去学水电站生态流量泄放措施优化研究
2021-04-29吴文涛黄菊萍沈焕荣冯镜洁
吴文涛，黄菊萍，李 然，沈焕荣，冯镜洁
(1.陕西子午建设管理有限公司,西安 710025； 2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,成都 610065)
引 言
河流生态流量的出现和发展，是随着人类活动对河流生态系统所造成的负面影响不断增加而逐渐被研究者们认识和关注的[1]。为维持和恢复河流的生态环境与相应的生态功能，生态流量(Environmental flow)这个概念被研究者们提出来[2]，即能够维持河流的生态系统和维持人类生存发展所依赖的生态系统所需要的河流水量、时间和水质[3]。美国于20世纪40年代开始了对河流生态流量的研究，随着社会经济的发展以及人类活动的日益加剧，河流生态流量也相应得到了关注和发展，到20世纪80年代，澳大利亚、英国和南非等国家相应开展了这方面的研究，而我国关于河流生态流量的研究起步较晚[4]。
对于水电工程，在电站的施工期和运行期均有可能出现下游河段减水或脱水的现象。在初期蓄水期，水库水位需从常水位蓄至发电水位(死水位)，使得下游河道的来水量减少，甚至出现断流[5]。对于引水式电站，在电站运行期间，电站通过引水系统截弯取直引水发电，造成原河道中坝址与发电厂址间河段的水量减少，甚至断流，形成减水或脱水河段[6]。我国西南地区的水电资源丰富，受地理地貌影响，西南地区水电开发常采用引水式发电[7]。随着引水流量的加大，下泄流量减少，减水河段内水力学条件发生变化，对河道内的沿河植物、哺乳动物和鱼类等造成严重影响，破坏了河道内的生态环境。因此，为保证坝下河流的自然生态环境，必须下泄生态流量[8]。
目前国内外对生态流量的研究主要集中在对河流生态需水量的研究方面。计算河流生态流量主要包括水文学法、水力学法、生态栖息地法、整体分析法等[9-10]。水文学法基于历史流量，主要包括Tennant法[11]、7Q10法[12]、逐月流量频率曲线法[13]等；水力学法基于水力学计算，主要包括湿周法[14]、R2CROSS法[15]等；生态栖息地法基于生物学基础，包括IFIM法、PHABSIM法[16]等；整体分析法基于河流系统整体性理论，包括南非的BBM(Building Block Merhodology)[17]等。在水电工程上，常通过优化水库调度来满足河流生态系统的流量需求，从而减少水库调节对生态系统的负面影响，我国学者在生态调度方面做出了许多研究，并提出了考虑生态流量的水库调度模型[18～20]。
然而，目前国内外对于生态流量泄放措施的研究还较少，对于生态流量泄放系统的布置型式、对下游河道生态环境的影响、泄放保证率以及资源利用等方面缺乏理论研究。水库建成后，因水库对水量的调蓄以及水体对热量存储等条件的变化，形成其特有的水温分布结构，导致水库下泄水温变化规律不同于天然河道状态下的水温变化，对下游河段水温分布造成影响，从而对水环境及水生环境造成较大影响[21-22]。王锐等以锦屏二级水电站为研究对象，探讨了下游减水河段内水温变化对鱼类产卵的影响，研究结果表明，受工程影响，某些鱼类的产卵时间被推迟了一个月[23]。因此，在设计生态流量的泄放时，需要考虑生态流量下泄水温对下游河道生态环境的影响。
对于生态流量泄放措施的设计还应当考虑泄流保证率的问题，在我国，《中华人民共和国自然保护区条例》和《中华人民共和国环境影响评价法》明确规定水电站设施必须保证下泄足够的生态流量。而在实际工程运行期间，常会涉及到生态流量下泄管道检修或出故障等问题，因此需要考虑在意外情况下，保障生态流量下泄的备选方案，否则可能会出现无法保证生态流量持续下泄的情况。
