何月萍，張玉杉

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

火溪河系涪江上游左岸的一級支流，發(fā)源于岷山山脈南支摩天嶺的北側(cè)，河源段大致由南向北流，至大窩凼則轉(zhuǎn)為由西北向東南流，經(jīng)王朗自然保護(hù)區(qū)、白馬、王壩楚、木座、新益、木皮等地，于平武縣城以上9km的鐵龍堡處匯入涪江，干流河道長114km，全流域集水面積為1 494km2。火溪河按河道特性區(qū)分，王壩楚以上為上游，王壩楚～木座鄉(xiāng)為中游，木座鄉(xiāng)以下為下游。

水牛家水電站為火溪河龍頭水庫電站，壩址位于白馬鄉(xiāng)稿史瑙村賴子灣附近，經(jīng)9.5km長右岸引水隧洞引水至王壩楚下游平武涪源電冶廠附近建地面廠房發(fā)電，庫尾上游約10km為王朗自然保護(hù)區(qū)。

2 下放生態(tài)流量的必要性

水牛家水電站采用混合式開發(fā)，電站最大引用流量40.8m3/s，水庫具多年調(diào)節(jié)性能。工程建成后若按常規(guī)方式運(yùn)行，壩、廠址間將形成12.7km的減水河段，其中壩址至第一條支溝——磨房溝間4.3km的河段除豐水年8月有少量下泄流量外，其他時間完全脫水。磨房溝至廠址河段由于沿途有洋洞河、大白河溝等支溝匯入，水量逐漸增多，但在總體上流量也較天然狀況下明顯減少。水牛家壩、廠址以及其間支溝流量見表1。

由于電站減水河段與平武～王朗公路相鄰，河段減水，特別是脫水河段的出現(xiàn)將對區(qū)域景觀的整體美感產(chǎn)生不利影響。因此，水牛家水電站需下放一定的生態(tài)流量，維持水生生物的基本生存條件，維護(hù)區(qū)域自然景觀。

3 設(shè)計(jì)目標(biāo)

3.1 工程河段生態(tài)環(huán)境需水要求的基本特點(diǎn)

根據(jù)對水牛家水電站工程區(qū)環(huán)境現(xiàn)狀特點(diǎn)的分析，工程河段生態(tài)環(huán)境需水量主要將滿足以下3方面的要求：(1)生態(tài)功能——河道中現(xiàn)有的水生生物維持基本棲息地需水要求；(2)資源功能——居民人畜用水、工農(nóng)業(yè)灌溉取水要求；(3)環(huán)境功能——河道景觀需水要求、河流自凈需水要求。

由此分析，水牛家水電站工程河段生態(tài)環(huán)境需水量的表達(dá)式可以簡單表達(dá)為：

河流系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境需水=MAX{維持棲息地需水，自凈需水，景觀需水}+人畜生活用水+農(nóng)業(yè)灌溉用水+工業(yè)取水-區(qū)間匯流。

3.1.1 工程河段水生生物棲息地需水的基本要求

根據(jù)對火溪河魚類現(xiàn)狀的調(diào)查分析，水牛家水電站所處的火溪河上游王壩楚以上工程河段基本無魚類，因此水生生物棲息地需水不是工程河段生態(tài)環(huán)境需水控制性因素。

3.1.2 工程河段自凈用水的基本要求

根據(jù)對工程河段現(xiàn)有水質(zhì)污染源和當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)規(guī)劃的情況分析，本工程河段污染源少、水質(zhì)狀況較好，水體自凈用水不是控制因素。

表1 火溪河水牛家水電站壩、廠址區(qū)間各支溝年、月平均流量 m3/s

3.1.3 工程河段工農(nóng)業(yè)及生活用水要求

根據(jù)調(diào)查，工程河段有兩座小水電站為王壩楚電站及白馬電站，王壩楚居民飲用水汲水井受到水牛家水電站運(yùn)行河段減水的影響，其補(bǔ)償及供水問題已得到妥善解決。

3.1.4 工程河段景觀用水的基本要求

工程所在的白馬鄉(xiāng)白馬藏族風(fēng)情旅游資源，是平武縣主要的人文旅游資源；工程區(qū)上游王朗自然保護(hù)區(qū)為生態(tài)旅游區(qū)。工程河段左岸為平武～王朗公路，該公路連接王朗自然保護(hù)區(qū)、白馬鄉(xiāng)與平武縣，并在王壩楚接九環(huán)線旅游公路。

鑒于上述原因，減水河段保持能引起視覺效果的流水景觀，就成為工程河段生態(tài)環(huán)境需水的控制性因素。

3.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

考慮到目前景觀功能尚無理論化和定量化的計(jì)算方法，計(jì)算景觀需水的具體取值采用在當(dāng)?shù)鼐用裰虚_展公眾參與和有關(guān)專家評審相結(jié)合的專家系統(tǒng)綜合給出。認(rèn)為河流景觀用水優(yōu)劣有兩個主要指標(biāo)：水質(zhì)和水量。具體標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 決定火溪河流景觀需水量的主要參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

