中国水电工程生态流量实践主要问题与发展方向

(1.中国水利水电科学研究院 水电可持续发展研究中心，北京 100038； 2.中国长江三峡集团有限公司，北京 100012； 3.河海大学 水文水资源学院，南京 210098； 4.生态环境部环境工程评估中心，北京 100012； 5.水利部水利水电规划设计总院，北京 100120)

1 研究背景

随着人类活动对河流生态系统影响的加剧，国内外生态流量研究逐渐活跃起来，无论是在概念、方法研究与实践方面，还是在指南、导则及法律法规体系方面，均取得了一定成果[1-3]。但是，由于河流生态系统的复杂性，生态流量研究还面临诸多问题，如：生态流量概念未统一，相关概念众多，内涵不断扩展，导致生态流量实施困难；方法众多，未形成统一的计算方法[4]。水电工程生态流量实践也面临很多困难：中国河流区域性差异显著，研究成果不易移植[5-6]；法律法规管理体系尚不健全，未形成有效的生态流量管理指南，一定程度上制约了河流水电开发的生态环境保护。

水电工程生态流量研究难点在于工程区域性和功能性差异显著，不同区域河流生态流量差异较大，且生态流量保障的河流生态系统服务功能界定不清，影响了生态流量的设定。国内外生态流量相关概念很多[7-9]，如环境流量(environmental flows)、河道内流量(in-stream flow)、最小流量(minimum flow)、最小可接受流量(minimum acceptable flow)、生态环境需水量、敏感生态需水、最小生态流量等[10-12]。尽管定义名称各有不同，但内涵都是为维持河流生态系统各项服务功能所需的流量。水电工程生态流量是为维持坝下河道功能性不断流所需的流量，需要考虑的因素包括：维持河道不断流的流量、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所需要的补给水量、避免水生生物群落遭受到无法恢复破坏的流量、维持坝下河段水生生态系统稳定的流量。经过多年研究与实践，已形成200多种生态流量计算方法，总体可以分为水文学法、水力学法、栖息地法和综合法4大类[13-15]，以蒙大拿法(Tennant)和变化范围法(RVA)为主的水文学法是目前应用最为广泛的方法，也是中国生态流量计算主要采用的方法[16-17]。除对国外生态流量计算方法的引进和应用[18-20]，学者也开发了如水文指数法、生态水力学法、水质数学模型法等适用于中国实际情况的方法[21-22]。生态流量实践经历了从维持航运、渔业的流量，到维持河道内水生生物正常生活史过程、维持河道形态和景观生态的流量，最后形成保护河流生态系统可持续发展的流量的过程；生态流量研究经历了从最初西北干旱地区最小生态流量的确定，到黄河、长江流域生态流量的确定，最终形成了分区域生态需水研究成果的过程[23]。

国外研究成果在一定程度上为中国生态流量研究提供了技术参考，大多数国家为保障生态流量制订了较为明确的约束红线阈值标准，如：法国1992年颁布的《水法》和《渔业法》中规定10%的实测径流量作为保证河道内最小生物基流的底限，并明确指出至少应当有5～10 a的实测径流资料，《乡村法》第232.5条规定河流最低环境流量不应小于多年平均流量的10%；对于所有河流或者部分河流，如果其多年平均流量>80 m3/s，此时政府可以给每条河流制定法规，但最低流量的下限不得低于多年平均流量的5%。美国、加拿大、澳大利亚等国也都分别有本国的生态流量保障规定。中国也颁布了一系列生态流量相关规范或指南，2006年颁布的《水利水电建设项目河道生态用水、低温水和过鱼设施环境影响评价技术指南(试行)》(以下简称《指南》)，形成了下泄生态流量不低于多年平均流量的10%的共识，对实际工作起到重要指导作用[24]。以《指南》为起点，陆续颁布了《河湖生态需水评估导则(试行)》《水工程规划设计生态指标体系与应用指导意见》《水利水电建设项目水资源论证导则》等多个生态流量相关导则，完善了生态流量的规定[25-27]。但是，水电工程下泄生态流量统一管理方面还存在一定难度，中国水资源时空分布不均，不同区域、不同类型的河流水量时空特征差异显著，实践中的难点主要为水资源时空差异与水电工程功能差异显著，不同区域河道生态流量及其保障的河流生态系统服务功能差异较大，未考虑不同类型和功能水库的生态流量差异，影响了生态流量的设定。多年平均流量的10%对于不同类型河流的生态学意义不同，采用多年平均流量的10%作为生态流量阈值难以满足北方、西北等干旱少雨地区的用水需求；不同类型河流、同一河流上、中、下游不同河段的生态用水要求差异较大，也对生态流量阈值设定提出了要求。目前对有、无水生生物保护目标的河流生态流量确定方式考虑不足，大多数水电工程设定单一阈值作为下泄生态流量，或考虑一般用水期和特殊用水期2个不同时期的生态流量阈值，有、无水生生物保护目标的河流在不同时期的生态流量需求不同。随着近年来环保要求的提高，工程开始考虑丰、平、枯等不同水期和鱼类产卵、繁殖等敏感时期的生态流量，未来需进一步完善不同时期生态流量阈值及生态流量过程要求[28]。

