观音峡水电站最小生态流量分析计算

贾子烨，杨颖刚，王双银，王 曦，何冰晶

(1.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院， 陕西 杨凌 712100；2.陕西省水利水电发展中心， 陕西 西安 710000)

水电站调度运行不当会造成下游河段水量减少或断流，进而对下游河道的水生生物、河岸陆生动植物的种类和数量产生影响。近年来，陕西省在农村水电工程规划建设中对生态环境问题愈来愈重视，为了降低水电站开发对生态环境特别是河段水文情势和生态功能的不利影响，必须分析计算水电站的生态流量。国内外关于生态流量的计算方法有200多种，归纳后可分为水文学法、水力学法、生境模拟法和整体分析法[1-3]，目前国内大部分水电站生态流量以多年平均流量的一定比例(Tennant法)为依据，也有部分水电站以几种方法的平均值作为生态流量的推荐值，不能突出河流的主要生态问题。论文以湑水河观音峡水电站为研究对象，结合观音峡水电站下游保护水生生物需求，选用现阶段普遍应用的Tennant法、90%保证率最枯月流量法、基流比例法、湿周法和生态水深-流速法对水电站的生态流量进行估算，并通过构建判断矩阵分析计算不同方法的权重系数，采用加权平均法计算得到观音峡水电站生态流量的推荐值，为水电站调度提供依据。

1 流域概况与数据来源

1.1 流域概况

观音峡水电站位于湑水河上游太白县境内，是湑水河干流11级梯级电站开发的第1级，坝址控制流域面积431 km2。湑水河属长江流域汉江水系一级支流，发源于秦岭南麓周至境内的光头山，流域总面积2 340 km2，干流全长165.5 km，总落差1 636.0 m，河道平均比降5.59‰。湑水河流域位于北亚热带湿润季风区，多年平均气温14.1℃，多年平均降水量为788 mm，年降水量主要集中在7月—9月，多年平均7月—9月降水量占全年的53.1%。

观音峡水电站装机容量2.6万 kW，为引水式水电站，拦河坝址至电站厂房之间13.15 km河段位于中低山区，在陕西太白湑水河水生野生动物省级自然保护区范畴，该保护区总面积5 343 hm2，主要保护对象有大鲵、秦岭细鳞鲑、川陕哲罗鲑、水獭、多鳞铲颌鱼、秦巴北鲵等珍稀水生动物。

1.2 数据来源

酉水河酉水街水文站1959年—1998年逐月平均流量资料来源于陕西省水文水资源勘测局，河道断面资料摘自《观音峡水电站初步设计报告》。

2 计算方法

2.1 Tennant法

Tennant法是通过分析研究河流生态环境状况与多年平均流量百分数之间的关系，以不同生态环境状况对应的多年平均流量百分数作为生态流量，该方法简单，应用较为广泛，但对河道形态、水文参数考虑不足，对流量较小的河流有一定的局限[4-5]。

2.2 90%保证率最枯月流量法

该方法是依据实测历年最枯月平均流量频率曲线，取90%频率流量作为生态流量[6]，一般适用于河川径流量较小、开发程度高且具有长系列实测径流资料的河流。

2.3 Texas法

Texas法是对历年逐月平均流量进行频率分析，以50%保证率下的数值作为标准，取其相应的百分比作为生态流量[7]。

2.4 基流比例法

基流比例法针对年际年内径流变化较大的河流，按水量多少划分年型(丰水年、平水年、枯水年和特枯水年)和季节(丰水期、平水期、枯水期)，分析同年型或同季节的基流量占平均流量比例，作为生态流量[8-10]。

一般先分析计算丰水年的基流量占年平均流量的比例，以此为基础，从丰到枯逐类型推算各年型的基流比例，具体计算过程参见文献[10]。该方法的关键是确定丰水年的基流比例和各年型之间的基流比例倍数。

2.5 年内展布法

年内展布法认为河流天然状态下历年最小月径流量能够满足河流基本生态系统的稳定，能够保证下游水生生物的生存空间，计算时首先求得各月历年最小月平均流量的平均值与多年平均流量的比值，用此比值再乘上各月历年多年平均流量就得到各月生态流量，具体参见文献[11-12]。

2.6 湿周法

湿周法是依据河道断面湿周-流量关系曲线，通过分析该曲线的变化特点确定生态流量，一般以湿周-流量关系曲线突变点相应的流量作为生态流量。湿周法要求河床形状稳定，即有稳定的湿周-流量关系曲线的河流[13]，依据曼宁公式和谢才公式，得到湿周-流量关系式：

(1)

式中：Q为流量，m3/s；A为过水断面面积，m2；n为曼宁粗糙系数；P为湿周，m；S为水面比降。

由于流量Q、湿周P和断面面积A都是未知的，直接推求湿周-流量关系比较困难，根据有关湿周法估算生态流量的理论分析[14]，“V”字型河谷湿周-流量关系曲线表达式为：

