小水电站减脱水段最小生态流量计算——以盘溪梯级水电站为例

李阳，林锦

(1.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210029;2.河海大学水文水资源学院，南京 210098)

小水电属于清洁、绿色可再生能源,不存在资源枯竭问题，也不会对环境造成污染，是推进节能减排、改善大气环境的有效举措之一。我国小水电站量大面广，小水电站的运行调节了河流水量，改变了河流水文过程，当大坝蓄水或者通过引水坝引流出部分水量进行发电时，下游一段区域内的流量就会减少，甚至出现断流的情况，势必会给生态环境造成不利影响，流量减少的这部分河段即为河流的减脱水段[1-3]。生态流量下泄不足是造成减脱水段生态恶化的主要原因。

目前，国内外对生态流量的研究主要集中在大江大河，对中小河流特别是小水电站减脱水河段生态流量的研究较少，对可选用的生态流量计算方法也缺乏科学分析，相当一部分小水电站还没有确定最小生态流量[4-6]。据统计，目前国内外生态流量计算方法已有200多种，这些方法大致可分为水文学法、水力学法、栖息地定额法以及整体法4类[7-11]。由于小水电站多建于山区，位置偏僻且通信不便，资料短缺情况常见，研究者在概算生态流量时多以资料获取程度和投入成本作为计算方法的选用标准。其中，水文学法作为计算生态流量的经典方法，是指基于实测或还原的历史流量系列资料，选取天然流量百分比或者某一保证率下的流量作为生态流量，以Tennant法、年内展布法、频率法等为代表，其原理简单、易操作，尤其在资料缺乏地区具有优势[12-18]。随着生态流量研究的不断深入，新的生态流量计算方法及工具也在不断增加，如何在众多方法中选取最为适合的、更加准确的方法，成为生态流量研究中待解决的问题之一。

以盘溪梯级水电站的大洋水库为例，根据研究区域资料情况，采用改进的Tennant法、年内展布法、Q90法、改进的频率法以及NGPRP(northern great plains resource program)法等水文学方法计算最小生态流量，经合理性分析，提出最适合该地区的最小生态流量计算方法，并计算了盘溪一级电站至四级电站区间最小生态流量过程。该思路计算得到的结果既反映了该地区季节性河流的水文情势变化特性，又能在枯水季节维持所选定保证率下的河道水生态环境的最小流量。研究成果对我国小水电最小生态流量研究具有参考价值。

1 研究区概况

盘溪梯级水电站位于浙江省缙云县胡源乡，始建于1970年，属于典型的龙头水库梯级开发模式，龙头水库为大洋水库。该水电站共开发了七级水电站，分别是：盘溪一级、盘溪二级、盘溪三级、盘溪四级、天生桥、盘溪五级和盘溪六级水电站，盘溪梯级电站分布见图1。其中，盘溪一级电站至四级电站位于盘溪上游，通过引水系统连续发电，即上一级尾水直接通过引水系统引至下一级电站发电，其间不回归天然河道，并最终于盘溪四级电站处汇入原河道，故一级电站至四级电站区间天然河道内流量减少形成了减脱水河段。本文主要针对一级电站至四级电站的最小生态流量进行研究计算。

图1 盘溪梯级电站分布Fig.1 Distribution diagram of Panxi cascade hydropower station

2 研究资料与思路方法

2.1 研究资料

利用大洋水库的水文资料开展最小生态流量计算研究，在盘溪流域内无实测流量资料，但流域附近设有多个雨量站、水文站，其中：砩头水文站流域集水面积18.4 km2，多年平均降水量1 715 mm；大洋水库集水面积20.1 km2，多年平均降水量1 671.6 mm。两站流域集水面积较为相似，多年平均降水量接近，位置靠近，域内地形均以山地为主。根据《2020年浙江省水资源公报》中全省年径流深等值线图所示，参证流域与设计流域径流特征分布趋势一致。砩头站建于1966年，具有较长设计径流资料系列。以砩头站为参证站，将砩头站逐日降雨径流模型有关参数移用于本地区，利用设计流域1961—2011年历年各月逐日降水量和逐日蒸发量，经分析计算，求得大洋水库库区1961—2011年历年逐日径流过程。大洋水库至盘溪二级电站、二级电站至三级电站、三级电站至四级电站区间年径流推求采用水文比拟法进行，以大洋水库为参照点，得到历年各月平均流量。

2.2 计算思路及方法

首先，按照三生用水统筹原则，建议最小生态流量保证率为95%，仅次于基本生活用水，高于一般工业用水。以大洋水库作为研究站点，基于该研究站点可获取的长系列还原径流数据等资料，采用改进的Tennant法、年内展布法、Q90法、改进的频率法、NGPRP法，分别对大洋水库应下泄最小生态流量进行计算。