本文通过梳理2001—2015年的水电工程生态流量数据，统计分析了生态流量计算方法、保障措施和监测措施等内容，总结了近年来生态流量保障情况及其生态效益；提炼了中国水电工程生态流量实践的主要问题，并提出了生态流量研究与实践的发展方向。

2 水电工程时空分布特征

2.1 数据准备与处理

水电工程生态流量对生态流量的回顾分析和验证十分重要[29]。因此，本文收集了2001—2015年96个水电工程的资料，分类统计了工程概况、水文特征、鱼类概况和生态流量等内容,见表 1。

表1 水电工程分类统计指标Table 1 Statistical indicators of hydropower projects

本文通过在Microsoft Excel中绘制信息表，对96个水电工程数据进行整理。在ArcGIS中将信息表与电站位置信息链接，建立了中国水电工程生态流量数据库；采用统计学方法和空间分析方法，整理水电工程的基本信息，分析生态流量落实情况、生态流量的生态效益、保障措施和监测措施等内容；在地理信息系统平台上，采用空间拓扑和相关分析方法，分析生态流量时空分布规律。

2.2 时空分布特征

根据统计结果(图1)，2001—2005年共有37个工程，2006—2015年共有59个工程；主要分布省份为四川和云南2省，分别占37个和21个，其中4个工程位于2省交界河流，分别为绰斯甲水电站、苏洼龙水电站、叶巴滩水电站和白鹤滩水电站。

图1 水电工程时空分布规律Fig.1 Spatial and temporal distribution ofhydropower projects

以一级流域分区为统计单元，分别统计水电工程在各流域和河流的分布情况，见表2。

表2 水电工程在各流域的分布情况Table 2 Distribution of hydropower projectsin watersheds

结果表明：96个水电工程主要分布在长江区、西南诸河区和黄河区，分别为62个、16个和9个；长江区水电工程主要集中在大渡河和金沙江，分别为16个和19个(包括金沙江支流雅砻江的6个工程和横江的1个工程)；西南诸河区主要集中在澜沧江；黄河区主要集中在黄河干流。

2.3 开发任务分析

通过分别统计水电工程开发方式、调节性能、开发任务等指标(表3)可知：工程主要开发方式为堤坝式开发，有75个；调节性能以日调节为主，有59个。工程首要开发任务为发电，部分工程兼具灌溉、防洪、航运、旅游等功能。2014年发布的《关于深化落实水电开发生态环境保护措施的通知》(环发〔2014〕65号)，提出了河流水电规划应统筹水电开发与生态环境保护、水电项目建设应严格落实生态环境保护措施的要求，近两年的工程已逐渐考虑将生态环境保护纳入工程开发任务中，其中有5个工程明确将生态环境保护作为工程开发任务。

