馬俊超　王琨　張仲偉

摘要：為了合理確定水電站減水河段河道生態(tài)流量，提出了分時(shí)段分方法計(jì)算河道生態(tài)流量的思路。以西藏扎拉水電站為例，對(duì)減水河段的河道生態(tài)流量進(jìn)行了計(jì)算。在魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)繁殖期（4～9月）可采用生境模擬法;在非產(chǎn)卵繁殖期（10月至次年3月）可采用水文學(xué)法、水力學(xué)法及生態(tài)水力學(xué)法綜合分析計(jì)算。結(jié)果表明：在魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)繁殖旺盛期（5～8月）所需生態(tài)流量為33.0 m/s，一般繁殖期（4月及9月）為22.0 m/s，非產(chǎn)卵期（10月至次年3月）為15.9 m/s。研究結(jié)果可為水電站減水河段生態(tài)流量的確定提供借鑒。

關(guān)鍵詞：生態(tài)流量; 魚(yú)類(lèi)生境 ; 減水河段; 玉曲河; 扎拉水電站

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV11;P333 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.002

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）07 - 0015 - 05

0 引 言

引水式電站通過(guò)引水系統(tǒng)截彎取直引水發(fā)電，易造成原河道中壩址與水電站廠址間河段水量減少，甚至斷流，形成減水河段。隨著引水流量的加大和下泄流量的減少，減水河段內(nèi)的水深、流速、水面寬等影響?hù)~(yú)類(lèi)生存及生長(zhǎng)的水力要素相應(yīng)減小，導(dǎo)致魚(yú)類(lèi)的生存環(huán)境變得不適宜，最終使魚(yú)類(lèi)數(shù)量及物種減少[1]。因此，合理地確定水電站減水河段的生態(tài)流量顯得十分重要，對(duì)維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外常用的河道生態(tài)流量計(jì)算方法大致可以分為以下幾類(lèi)：水文學(xué)法、水力學(xué)法、生態(tài)水力學(xué)法、生境模擬法和其他經(jīng)驗(yàn)分析方法[2]。其中水文學(xué)法最常用的代表性方法是Tennant法、Texas法及7Q10法[3-5]等。水力學(xué)法主要有濕周法[6]和R2-Cross法。生態(tài)水力學(xué)法根據(jù)影響?hù)~(yú)類(lèi)棲息地的濕周、水位、流速、水面寬度等水力要素與流量的關(guān)系確定河道的生態(tài)流量[7]。生境模擬法[8-11]是對(duì)水力學(xué)方法的進(jìn)一步發(fā)展，利用水力模型預(yù)測(cè)水位、流速等水力參數(shù)，與生境適宜性標(biāo)準(zhǔn)相比較，計(jì)算適于指定水生物種的生境面積，據(jù)此確定河道生態(tài)流量，主要計(jì)算方法為河道內(nèi)流量增加法（IFIM法）[12-13]?，F(xiàn)階段大部分生態(tài)流量計(jì)算方法僅分為汛期與非汛期，并未考慮魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)期及繁殖期，不符合水生動(dòng)物及植物的生境需求。在多種河道生態(tài)流量計(jì)算方法中，如何針對(duì)不同時(shí)段選取最為合適準(zhǔn)確的方法，成為亟待解決的問(wèn)題。

本文以西藏扎拉水電站為例，根據(jù)魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)繁殖期不同時(shí)段，分別采用水文學(xué)法、水力學(xué)法、生態(tài)水力學(xué)法以及生境模擬法對(duì)減水河段的河道生態(tài)流量進(jìn)行計(jì)算。創(chuàng)新性地提出了分時(shí)段分方法計(jì)算河道生態(tài)流量的思路。研究成果對(duì)水電站減水河段生態(tài)流量的確定具有參考價(jià)值。