其次，采用大洋水库近30年还原径流数据，评价上述各种方法计算结果的合理性，即评价计算结果在该断面天然径流过程中满足设定保证率的程度。若满足程度明显超出或者低于设定的保证率要求，则认为该计算方法不适用于大洋水库。

最后，通过多种方法的对比筛选出适合大洋水库最小生态流量的计算方法。在满足设定保证率基础上，将多种适宜方法计算的最小生态流量的内包线作为该河段的最小生态流量过程。

3 生态流量计算

3.1 计算过程

3.1.1改进的Tennant法

Tennant法[19-21]，也叫蒙大拿法，以河道多年平均径流量作为基础，根据不同的需水情况和来水情况，选取一定的频率计算河道生态流量，通常以年平均流量的10%作为河道最小生态流量。该方法是一种最简单、最方便的生态流量计算方法，但其计算结果仅为一单一数值，忽略了河流的水文情势变化，故常作为一种参考或者检验方法。

本文采用改进的Tennant法计算最小生态流量，即在Tennant方法的基础上，将所有年份进行丰(保证率<25%)、平(25%≤保证率≤75%)和枯水年(保证率>75%)分组，并对不同来水年各月份分别计算最小生态流量。

当秋、冬季来水量较小时，应保证河流最小生态流量，即不同来水年下各月多年平均流量的10%分别作为最小生态流量下限。在春夏降雨量较多且正值鱼类产卵育幼的季节，应采用不同来水年下各月平均流量的30%作为河流的最小生态流量。基于此，利用改进的Tennant法最终确定丰、平、枯不同来水年各月最小生态流量过程，计算结果见表1，过程见图2。

表1 改进的Tennant法计算的不同来水年各月最小生态流量Tab.1 The monthly minimum ecological flow for different water years calculated by the improved Tennant method 单位：m3/s

图2 改进的Tennant法计算的不同来水年各月最小生态流量过程线Fig.2 The process line of the minimum ecological flow in different water years and months calculated by the improved Tennant method

3.1.2年内展布法

年内展布法[22-23]基于历史流量资料，以年最小径流总量与多年平均径流总量二者之间的比值，得到各月生态流量与各月多年平均径流量之间的关系，以此确定最小生态流量。该方法克服了Tennant法取多年平均流量的特定比例的主观性，能够定量地反映生态流量随河流水文情势的变化情况。

统计分析长系列水文径流资料，利用皮尔逊Ⅲ型曲线，得到不同保证率下的年径流量，同时为避免极枯与极丰年份数据对计算结果的影响，除去5%以下和95%以上的数据，以确保资料可靠合理。多年平均径流量、最小年径流量以及各月最小生态流量计算公式为

(1)

(2)

(3)

Qmin(i)=min(Qij)

(4)

(5)

(6)

根据公式(1)～(4)对大洋水库应下泄的最小生态流量进行计算，计算结果见表2。

表2 年内展布法计算得到的大洋水库各月应下泄的最小生态流量Tab.2 The minimum ecological flow that should be discharged from the Dayang reservoir in each month calculated by the spread method during the year 单位：m3/s

3.1.3Q90法

Q90法[24]对各年的月平均流量的最小月份流量值排频，将其90%保证率下的流量值作为最小生态流量。根据大洋水库1961—2011年历史流量数据，获得历年月平均流量最小值并进行排频，算得90%保证率对应的流量即0.019 m3/s，作为大洋水库应下泄的最小生态流量。

3.1.4改进的频率法

频率法[25]是对多年时段流量系列进行频率分析和配线，建立流量与频率之间的函数关系，以选定的某一枯水期频率的流量作为该时段的最小生态流量。

改进的频率法利用多项式拟合各时段的流量频率曲线，建立流量与频率之间的函数关系，并把水深、流速等水力要素作为修正和参考标准因素之一。在满足这些生态水力要素要求的基础上，以枯水期频率计算各月最小生态流量过程。计算过程如下。

对某时段(按旬、季、丰水期、枯水期等时段划分单位，为方便与其他方法对比，以月为单位进行时段划分)的多年流量系列从大到小排序计算经验频率P，对流量与经验频率进行拟合，建立流量q与P之间的函数关系。经验频率计算的表达式为

(5)

式中：m为流量按从大到小排序后的序号(计算时为避免特大流量对计算结果造成影响，可将其剔除)；qm为对应m排序的流量；N为样本序列容量。

各月份的流量频率拟合效果见图3。

图3 大洋水库不同月份流量频率拟合效果Fig.3 Comparison diagram of empirical frequency and fitting frequency of discharge of Dayang reservoir in different months

以75%的频率作为枯水期频率进行计算，根据流量频率函数初步推求最小生态流量。以水深、流速作为约束条件，为保持河道的基本生态功能，取本地典型鱼类体长的2～3倍记作生态水深；以当地优势或典型鱼类的适宜流速作为生态流速(当地无洄游性鱼类，流速要求较小)，确定生态水深为0.3 m，生态流速为0.02 m/s。在生态水力要素的控制下，对频率曲线法计算的生态流量重新修正，得到修正后各月最小生态流量，见表3。