生态流量的下泄与水资源利用率也有关系。对于引水式电站，可采用通过设置生态机组的形式来保证生态环境用水，利用生态机组的电站尾水充当下泄生态流量，使坝下减水河段处于常年有水的状态[24]。因而，增加生态机组，既能保证生态流量，同时有利于增加发电量，合理高效利用水能资源。
本文以去学水电站为研究对象，对生态流量泄放措施进行研究。去学水电站位于硕曲河下游的四川省得荣县内，为混合式开发水电站，电站引水将导致坝址与电站尾水出口间形成约6.5 km的减水河段，对减水河段生态环境用水造成不利影响，因此，需要下泄生态流量。
1 生态流量的确定
硕曲河河道生态环境用水量主要从维持河道水生生物生存的需水量、河流景观需水量和防治河流水污染需水量三方面来考虑。
分别采用水文学法中的Tennant法、R2CROSS法、生态水力学法计算维持河道水生生物生存的需水量。
Tennant法不仅适应有水文站点的季节性河流，而且适用没有水文站点的河流。河流流量推荐值以预先确定的年平均流量的百分数为基础。该方法推荐的生态基流分为丰水期和枯水期，根据多年平均流量百分比和河道内生态环境状况的对应关系，直接计算维持河道一定功能的生态环境需水量。从Tennant法中不同流量百分比对应河道内的生态环境状况可知对于去学电站，当枯水期下泄流量达到多年平均流量的10%时，对应河道内的生态环境状况可以达到“一般”级以上。R2CROSS法以曼宁公式为基础，根据对减水河段断面的实测资料，选择典型河道断面，计算出各流量下的水位、流速及湿周率，对于本工程，当下泄流量为多年平均流量的10%，即8.42 m3/s时，典型断面处的平均水面宽度为18.16 m、平均水深1.08 m、湿周率为65.1%、流速为0.43 m/s，各项指标都符合R2CROSS法所规定的水力参数要求。采用生态水力学法验证R2CROSS法确定的最小生态流量值，可以看到当下泄8.42 m3/s的生态流量时，生境参数指标除水面宽度与过水断面面积不满足要求外，其余指标均满足要求；但考虑到硕曲河为中型河流，同时鱼类区系组成简单，标准可适当降低，因此当坝址处下泄8.42 m3/s生态流量，减水河段的水力生境参数基本满足要求。
从计算数据可知，去学水电站坝址处多年平均流量为84.2 m3/s，坝址处下泄8.42 m3/s生态流量可满足河道水生生物栖息地用水基本需求；考虑防治河流水污染需水量，经计算，要使减水区间的水质维持《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅱ类水质标准要求，则需至少保证0.02 m3/s的流量，以保障减水河段区间水质不受污染；在维持河道生态需水量分析中，对不同下泄流量下减水河段典型断面的水力参数如河宽、水深等进行了测算，当下泄流量达到多年平均流量的5%(即4.21 m3/s)时，减水河段的河谷景观与天然状况相比没有太大的变化，可满足河流景观要求。
综合考虑各项生态环境需水量，按最大需水量取值，即：减水河段生态环境需水=max{维持河道水生生物生存的需水量，河流景观需水量，防治河流水污染需水量}=max{8.42, 4.21, 0.02}m3/s =8.42 m3/s。为此，去学电站下泄生态流量确定为8.42 m3/s。
2 可研阶段生态流量泄放方案
根据确定的生态环境需水量，可行性研究阶段提出了生态流量泄水措施方案(可研阶段方案)[25]。
2.1 生态流量泄放方案
生态水量通过泄洪无压洞洞身向下游河道供水，生态流量泄水设施布置在工作闸门井右侧。两根钢管中心高程均为2 266.00 m。1#钢管内径80 cm，设一道DN800型蝶阀和一道电磁流量调节阀，用以控制泄放生态流量。2#钢管内径60 cm，设一道DN600型蝶阀。两根钢管泄水直接冲击泄洪洞底板和边墙部位。
