水电站减水河段河道生态流量计算

马俊超　王琨　张仲伟

摘要：为了合理确定水电站减水河段河道生态流量，提出了分时段分方法计算河道生态流量的思路。以西藏扎拉水电站为例，对减水河段的河道生态流量进行了计算。在鱼类生长繁殖期（4～9月）可采用生境模拟法;在非产卵繁殖期（10月至次年3月）可采用水文学法、水力学法及生态水力学法综合分析计算。结果表明：在鱼类生长繁殖旺盛期（5～8月）所需生态流量为33.0 m/s，一般繁殖期（4月及9月）为22.0 m/s，非产卵期（10月至次年3月）为15.9 m/s。研究结果可为水电站减水河段生态流量的确定提供借鉴。

关键词：生态流量; 鱼类生境 ; 减水河段; 玉曲河; 扎拉水电站

中图法分类号：TV11;P333 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.002

文章编号：1006 - 0081（2022）07 - 0015 - 05

0 引 言

引水式电站通过引水系统截弯取直引水发电，易造成原河道中坝址与水电站厂址间河段水量减少，甚至断流，形成减水河段。随着引水流量的加大和下泄流量的减少，减水河段内的水深、流速、水面宽等影响鱼类生存及生长的水力要素相应减小，导致鱼类的生存环境变得不适宜，最终使鱼类数量及物种减少[1]。因此，合理地确定水电站减水河段的生态流量显得十分重要，对维持河流生态系统健康具有重要意义。

目前，国内外常用的河道生态流量计算方法大致可以分为以下几类：水文学法、水力学法、生态水力学法、生境模拟法和其他经验分析方法[2]。其中水文学法最常用的代表性方法是Tennant法、Texas法及7Q10法[3-5]等。水力学法主要有湿周法[6]和R2-Cross法。生态水力学法根据影响鱼类栖息地的湿周、水位、流速、水面宽度等水力要素与流量的关系确定河道的生态流量[7]。生境模拟法[8-11]是对水力学方法的进一步发展，利用水力模型预测水位、流速等水力参数，与生境适宜性标准相比较，计算适于指定水生物種的生境面积，据此确定河道生态流量，主要计算方法为河道内流量增加法（IFIM法）[12-13]。现阶段大部分生态流量计算方法仅分为汛期与非汛期，并未考虑鱼类生长期及繁殖期，不符合水生动物及植物的生境需求。在多种河道生态流量计算方法中，如何针对不同时段选取最为合适准确的方法，成为亟待解决的问题。

本文以西藏扎拉水电站为例，根据鱼类生长繁殖期不同时段，分别采用水文学法、水力学法、生态水力学法以及生境模拟法对减水河段的河道生态流量进行计算。创新性地提出了分时段分方法计算河道生态流量的思路。研究成果对水电站减水河段生态流量的确定具有参考价值。

1 研究区域概况

西藏玉曲河扎拉水电站是怒江一级支流玉曲河梯级开发方案中的第六级，坝址位于左贡县碧土乡扎郎村（图1），坝址多年平均流量110 m/s。扎拉水电站总装机容量1 015 MW（含生态机组15 MW），属于引水式电站。坝址至厂址处的减水河段长度59.2 km，减水河段地处高山峡谷区域，两岸多为岩石基质，落差较大，河面宽20～50 m。根据调查，减水河段河道断面形态以U形、V形及W形断面为主，河道浅滩较多。

2 研究对象

2.1 研究鱼类

根据现场调查成果，扎拉水电站坝址下游至玉曲河河口处河段共分布3处鮡科鱼类产卵场，同时坝址下游的减水河段也是部分裂腹鱼的生长区域。因此，经综合考虑选择鮡科及裂腹鱼作为研究鱼类。

2.2 研究断面

为了计算扎拉水电站减水河段考虑鱼类生境需求的生态流量，选择鱼类产卵场河段的断面作为研究断面（图1）。部分研究断面形态见图2。

3 生态流量计算

为合理计算扎拉水电站减水河段的生态流量，根据各种计算河道生态流量方法的适用性，本次选用水文学法中的Tennant法、水力学法中的湿周法、生态水力学法分析鱼类非产卵繁殖期（10月至次年3月）的河道生态流量;采用生境模拟法分析鱼类主要生长繁殖期（4～9月）的生态流量。通过各种生态流量计算方法的综合比较，最终合理确定不同月份扎拉水电站坝址需下泄的生态流量。

