賈子燁，楊穎剛，王雙銀，王 曦，何冰晶

(1.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院， 陜西 楊凌 712100；2.陜西省水利水電發(fā)展中心， 陜西 西安 710000)

水電站調度運行不當會造成下游河段水量減少或斷流，進而對下游河道的水生生物、河岸陸生動植物的種類和數(shù)量產生影響。近年來，陜西省在農村水電工程規(guī)劃建設中對生態(tài)環(huán)境問題愈來愈重視，為了降低水電站開發(fā)對生態(tài)環(huán)境特別是河段水文情勢和生態(tài)功能的不利影響，必須分析計算水電站的生態(tài)流量。國內外關于生態(tài)流量的計算方法有200多種，歸納后可分為水文學法、水力學法、生境模擬法和整體分析法[1-3]，目前國內大部分水電站生態(tài)流量以多年平均流量的一定比例(Tennant法)為依據(jù)，也有部分水電站以幾種方法的平均值作為生態(tài)流量的推薦值，不能突出河流的主要生態(tài)問題。論文以湑水河觀音峽水電站為研究對象，結合觀音峽水電站下游保護水生生物需求，選用現(xiàn)階段普遍應用的Tennant法、90%保證率最枯月流量法、基流比例法、濕周法和生態(tài)水深-流速法對水電站的生態(tài)流量進行估算，并通過構建判斷矩陣分析計算不同方法的權重系數(shù)，采用加權平均法計算得到觀音峽水電站生態(tài)流量的推薦值，為水電站調度提供依據(jù)。

1 流域概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 流域概況

觀音峽水電站位于湑水河上游太白縣境內，是湑水河干流11級梯級電站開發(fā)的第1級，壩址控制流域面積431 km2。湑水河屬長江流域漢江水系一級支流，發(fā)源于秦嶺南麓周至境內的光頭山，流域總面積2 340 km2，干流全長165.5 km，總落差1 636.0 m，河道平均比降5.59‰。湑水河流域位于北亞熱帶濕潤季風區(qū)，多年平均氣溫14.1℃，多年平均降水量為788 mm，年降水量主要集中在7月—9月，多年平均7月—9月降水量占全年的53.1%。

觀音峽水電站裝機容量2.6萬 kW，為引水式水電站，攔河壩址至電站廠房之間13.15 km河段位于中低山區(qū)，在陜西太白湑水河水生野生動物省級自然保護區(qū)范疇，該保護區(qū)總面積5 343 hm2，主要保護對象有大鯢、秦嶺細鱗鮭、川陜哲羅鮭、水獺、多鱗鏟頜魚、秦巴北鯢等珍稀水生動物。

1.2 數(shù)據(jù)來源

酉水河酉水街水文站1959年—1998年逐月平均流量資料來源于陜西省水文水資源勘測局，河道斷面資料摘自《觀音峽水電站初步設計報告》。

2 計算方法

2.1 Tennant法

Tennant法是通過分析研究河流生態(tài)環(huán)境狀況與多年平均流量百分數(shù)之間的關系，以不同生態(tài)環(huán)境狀況對應的多年平均流量百分數(shù)作為生態(tài)流量，該方法簡單，應用較為廣泛，但對河道形態(tài)、水文參數(shù)考慮不足，對流量較小的河流有一定的局限[4-5]。

2.2 90%保證率最枯月流量法

該方法是依據(jù)實測歷年最枯月平均流量頻率曲線，取90%頻率流量作為生態(tài)流量[6]，一般適用于河川徑流量較小、開發(fā)程度高且具有長系列實測徑流資料的河流。

2.3 Texas法

Texas法是對歷年逐月平均流量進行頻率分析，以50%保證率下的數(shù)值作為標準，取其相應的百分比作為生態(tài)流量[7]。

2.4 基流比例法

基流比例法針對年際年內徑流變化較大的河流，按水量多少劃分年型(豐水年、平水年、枯水年和特枯水年)和季節(jié)(豐水期、平水期、枯水期)，分析同年型或同季節(jié)的基流量占平均流量比例，作為生態(tài)流量[8-10]。

一般先分析計算豐水年的基流量占年平均流量的比例，以此為基礎，從豐到枯逐類型推算各年型的基流比例，具體計算過程參見文獻[10]。該方法的關鍵是確定豐水年的基流比例和各年型之間的基流比例倍數(shù)。

2.5 年內展布法

年內展布法認為河流天然狀態(tài)下歷年最小月徑流量能夠滿足河流基本生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，能夠保證下游水生生物的生存空間，計算時首先求得各月歷年最小月平均流量的平均值與多年平均流量的比值，用此比值再乘上各月歷年多年平均流量就得到各月生態(tài)流量，具體參見文獻[11-12]。

2.6 濕周法

濕周法是依據(jù)河道斷面濕周-流量關系曲線，通過分析該曲線的變化特點確定生態(tài)流量，一般以濕周-流量關系曲線突變點相應的流量作為生態(tài)流量。濕周法要求河床形狀穩(wěn)定，即有穩(wěn)定的濕周-流量關系曲線的河流[13]，依據(jù)曼寧公式和謝才公式，得到濕周-流量關系式：