據(jù)表2，確定水牛家水電站水域景觀保護(hù)設(shè)計(jì)目標(biāo)為工程運(yùn)行后減水河段水面面積達(dá)到天然河道枯期水面面積的40%以上，河段平均水深達(dá)到0.2～0.5m。

4 生態(tài)流量的確定

工程河段河谷形態(tài)為“U”形寬谷盆地夾峽谷，沿程河槽形態(tài)變化不大，且河床穩(wěn)定，歷年沖淤變化很小。根據(jù)對實(shí)測大斷面資料及水文資料情況分析，選取壩址水尺斷面作為研究斷面，計(jì)算各水力參數(shù)，并得到生態(tài)環(huán)境需水的推薦值；以電站廠房附近王壩楚斷面作為校核斷面，驗(yàn)證生態(tài)環(huán)境需水推薦值的可行性。

4.1 減水段生態(tài)環(huán)境需水量推薦值

針對水牛家壩址水尺斷面初步擬定9種下泄流量方案，其中方案4為國家發(fā)改委、水利部“全國水資源綜合規(guī)劃環(huán)境用水要求”所推薦的流量值1.32m3/s(為壩址斷面多年平均流量的10%)；方案5為下游陰坪電站下泄生態(tài)流量。

根據(jù)水牛家壩址實(shí)測大斷面圖、水位～面積關(guān)系線見圖1；水位～流量關(guān)系線見圖2，計(jì)算得到各下泄方案相應(yīng)的水面寬度、水深及水面寬增量比變化趨勢，見表3、圖3、圖4。

由表3、圖3、4可見，當(dāng)壩址斷面下泄流量為1.32m3/s時，對應(yīng)的水面寬、平均水深分別為3.6m、0.22m。當(dāng)將下泄流量提高到1.50m3/s時，水面寬曲線及增量比曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，水面寬擴(kuò)展為5.0m，水面寬增量比達(dá)到7.78；繼續(xù)增加下泄流量，水面寬增量比逐漸下降，可以認(rèn)為下泄1.50m3/s最為經(jīng)濟(jì)有效。據(jù)此，將1.50m3/s作為水牛家生態(tài)環(huán)境需水流量的初步推薦值。

4.2 下泄生態(tài)流量效果分析

水牛家壩址以下至廠房區(qū)間河段兩岸依次分布有磨房溝、洋洞河及大白河溝3條較大支溝。工程運(yùn)行后如不下泄生態(tài)流量，則減水河段各段的流量見表4。

如果壩址處下泄1.50m3/s生態(tài)流量，則減水河段各段流量見表5。

根據(jù)王壩楚斷面的大斷面圖及水位～面積曲線(見圖5)、水位流量關(guān)系線(見圖6)，計(jì)算出工程河段在下泄1.50m3/s生態(tài)流量后的各水力參數(shù)值見表6。

表3 水牛家壩址各下泄流量方案分析

圖1 水牛家壩址水尺大斷面

圖2 水牛家壩址水尺斷面水位流量關(guān)系

圖3 水牛家壩址下泄流量～水面寬關(guān)系線

圖4 水牛家壩址水面寬～下泄流量增量比曲線

圖5 火溪河王壩楚水文站大斷面

圖6 火溪河王壩楚水文站水位—流量關(guān)系

位 置距壩距離/km平均流量/m3·s-15月6月7月8月9月10月11月12月1月2月3月4月全年汛期(5～10月)枯期(11～4月)磨房溝口下4.30.610.70.930.910.860.660.440.330.280.260.270.390.550.780.33洋洞河口下9.52.572.983.953.853.642.81.861.41.191.11.141.662.353.301.39大白河口下12.13.484.045.355.214.933.792.521.891.611.491.542.253.184.471.88

表5 水牛家水電站下泄1.50m3/s流量后減水河段流量

表6 水牛家水電站下泄1.50m3/s流量后工程河段水力參數(shù)

由表6可見，當(dāng)壩址處下泄1.50m3/s生態(tài)流量后，壩址斷面、王壩楚斷面枯期水面寬分別達(dá)到工程建設(shè)前的36.8%、79.2%，平均水深在0.2～0.5m之間，減水河段水面面積達(dá)到工程建設(shè)前枯期水面面積的61.1%，滿足火溪河景觀需水的主要參數(shù)指標(biāo)要求(見表3)。據(jù)此，認(rèn)為壩址斷面下泄1.50m3/s生態(tài)流量能夠較好地滿足火溪河生態(tài)環(huán)境需水要求，是可行的。

5 生態(tài)泄流措施方案

5.1 生態(tài)泄流措施方案

水牛家水電站采用混合式開發(fā)，最大壩高108m，壩型為碎石土心墻堆石壩，若生態(tài)泄流措施采用水管穿越壩體，則可能對大壩的防滲、抗震的安全性產(chǎn)生影響，因此，擬由1號施工支洞處引水，通過1號施工支洞將水引至洞口外側(cè)臨河附近，流經(jīng)小型發(fā)電機(jī)組后泄流。該方案取水點(diǎn)位于水牛家水電站引水隧洞的起始段，引水后對隧洞內(nèi)水的流速、水頭影響較小，且經(jīng)環(huán)保電站泄流在合理利用水能資源的同時，也起到了消能作用，可減輕泄流對河床的沖刷，在技術(shù)上經(jīng)濟(jì)、可行。

