基于改进Tennant法的横溪水电站生态流量计算与生态调度

2020-04-08刘树锋陈记臣

科学技术与工程 2020年4期

刘树锋，陈记臣，关帅

(广东省水利水电科学研究院，河口水利技术国家地方联合工程实验室，广东省水动力学应用研究重点实验室，广州 510635)

水电站的建设使人类能够有效地利用水资源，但水电站蓄水发电会对河流生态系统造成短期或长期的影响，尤其引水式水电站极易改变原有河流的水文情势，对河流生态系统的动态平衡造成破坏[1-2]。因此，有必要开展水电站生态流量研究。

横溪水电站位于广东省韶关市乳源瑶族自治县，其所在的河流为珠江流域北江水系上游武江支流杨溪河。横溪水电站为引水式水电站，从横溪水库引水，总装机容量为50 MW。横溪水库的坝上集雨面积为416 km2，属于年调节水库，总库容为9 954万立方米，死库容为212万立方米[3]。

横溪水电站引水发电易导致下游河道出现减脱水河段，为维护河流健康，有必要进行生态流量计算和生态调度的研究。目前，美国田纳西河[4]以及中国的良田河[5]、岷江下游航电梯级[6]等流域进行了考虑生态流量的水库调度研究。但中国的研究基本集中在大流域，对于中小河流生态调度的研究比较少。研究采用改进Tennant法，对横溪水电站进行不同来水频率下的生态流量计算，并选取丰、平、枯3个典型年进行生态调度研究，以期为水电站平衡发电效益与生态效益以及中小河流的生态流量泄放管理提供依据。

1 研究方法

1.1 水文比拟法

因小水电所处的流域较小，一般不布设水文水位站，其流量资料较难获得，通过水文比拟法进行横溪水电站坝址处的径流量计算。水文比拟法的计算公式[7-8]为

(1)

式(1)中：Q设和Q参分别为设计站和参证站流量；F设和F参分别为设计站和参证站集雨面积；P设和P参分别为设计站和参证站降雨量。

横溪水电站与岳城水文站同属珠江流域，横溪水电站位于北江二级支流杨溪河上，岳城水文站位于东江一级支流新丰江上，二者的集雨面积均位于韶关市，地理位置较近(图1)。因此，以岳城站为参证站，运用水文比拟法对横溪水电站进行径流量计算。

图1 横溪水电站与岳城水文站集雨面积图Fig.1 Catchment areas of Hengxi hydropower station andYuecheng hydrometric station

1.2 改进Tennant法

生态流量计算方法较多，其中水文学法中的Tennant法[9]在中国河流研究中得到了广泛的应用。Tennant法虽具有方法简单与对生态系统的描述较为科学等优点，但存在未考虑水生生物对流量的需求等不足，Rosenfeld等[10]与田景环等[11]等研究者均对Tennant法进行了改进使其适宜不同地区的生态流量计算。中国对Tennant法计算生态流量的研究主要集中在北方地区，对于南方湿润地区中小河流却鲜有探讨。现从Tennant法的改进角度出发，提出一种适宜中国南方小水电的生态流量计算方法。小水电大多数位于山区性河流，其所在流域的径流量年内变化往往比较大[12-13]。Tennant法在考虑径流量年内变化时简单地把1 a分成1个丰水期和1个枯水期，划分显得不够细致。因此，需要对Tennant法进行改进，使其能够满足生态需水的年际变化和年内季节变化，将所有年份进行丰、平和枯水年分组，并对不同来水年的各月进行生态流量计算[14]。在水资源分析中，常按流量P分为丰水年(P<25%)、平水年(25%≤P≤75%)和枯水年(P>75%)[15]。根据Tennant法对河流生态流量的分级标准[16-17]，将不同来水年中各月多年平均流量的10%、30%、60%和100%分别作为最小、适中、最佳生态流量下限和最佳生态流量上限。