(1)

式中：Q為流量，m3/s；A為過水斷面面積，m2；n為曼寧粗糙系數(shù)；P為濕周，m；S為水面比降。

由于流量Q、濕周P和斷面面積A都是未知的，直接推求濕周-流量關系比較困難，根據(jù)有關濕周法估算生態(tài)流量的理論分析[14]，“V”字型河谷濕周-流量關系曲線表達式為：

Q=aPb

(2)

(3)

式中：Q為斷面流量，m3/s；P為斷面濕周，m；S為水面比降；θ為兩河邊夾角；n為曼寧糙率系數(shù)，a、b為常數(shù)。

突變點可以利用斜率為1法或曲率最大法求出，依據(jù)濕周-流量關系確定突變點的研究[15]，當濕周-流量關系呈冪函數(shù)關系時，用斜率法得到轉折點更為合理，最小生態(tài)流量Qmin公式為：

(4)

式中：Qmin為最小生態(tài)流量，a、b同前。

2.7 生態(tài)水深-流速法

對于減脫水河段，為了保護生態(tài)目標河道內應保持一定的水深和流速。生態(tài)水深-流速法是通過選擇河道指示物種并依據(jù)指示物種的生態(tài)水深、生態(tài)流速等生境條件推求河流的生態(tài)流量，推求的生態(tài)流量是指高于等于生態(tài)水深并且在適宜生態(tài)流速[vEmin，vEmax]范圍內的流速對應的流量[16]。該法考慮到了水生生物的需求，是水文學和水力學兩種方法的集成。

2.8 Saaty標度法

1～9標度法是美國運籌學家Saaty[17-18]提出的，由一組專家兩兩比較不同因素的相對重要程度，構成判斷矩陣，標度等級如表1所示。隨后對判斷矩陣進行適當?shù)恼{整，從而建立合理的判斷矩陣，n個指標構成的判斷矩陣見下式：

表1 判斷矩陣標度定義

(5)

式中：gij表示本層指標i和指標j基于上一層指標的相對重要程度，且滿足gij>0；gii=1；gij=1/gji，(i，j=1,2，K，n)。

3 計算結果

3.1 水文數(shù)據(jù)分析

湑水河干流設有升仙村水文站，控制流域面積為2 143 km2，是觀音峽水電站壩址控制流域面積的5倍，而相鄰的酉水河干流酉水街水文站控制流域面積為911 km2，僅為觀音峽水電站壩址控制流域面積的2.1倍，據(jù)此以酉水街水文站為參證站分析觀音峽水電站的徑流特性。

依據(jù)酉水街水文站1959年—1998年的實測徑流資料，經頻率分析得其多年平均流量為13.70 m3/s，Cv=0.52，Cs=2.50Cv。采用水文比擬法并考慮面積修正，計算得觀音峽水電站壩址處多年平均流量為6.48 m3/s，Cv=0.52，Cs=2.50Cv。以酉水街水文站多年平均逐月分配比例計算得觀音峽水電站壩址多年平均月流量見表2。

表2 觀音峽水電站徑流量多年平均年內分配表

3.2 Tennant法

研究表明多年平均徑流量的10%是保持河流生態(tài)系統(tǒng)健康的最小流量，據(jù)此計算的觀音峽水電站的最小生態(tài)流量為0.65 m3/s。

3.3 90%保證率最枯月平均流量法

依據(jù)酉水街水文站1959年—1998年共40年的逐月平均流量資料，得到歷年最枯月平均流量系列，經適線后得到該水文站最枯月平均流量多年平均值為2.36 m3/s，變差系數(shù)Cv=0.41，偏態(tài)系數(shù)Cs=2.0Cv，酉水街水文站90%保證率最枯月平均流量為1.24 m3/s，約占多年平均流量的9%。采用水文比擬法并考慮面積修正計算的觀音峽水電站壩址90%保證率最枯月平均流量為0.59 m3/s。

3.4 Texas法

論文對酉水街水文站1958年—1998年共480個月的徑流量進行頻率分析，根據(jù)學者對北方河流的研究[10]，通常取50%保證率徑流量的20%作為生態(tài)流量，即0.62 m3/s。

3.5 基流比例法

(1) 各年型生態(tài)流量計算。依據(jù)酉水街水文站1959年—1998年逐月平均流量資料，根據(jù)距平百分率法計算得到酉水街水文站豐、平、枯、特枯水年平均流量值分別為21.92 m3/s、13.95 m3/s、8.73 m3/s、4.48 m3/s，將豐水年歷年最枯月的平均流量占豐水年平均流量的百分比作為豐水年基流比例，即12%，逐類型推算各年型的基流比例，得到平水年基流比例為15%，枯水年基流比例為18%，特枯水年基流比例為25%。經計算，酉水街水文站豐水年生態(tài)流量為2.63 m3/s，平水年生態(tài)流量為2.09 m3/s，枯水年生態(tài)流量為1.57 m3/s，特枯水年生態(tài)流量為1.12 m3/s。依據(jù)水文比擬法計算得到觀音峽水電站壩址處豐、平、枯、特枯水年生態(tài)流量分別為1.24 m3/s、0.99 m3/s、0.74 m3/s、0.53 m3/s，占其多年平均流量的8%～19%。

