前坪水库水利工程下泄生态流量保障措施探究

（淮河流域水资源保护局淮河水资源保护科学研究所 蚌埠 233000）

随着我国社会经济的发展和人口的大量增加，人类活动对生态环境的影响越来越大。在河道内水生态环境方面，由于水资源时空分布不均匀等先天条件，加之在以前水利工程建设中的水资源配置中很少考虑生态需水，导致河道内生态用水被挤占由此引发的生态环境问题日益突出。水库工程具有供水、防洪、灌溉、发电等多种功能，但大坝建设不可避免的阻隔河流的连通，改变坝址下游水文情势，对下游水生态环境造成不利影响。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，水利工程运行期必须维持下游生态水量，并将下泄生态流量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：在水利工程调度方案中应提出最小生态下泄流量泄放要求，明确生态流量过程，泄放设施及在线监测设施和管理等保障措施内容。

1 前坪水库概况

前坪水库坝址位于北汝河干流上游、河南省汝阳县县城以西9km 的前坪村，坝址位置为北纬34° 6.480′，东经112° 20.730′。是以防洪为主，结合灌溉、供水，兼顾发电的大（2）型水库。前坪水库主坝设计洪水标准采用500年一遇，校核洪水标准采用5000年一遇，水库死水位369.00m，汛限水位400.50m，正常蓄水位为403.00m，设计洪水位418.36m，校核洪水位422.41m；水库总库容5.84亿m3，死库容0.58 亿m3，防洪库容2.10 亿m3，兴利库容2.61 亿m3，总库容5.84 亿m3。可灌溉农田50.8 万亩，每年可向下游城镇提供生活及工业供水约6300 万m3，水电站装机容量6000kW，多年平均发电量约1881 万kW·h。

2 前坪水库最小下泄生态流量的确定

前坪水库为多年调节水库，对坝址下游水文情势改变较大，保证坝址下游河段最小流量符合生态流量泄放要求是工程水生态系统保护的重要内容。结合北汝河流域环境背景，前坪水库坝址下游河段生态环境需水量主要考虑满足两个方面的要求：维持水生生态系统稳定所需水量；维持河流水环境质量的最小稀释净化水量。针对北汝河的河道形态、径流特征、环境特征和资料的可得性，采用了水规总院《水资源可利用量估算方法》：（1）90%保证率最枯月平均流量估算；（2）根据103月多年平均径流的20%估算；（3）按多年平均径流的10%估算，（4）枯水年和特枯年下游水环境需求。通过上述四种方法分析估算河道生态水量，最终取流量的外包线作为最小下泄流量，前坪水库生态流量调度方案见表1。

2.1 90%保证率最枯月平均流量估算

根据前坪水库1952—2010年日历年共59年最枯月平均流量计算，保证率90%最小月平均流量为0.78m³/s，年水量为2270 万m³。

2.2 根据10月—次年3月多年平均径流的20%估算

4—9月是河流中鱼类产卵育幼期，10月—次年3月是河流中鱼类生长季节。10%的年平均流量为保护水生鱼类栖息提供退化或贫瘠的栖息环境，20%的年平均流量为保护水生鱼类栖息提供适当栖息环境。根据河流中保护水生鱼类栖息环境要求，按20%的（10月—次年3月）多年平均流量标准估算河道基流水量。前坪水库1952—2010年水文年共58年，10月—次年3月多年平均径流量7388 万m³，按20%估算基流年水量为1478 万m³，平均流量为0.47m³/s。

2.3 按多年平均径流的10%估算

在《水库调度设计规范》（GB/T50587-2010）中，“当下游河道有敏感水生生物时，水库最小下泄流量和泄水过程宜满足其生物习性要求。对下游河道维持生态或净化河道水质的基本水量要求，应尽可能予以考虑。”河道内生态基流计算，缺乏资料地区：可按多年平均流量的百分数估算河道内水生生物的需水量。一般枯水期可取平均流量10%。前坪水库1952—2010年水文年共58年，多年平均入库年径流量为3.3205 亿m³。按多年平均径流量的10%估算，河道基流年水量为0.3321亿m³，相应流量为1.05m³/s。

2.4 考虑到环境需求的流量

水库的生态基流采用多年平均径流量的10%（4—7月为20%）确定为1.05m3/s（4—7月为2.1m3/s）；根据水文情势分析，水库下平枯水期下泄流量1.05m3/s 时，北汝河坝下影响河段（至入沙河口）均不断流且流量大于1.05m3/s（4—7月为2.1m3/s）； 根据坝下影响河段各控制断面水环境水质预测结果分析，水库在枯水年的枯水期间（10—次年3月份）需要最少下泄1.8m3/s 才能满足坝下紫罗山省控断面及其他控制断面达Ⅲ类水质标准，满足水功能区管理目标和要求。因此综合生态基流、下流河道取水需求和环境用水量分析结果，水库泄放水量控制要求在枯水年的枯水期间（年内10—次年3月份）下泄1.8m3/s。

2.5 综合分析

按上述四种生态基流水量估算方法，为利于下游鱼类的繁殖，正常年份河道基流泄放方案为：8月—次年3月河道基流量采用1.05m3/s；4—7月基流采用2.10m3/s，年河道基流放水量为4428 万m3。此外考虑到环境需求，枯水年坝址下游区间来水较小，为保障下游环境，枯水年和特枯年（来水频率在70%以上的年）最小下泄流量为：在枯水期间（10—次年3月份）下泄1.8m3/s。

