王明疆， 張錦堂， 郭浩洋， 周丹順， 孫 斌

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 陜西 西安 710065)

生態(tài)基流是使水域生物及河岸帶處于健康狀態(tài)的最小流量，是維持河流形態(tài)和基本生態(tài)功能的保障[1-4]。在水利水電工程的蓄水過(guò)程中，如不采取措施，往往會(huì)導(dǎo)致下游河段出現(xiàn)減水脫流現(xiàn)象，繼而引發(fā)一系列的河流生態(tài)系統(tǒng)問(wèn)題。為保障河流生態(tài)系統(tǒng)的健康及可持續(xù)發(fā)展，水利水電工程在蓄水期要根據(jù)工程實(shí)際，采取相應(yīng)措施保證下泄一定的生態(tài)流量[5-6]。

本文在調(diào)研工程實(shí)例的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)歸納了水利水電工程蓄水期常用的生態(tài)流量泄放方案，以及導(dǎo)流洞下閘期間生態(tài)流量的泄放措施。研究成果可為后續(xù)水利水電工程蓄水期生態(tài)流量泄放方案的制定提供決策依據(jù)。

1 蓄水期常用生態(tài)流量泄放方案

對(duì)于水利水電工程蓄水期生態(tài)流量的泄放，通常結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際，綜合考慮施工組織和經(jīng)濟(jì)性來(lái)確定合適的生態(tài)流量泄放設(shè)施。

1.1 分期圍堰導(dǎo)流的水利水電工程

采用分期圍堰導(dǎo)流的水利水電工程，在一期通過(guò)束窄的河床過(guò)流，在二期導(dǎo)流時(shí)一般通過(guò)一期工程修建的導(dǎo)流泄水建筑物——底孔、缺口等過(guò)流，過(guò)流條件好、泄流量較大，在蓄水時(shí)段可以利用一期修建的泄水建筑物的控制閘門等控泄生態(tài)流量，故分期圍堰導(dǎo)流的水利水電工程蓄水期生態(tài)流量泄放一般不需考慮專門的泄放設(shè)施即可滿足要求。

1.2 導(dǎo)流洞導(dǎo)流的水利水電工程

采用一次攔斷河床、導(dǎo)流洞導(dǎo)流的水利水電工程，根據(jù)不同的工程特點(diǎn)，蓄水期常用的生態(tài)流量的泄放方案如下。

對(duì)于土石壩等不便在壩身開(kāi)孔的水利水電工程，在導(dǎo)流洞封堵后可采用單獨(dú)設(shè)置生態(tài)供水洞或者通過(guò)改建導(dǎo)流洞，在導(dǎo)流洞封堵體上布置放水孔泄放生態(tài)流量。

對(duì)于混凝土重力壩、拱壩等壩型的水利水電工程，在導(dǎo)流中后期一般會(huì)通過(guò)壩身開(kāi)孔來(lái)滿足過(guò)流，故在蓄水期間一般通過(guò)導(dǎo)流底孔等導(dǎo)流設(shè)施泄放生態(tài)流量。根據(jù)導(dǎo)流程序、導(dǎo)流底孔等導(dǎo)流設(shè)施出口閘門的形式(平板閘門/弧形閘門)，此類工程在下閘后，蓄水期生態(tài)放水方案大致可分為分層孔洞接力放水和高水頭閥門控泄放水兩種運(yùn)行方案。

以上各種蓄水期生態(tài)流量泄放方案的對(duì)比如表1所示。

表1 蓄水期生態(tài)流量泄放方案對(duì)比表

2 導(dǎo)流洞下閘期間生態(tài)流量泄放方式研究

采用導(dǎo)流洞導(dǎo)流的水利水電工程，在導(dǎo)流洞下閘時(shí)，往往上游水位還未達(dá)到銜接泄水建筑物的高程，會(huì)造成短暫的斷流，引起下游河段的減水脫流。為了避免出現(xiàn)這種情況，在導(dǎo)流洞下閘期間，應(yīng)采取必要的措施向下游補(bǔ)水。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)已建和在建的水利水電工程實(shí)例，導(dǎo)流洞下閘期間的生態(tài)流量泄放主要有以下幾種類型。

