丹江干流(河南段)生态流量研究

张国辉，郭晓丽，吴 沛

(南阳市水利建筑勘测设计院，河南 南阳 473003)

丹江是汉江的重要支流，其干流水力资源相对丰富。在河南境内丹江干流上建有小型水电站两座，水力资源开发在为经济社会提供清洁能源的同时，也对下游河道生态造成了不利影响，其生态成本不容忽视。丹江下游分布有丹江湿地国家级自然保护区，保护丹江干流生态对于丹江湿地自然保护区的生态保护具有重要意义，而如何科学合理地确定丹江干流生态流量是一个重要的问题。本文通过多种方法对丹江干流生态流量进行了初步计算，并提出了保障措施和建议。

1 河道概况

丹江是汉江北岸最大的支流，也是南水北调中线工程水源丹江口水库的主要入库河流。丹江发源于陕西省商县秦岭中段南麓，流经陕西、河南、湖北三省在丹江口汇入汉江，流全长390 km，流域面积16 138 km2,约占汉江总流域面积的1/10，占丹江口水库流域面积的17.4%。丹江在河南境内全长112 km，均位于南阳市淅川县，落差120 m，河床比降1.1‰，河宽一般在500～800 m，主要支流是老灌河、淇河和滔河。丹江口水库建成后，回水至大石桥乡磨峪湾附近。

丹江干流在陕西省境内有中型水库一座即二龙山水库，控制流域面积965 km2，总库容8 100 万m3，河南境内丹江口水库以上丹江干流无其他水库。

丹江干流河南段现设有荆紫关和磨峪湾两个水文站，观测项目有水位、流量、水质等。荆紫关水文站设立于1958年，集水面积为7 086 km2，由于武当山电站引水影响较大，水文站同时观测电站引水渠(备战渠)水位、流量。磨峪湾水文站设立于2011年，站址在大石桥乡G209丹江大桥上游，集水面积9 113 km2，为丹江口水库丹江流域入库控制站。

丹江的径流主要由降雨形成。根据丹江荆紫关水文站1959-2016年实测资料分析，站址处多年平均径流量13.02 亿m3(多年平均流量41.3 m3/s，已加入电站引水量)，径流的年际变化较大，最大年径流量为46.2 亿m3(1964年)，最小年径流量0.79 亿m3(2002年)，极值比达58.5。丹江径流的年内分配十分不均匀，一般是4月开始涨水，5-6月水量增加，7月达到年内丰水期，一直延续到10月底开始降落，至下年2月出现最枯流量；全年径流量主要集中在汛期，占全年径流总量的50%～70%。

2 河道水力开发情况、水生态现状及存在的问题

丹江干流的水力资源较为丰富，总水能资源理论蕴藏量达22.7 万kW，可开发量12.76 万kW，其中河南段理论蕴藏量9.196 万kW，可开发量2.105 万kW。目前河南境内丹江干流建成电站两座，自上而下分别为武当山电站和清凉寺电站，两者相距约30 km。武当山电站为引水式电站，清凉寺电站为河床式电站，发电尾水退入河道，基本不消耗水，但会导致拦河坝至退水渠区间河段流量减少。目前丹江上两座电站均没有专门的生态流量泄放和监测装置。

武当山电站在淅川县荆紫关镇丹江干流金斗沟口筑坝拦水，经9.6 km引水渠道至武当山建站。拦河坝控制流域面积7 060 km2，电站规划净水头18.7 m，引水流量51 m3/s，多年平均发电量为3 510 万kWh。工程建成于2000年，目前运行正常。电站下游约3 km有荆紫关水文站。

清凉寺水电站工程位于淅川县寺湾镇，坝址在淇河入丹江的汇合口下游党岗村丹江干流上，控制流域面积8 943 km2。工程建成于2017年，电站装机8 000 kW，厂房位于渠首坝左岸。电站下游约6 km有磨峪湾水文站。

武当山电站建设较早，当时没有进行环境评价和水资源论证，为尽可能多利用水能资源，没有考虑下泄生态流量，在电站引水后下游河段存在生态流量不足问题，电站多年平均引水量37.9 m3/s，占河道总流量的92%，河道内鱼类等水生生物稀少，干旱期坝后减水河段水量严重不足甚至会出现断流现象。根据荆紫关水文站观测，2013年曾出现近6个月的河道断流现象，2014年出现了近8个月河道断流现象，2016年出现了6个月的河道断流现象，近十年间(2007-2016年)月均流量小于1 m3/s的月份有77个月，相当于一年中2/3的时间河道都处于极小的流量状态，河道生态状况堪忧。河道生态功能的退化也已经严重影响了沿河群众的生产生活。