3.1 水文学法

基于扎拉水电站坝址断面1979～2015年共37 a各月平均流量数据及下游支流汇入情况，按照Tennant法进行计算分析。为了满足扎拉坝址下游断面生态基流要求，取坝址处多年平均流量的10%作为生态流量，即11.0 m/s。

3.2 水力学法

采用湿周-流量对数函数作为湿周流量关系曲线的拟合函数。根据各断面的湿周-流量曲线，采用曲线斜率为1的方法拟定各断面拐点，由拐点处流量估算最小生态流量。通过对比分析确定湿周法计算的各断面所需生态基流，并反推到扎拉坝址处需下泄的生态流量为12.8 m/s。

3.3 生态水力学法

运用MIKE11一维水动力模型模拟多年平均流量的5%，10%，12.5%，15%，17.5%和20%共6个工况下减水河段内的影响鱼类生境的最大水深、平均水深、平均流速及湿周率等水力生境参数，综合确定扎拉水电站需下泄的生态流量（图3）。

根据不同工况下减水河段水力生境参数的汇总分析，当河道流量为13.8 m/s时，最大水深、平均流速、湿周率等各水力生境参数均满足标准要求;但水面面积未能达到标准要求。当流量为16.5 m/s时，最大水深、平均水深及水面面积等各项水力生境参数均满足标准要求。通过进一步的内插计算得到，当流量为15.9 m/s时，各水力要素均能达到减水河段鱼类生境要求。

3.4 生境模拟法

本文结合目前中国有关鮡科鱼类及裂腹鱼类的生态习性、繁殖习性等方面的研究，最终确定鮡科鱼类繁殖期所需的适宜水深为0～3.00 m，其中，最适宜水深为0.45～1.00 m;适宜流速为0.45～3.00 m/s，其中最适宜流速为1.00～1.75 m/s。裂腹鱼类的适宜水深为0～2.5 m，其中最适水深为0.5～1.5 m;适宜流速为0.45～3.50 m/s，其中最适流速为1.00～2.00 m/s。

使用水位-流量方法（STGQ）模拟减水河段的水位，采用水深检定法推估各断面流速，选用生境应用模型（HABTAE）将水文模型（WSL、Velocity）计算得到的各单元水深及流速与生境适配曲线上所描述的水深、流速适配度结合起来，将各单元适宜度与单元面积相乘求得不同工况下的指示物种的栖息地加权可利用面积（WUA），并最终得到WUA-流量关系曲线[14-15]，结果如图4所示。

各断面流量与鮡科及裂腹鱼可利用栖息地面积的关系曲线均呈先增加后减小的变化趋势。将曲线上第一拐点处的流量对应鱼类的繁殖初期及一般生长期所需的流量，峰值处的流量对应鱼类的繁殖旺期及生长旺期所需的流量。为满足减水河段鮡科及裂腹鱼的生长及繁殖需求，扎拉坝址4月和9月需下泄的生态流量为22.0 m/s、5～8月需下泄的生态流量为33.0 m/s。

4 生态流量综合分析

考虑工程建设中“生态优先、绿色发展”的要求，本次综合考虑各种模拟方法后推荐：在鱼类生长繁殖旺盛期（5～8月）、鱼类一般生长繁殖期（4月和9月）扎拉水电站坝址处需下泄的生态流量分别为33 m/s和22 m/s。鱼类非产卵繁殖期（10月至次年3月）坝址处需下泄生态流量为15.9 m/s。

5 结 语

本文以国内外常用的计算方法计算了扎拉水电站减水河段不同月份的生态流量，其中，鱼类非产卵期的10月至次年3月生态流量采用水文学法、水力学法及生态水力学法进行计算。生态水力学法计算结果为15.9 m/s，较水文学法及水力学法大，这是因为采用生态水力学法在计算过程中考虑了减水河段鱼类的基本生境需求。在鱼类繁殖期的4～9月采用生境模拟法中的物理栖息地模型进行计算，并首次将鱼类的繁殖期分为一般繁殖期（4月及9月）及繁殖旺盛期（5～8月）。经计算，在鮡科及裂腹鱼一般繁殖期所需生态流量为22.0 m/s，在繁殖旺盛期所需生态流量为33.0 m/s。