3 生态流量下泄措施

3.1 初期蓄水期间生态流量保障措施

3.1.1 库水位低于360.0m 高程

初期蓄水初期生态基流供水采用抽水方式。在泄洪洞进口设置WQK1200-20-110型水泵抽水至（三用一备）泄洪洞内，为下游生态基流进行供水。在泄洪洞进口344m 高程建抽水池，通过3 排Φ426管道进入泄洪洞，单根长度约6m，共计180m；水泵供电从永久供电线路架设临时供电线路。

3.1.2 库水位高于360.0m 高程

初期蓄水达到泄洪洞进口洞底高程360.0m 或灌溉发电输水洞进口洞底高程361.0m 后，直接由泄洪洞或灌溉发电输水洞下泄水量。生态流量泵站供水剖面图见图1。

表1 前坪水库生态流量调度方案表（单位：m3/s）

3.2 运行期生态流量泄流方式

运行期生态基流下泄通过输水洞，电站1 号机组为利用生态基流发电，电站尾水管与尾水池相接，尾水池末端设退水闸，经退水闸向下游河道放水。

机组检修、停运期间通过输水洞专设蝶阀下泄生态流量。

如遇水位低于泄洪洞进口洞底高程360.0m，仍沿用初期蓄水（360.0m 库水位以下）下泄生态流量方式，采取水泵提水利用泄洪洞下泄生态基流。

3.3 生态基流监测

采用在线监测设备对下泄生态流量进行实时监控，并保留监控记录。

3.3.1 测流断面

测流断面包括2 个：导流洞测流断面和泄洪洞测流断面。

导流洞测流断面设在电站出口下游段，渠道为砼结构标准渠道， 无分流、 串沟、 死水、漫滩情况，测验段面顺直，渠底稳定，条件较好。渠道总宽70m，桁架高于岸边 1m， 待电站完成后安装。

泄洪洞测流断面设在出口上方位置， 该段同为砼结构标准建筑物体，无分流、 串沟、死水、漫滩情况，测验条件较好。渠道宽5m。目前已安装完成生态流量在线监测。

3.3.2 测流原理

通过雷达水位计实时监测该断面水位， 通过流速仪实时监测断面表面流速， 利用断面已建立的水位流速关系线， 推算出实时流量， 从而实现流量的实时在线监控。水位观测设备采用雷达波自记水位计。探头安装在桁架上。雷达水位计在测量水位时， 不与水体接触， 不受水流含沙量和水面漂浮物的影响。雷达水位计探头悬挂渠道中间上方。

3.3.3 报信方式

图1 生态流量泵站供水剖面图

选用 GSM/GPRS 通信信道、备份使用短波电台传输进行水位、流量数据传输。GSM/GPRS 通信是种依附于GSM/GPRS 网络进行数据传输的通信手段，在作为信息服务传输载体时，将短信息系统与信息平台相连，用户通过GSM 终端机将带有对方地址的业务代码通过GSM/GPRS 网络以短信息的形式发出，短信息系统在收到信息请求后，根据业务代码将信息请示发往相应的信息平台，然后将后者回送的信息以短信息的形式发送给提出申请的用户。

4 结论和展望

前坪水库设计综合考虑了四种生态水量估算方法确定前坪水库最小下泄生态流量，下泄生态流量方案为：正常年份河道生态流量泄放方案为：8月—次年3月河道流量采用1.05m3/s；4—7月采用2.10m3/s，枯水年和特枯年（来水频率在70%以上的年）最小下泄生态流量为：在枯水期间（10—次年3月份）下泄1.8m3/s。前坪水库工程在水资源配置过程中充分考虑了下泄生态流量，特别是枯水年的枯水期增加了最小下泄流量保障下游河道环境质量，有效减少水库对下游河道水生态系统的不利影响。

前坪水库生态流量下泄方式为初期蓄水当库水位低于360.0m 高程时利用水泵抽水至泄洪洞下泄，达到泄洪洞进口洞底高程360.0m 或灌溉发电输水洞进口洞底高程361.0m 后，直接由泄洪洞或灌溉发电输水洞下泄水量。运行期生态基流下泄通过输水洞，电站1 号机组为利用生态基流发电，电站尾水管与尾水池相接，尾水池末端设退水闸，经退水闸向下游河道放水。如遇机组检修、停运期间通过输水洞专设蝶阀下泄生态流量。同时采用在线监测设备对下泄生态流量进行实时监控，并保留监控记录。通过前坪水库下泄生态流量保障措施，工程在发挥流域防洪、灌溉、供水等效益的同时有效可行的保障下游河道生态流量的泄放。

在水利工程水资源配置过程中保障下游生态需水并以生态流量下泄工程和管理措施加以保证，能够充分突出人与自然的和谐，贯彻水资源可持续利用的思想，可有效减少了大坝对河道断阻断作用，在一定程度上对恢复下游河道水生态系统，维持水环境质量起到至关重要的作用。在今后水利工程水资源配置、水利与国民经济协调发展以及流域水资源规划和配置中，应将生态需水特别是枯水期生态需水作为水资源供需平衡重点考虑的内容，才能够把水利规划及水利工程建设和生态环境保护有机结合起来，实现生态需水与经济需水的统筹协调，实现生态系统可持续的水资源优化配置■