1.3 生态调度规则与约束

1.3.1 调度规则

(1)其他取水量。水电站的生态调度除了考虑发电引水和生态流量，还需考虑灌溉等其他用水。本研究主要考虑从横溪水库取水的必背灌区灌溉用水，必背灌区的灌溉面积为21.75万亩。武江流域25%、50%和75%保证率下的灌溉定额分别为740、850、960 m3/亩。根据广东省灌溉用水时段分配系数成果，灌溉水量月分配见表1。

表1 灌溉水量月分配Table 1 Monthly distribution of irrigation water

(2)起算库容。起算库容以横溪水库的死库容计，即212万立方米。

(3)水量平衡方程为

W末(i)-W初(i)=Q来(i)-(Q灌(i)+Q过(i)+Q引(i))

(2)

式(2)中：W末(i)为第i月的月末库容；W初(i)为第i月的月初库容；Q来(i)为第i月的来水量；Q灌(i)为第i月的月灌溉水量；Q过(i)为第i月的过坝流量；Q引(i)为第i月的引水流量；i为月份，i=1，2，…，12。

1.3.2 调度约束

(1)生态流量约束。当来水量小于最小生态流量时，过坝流量需满足最小生态流量；当来水量大于等于最小生态流量但小于等于最佳生态流量下限时，过坝流量等于当月来水量；当来水量大于最佳生态流量下限时，过坝流量需满足最佳生态流量下限，数学表达式为

(3)

式(3)中：Qmin(i)为第i月的最小生态流量；E下(i)为第i月的最佳生态流量下限。

(2)水库库容约束。水库库容需处于死库容和总库容之间，数学表达式为

W死≤W末(i)≤W总

(4)

式(4)中：W死为死库容；W总为总库容。

(3)水电站引水流量约束。水电站引水流量需小于其设计引水流量，数学表达式为

Q引(i)≤Q引(设)

(5)

式(5)中：Q引(设)为水电站的设计引水流量。

2 结果与分析

2.1 来水量计算

图2 横溪水电站坝址处的月流量过程Fig.2 Month runoff process at the dam site of Hengxi hydropower station

本研究的基础数据为岳城站1960—2013年的逐月径流资料。横溪水电站与岳城站的集雨面积分别为416 km2和531 km2。根据《广东省水文图集》(2003年)，查得横溪水电站与岳城站集雨范围的多年平均降雨量分别为1 600 mm和1 800 mm。根据式(1)，求得横溪水电站1960年1月—2013年12月的月流量(图2)，其多年平均流量为14.50 m3/s。根据相关资料，横溪水电站的多年平均径流量为4.8亿立方米，即多年平均流量为15.22 m3/s。本研究与其仅相差4.73%，计算结果较为合理。

2.2 生态流量计算

研究分别将25%、50%和75%作为丰、平和枯水年的典型年选取标准，最终分别选取1992年、1978年和2004年作为丰、平和枯水年的典型年。

基于运用水文比拟法计算得到的横溪水电站月流量系列(1960年1月—2013年12月)，采用改进Tennant法计算横溪水电站的各级生态流量。丰、平和枯水年3个典型年的来水量及其不同来水年的各级生态流量过程见图3。

由图3(a)可知，在1992年的来水过程中，其2月、3月和4月的来水量均超过了丰水年的最佳生态流量上限。由图3(b)可知，在1978年的来水过程中，其3、4、5、8、10、11月的来水量均超过了平水年的最佳生态流量上限。由图3(c)可知，在2004年的来水过程中，其2、3、4月的来水量均超过了枯水年的最佳生态流量上限。

2.3 生态调度

根据1.3节的生态调度规则与约束，计算得到的调度结果见图4。

根据图4，通过调度后横溪水电站的丰、平、枯3个来水年的过坝流量均处于最小生态流量与最佳生态流量下限之间，满足生态流量需求；同时，在满足灌溉用水等其他用水的情况下能够使得横溪水电站的引水流量最大，即发电效益最大，丰、平、枯3个来水年的引水流量分别为29 452.98、25 647.23、11 750.96万m3。