清凉寺电站建成较晚，根据环评和水资源论证要求需下泄8 m3/s的生态流量。从实际运行看，河道水量大部分通过渠首坝左岸电站发电后由2.3 km长的尾水渠泄入河道，少部分通过坝顶直接溢流泄入下游，目前生态流量的泄放无法进行有效的监管。

3 生态流量的计算

3.1 生态流量的含义及计算方法

河流是重要的生态系统，其水生生态系统和沿岸生态系统都依赖水体而存在。河道需保持一定的生态流量，这是维持河道生态功能的必要条件。河道生态流量是维持河流生态系统运转、保障河流水环境质量、维持水生态系统稳定的最小流量[1]。

生态流量的计算方法主要有四类，即：水文学法(历史流量法)、水力学方法、栖息地评价和整体分析[2-4]。其中水文学法主要采用历史流量资料推算河道生态流量，常用方法有tennant法、枯水频率法、流量历时曲线法等；水力学法主要通过水力学现场数据，分析河道流量与鱼类栖息地指示因子的关系，其常用方法有湿周法和R2-Cross法；栖息地法将河段水力特性与某一给定生物种群偏爱的栖息地联系在一起，以估计在不同流量条件下，给定生物种群栖息地的数量，常用的方法为河流流量增量法(IFIM法)；整体分析法从河流生态系统整体出发，根据专家意见综合研究流量、泥沙输移、河床形态与河岸带群落之间的关系，一般用于综合性、大流域生态需水研究[2]。

3.2 丹江生态流量的计算

根据丹江实测水文系列较长的实际情况，本次主要采用水文学法中的Tennant法、枯水频率法、最小月平均流量法、流量历时曲线法以及RVA法分别计算确定生态流量。根据水文站点分布情况，分别以荆紫关站和磨峪湾站为代表断面，对应作为武当山电站和清凉寺电站坝址断面成果，其中磨峪湾水文站成果按荆紫关水文站成果按水文比拟法推算。

(1)Tennant法(即蒙大拿法)：Tennant法是目前应用最广泛的生态流量计算方法[5]。该法是以历史流量为基础确定河道的生态需水量的水文学方法,它采用年平均天然径流量的百分比作为推荐流量,在不同月份采用不同百分比来估算河道生态需水量。Tennant法建立了河流流量与河流生态健康之间的关系[2,6,7]。根据研究，对于大多数水生物而言，10%的平均流量是支撑短期生存栖息地的最小瞬时流量，当河流流量占年均流量的30%～60%,河宽、水深及流速一般是令人满意的[2]。我国一般取多年平均流量的10%～20% (北方地区取 10%～15%)作为河流最小生态流量[2,8]。本次计算一般用水期取多年平均流量的10%，鱼类产卵育幼期采用多年平均流量的30%。Tennant法计算结果详见表2。

(2)枯水频率法：主要是7Q10法,即90%保证率最枯月连续7天平均流量，国内一般采用7Q10改进法，即近十年最枯月平均流量或90%保证率最枯月平均流量，我国环境影响评价中多用此方法[5,9-11]。

①近十年最枯月平均流量法：统计荆紫关水文站2007-2016年最枯月平均流量并取其均值，经计算，荆紫关断面生态流量为5.2 m3/s，推算磨峪湾断面为6.7 m3/s；

表2 Tennant法计算成果表Tab.2 Calculation results of Tennant method

②90%保证率最枯月平均流量法:统计荆紫关水文站1959-2016年最枯月平均流量系列,并进行频率分析，采用P-Ⅲ型曲线进行适线，采用均值8.7 m3/s，Cv=0.65，Cs=2Cv，计算荆紫关断面生态流量为2.4 m3/s，推算磨峪湾断面为3.0 m3/s。

(3)最小月平均流量法：以河道最小月平均流量的多年平均值作为河道基本生态需水量，该法在我国应用较为广泛[9,10,12]。按此方法计算，荆紫关断面生态流量为8.7 m3/s，磨峪湾断面为11.2 m3/s。

(4)流量历时曲线法：利用历史流量资料构建各月流量历时曲线，将某个累积频率相应的流量作为生态流量，频率P一般可取90%[2,4]。本次计算采用90%保证率计算各月生态流量，根据荆紫关水文站逐月平均流量系列，逐月进行频率分析，得到各月90%保证率的流量，计算结果详见表3(磨峪湾站采用面积比法推算)。

表3 历时曲线法计算各月生态流量(P=90%) m3/sTab.3 Calculation results of the monthly curve method

(5)RVA法(变化范围法)：RVA 法是 1997 年由 Richter 在 IHA(Index of Hydrologic Alteration)指标体系的基础上提出的，通过对比人类活动影响前后的河流水文情势，反映水利工程建设及运行对河流流量的影响程度，是基于 IHA 指标体系的一种评价和管理河道生态环境的方法[13,14]。RVA 法通过规定流量指标的 RVA 阈值(即上下限)来估算河流生态流量，通常将 IHA 各指标发生机率的 75%和 25%的值作为 RVA 的上下限[8]。基于 RVA 法的生态流量计算公式为：