当库水位在死水位～正常蓄水位间变化时，钢管的作用水头为43 m～64 m，随库水位的变化钢管泄放流量变化不大，阀门控制方便；且采用两条钢管的布置型式在运行期操作较为灵活。
为防止进入操作室的渗漏水或泄洪洞下泄洪水对阀门产生损害，在操作室周边设置排水沟，引至下游边墙处的集水井内。集水井内设置两台排水泵，错开布置，一台工作，一台备用。排水泵出水口直接接入1#钢管电磁流量调节阀下游侧主管。
2.2 下泄流量计算
生态流量下泄时钢管内为有压流，其出口不淹没。泄流能力计算采用有压管流泄流能力计算公式[26]：
(1)
式中，Q为下泄流量(m3/s)；H为由钢管中心高程算起的上游库水深(m)；A为钢管断面面积(m2)；g为重力加速度(m/s2)；μc为有压管流的流量系数，由下式计算：
(2)
其中：∑ζ为管道计算段中各局部水头损失系数之和；l为钢管计算段长度(m)；d为钢管内径(m)；λ为沿程水头损失系数。
采用公式(1)、(2)计算管道泄流能力，当泄水钢管在死水位2 310 m时，1#钢管可下泄流量4.58 m3/s，2#钢管可下泄流量4.43 m3/s，两根泄水钢管总泄流量为9.01 m3/s，满足下游所需8.42 m3/s生态流量的要求。
2.3 生态流量泄放水温
水库水温的垂直结构大致分为分层型、混合型和过渡型等三种类型，现行的水库水温分层判别方法主要有水库水替换次数的α和β指标判别法、水库宽深比判别法、Norton密度Froude数判别法及热平衡因子法等[27]。去学水电站水库库区天然河道平均比降约7.6‰，正常蓄水位2 330 m，相应库容1.2745亿m3，水库面积约2.2 km2，坝前最大水深128 m，硕曲河干流回水长18.56 km。根据以上特点，采用Norton密度Froude数判别法对去学水电站水库水温结构进行判断。
2.3.1 水温分层结构判别模型
(3)
式中：Fd为密度佛汝德数；L为水库长度(m)；Hr为水库平均水深(m)；V为水库库容(m)；Qin为入库流量(m3/s)；G为标准化的垂向密度梯度，10-6(1/m)。
当Fd<0.1时为稳定分层型；0.1
2.3.2 水库水温计算模型
针对去学水电站水库为河道型，水库调节性能为季调节的特定，并根据库区水温结构预测结果，认为去学水电站水库水温在纵横向变化小，采用宽度平均的立面二维模型可较好地模拟出此类窄深型水库在纵向和垂向上的水温时空分布。匡亮[28]等人采用立面二维模型分别对乌东德水库、白鹤滩水库进行了水温的模拟和预测，计算结果显示模型能够较好地模拟出水库垂向水温的变化规律，说明采用宽度平均的立面二维模型可以较好地对水库水温进行模拟。
2.3.2.1 模型基本方程
方程基于以下假定：
a. 流体为不可压缩流体；
b. 满足Boussinesq假定：在密度变化不大的流体运动中，密度变化的影响只在重力项中考虑，而在控制方程的其他项中忽略其影响。
连续方程
(4)
x向动量方程：
(5)
式中，B(m)为水体宽度；U(m/s)为纵向流速；Ux(m/s)为汇入的支流流速；W(m/s)为垂向流速；q(1/s)为侧向单位体积净入库流量；η(m)为水位；α(rad)为河道倾角；ρ(kg/m3)为水体密度；τxx(N/m2)为控制体在x面x向的湍流剪应力；Ux为支流流速的x分量；τxz(N/m2)为控制体在z面x向的湍流剪应力，由下式计算：
(6)
式中，Az(m2/s)为垂向涡黏系数，由于纵向上对流输运占主导地位，紊动切应力的影响作用相对较小，因此计算紊动切应力时纵向紊动粘性系数取为常数。而垂向速度较小，水体的对流输运较弱，不宜采用简单的常数模型计算垂向涡粘系数。垂向涡粘系数采用W2N公式计算，为：
