明确，没有成熟的理论体系，没有评价指标体系和方法，缺乏完善的定量计算方法，现有的研究还达不到把一种流量或水流状态同物种组成及物种丰富程度联系起来的水平等。这些问题造成了研究人员只能从各自的角度研究河流生态流量，计算出的结果也存在一些差异。

笔者认为，在今后的研究中，应该首先明确河流生态流量不是一个定值，它是一个随着季节、时段、河段的不同而发生变化的动态值；其次，每条河流都有它独特的生态系统特性，不可能用某一固定的方法来确定各条河流的生态流量。只有以河流水文过程为基础，并结合其河流生态系统的特性需求，才能较为合理地计算生态流量，这是今后河流生态流量理论与实践研究的重要方向之一。

4.2 生态需水量泄放的措施

目前水利水电工程生态流量泄放保障方面仍存在以下问题：

(1)保障生态流量泄放的利益机制尚不完善。由于生态流量泄放考核指标为瞬时流量，且保证率为100%，水库不间断泄放生态流量对于非汛期库区蓄水的影响较为显著，由此构成生态流量泄放与水库兴利功能发挥之间的矛盾。由于发电、灌溉、供水和航运是显性收益，而生态流量泄放的生态效益为隐性效益，在流域生态补偿机制尚不完善的背景下，生态流量的泄放就相当于减少了工程的经济收益，由此造成生态流量泄放不能得到充分保障。

(2)水利水电工程最小生态流量基本上为一固定值，没有体现出河流水生生物适应水文情势丰枯自然变化节律的需求。

(3)现阶段尽管环保部要求生态流量泄放过程有在线监控设备，但在线监控设备均由工程业主管理，尚无将在线监控系统接入相关环境保护或水行政主管部门的硬性要求。

笔者认为，应根据水电工程的实际情况，科学合理的制定下游河道基本功能的需水量，需要探讨兼顾多种目标的方案，寻找各利益相关者一种可以接受的生态流量下泄措施。同时从水能资源利用的角度分析，在满足发电水头、流量要求和符合经济评价的情况下，宜优先采用生态流量泄放与发电小机组相结合方案，以实现双赢的局面。

此外，为了确保生态流量的下泄，应将水利水电工程生态流量泄放监测设备的监测对象改为坝下河道，在坝下河段合适位置建设流量自动测报系统，并接入环保或水行政主管部门的管理系统中。

[1] 汪秀丽.河流生态流量浅论[J].水利电力科技, 2007,33(1):20-29.

[2] 我国水电发展“十二五”规划报告[R].国家能源局,2011(6).

[3] Sheail J.Historycal development of setting compensastion flow in Gustard[J].Institue of Hydrology,Wallingford.Appendix,1984.

[4] Falkenmark.Coping with water scarcity under rapid population growth[R].Conference of SADC minsters,Preoria,1995:23-24.

[5] Baird A J.Eco-hydrology:Plant and water in terrestrial and aquatic environments[M].London and New York:Pout ledge Press,1999.

[6] Whipple,DuBois,Grigg.A Proposed to Coordination of Water Resource Development and Environmental Regulations [J].Journal of the American Water Resources Association,1999,35(4):713-716.

[7] McCarthy J H. Wetted Perimeter Assessment[A]. Shoal Harbour River, Shoal Harbour, Clarenville, January 8, 2003.

[8] MacKay,Heather,Brian M．The Importance of Instream Flow Requirements for Decision-Making in the Okavango River Basin[J].Transboundary Rivers，Sovererignty and Development：Hydropolitical Drivers in the Okavango River Basin/Anthony Turton，Peter Ashton & Eugene Cloete Pretoria：African Water Issues Research Unit，2003:275-302.

[9] Stalnaker C. B., Lamb B. L., et al. The instream flow incremental methodology: a primer for IFIM[M].National E-cology Research Center，International Publication, Fort Collins, Colorado, USA, 1994, 99.

[10] 杜强，谭红武，张士杰，等. 生态流量保障与小机组泄放方式的现状及问题[J].中国水能及电气化, 2012(12):1-6.

2015-06-08

李雪(1984-)，女，四川成都人，硕士，工程师，从事环境保护工作。

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1003-9805(2016)04-0071-05