5.2 生態(tài)泄流電站水工建筑物布置

5.2.1 引水系統(tǒng)

環(huán)保電站壓力管道布置于水牛家水電站大壩下游，電站從引水隧洞1號施工支洞取水，引用流量1.50m3/s，引至洞口，繞過泄洪陡槽霧化區(qū)至臨河廠房。該段河谷寬闊，河水面高程2 155～2 156m。

河谷右岸山體雄厚，谷坡陡峻，自然坡度一般50°～75°，廠房地基由上部沖積含砂卵礫石和下部沖積砂土質(zhì)卵礫石及沖積含漂砂土卵礫石組成，力學(xué)強(qiáng)度較高，能夠滿足基礎(chǔ)承載和變形要求。

壓力管道總長795.088m，一共9個鎮(zhèn)墩。(管)0+000.000～(管)0+463.848m段為明管，轉(zhuǎn)彎處設(shè)有鎮(zhèn)墩，每5m設(shè)一個支墩，管道左邊設(shè)漿砌石踏步；(管)0+463.848～(管)0+795.088m段為溝埋管，轉(zhuǎn)彎處設(shè)有鎮(zhèn)墩，鋼管外包1.9m×1.9m的C20混凝土，兩側(cè)用砂石回填。壓力管道管徑900mm，管材采用16MnR，壁厚8mm；壓力管道共設(shè)4個波紋補(bǔ)償器，滿足地基的不均勻沉降。

5.2.2 廠房布置

電站為引水式地面廠房，廠房布置在火溪河右岸臨河的階地上，廠房地基由上部沖積含砂卵礫石和下部沖積砂土質(zhì)卵礫石及沖積含漂砂土卵礫石組成，力學(xué)強(qiáng)度較高，能夠滿足基礎(chǔ)承載和變形要求。廠區(qū)樞紐由主廠房、副廠房、防洪墻、尾水平臺及尾水渠等建筑物組成。廠房右側(cè)為主機(jī)間，左側(cè)為安裝間，副廠房平行布置在主廠房上游側(cè)。安裝間左側(cè)布置回車場與進(jìn)廠公路連接，進(jìn)廠公路外接水牛家引水隧洞1號支洞施工公路。外地坪高程為2 154.50m。

廠房內(nèi)安裝一臺臥式金屬蝸殼混流式水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量1 000kW，采用機(jī)組軸線與廠房縱軸線平行而與進(jìn)水壓力鋼管中心線垂直的布置方式。主廠房總長24.00m(其中主機(jī)間、安裝間各12.00m)，凈寬11.00m；屋頂高程2 165.50m,機(jī)組安裝高程2 155.50m,發(fā)電機(jī)層高程2 154.50m;防洪墻頂高程2 461.50m，左、右側(cè)防洪墻嵌入基巖中；廠房建基高程2 148.00m。廠內(nèi)安裝橋式吊車一臺；副廠房長24.00m，凈寬5.00m，高8.00m；主、副廠房發(fā)電機(jī)層同高。尾水平臺高程2 156.50m，寬1.70m。

6 結(jié) 論

水牛家水電站采用混合式開發(fā)，水庫具多年調(diào)節(jié)性能。工程建成后若按常規(guī)方式運(yùn)行，壩、廠址間將形成12.7km的減水河段。

根據(jù)水牛家水電站工程區(qū)環(huán)境現(xiàn)狀特點(diǎn)分析，工程河段基本無魚類分布，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水需求已得到妥善解決。因此減水河段保持能引起視覺效果的流水景觀，就成為工程河段生態(tài)環(huán)境需水的控制性因素。本文采用在當(dāng)?shù)鼐用裰虚_展公眾參與和有關(guān)專家評審，確定水牛家水電站水域景觀保護(hù)設(shè)計(jì)目標(biāo)為工程運(yùn)行后減水河段水面面積達(dá)到天然河道枯期水面面積的40%以上，河段平均水深達(dá)到0.2～0.5m。

針對水牛家壩址水尺斷面初步擬定了9種下泄流量方案，將1.50m3/s作為水牛家生態(tài)環(huán)境需水流量的初步推薦值。當(dāng)壩址處下泄1.50m3/s生態(tài)流量后，壩址斷面、王壩楚斷面枯期水面寬分別達(dá)到工程建設(shè)前的36.8%、79.2%，平均水深在0.2～0.5m之間，減水河段水面面積達(dá)到工程建設(shè)前枯期水面面積的61.1%，滿足火溪河景觀需水的主要參數(shù)指標(biāo)要求。根據(jù)水牛家水電站的工程特點(diǎn)，為修建環(huán)保電站提出生態(tài)泄流措施，在下泄生態(tài)流量的同時合理利用水能資源。