1 研究區(qū)域概況

西藏玉曲河扎拉水電站是怒江一級(jí)支流玉曲河梯級(jí)開(kāi)發(fā)方案中的第六級(jí)，壩址位于左貢縣碧土鄉(xiāng)扎郎村（圖1），壩址多年平均流量110 m/s。扎拉水電站總裝機(jī)容量1 015 MW（含生態(tài)機(jī)組15 MW），屬于引水式電站。壩址至廠址處的減水河段長(zhǎng)度59.2 km，減水河段地處高山峽谷區(qū)域，兩岸多為巖石基質(zhì)，落差較大，河面寬20～50 m。根據(jù)調(diào)查，減水河段河道斷面形態(tài)以U形、V形及W形斷面為主，河道淺灘較多。

2 研究對(duì)象

2.1 研究魚(yú)類(lèi)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查成果，扎拉水電站壩址下游至玉曲河河口處河段共分布3處鮡科魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵場(chǎng)，同時(shí)壩址下游的減水河段也是部分裂腹魚(yú)的生長(zhǎng)區(qū)域。因此，經(jīng)綜合考慮選擇鮡科及裂腹魚(yú)作為研究魚(yú)類(lèi)。

2.2 研究斷面

為了計(jì)算扎拉水電站減水河段考慮魚(yú)類(lèi)生境需求的生態(tài)流量，選擇魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵場(chǎng)河段的斷面作為研究斷面（圖1）。部分研究斷面形態(tài)見(jiàn)圖2。

3 生態(tài)流量計(jì)算

為合理計(jì)算扎拉水電站減水河段的生態(tài)流量，根據(jù)各種計(jì)算河道生態(tài)流量方法的適用性，本次選用水文學(xué)法中的Tennant法、水力學(xué)法中的濕周法、生態(tài)水力學(xué)法分析魚(yú)類(lèi)非產(chǎn)卵繁殖期（10月至次年3月）的河道生態(tài)流量;采用生境模擬法分析魚(yú)類(lèi)主要生長(zhǎng)繁殖期（4～9月）的生態(tài)流量。通過(guò)各種生態(tài)流量計(jì)算方法的綜合比較，最終合理確定不同月份扎拉水電站壩址需下泄的生態(tài)流量。

3.1 水文學(xué)法

基于扎拉水電站壩址斷面1979～2015年共37 a各月平均流量數(shù)據(jù)及下游支流匯入情況，按照Tennant法進(jìn)行計(jì)算分析。為了滿(mǎn)足扎拉壩址下游斷面生態(tài)基流要求，取壩址處多年平均流量的10%作為生態(tài)流量，即11.0 m/s。

3.2 水力學(xué)法

采用濕周-流量對(duì)數(shù)函數(shù)作為濕周流量關(guān)系曲線的擬合函數(shù)。根據(jù)各斷面的濕周-流量曲線，采用曲線斜率為1的方法擬定各斷面拐點(diǎn)，由拐點(diǎn)處流量估算最小生態(tài)流量。通過(guò)對(duì)比分析確定濕周法計(jì)算的各斷面所需生態(tài)基流，并反推到扎拉壩址處需下泄的生態(tài)流量為12.8 m/s。

3.3 生態(tài)水力學(xué)法

運(yùn)用MIKE11一維水動(dòng)力模型模擬多年平均流量的5%，10%，12.5%，15%，17.5%和20%共6個(gè)工況下減水河段內(nèi)的影響?hù)~(yú)類(lèi)生境的最大水深、平均水深、平均流速及濕周率等水力生境參數(shù)，綜合確定扎拉水電站需下泄的生態(tài)流量（圖3）。

根據(jù)不同工況下減水河段水力生境參數(shù)的匯總分析，當(dāng)河道流量為13.8 m/s時(shí)，最大水深、平均流速、濕周率等各水力生境參數(shù)均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求;但水面面積未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)流量為16.5 m/s時(shí)，最大水深、平均水深及水面面積等各項(xiàng)水力生境參數(shù)均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。通過(guò)進(jìn)一步的內(nèi)插計(jì)算得到，當(dāng)流量為15.9 m/s時(shí)，各水力要素均能達(dá)到減水河段魚(yú)類(lèi)生境要求。