Q=aPb

(2)

(3)

式中：Q为断面流量，m3/s；P为断面湿周，m；S为水面比降；θ为两河边夹角；n为曼宁糙率系数，a、b为常数。

突变点可以利用斜率为1法或曲率最大法求出，依据湿周-流量关系确定突变点的研究[15]，当湿周-流量关系呈幂函数关系时，用斜率法得到转折点更为合理，最小生态流量Qmin公式为：

(4)

式中：Qmin为最小生态流量，a、b同前。

2.7 生态水深-流速法

对于减脱水河段，为了保护生态目标河道内应保持一定的水深和流速。生态水深-流速法是通过选择河道指示物种并依据指示物种的生态水深、生态流速等生境条件推求河流的生态流量，推求的生态流量是指高于等于生态水深并且在适宜生态流速[vEmin，vEmax]范围内的流速对应的流量[16]。该法考虑到了水生生物的需求，是水文学和水力学两种方法的集成。

2.8 Saaty标度法

1～9标度法是美国运筹学家Saaty[17-18]提出的，由一组专家两两比较不同因素的相对重要程度，构成判断矩阵，标度等级如表1所示。随后对判断矩阵进行适当的调整，从而建立合理的判断矩阵，n个指标构成的判断矩阵见下式：

表1 判断矩阵标度定义

(5)

式中：gij表示本层指标i和指标j基于上一层指标的相对重要程度，且满足gij>0；gii=1；gij=1/gji，(i，j=1,2，K，n)。

3 计算结果

3.1 水文数据分析

湑水河干流设有升仙村水文站，控制流域面积为2 143 km2，是观音峡水电站坝址控制流域面积的5倍，而相邻的酉水河干流酉水街水文站控制流域面积为911 km2，仅为观音峡水电站坝址控制流域面积的2.1倍，据此以酉水街水文站为参证站分析观音峡水电站的径流特性。

依据酉水街水文站1959年—1998年的实测径流资料，经频率分析得其多年平均流量为13.70 m3/s，Cv=0.52，Cs=2.50Cv。采用水文比拟法并考虑面积修正，计算得观音峡水电站坝址处多年平均流量为6.48 m3/s，Cv=0.52，Cs=2.50Cv。以酉水街水文站多年平均逐月分配比例计算得观音峡水电站坝址多年平均月流量见表2。

表2 观音峡水电站径流量多年平均年内分配表

3.2 Tennant法

研究表明多年平均径流量的10%是保持河流生态系统健康的最小流量，据此计算的观音峡水电站的最小生态流量为0.65 m3/s。

3.3 90%保证率最枯月平均流量法

依据酉水街水文站1959年—1998年共40年的逐月平均流量资料，得到历年最枯月平均流量系列，经适线后得到该水文站最枯月平均流量多年平均值为2.36 m3/s，变差系数Cv=0.41，偏态系数Cs=2.0Cv，酉水街水文站90%保证率最枯月平均流量为1.24 m3/s，约占多年平均流量的9%。采用水文比拟法并考虑面积修正计算的观音峡水电站坝址90%保证率最枯月平均流量为0.59 m3/s。

3.4 Texas法

论文对酉水街水文站1958年—1998年共480个月的径流量进行频率分析，根据学者对北方河流的研究[10]，通常取50%保证率径流量的20%作为生态流量，即0.62 m3/s。

3.5 基流比例法

(1) 各年型生态流量计算。依据酉水街水文站1959年—1998年逐月平均流量资料，根据距平百分率法计算得到酉水街水文站丰、平、枯、特枯水年平均流量值分别为21.92 m3/s、13.95 m3/s、8.73 m3/s、4.48 m3/s，将丰水年历年最枯月的平均流量占丰水年平均流量的百分比作为丰水年基流比例，即12%，逐类型推算各年型的基流比例，得到平水年基流比例为15%，枯水年基流比例为18%，特枯水年基流比例为25%。经计算，酉水街水文站丰水年生态流量为2.63 m3/s，平水年生态流量为2.09 m3/s，枯水年生态流量为1.57 m3/s，特枯水年生态流量为1.12 m3/s。依据水文比拟法计算得到观音峡水电站坝址处丰、平、枯、特枯水年生态流量分别为1.24 m3/s、0.99 m3/s、0.74 m3/s、0.53 m3/s，占其多年平均流量的8%～19%。

(2) 年内各时段生态流量计算。由表2可知，观音峡水电站坝址处12月—次年3月为枯水期；4月—6月、11月为平水期；7月—10月流量为丰水期。依据酉水街水文站各个时期的流量平均值和各年型的基流比例分别计算各年型各时期的生态流量后，通过水文比拟法推算观音峡坝址处丰水年丰、平、枯时期生态流量，见表3，观音峡水电站生态流量计算结果为0.22～2.56 m3/s，约占多年平均流量的3%～40%，除了特枯年，各年型的平水期和枯水期生态流量差别较小。