(7)
式中：vt(m2/s)为垂向涡粘系数；lm(m)为混合长度；κ为范卡门常数；u*(m/s)为剪力速度；τwy(N/m2)为因风而产生的横向剪应力；k为波数；τytributary(N/m2)为因支流入流而产生的横向剪应力；△zmax(m)为垂向网格间距的最大值。v(m2/s)为分子粘度；C为常数；Ri为Richardson number，动能与势能之比。
该宽度平均立面二维模型认为在纵向尺度远大于垂向尺度的情况下，垂向流速远小于纵向流速，假定垂向流速对时间和空间的偏导数和湍流剪应力偏导数均为小量，在忽略时变加速度项、位变加速项和湍流剪应力项后，将z方向动量方程简化为静水压力方程，这种假定对于有明显垂向加速度的流动不适用，如强降温导致的垂向对流等模拟不准确。
z向动量方程：
(8)
状态方程：
ρ=f(Tw,ΦTDS,Φss)
(9)
自由水面方程：
(10)
热输运方程：
(11)
式中， f(Tw,ΦTDS,ΦSS)为密度函数，为水温、盐度、悬浮物浓度的函数。Bη(m)为水面宽度；Dx(m2/s)为纵向离散系数；Dz(m2/s)为垂向离散系数；qΦ(J/m3/s(mg/L/s))为单元控制体侧向热量(水质)出入流的速率；SΦ(J/m3/s(mg/L/s))为源汇项。
热输运方程源项中忽略了河床热交换，仅考虑水面热交换和两部分。水面热交换主要由辐射、蒸发和传导三部分组成。
2.3.2.2 数值求解方法
采用有限差分法对微分方程进行离散，采用ULTIMATE算法求解差分方程，水动力方程、温度耦合求解。计算中先求解自由水面离散方程，得出自由水面高程，之后求解U、W，再求解温度方程。根据新的水面高程更新计算网格往返计算。
2.3.2.3 模型主要参数设置
影响水库水温计算结果的参数较多，主要参数设定见下表。其中影响较大且需要率定的参数有垂向涡粘系数、风遮蔽系数和光遮蔽系数。垂向涡粘系数、风遮蔽系数直接影响水动力条件，从而影响热量输运，其他系数直接影响热量输运计算。
表 模型中水温计算主要参数Tab. The main parameters of water temperature calculation in the model
2.3.3 计算结果
采用上述的水温计算模型，经计算，去学水电站水库的Fd=0.0021。根据计算结果可知，水库水温结构属于稳定分层型。
去学水电站水库水温随时间变化如图1所示。可以看出库区水深呈现显著分层现象。因此，生态泄流的取水高程及取水水温值得关注。可研阶段设计将永久生态流量泄放钢管埋设于泄洪洞中，泄洪洞入口底板高程为2 265.0 m，据此可查到对应高程水温。近似取该水温为生态流量下泄水温。将得到的生态流量下泄水温与坝址天然水温进行对比，结果见图1。可以看出，永久生态流量泄放管取水口底板高程为2 265.0 m，位于水库死水位2 310.0m以下45 m，处于水库斜温层下端，导致生态流量的水温接近于库底水温，各月水温在4℃～8℃之间，最大年变幅较小(仅4℃)，3月～10月存在长时间的下泄低温水现象，特别在6月份，生态流量水温较坝址处天然水温偏低达7.6℃。
图1 去学水电站水库水温逐月变化示意图Fig.1 The variation of water temperature in reservoir of Quxue hydropower project
2.4 生态流量泄放方案分析
可研阶段方案满足了下泄生态流量的要求，但是存在着一些不足，尤其是在下泄水温方面，生态流量的下泄很有可能对减水河段鱼类产卵繁殖造成不利影响。因此，在为减水河段提供满足水生生物要求的水量的同时，还需尽可能合理优化生态泄流取水高程，减缓因水温变化对减水河段水生生物的影响。