2.1 常規(guī)生態(tài)補(bǔ)水措施

為了避免斷流，保證導(dǎo)流洞下閘期間生態(tài)流量的泄放，常規(guī)的工程措施是增加在下閘期間能向下游供水的(臨時(shí)或者永久)通道，常見(jiàn)的措施及工程實(shí)例有：

1) 在導(dǎo)流洞上布置臨時(shí)生態(tài)放水管

小井溝水利工程[11]所需生態(tài)流量較小，在導(dǎo)流洞下閘封堵后，水位到達(dá)永久生態(tài)放水洞(可提供生態(tài)流量)之前，通過(guò)導(dǎo)流洞底預(yù)埋的臨時(shí)生態(tài)放水管向下游提供生態(tài)流量，之后，對(duì)臨時(shí)生態(tài)放水管進(jìn)行封堵。

在導(dǎo)流洞上設(shè)置生態(tài)流量放水管是較為常規(guī)的做法，這種方法工程投資相對(duì)較省，能夠滿足下泄生態(tài)流量的要求，但這種放水措施一般應(yīng)用于下泄生態(tài)流量較小的工程，且會(huì)對(duì)導(dǎo)流洞封堵工作產(chǎn)生一定的干擾。

2) 設(shè)置泵站向下游供水

隔河巖水利樞紐工程[12]從導(dǎo)流洞下閘至上游水位上升至底孔過(guò)水，需要約7天時(shí)間，為了解決此段時(shí)間內(nèi)的斷流問(wèn)題，采用設(shè)置泵站向下游供水的方案。利用特殊加工的大浮箱體，安裝布置4臺(tái)水泵，將此浮動(dòng)泵站布置在大壩上游基坑內(nèi)，向下游補(bǔ)充水量。

采用泵站抽水跨過(guò)大壩泄放生態(tài)流量基本上可以適用于任何水利水電工程，技術(shù)可行、風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小，但其設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用很高，也易受到揚(yáng)程過(guò)高和流量過(guò)大等因素的限制。

3) 設(shè)置旁通洞向下游供水

大渡河猴子巖水電站[13]為了解決導(dǎo)流洞下閘到泄洪放空洞過(guò)水期間向下游下泄生態(tài)流量的問(wèn)題，在導(dǎo)流洞進(jìn)口附近布置了一條旁通洞，旁通洞進(jìn)口位于2#導(dǎo)流洞進(jìn)口邊墻，出口位于1#導(dǎo)流洞洞身段邊墻，在導(dǎo)流洞下閘時(shí)打開(kāi)旁通洞閘門，通過(guò)1#導(dǎo)流洞下泄生態(tài)流量，如圖1所示。在水位上升，泄洪放空洞下泄流量達(dá)到生態(tài)流量時(shí)，旁通洞下閘。

圖1 旁通洞平面示意圖

當(dāng)下閘期間所需生態(tài)流量較大時(shí)，結(jié)合工程實(shí)際情況，可采取在導(dǎo)流洞進(jìn)口處布置旁通洞的措施向下游供水。旁通洞過(guò)流流量較大，可滿足下泄生態(tài)流量要求，同時(shí)旁通洞啟閉機(jī)容量小，操作布置較為容易，技術(shù)相對(duì)可靠，風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小。但旁通洞及其閘室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與導(dǎo)流洞閘室及進(jìn)口段結(jié)構(gòu)存在施工干擾，且旁通洞過(guò)流流速大，出口處水流會(huì)對(duì)該段導(dǎo)流洞襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

2.2 特殊生態(tài)補(bǔ)水措施

由于導(dǎo)流洞下閘所引起的下游河道減水或者斷流時(shí)間一般較短，充分結(jié)合工程實(shí)際，突破傳統(tǒng)思維束縛，利用已有條件來(lái)解決下閘期間的生態(tài)放水問(wèn)題，往往能在滿足生態(tài)放水要求的前提下，簡(jiǎn)化導(dǎo)流程序，取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