表3 改进的频率法计算得到的大洋水库应下泄的最小生态流量Tab.3 Minimum ecological flow that should be discharged from the Dayang reservoir calculated by the improved frequency method 单位：m3/s

3.1.5NGPRP法

NGPRP[26]法是指基于不同水文年的差别，将水文系列分为丰、平、枯水年组，取平水年组中各月流量90%保证率下的流量值作为最小生态流量。

针对大洋水库1960—2011年的基本水文资料，基于上文中改进的Tennant法筛选得到的平水年基本数据，对该数据排频分析，得到90%保证率下的流量0.067 m3/s作为大洋水库应下泄的各月最小生态流量。

3.2 对比分析

利用上述5种方法计算大洋水库应下泄的最小生态流量见表4。

表4 不同方法计算的各月最小生态流量Tab.4 Minimum ecological flow calculated by different methods 单位：m3/s

为验证计算方法的合理性，将5种方法的计算结果与选定保证率为95%的最小生态流量比较分析，以确定适合该研究区域的最小生态流量计算方法。利用1961—2011年95%保证率下的流量数据，不同方法计算结果与95%保证率下的流量对比见图4。

图4 不同方法计算结果与95%保证率对比Fig.4 Comparison between calculation results by different methods and 95% guarantee rate

通过对比分析知：改进的Tennant法、Q90法以及NGPRP法的计算结果满足程度明显低于95%保证率，结果偏差较大；年内展布法和改进的频率法得到的各月最小生态流量在95%保证率的流量线处上下波动，满足程度明显高于改进的Tennant法、Q90法以及NGPRP法。因此，年内展布法和改进的频率法更适合于此区域最小生态流量计算，这两种方法由河道的实际径流情况推求得到河道不同月份的最小生态流量要求能够更好地适应生态环境的季节变化特性。

综上，考虑到在枯水年、枯水季节也应保证河道的最小生态流量，在满足95%保证率的基础上，采取年内展布法和改进的频率法计算最小生态流量，并选取2种方法计算结果的内包线作为大洋水库各月应下泄的最小生态流量。各月最小生态流量值见表5，其变化过程见图5。

表5 大洋水库各月下泄的最小生态流量Tab.5 ecological discharge of Dayang reservoir in each month 单位：m3/s

图5 大洋水库各月下泄的最小生态流量Fig.5 Minimum ecological flow of Dayang reservoir in each month

按此思路继续计算二级和三级电站应下泄的最小生态流量，最终得到盘溪一级电站至四级电站区间所需的各月最小生态流量，计算结果详见表6。

表6 盘溪梯级电站一级电站至四级电站各月最小生态流量Tab.6 Minimum ecological flow of Panxi cascade hydropower stations I～IV 单位： m3/s

2018年盘溪梯级水电站进行生态改造，取消各级电站对上级电站至本级电站区间来水的截流发电，让区间来水回归减脱水河道，增加河道生态流量。《缙云县盘溪梯级电站生态示范区(增效扩容改造增值)工程设计报告》资料显示，一级电站至二级电站区间多年平均流量0.17 m3/s,二级电站至三级电站区间多年平均流量0.25 m3/s，三级电站至四级电站区间多年平均流量0.40 m3/s，加上盘溪一级电站泄放的最小生态流量，均能使各级电站区间保证河道生态需水要求，即大洋水库按上述计算结果下泄最小生态流量后，补充一级电站至二级电站区间流量0.17 m3/s，可满足一级电站至二级电站区间最小生态流量要求；同时考虑二级电站至三级电站区间多年平均流量0.25 m3/s后，可满足二级电站至三级电站区间最小生态流量要求；加之三级电站至四级电站区间的多年平均流量0.40 m3/s，能够满足三级电站至四级电站区间处的最小生态流量要求。

4 结 论

采用改进的Tennant法、年内展布法、Q90法、改进的频率法和NGPRP法等5种方法计算了盘溪一级电站至四级电站最小生态流量，得到如下结论。

以盘溪梯级水电站的大洋水库为例，采用改进的Tennant法、年内展布法、Q90法、改进的频率法以及NGPRP法计算最小生态流量。通过进一步的合理性分析，提出年内展布法和改进的频率法是最适合该地区的最小生态流量计算方法。

在满足95%保证率的情况下，采取年内展布法和改进的频率法计算最小生态流量，并选取2种方法的内包线作为大洋水库各月应下泄的最小生态流量。

经计算得到大洋水库下泄的最小生态流量下限为0.152 m3/s，即枯水年的枯水月份也应保证下泄该流量。加上一级电站至四级电站各级区间来水后，一级电站至四级电站区间河道最小生态流量均能得到满足。