随着工程建设的逐步推进和对环保问题认识的深入，逐步发现可研阶段生态泄放措施存在生态下泄流量水温与天然水温差异较大、泄洪洞或生态流量泄放管检修期间生态流量泄放的保证受到影响等问题。
3 生态流量泄放方案的优化研究
为了进一步提高生态流量泄放保证率，同时合理高效利用水能资源，本文在去学电站施工详图阶段提出了生态流量泄放措施优化方案(优化方案)，并对两种方案在生态流量的下泄水温，生态流量泄放保证率，利用水能资源等方面进行比较分析。
3.1 优化原则
鉴于可研阶段生态流量泄放设施存在的一些问题，确定了生态流量泄放设施的优化原则。
3.1.1 优化生态流量泄放设施的布置方式，提高生态流量泄放保证率；
3.1.2 提高生态流量泄放系统取水口高程，改善取水水温；
3.1.3 安装生态机组，提高生态流量利用效率。
3.2 优化方案
优化方案中，将生态泄放系统进水口布置于拦河坝右岸上游侧，采用塔式进水口，底板高程2303.0 m，进水口段长7.30 m，孔口尺寸3.0 m×3.5 m(宽×高)。生态泄放系统管道全长约496 m，全部采用压力钢管，分埋管和明管两种方式。进水口后穿右岸山体部分为埋管布置，压力钢管内径1.5 m，厚度12 mm，压力钢管外衬0.5 m厚混凝土，长度约179 m。出山体后采用明管方式，利用原有“环北线旅游公路”进行敷设，泄放出口设置在导流洞出口方的旅游环北线临时路上。由于出口与河床高差约50 m，在边坡上布置泄槽、在河床部位设置挑流鼻坎，采用挑流消能，将生态流量泄放至河床。
在增设的生态流量利用设施中增加安装生态机组。生态机组通过明管段中设置的1#引水支管引水发电，并兼具生态流量泄放功能。在发电机组检修或故障条件下，可关闭1#引水支管，下泄流量通过永久生态泄放管(2#支管)泄放到下游河道。永久生态泄放系统布置如图2所示。
采用公式(1)、(2)计算管道泄流能力，在水库水位为死水位2310m时，泄水钢管1#、2#支管过流能力远大于下游所需8.42 m3/s生态流量的要求。
在优化方案中增加了生态流量综合利用设施。去学生态电站利用在建去学水电站生态流量建设而成。去学水电站生态流量泄放为8.42 m3/s，机组位于去学水电站坝址处不受下游奔子栏回水的影响，厂房位于去学水电站导流洞靠下右侧，采用岸边地面厂房布置方式。经综合比较，为满足各水头段泄放生态流量的需求，去学水电站生态机组拟用1台机组装机容量9.4 MW方案。
生态机组装机容量为9.4 MW时，机组最大水头对应发电流量为8.42 m3/s，最小水头对应发电流量为8.5 m3/s，机组对应额定流量为9.0 m3/s，机组正常运行期间完全能够满足生态流量泄放要求。
由于生态泄放系统需要满足8.42m3/s的生态流量泄放需求，因此，除检修期间外，生态机组均以恒定不低于8.42 m3/s的流量发电运行。机组检修期间，生态流量的下泄通过永久生态泄放支管(2#支管)或者泄洪洞等泄流建筑物泄放流量实现。
图2 优化方案生态流量下泄系统布置图Fig.2 The layout of the environmental flow discharge system in optimized scheme
3.3 方案优化分析
3.3.1 下泄水温对比分析
优化方案中生态流量取水口高程为2303 m(在死水位2310 m以下7 m)。根据前述计算得到的去学水库水温分布结果，近似采用优化方案取水口对应高程的水温为生态流量下泄水温，如图3所示。与可研阶段生态流量泄放方案的水温结果对比可以看出，优化方案中取水口高程提高了37.3 m，各月取水水温在4℃～15℃之间，取水水温较接近表层水温，与坝址处天然水温最大温差不超过5℃。生态流量逐月水温过程与坝址处天然水温相差较原可研方案大大缩小，极大程度上减缓了对减水河段水生生物产卵繁殖的影响。