本文根据扎拉水电站减水河段生态流量的计算分析，提出了分时段分方法计算河道生态流量的思路，可为其他水电站减水河段河道生态流量计算提供参考。

参考文献：

[1] 戴凌全，王煜，戴会超，等.金沙江下游向家坝水库不同出库流量对四大家鱼生境面积影响的定量分析 [J].环境科学研究，2021，34（7）：1710-1718.

[2] 肖卫，周刚炎.三种生态流量计算方法适应性分析及选择[J].水利水电快报，2020，41（12）：59-62.

[3] 王瑞玲，黄锦辉，葛雷，等.基于黄河鲤栖息地水文-生态响应关系的黄河下游生态流量研究 [J].水利学报，2020，51（9）：1175-1187.

[4] 汪青辽，刘媛，郝红升，等.滇中引水工程取水口下游金沙江生态流量研究[J] .水力发电，2020，46（9）：28-31.

[5] 杨志峰，张远.河道生态环境需水研究方法比较 [J].水动力学研究与进展，2003，18（3）：294-301.

[6] GIPPEL C J， STEWARDSON M J.Use of the wetted perimeter in defining minimum environmental flows[J]. Regulated Rivers：Research and Management，1998，14（1）：53-67.

[7] 李嘉，王玉蓉，李克锋，等. 计算河段最小生态需水的生态水力學法[J].水利学报，2006（10）：1169-1174.

[8] 蒋红霞，黄晓荣，李文华，等.基于物理栖息地模拟的减水河段鱼类生态需水量研究[J].水力发电学报，2012（12）：141-147.

[9] 郝增超，尚松浩.基于栖息地模拟的河道生态需水量多目标评价方法及其应用[J].水利学报，2008，39（5）：557-561.

[10] 张文鸽，黄强，蒋晓辉.基于物理栖息地模拟的河道内生态流量研究[J].水科学进展，2008，19（2）：192-197.

[11] 李建，夏自强.基于物理栖息地模拟的长江中游生态流量研究[J].水利学报，2011（6）：678-684.

[12] 班璇，郭丹等.长江中游典型河段底栖动物的物理栖息地模型构建与应用[J].水利学报，2020，51（8）：934-946.

[13] DUNBAR M J，GUSTARD A，ACREMAN M，et al.Review of Overseas Approaches to Setting River Flow Objectives[R]. Wallingford：Institute of Hydrology，1997.

[14] 刘国民，姜翠玲，王维琳，等.基于栖息地模型的新安江坝下生态流量研究[J].水资源与水工程学报，2016（8）：61-65.

[15] 杨志峰，于世伟，陈贺，等.基于栖息地突变分析的春汛期生态需水阈值模型 [J].水科学进展，2010，21（4）：567-574.

（編辑：李 慧）

Study on calculation of ecological flow in water reducing reach of hydropower station

MA Junchao WANG Kun ZHANG Zhongwei

（1.Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.，Wuhan 430010， China; 2. Bureau of Hydrology，Changjiang River Water Resources Commission，Wuhan 430010， China）

Abstract：In order to determine the ecological flow in water reducing reach of hydropower station reasonably， the idea of calculating the river ecological flow by time-slot and situation-based method was put forward. The Zhala Hydropower Station was taken as example to calculate the ecological flow in water reducing reach. The habitat simulation method was used in the fish growth and breeding period（April to September）; in the non breeding period（October to March）， the comprehensive analysis and calculation of hydrology method， hydraulic method and ecological hydraulic method were used. The results showed that the ecological flows needed in the period of vigorous growth and reproduction（May to August） were 33.0 m/s， and 22.0 m3/s in the general breeding period（April and September）; the ecological flow in non breeding period（October to March） was 15.9 m3/s. This research results can provide reference for the determination of ecological flow in water reducing reach of hydropower station.

Key words： ecological flow; fish habitat; water reducing reach; Yuqu River; Zhala Hydropower Station