S生态=S均值-(S上限-S下限)[13]

(1)

式中：S生态为河流生态流量；S均值为流量均值；S上限为RVA的阈值上限；S下限为RVA的阈值下限。

计算结果详见表4。

表4 RVA法计算的荆紫关站各月生态流量结果 m3/sTab.4 Calculation results Of Jingziguan hydrological station based on RVA method

与流量历时曲线法相比，该法得到的结果整体偏小40%左右。

(6)计算结果比较。以上不同方法中，90%保证率最枯月平均流量法计算结果最小、Tennant法中一般用水期流量(取多年平均流量的10%)和近十年最枯月平均流量法计算结果较为接近，基本反映了河流最小生态需水的要求。历时曲线法和RVA法考虑了各个月份来水流量的差异，Tennant法考虑了鱼类等生物不同生育阶段的需求，其中RVA法计算的结果偏小，建议综合历时曲线法和Tennant法成果制定逐月生态流量，为更科学指导生态流量下泄提供依据。

3.3 推荐的生态流量方案

根据《水利部关于汉江流域水量分配方案的批复》(水资源〔2016〕262号)，丹江的荆紫关控制节点的最小泄流流量为5.1 m3/s(相当于荆紫关站多年平均流量的12.3%)，清凉寺电站按环评批复及水资源论证要求，应确保下泄不小于8 m3/s(相当于磨峪湾站多年平均流量的15.1%)的生态流量。

表5 生态流量不同计算方法对比 m3/sTab.5 Comparison of different calculation methods for ecological flow

结合本次分析计算，认为上述流量基本可满足河流最小生态需水，建议有关主管部门协调武当山电站在引水发电的同时要确保下泄不小于5.1 m3/s的生态流量，清凉寺电站应不小于8 m3/s；如果天然来水小于上述最小生态流量，电站应停止发电，按天然来水下泄。同时，考虑不同月份天然来水的差异性和生态需求，建议在鱼类产卵育幼期(4-9月)加大下泄流量，下泄流量可根据Tennant法和历时曲线法结果择优选定(两者逐月比较，取其大值，见表6)，推荐的生态流量占河道多年平均流量的12.3%～44.0%。

表6 推荐采用的各月生态流量成果 m3/sTab.6 Recommended results of monthly ecological flow

4 生态流量的保障措施分析

为保护丹江干流生态，保障生态流量按照标准泄放刻不容缓。水利、环保、发改等有关部门应加强丹江水资源管理，尤其是规范水电站管理，严格审批新建河道内取用水项目，已建电站要及时完善水资源论证及环境评价手续，不满足要求的应限期进行生态改造、枯水期限制运行、调整上网电价等措施。应要求电站方提出保障生态流量的具体措施和调度方案，按照审批的生态流量方案保证下泄，恢复河道水生态，保证不因发电导致下游减水河段断流和水生态环境的恶化。

电站生态流量泄放方式比较常见的有生态机组泄放、管道泄放、闸门泄放和坝顶开槽泄放等。结合丹江干流已建电站实际，为保证电站生态流量泄放，在电站改造之前较为简单可行的方案是采用已建冲沙闸下泄生态流量。建议短期内通过开启拦河坝冲砂闸下泄生态流量，适时进行渠首坝改造、增设专门的生态泄流孔保障下泄生态流量。同时要加强下泄流量监控和信息化管理，近期可结合水文站观测与河道现有视频装置进行监控，下一步应专门增设在线计量及视频监控设施对电站生态泄流进行实时监测。另外，应加大舆论宣传和公众参与力度，动员社会力量对水电站生态流量泄放情况进行监督。

鉴于丹江下游为国家级湿地自然保护区，建议有关部门对丹江干流尤其是两个水电站下游河段的生态环境和生物多样性进行持续动态监测评估，并根据评估情况进一步完善生态流量泄放方案。

5 结 语

在丹江干流河南段的水力资源开发过程中，由于对河流生态保护缺乏足够的认识，生态流量泄放不足，电站对下游河道生态环境的不利影响日益凸显。根据生态文明建设的要求，科学安排电站下泄生态流量刻不容缓。

本文根据丹江河道实际，综合采用Tennant法、枯水频率法、最小月平均流量法、流量历时曲线法以及RVA法等方法对河道生态流量进行了计算，并与已有审批成果进行了对比，提出了逐月的生态流量泄放建议值,推荐的生态流量占河道多年平均流量的12.3%～44.0%。为保障生态流量泄放效果，提出了规范水电站管理，增加生态流量泄放设施和信息化管理设施，加大社会监督，对河道生态实施动态监测等保障措施。本文提出的河道生态流量数值及保障措施等有关建议，可供有关主管部门参考。