对比电站发电尾水水温(去学水电站装机246 MW，安装2台单机容量为123 MW的水轮发电机组，单机引用流量79.2 m3/s)，优化方案下的生态流量对发电尾水水温的影响较小，如图4所示，这是因为生态流量相对发电尾水流量较小，生态流量优化方案对水温的改善作用主要在尾水汇入前的河段，发电尾水混合后有一定改善效果，但并不显著。
图3 去学水电站生态下泄流量水温与天然水温逐月对比图Fig.3 Comparison between monthly variation of water temperature of environmental flow discharged from Quxue hydropower station and natural flow
图4 去学水电站优化方案生态下泄流量与发电尾水混合后水温示意图Fig.4 Water temperature after mixing environmental flow with tail water in Quxue hydropower station in the optimized scheme
3.3.2 水资源利用率对比分析
可研阶段方案中，生态流量通过泄放管直接流至泄洪洞出口，借助泄洪洞下游的消能建筑物将多余能量消掉后安全传输至下游减水河段。由于没有安装生态发电机组，生态流量所携带的能量没有得到有效利用。
相关资料表明，生态机组对水温的影响并不显著[24]，在优化方案中，合理利用生态流量及其水头，增设生态装机容量9.4 MW的生态发电机组，有利于增加发电量，合理高效利用水能资源。对于节约煤炭资源，减少温室气体排放具有十分重要的意义。
3.3.3 泄放保证率的对比分析
原设计在泄洪洞或者生态流量泄放钢管检修期间，生态流量下泄的保障措施有两种，一是当库水位高于2 320 m时，可以通过溢洪道弧门局部开启向下游短时间补水。二是当泄洪洞检修时段较长而库水位低于2 320 m时，需要临时在溢洪道上架设潜水泵从上游库中抽水向下游补水，水泵总额定流量不小于8.42 m3/s。对于第一种方案，存在溢洪道弧门调度不便、精度难于控制等问题，且在2 320 m以下水位时无法应用。第二种方案需要架设总额定流量不小于8.42 m3/s的多台潜水泵，不仅操作难度较大，而且不适于长时间运行。
此次施工详图阶段提出的生态流量泄放措施优化方案中，将生态流量泄放系统和泄放管于泄洪洞之外单独设置，并在厂房上游墙前坡面设置检修泄放管。在正常运行期，生态流量通过发电引水管道(1#引水支管)泄放，在机组检修期间，发电引水管关闭，生态流量通过2#检修泄放支管下泄。而当生态泄放系统检修或事故期间，则可通过控制泄洪洞或溢洪道闸门小开度下泄生态流量，完全避免了增设生态机组对生态流量泄放的影响，从而真正实现了生态流量的不间断泄放，使生态流量下泄的保证率大大提高。
4 结论与展望
根据预测得到的生态需水量，去学水电站在可行性研究阶段、施工详图阶段设计了两种生态流量泄放措施方案。生态流量泄放措施优化方案提高了生态流量取水口的布置高程，在泄洪洞之外单独布置生态泄放系统，并增设生态流量机组。同可研阶段方案相比，施工详图阶段生态流量泄放措施优化方案中生态流量水温更接近于天然水温,优化方案的泄洪洞或泄放管检修期间生态流量下泄的保证率进一步提高,优化方案的水资源利用效率更加合理高效,为同类水电工程的生态流量泄放措施的设计提供了参考。