表3 水电工程开发任务统计Table 3 Statistics of development tasks ofhydropower projects

3 生态流量计算方法

3.1 计算方法对比

为保护下游鱼类，同时保障其他用水目标，79个水电工程利用不同计算方法设定生态流量约束红线。从生态流量计算方法(表4)的选取可知：2006年以前计算方法大多不明确，实际运用时方法的选取随意性较大，部分工程未设置生态流量；2006年以后生态流量确定方法主要为多年平均流量的10%，并同时考虑其他目标，如下游的鱼类保护、航运等目标，以外包线的方式确定生态流量。同时，在敏感时期如鱼类产卵期也提出了加大下泄流量的方案；近年来随着调查资料不断丰富，以湿周法与R2Cross法为代表的水力学法，以及以生态水力学法和生境模拟法为代表的栖息地法应用也逐渐受到更多关注。尽管2006年后的生态流量计算方法仍是以多年平均流量比例的水文学法为主，但相比2006年前，更多地考虑了生态水力学法、生境模拟法等方法，尤其是2012年以来，一些坝下具有重要水生生物的水电站工程基本都采用了生态水力学法与生境模拟法计算生态流量。

表4 水电工程下泄生态流量计算方法汇总Table 4 Summary of calculation methods for ecologicalflow of hydropower projects

3.2 时空差异分析

不同流域、区域和时段的生态流量要求往往存在较大差异，空间差异体现为不同流域、区域的自然环境特征、资源禀赋条件、保护目标差异等，时间差异性主要是丰、平、枯不同时期以及有、无水生生物保护目标的河段对生态流量需求差异。

根据统计结果，北方地区生态流量计算方法有4种，主要通过多年平均流量的10%确定；南方地区生态流量计算方法主要通过多年平均流量的10%与其他目标需水叠加取外包线确定；西北地区生态流量确定主要是满足基荷发电的流量；青藏地区生态环境脆弱，目前主要通过Tennant法、生态水力学法、生境模拟法等多种方法综合确定。南方地区一般雨量丰沛，河流流量较大，北方地区河流流量相对较小，而西北地区、青藏地区多为季节性河流，流量的年内分配呈现显著的汛期多、非汛期少的特点。不同区域采用多年平均流量的10%确定生态流量，有可能出现南方地区生态流量偏小，甚至出现确定的生态流量低于原河道最小流量的情况，因此需要分区考虑不同河流、不同河段的生态用水需求，同时兼顾其他目标的需水，分时段取外包线来确定生态流量。多年平均流量的10%在很大程度上难以满足西南河流梯级水电站坝下河段生态用水需求。一般大型水电工程开发任务以发电为主，兼顾防洪、灌溉、供水等多项目标，随着水电开发河段趋于敏感，待开发区域生态环境脆弱，以及国家对生态环境保护要求日益提高，多年平均流量的10%作为生态流量约束红线不能适应当前需求，多年平均流量的10%对于不同类型河流的生态学意义不同，不同类型河流与河段，同一河流上、中、下游不同河段生态用水要求差异较大，对生态流量约束红线提出了新的要求，亟需在多年平均流量10%的基础上进一步完善年内生态流量过程。

目前，大多在年内取单一的生态流量约束红线作为最小生态流量，对有、无水生生物保护目标的河道生态流量确定方式考虑不足。已统计的96个水电工程仅有19个考虑了丰、平、枯等不同水期和鱼类产卵、繁殖等敏感时期的生态流量。17个下游有珍稀濒危保护鱼类的水电工程，生态流量一般考虑丰、平、枯水期和鱼类产卵、繁殖、生长等过程，平、枯水期以及非鱼类产卵、繁殖期的生态流量一般为多年平均流量的10%～20%，丰水期、鱼类产卵、繁殖期生态流量一般为多年平均流量的20%～30%。对于一些特殊情况，考虑生态流量还需要结合水电站工程的调度运行。