表3 观音峡水电站基流比例法和年内展布法计算结果

3.6 年内展布法

依据酉水街水文站各月历年最小月均流量计算得到酉水街水文站各月历年最小月均流量的平均值为1.73 m3/s，多年平均流量为13.70 m3/s，则均值比为13%。结合各水文站多年月均流量的年内过程，计算酉水街水文站生态流量，通过水文比拟法得到观音峡水电站坝址处各月份生态流量，见表3。

3.7 湿周法

引水式水电站典型河段为坝址至汇流处之间的河段[19]，选用观音峡水电站坝址处断面作为研究断面。根据公式(2)、公式(3)，依据坝址实测断面图、坝址断面处上下游河道纵剖图，根据《观音峡水电站初步设计报告》确定观音峡坝址处θ=30°，n=0.055，S=10‰，结合图1坝址处水位-流量关系曲线，得到湿周-流量关系曲线，见图2。根据公式(6)计算得出最小生态需水量为1.23 m3/s，约占多年平均流量的19%。

图1 观音峡坝址水位-流量关系曲线

图2 观音峡坝址湿周-流量关系曲线

3.8 生态水深-流速法

鱼类是河流生态中与人类关系最为密切的顶级生物，对河流的水文情势变化敏感，宜选用鱼类作为指示物种[20-21]。研究河段鱼类以秦岭细鳞鲑、多磷铲颌鱼和拉式鱼为主，论文选取珍稀鱼类秦岭细鳞鲑作为指示物种。鱼类适宜水深下限约为鱼类体长的3倍，观音峡水电站下游秦岭细鳞鲑体长约9.6 cm～30.3 cm，取一般体长的均值作为产卵期的适宜水深，生态水深为0.6 m。据相关研究，大多数鱼类产卵适宜流速在0.3 m/s～1.5 m/s的范围内[22-23]，即vE∈[0.3 m/s，1.5 m/s]。结合河道断面参数，通过曼宁公式的计算和修正得到观音峡水电站坝址下游秦岭细鳞鲑生态流量为1.48 m3/s，约占多年平均流量的23%。

3.9 生态流量综合分析

论文选用Tennant法、90%保证率最枯月平均流量法、Texas法、基流比例法、年内展布法、湿周法和生态水深-流速法计算了观音峡水电站最小生态流量，基流比例法和年内展布法计算结果为范围值，基流比例法选取除特枯水年外的其它年型平水期的平均值作为代表值，年内展布法取各月生态流量的均值作为代表值，各计算方法计算结果分别为0.65 m3/s、0.59 m3/s、0.62 m3/s、0.78 m3/s、0.90 m3/s、1.23 m3/s、1.48 m3/s。

各种计算方法都有其优缺点，为了综合考虑不同方法的计算结果，基于Saaty提出的标度法，邀请水电站工作人员和专家学者对各种计算方法中所考虑的指示因子的重要性进行评判打分，Tennant法是目前计算生态流量普遍应用的经验方法，较为重要；90%保证率最枯月平均流量法得到的结果太小，基本不作考虑；基流比例法是根据北方河流的年际间和年内变化而提出的方法，对我国北方河流具有很好的适用性，所以重要程度较高；湿周法受河床形状限制，当河谷呈“V”型时计算得到的结果要略高，重要程度上偏低；由于观音峡水电站指示物种为国家Ⅱ级保护动物秦岭细鳞鲑，所以在计算方法打分上，更偏向于考虑了生物因素的生态水深-流速法。根据专家打分情况，用传统的“1～9”标度法构建Tennant法、90%保证率最枯月平均流量法、Texas法、基流比例法、年内展布法、湿周法和生态水深-流速法的判断矩阵(见表4)，加权平均后得到观音峡水电站生态流量推荐值为1.12 m3/s，约占多年平均流量的17%。

表4 观音峡水电站计算方法判断矩阵及权重计算

4 结 论

(1) 依据酉水街水文站长系列水文资料，选用Tennant法、90%保证率最枯月平均流量法、Texas法、基流比例法、年内展布法、湿周法和生态水深-流速法对湑水河观音峡水电站生态流量进行了计算，计算结果分别为0.65 m3/s、0.59 m3/s、0.62 m3/s、0.22～2.56 m3/s、0.90 m3/s、1.23 m3/s、1.48 m3/s。

(2) 对各种计算方法中所考虑的指示因子的重要性进行评判打分后构建矩阵得到Tennant法、90%保证率最枯月平均流量法、Texas法、基流比例法、年内展布法、湿周法和生态水深-流速法的权重系数分别为0.064 0、0.025 6、0.025 6、0.197 1、0.197 1、0.099 4、0.391 2。

(3) 各方法计算结果的加权平均值为1.10 m3/s，可作为观音峡水电站坝址生态流量推荐值，约占多年平均流量的17%。多种方法计算结果加权平均法可为其他水电站核算生态流量提供参考。