3.4 生境模擬法

本文結(jié)合目前中國(guó)有關(guān)鮡科魚(yú)類(lèi)及裂腹魚(yú)類(lèi)的生態(tài)習(xí)性、繁殖習(xí)性等方面的研究，最終確定鮡科魚(yú)類(lèi)繁殖期所需的適宜水深為0～3.00 m，其中，最適宜水深為0.45～1.00 m;適宜流速為0.45～3.00 m/s，其中最適宜流速為1.00～1.75 m/s。裂腹魚(yú)類(lèi)的適宜水深為0～2.5 m，其中最適水深為0.5～1.5 m;適宜流速為0.45～3.50 m/s，其中最適流速為1.00～2.00 m/s。

使用水位-流量方法（STGQ）模擬減水河段的水位，采用水深檢定法推估各斷面流速，選用生境應(yīng)用模型（HABTAE）將水文模型（WSL、Velocity）計(jì)算得到的各單元水深及流速與生境適配曲線上所描述的水深、流速適配度結(jié)合起來(lái)，將各單元適宜度與單元面積相乘求得不同工況下的指示物種的棲息地加權(quán)可利用面積（WUA），并最終得到WUA-流量關(guān)系曲線[14-15]，結(jié)果如圖4所示。

各斷面流量與鮡科及裂腹魚(yú)可利用棲息地面積的關(guān)系曲線均呈先增加后減小的變化趨勢(shì)。將曲線上第一拐點(diǎn)處的流量對(duì)應(yīng)魚(yú)類(lèi)的繁殖初期及一般生長(zhǎng)期所需的流量，峰值處的流量對(duì)應(yīng)魚(yú)類(lèi)的繁殖旺期及生長(zhǎng)旺期所需的流量。為滿(mǎn)足減水河段鮡科及裂腹魚(yú)的生長(zhǎng)及繁殖需求，扎拉壩址4月和9月需下泄的生態(tài)流量為22.0 m/s、5～8月需下泄的生態(tài)流量為33.0 m/s。

4 生態(tài)流量綜合分析

考慮工程建設(shè)中“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”的要求，本次綜合考慮各種模擬方法后推薦：在魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)繁殖旺盛期（5～8月）、魚(yú)類(lèi)一般生長(zhǎng)繁殖期（4月和9月）扎拉水電站壩址處需下泄的生態(tài)流量分別為33 m/s和22 m/s。魚(yú)類(lèi)非產(chǎn)卵繁殖期（10月至次年3月）壩址處需下泄生態(tài)流量為15.9 m/s。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以國(guó)內(nèi)外常用的計(jì)算方法計(jì)算了扎拉水電站減水河段不同月份的生態(tài)流量，其中，魚(yú)類(lèi)非產(chǎn)卵期的10月至次年3月生態(tài)流量采用水文學(xué)法、水力學(xué)法及生態(tài)水力學(xué)法進(jìn)行計(jì)算。生態(tài)水力學(xué)法計(jì)算結(jié)果為15.9 m/s，較水文學(xué)法及水力學(xué)法大，這是因?yàn)椴捎蒙鷳B(tài)水力學(xué)法在計(jì)算過(guò)程中考慮了減水河段魚(yú)類(lèi)的基本生境需求。在魚(yú)類(lèi)繁殖期的4～9月采用生境模擬法中的物理?xiàng)⒌啬Ｐ瓦M(jìn)行計(jì)算，并首次將魚(yú)類(lèi)的繁殖期分為一般繁殖期（4月及9月）及繁殖旺盛期（5～8月）。經(jīng)計(jì)算，在鮡科及裂腹魚(yú)一般繁殖期所需生態(tài)流量為22.0 m/s，在繁殖旺盛期所需生態(tài)流量為33.0 m/s。

本文根據(jù)扎拉水電站減水河段生態(tài)流量的計(jì)算分析，提出了分時(shí)段分方法計(jì)算河道生態(tài)流量的思路，可為其他水電站減水河段河道生態(tài)流量計(jì)算提供參考。

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（編輯：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