总之，尽管目前已有部分工程采取了针对坝下河段鱼类保护目标设定不同时期生态流量阈值的措施，但工程数量占比仍然较小，今后仍需进一步完善不同时期生态流量的要求。

4 泄放方式与保障措施

4.1 保障措施对比

根据目前水电工程实践经验，生态流量下泄方式主要保障措施包括：①水电工程枢纽布置中，在大机组之外单独设置小机组，承担泄放流量任务，同时可发挥一定的经济效益；②承担基荷发电任务，通过电站本身发电下泄生态流量，但需在可行性研究报告中水库运行方案和发电运行方案中明确；③在枢纽布置中单独设置生态流量泄放设置，明确运行方案；④结合工程本身引水、泄放永久设施，修建改建生态流量泄放设施，明确运行方案。

2006年之前，主要通过单独设置小机组、承担基荷发电任务、预留生态取水口或设置生态放水孔等措施保障生态流量；2006年之后，主要通过承担基荷发电任务、设置生态机组、生态放水孔或优化调度相结合的方式保障生态流量，通过设置生态机组及优化调度，既能够保障生态流量，又能够充分利用水能资源提高效益，达到整体最优。未来，有必要在水电工程建立生态流量自动测报和远程传输系统，确保数据获取的真实性和完整性，便于工程生态流量泄放调度管理和监督。同时可在生态流量测报的基础上，根据河道生态保护情况的监测结果，适时优化泄水调度。

水电工程生态流量保障情况(图 2)表明，2001—2015年共有79个工程明确了生态流量保障措施，2006年之后，对生态流量的重视程度日益增强，参照《指南》确定生态流量的水电工程比例逐渐增加。目前仍存在一些问题，如生态流量保障措施实施效果评价困难，随着水电开发程度提高与待开发区域生态环境脆弱，仍采用多年平均流量的10%这一约束红线确定生态流量已不能满足当前需求。

图2 《指南》实施前后下泄生态流量保障情况Fig.2 Guarantee of ecological flow release before andafter the implementation of Guideline 2006

4.2 生态流量保障效果

96个水电工程中，44个工程坝下有减/脱水河段，67个工程下游有珍稀、濒危保护鱼类(图3)。

图3 《指南》实施前后工程数量统计Fig.3 Number of projects before and afterthe implementation of Guideline 2006

图4 珍稀濒危保护鱼类保护情况Fig.4 Protection condition of rare andendangered fishes

水电工程的生态效益体现在多个方面，下泄生态流量的主要生态效益是对下游珍稀、濒危鱼类的保护，因目前生态流量与下游珍稀、濒危保护鱼类的生态水文响应关系难以量化，本文统计时假定生态流量对下游鱼类的保护是有效的。统计工程下游有珍稀、濒危保护鱼类且明确了生态流量保障措施的工程数量(图4(a))和珍稀、濒危保护鱼类的种类数量(图4(b))，水电工程数量共计45个，珍稀、濒危保护鱼类种类总数为138种。

5 结论与展望

5.1 结 论

引水式和混合式电站引水发电以及堤坝式电站调峰运行将使坝下河段减/脱水，调水、引水和供水等河道外用水水利工程也将造成下游河道减/脱水，水文情势的变化将对水生生态、生产和生活用水、河道景观等产生一系列的不利影响。为维护河流的基本生态需求，必须下泄一定的生态流量，将其纳入工程水资源配置中统筹考虑。本文主要得出以下研究结论。

5.1.1 生态流量计算方法日趋完善

2001—2015年水电工程建设集中在西南地区四川和云南两省，分布在金沙江、大渡河和澜沧江干流；其中79个水电工程明确了生态流量阈值、计算方法及保障措施。2006年之前生态流量计算方法不够明确，2006年之后计算方法大多采用多年平均流量的10%作为约束红线，同时结合其他用水目标最终确定生态流量。《指南》对河道生态用水量计算方法、生态流量做出明确要求，对实际工作起到重要指导作用，解决了工程未设置下泄生态流量的问题；一般水库初期蓄水期间坝下河道存在断流情况，《指南》实施后通过在初期蓄水期间下泄生态流量基本解决了断流现象，部分工程由于坝下尾水与下游水库回水相连，因此不存在减/脱水河段；《指南》实施后，工程基本确定了运行期的生态流量，部分工程根据坝下河段水生生物完成其生活史过程的用水需求设置了年内不同时期的生态流量。根据下游有珍稀、濒危保护鱼类，且明确了生态流量保障措施的工程统计结果，保护珍稀、濒危保护鱼类种类总数为138种，取得了较大生态效益。

