玉龙喀什河水利枢纽工程中生态流量的研究与应用

曹文洁

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

玉龙喀什水利枢纽挡水建筑为混凝土高面板堆石坝，最大坝高230.5m，为250m级超高混凝土面板堆石坝。目前，此类坝型的坝高全世界排名第三，作为世界级的水利工程，该枢纽在发挥灌溉、供水、防洪，发电等效益的同时，对周围生态环境也可能产生负面影响，造成河流连通性降低、生境破碎化，改变河流天然水文节律，进而影响坝下河流生态系统[1-3]。为保障河流生态系统健康，筑坝后维持河道内生态需水是河流生态系统修复及生态调度的重要任务[4-6]。

河流生态流量的核心思想是维护水生生物最低流量，到后期逐渐从单一流量扩展到维护多个复杂目标[1]。早起的生态流量计算方法主要有蒙大拿法(Tennant Methods)[7]、R2-CROSS、IFIM方法，如今有整体分析法(Holistic Approach)、要素法(Building Block Methodology，BBM)[8-9]。本文选用BBM法、Tennant法、最小月平均径流法、生态水力学法分别来计算玉龙喀什水利枢纽工程河段的生态流量过程，提出满足各个方法的所需生态流量，确保本工程流域内河流生态系统不受影响。

1 工程实例

1.1 工程概况

玉龙喀什水利枢纽是新疆和田河流域水资源调配的重要工程之一，属于和田河东支玉龙喀什河上的控制性工程，也是国务院批准近期实施的172项重大水利工程之一。工程位于玉龙喀什河中游河段，电站厂房布置于水库坝址下游27km河道左岸。工程坝址～厂房河段河谷多呈“V”型，两岸山体雄厚，基岩裸露，河滩地不发育，河床覆盖含漂石砂卵砾石层，基本无植被生长。涉及河段共有10种鱼类，均为土著鱼类，包括6种裂腹鱼，4种条鳅，其中自治区II级保护鱼类有塔里木裂腹鱼和斑重唇鱼。

1.2 计算方法

为了鱼类生境需求，保证在工程建设后，鱼类产卵场、索饵场、越冬场及栖息地不因水量变化较大而产生不良影响，同时保障其他用水目标，根据鱼类生活习性分布特征、工程断面地形数据和水文资料，目前国内外生态流量计算方法较多，大致可分为水文学法、水力学法、生境法、整体法等[10-12]。不同的方法对应着不同的区域类型、不同生态特征及保护目标，在计算生态水量时，应根据河流河段的具体情况[13-15]，选取几种适宜方法进行计算，并进行合理性分析，各种计算方法的主要计算方式见表1。

表1 各种生态流量计算方法的主要计算方式

1.2.1BBM法

BBM法是基于天然水文过程，能够综合考虑整个生态系统包括河道、岸边带等的需水，可将生态系统整体性和流域管理规划相结合。玉龙喀什河2006年以后进入丰水年，结合研究河段鱼类4月份开始产卵，5—6月为盛产期的特点，以1986—2015年(共计30年)3月份50%来水频率下的日流量值(8.12m3/s)为生态流量初始值，按照近30年逐日平均流量的变化率，确定鱼类需水敏感期(从4月初开始产卵，7月上旬产卵结束)玉龙喀什水利枢纽坝址断面生态流量及过程，计算结果见表2。

表2 工程坝址断面4—7月生态流量过程(BBM法)

经过计算所得生态流量的趋势与多年同期天然来水的趋势如图1所示，此法能够较准确模拟实际天然来水情况，同时在鱼类产卵期加大下泄流量，这样更加符合鱼类繁殖特性要求。

图1 BBM法生态流量趋势与天然来水过程

1.2.2Tennant法

该方法应用方便，是目前世界上最广泛使用的水文学方法，但未考虑河流形态、流量季节性变化、生物直接需水要求等。

玉龙喀什水利枢纽坝址断面1957—2016年多年平均天然流量为66m3/s。依据《关于印发水电水利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)的函》，确定玉龙喀什河4—9月为多水期，10月—次年3月为少水期。按多年平均流量的30%(保持大多数水生生物有良好栖息条件所需的水量)，确定玉龙喀什水利枢纽坝址断面4—9月最小生态流量为19.80m3/s；按多年平均流量的10%(是大多数水生生物生存所需的最小水量)，10月—次年3月最小生态流量为6.6m3/s。