1) 利用下游圍堰形成水池向下游供水

功果橋水電站[14]在導(dǎo)流洞下閘期間，結(jié)合工程特點(diǎn)，對(duì)下游過(guò)水圍堰進(jìn)行適當(dāng)加高，形成壩下、堰前生態(tài)蓄水池(可蓄水60萬(wàn)m3)，在導(dǎo)流洞下閘至永久底孔泄放生態(tài)流量前的約3h蓄水期間，利用下游圍堰預(yù)留的充水道作為泄水通道，將生態(tài)蓄水池存水下泄至河道，保證了下游河道的生態(tài)用水需求。

2) 汛期下閘，利用下游支流及匯水解決生態(tài)流量問(wèn)題

光照水電站[15]所在的北盤(pán)江流域降水極不均勻，主汛期之后流域內(nèi)降雨量會(huì)顯著減少，如果選擇在枯水季節(jié)下閘蓄水，需采取專門的工程措施從導(dǎo)流洞下泄生態(tài)流量。但是，若選擇在汛期下閘，這樣蓄水期短、主河道流量大，同時(shí)周邊沖溝、光照小河以及西泌河等支流匯入主河道的流量也很大，則能滿足生態(tài)流量需求。

3) 導(dǎo)流洞平板閘門局部開(kāi)啟下泄生態(tài)流量

金川水電站[16]在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)生態(tài)流量下泄方式進(jìn)行了優(yōu)化，討論了采用導(dǎo)流洞閘門局部開(kāi)啟的控泄方式向下游供水的可行性。計(jì)劃在導(dǎo)流洞閘門下放到距離底板0.8 m時(shí)，通過(guò)孔口控泄生態(tài)流量，并保持閘門開(kāi)度不變，使水庫(kù)水位不斷上升，當(dāng)導(dǎo)流洞進(jìn)口水頭為24.7m時(shí)，泄洪洞過(guò)流可滿足生態(tài)流量需求，此時(shí)，閘門下放至底板高程并完全封閉。

2.3 通過(guò)調(diào)度保障下游河段生態(tài)需求

一些梯級(jí)電站在導(dǎo)流洞下閘期間，可以通過(guò)對(duì)下游電站水庫(kù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使下游水庫(kù)回水達(dá)到壩址下游，高于天然河道水位，不造成下游河道減水脫流，從而避免增加工程設(shè)施，不但節(jié)省了相關(guān)放水設(shè)施的投資，還簡(jiǎn)化了施工程序、縮短了工期。采用此類方法保障下游河段生態(tài)流量需求的工程有溪洛渡水電站[17]、白鶴灘水電站[18]、拉西瓦水電站等。

3 結(jié)論及展望

3.1 結(jié) 論

水利水電工程蓄水期生態(tài)流量的泄放措施應(yīng)充分考慮工程特點(diǎn)和施工組織，采用最為簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)的泄放方式。當(dāng)采用特殊生態(tài)補(bǔ)水措施時(shí)，應(yīng)充分論證泄放方案的安全性和可靠性，并在保證工程質(zhì)量的前提下實(shí)施。

3.2 展 望

水利水電工程施工期導(dǎo)流洞下閘至下一級(jí)銜接泄水建筑物過(guò)流雖然時(shí)間短暫，但是為了保證下泄生態(tài)流量，往往需要專門布置工程措施，耗費(fèi)巨大。雖然目前河流生態(tài)流量的計(jì)算方法繁多，但是鮮見(jiàn)關(guān)于短暫的減水脫流對(duì)河道生態(tài)系統(tǒng)影響的敏感性研究，也沒(méi)有針對(duì)短暫時(shí)段下最小生態(tài)需水量的計(jì)算方法。因此，筆者認(rèn)為，應(yīng)結(jié)合河道水文要素研究短暫時(shí)段最小生態(tài)需水量與長(zhǎng)期生態(tài)需水量之間的關(guān)系，以及進(jìn)行短期減水脫流對(duì)河道生態(tài)系統(tǒng)影響的敏感性分析。以期在保證河道生態(tài)健康的情況下優(yōu)化生態(tài)流量的泄放過(guò)程。