5.1.2 生态流量监测措施保障不足

根据96个水电工程生态流量保障措施统计结果，生态流量保障措施日趋完善，主要保障措施包括：①水电工程枢纽布置中，在大机组之外单独设置“小机组”，承担泄放流量任务，同时可发挥一定的经济效益；②承担基荷发电任务，通过电站本身发电生态流量，但需在可行性研究报告中水库运行方案和发电运行方案中明确；③在枢纽布置中单独设置生态流量泄放设施，明确运行方案；④结合工程本身引水、泄流永久设施，修建改建生态流量泄放设施，明确运行方案。目前生态流量保障措施较多，但部分工程生态流量运行方案未明确，生态流量保障措施运行效果评价困难，部分工程采用了在线监测系统监测生态流量，但还未形成统一的生态流量监测规范。未来生态流量监测措施的开展深入案例研究，有必要在水电工程坝下建立下泄流量自动测报和远程传输系统，确保生态流量数据获取的真实性和完整性，便于工程生态流量泄放调度管理和环保主管部门监督；同时根据坝下河道生态保护情况的监测结果，适时优化泄水调度。

5.1.3 水电工程生态流量计算方法和原则

为维护河流基本生态需求，减缓水电工程开发对坝下河段的生态影响，水电工程必须下泄一定的生态流量，将其纳入工程水资源配置中考虑。下泄生态流量需要考虑的因素包括维持水生生态系统稳定所需的水量、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所需要的补给水量、航运和景观需水量、河岸湿地补给水量等。生态流量计算方法众多，目前常用方法有水文学法、水力学法、栖息地法和整体法等。计算时需开展多方法、多方案的比选，在生态系统有更高需求时应加大流量，应根据环境对河道控制断面的流量、水位、水深、流速、水面宽、弗劳德数等水文情势特征值和水流流态特征值的要求，定量计算获得，不同地区、不同规模、不同类型河流、同一河流不同河段的生态用水需求差异较大，应针对具体情况采取合适方法予以确定；坝下有重要水生生物保护目标的河段，应根据保护目标用水需求在特殊用水时期制造人造洪峰，根据生态系统不同时间(特殊用水时期、不同月份、不同季节)对流量的要求，给出年内下泄流量过程线，优化水库调度过程。

5.2 展 望

5.2.1 梯级水库调度下的生态流量统筹考虑

大多研究仅关注坝下减/脱水河段的生态流量需求，梯级水库建成后，上游水库坝下尾水段与下游水库回水段直接连接，形成库区静水河段，目前对梯级水库库区静水河段的生态流量研究不足，实践较少。梯级水库的生态流量计算时应充分考虑坝下河段与库区静水河段的流量需求，重点关注库区静水河段敏感物种产卵繁殖期的流量需求，通过综合考虑梯级水库调度能力，保障生态流量。

5.2.2 开展生态流量分区分类指标体系研究

在水资源分区、水环境功能分区、水生态分区等相关区划和研究成果基础上，开展生态流量分区分类指标体系研究，以水库大坝工程为节点，研究生态流量分类管理方法，以工程类型、调节性能等指标分类考虑不同河段对工程生态流量的需求。

5.2.3 加强生态修复的生态流量研究与实践

由于以往不完善的生态流量设计，许多水电工程坝下河段已产生了较为严重的生态破坏，亟需开展生态修复研究与实践，将生态流量作为河流生态修复的重要指标，通过不断开展环境影响后评价研究恢复河流健康的流量目标，逐步完善河流生态修复的生态流量恢复实践。