1.2.3最小月平均径流法

很适合玉龙喀什河区域此类干旱、半干旱区域的河流，据坝址断面60年径流统计资料，多年平均情况下，最枯月为2月，对应月均流量为7.76m3/s，坝址断面生态流量控制值为7.76m3/s，占多年平均流量的11.8%。

1.2.4生态水力学法

适用于大中型河流，综合考虑了水生生物对生境的要求。但对于中型河流，参数标准取值受人为判断因素影响。

选取流速、平均水深、水面宽、湿周率、水流流态、河流形态共计6个水力学参数，采用主体设计提供的32个断面地形数据，这些断面涵盖了坝址～厂房河段出现的最宽(水深最浅的断面)、落差最大(可能出现上溯困难)以及玉龙喀什河布雅河汇合口段(此段分布有裂腹鱼适宜产卵场)等特殊河段，根据研究河段鱼类体长、食性、繁殖要求、“三场”分布等生态学习性及天然状况鱼类生境水力学条件，确定鱼类生境适宜的水力学参数标准。

河道平均流速按研究河段鱼类产卵适宜流速为0.15～0.3m/s以及NB/T 35091—2016《水电工程生态流量计算规程》中的最低标准，最终确定该河段鱼类产卵适宜流速为0.3m/s；平均水深按少水期时NB/T 35091—2016中的最低标准0.3m，多水期时结合鱼类适宜产卵水深(多数在40～60cm)，取最低标准取为0.4m；最大水深按研究河段性成熟鱼类最大体长约20cm的2～3倍估算为0.6m；水面宽按照研究河段32个断面数据，个别断面在多年平均流量66m3/s的情况下，水面宽仅9.2m，根据规范规定[16]中型河流标准适当降低，最终水面宽度选定为9m。湿周率按丰水期时，根据规范规定[16]生态水力学法的评估标准为50%，枯水期时，天然来流小、且研究河段呈V型，天然来流状况下部分断面湿周率难以达到30%，因此将最低标准适当降低，定为30%。

通过计算可知，多水期4—9月，坝址断面应下泄生态流量18m3/s，占多年平均流量的27.3%；少水期10月—次年3月，应下泄生态流量8m3/s，占多年平均流量的12.1%。

1.3 最终生态流量

将上述四种方法计算河道所需最基本的生态流量列于表3进行对比分析。

在4—7月鱼类产卵需水敏感期应采用BBM生态流量，逐月逐旬推算断面下游鱼类及生态所需流量，经计算所需流量从4月月均10.77m3/s逐渐增加到7月月均159.46m3/s，可充分满足鱼类产卵敏感期的需水。其余各月采用Tennant法、最小月平均径流法、生态水力学法计算结果的外包线来作为生态流量——10月—次年3月采用的生态流量为8.0m3/s。

表3 玉龙水利枢纽坝址断面下游生态流量计算表 单位：m3/s

2 下泄生态流量的保障措施

为了保障生态流量的下泄，应设置专门的泄放装置、下泄计划及监管措施。在水库初期蓄水期间，按蓄水水位的逐渐上升，分别选择导流洞、深孔放空冲砂洞、发电引水洞+深孔放空冲砂洞进行下泄生态流量。在电站运行期间，按“电调服从水调”原则，10月—次年5月结合灌区灌溉供水和下游平原水库蓄水要求发电，同时由一台或者两台小机组基荷运行，发电后作为生态流量下泄河道，多余水量由水库日内调蓄在电力系统中承担峰荷；6—9月电站在系统中承担基荷，结合下游生态、灌溉供水要求发电，满足生态流量下泄要求。在坝下设置生态流量在线自动监测系统，以便核查是否按照要求向下游下放足够的水量，同时也便于工程生态流量泄放调度管理和环保主管部门监督。

3 结论

(1)在BBM法中，初始值均以1986—2005年(共计20年)3月份50%来水频率下的日流量值(7.57m3/s)为基础，此种流量取法较为单一，下一阶段可考虑按丰、平、枯等不同水期以及“枯少丰多”的水量原则，同时结合鱼类产卵、繁殖等敏感时期，考虑计算生态流量。

(2)工程运行一段时间后，根据坝下设置的自动测报水量监测系统反馈的监测结果，可适时优化泄水调度。

(3)用BBM法、Tennant法、最小月平均径流法、生态水力学法这四种方法分别计算生态流量，通过不同计算方法的优缺点进行“取长补短”，最终确定得出所需生态水量：这样计算出的水量可以满足鱼类及水生生态的生境要求；将水资源利用最大化高效化，让南疆地区有限的水资源发挥最大的经济、生态效益。