(2) 年內各時段生態(tài)流量計算。由表2可知，觀音峽水電站壩址處12月—次年3月為枯水期；4月—6月、11月為平水期；7月—10月流量為豐水期。依據(jù)酉水街水文站各個時期的流量平均值和各年型的基流比例分別計算各年型各時期的生態(tài)流量后，通過水文比擬法推算觀音峽壩址處豐水年豐、平、枯時期生態(tài)流量，見表3，觀音峽水電站生態(tài)流量計算結果為0.22～2.56 m3/s，約占多年平均流量的3%～40%，除了特枯年，各年型的平水期和枯水期生態(tài)流量差別較小。

表3 觀音峽水電站基流比例法和年內展布法計算結果

3.6 年內展布法

依據(jù)酉水街水文站各月歷年最小月均流量計算得到酉水街水文站各月歷年最小月均流量的平均值為1.73 m3/s，多年平均流量為13.70 m3/s，則均值比為13%。結合各水文站多年月均流量的年內過程，計算酉水街水文站生態(tài)流量，通過水文比擬法得到觀音峽水電站壩址處各月份生態(tài)流量，見表3。

3.7 濕周法

引水式水電站典型河段為壩址至匯流處之間的河段[19]，選用觀音峽水電站壩址處斷面作為研究斷面。根據(jù)公式(2)、公式(3)，依據(jù)壩址實測斷面圖、壩址斷面處上下游河道縱剖圖，根據(jù)《觀音峽水電站初步設計報告》確定觀音峽壩址處θ=30°，n=0.055，S=10‰，結合圖1壩址處水位-流量關系曲線，得到濕周-流量關系曲線，見圖2。根據(jù)公式(6)計算得出最小生態(tài)需水量為1.23 m3/s，約占多年平均流量的19%。

圖1 觀音峽壩址水位-流量關系曲線

圖2 觀音峽壩址濕周-流量關系曲線

3.8 生態(tài)水深-流速法

魚類是河流生態(tài)中與人類關系最為密切的頂級生物，對河流的水文情勢變化敏感，宜選用魚類作為指示物種[20-21]。研究河段魚類以秦嶺細鱗鮭、多磷鏟頜魚和拉式魚為主，論文選取珍稀魚類秦嶺細鱗鮭作為指示物種。魚類適宜水深下限約為魚類體長的3倍，觀音峽水電站下游秦嶺細鱗鮭體長約9.6 cm～30.3 cm，取一般體長的均值作為產卵期的適宜水深，生態(tài)水深為0.6 m。據(jù)相關研究，大多數(shù)魚類產卵適宜流速在0.3 m/s～1.5 m/s的范圍內[22-23]，即vE∈[0.3 m/s，1.5 m/s]。結合河道斷面參數(shù)，通過曼寧公式的計算和修正得到觀音峽水電站壩址下游秦嶺細鱗鮭生態(tài)流量為1.48 m3/s，約占多年平均流量的23%。

3.9 生態(tài)流量綜合分析

論文選用Tennant法、90%保證率最枯月平均流量法、Texas法、基流比例法、年內展布法、濕周法和生態(tài)水深-流速法計算了觀音峽水電站最小生態(tài)流量，基流比例法和年內展布法計算結果為范圍值，基流比例法選取除特枯水年外的其它年型平水期的平均值作為代表值，年內展布法取各月生態(tài)流量的均值作為代表值，各計算方法計算結果分別為0.65 m3/s、0.59 m3/s、0.62 m3/s、0.78 m3/s、0.90 m3/s、1.23 m3/s、1.48 m3/s。

各種計算方法都有其優(yōu)缺點，為了綜合考慮不同方法的計算結果，基于Saaty提出的標度法，邀請水電站工作人員和專家學者對各種計算方法中所考慮的指示因子的重要性進行評判打分，Tennant法是目前計算生態(tài)流量普遍應用的經驗方法，較為重要；90%保證率最枯月平均流量法得到的結果太小，基本不作考慮；基流比例法是根據(jù)北方河流的年際間和年內變化而提出的方法，對我國北方河流具有很好的適用性，所以重要程度較高；濕周法受河床形狀限制，當河谷呈“V”型時計算得到的結果要略高，重要程度上偏低；由于觀音峽水電站指示物種為國家Ⅱ級保護動物秦嶺細鱗鮭，所以在計算方法打分上，更偏向于考慮了生物因素的生態(tài)水深-流速法。根據(jù)專家打分情況，用傳統(tǒng)的“1～9”標度法構建Tennant法、90%保證率最枯月平均流量法、Texas法、基流比例法、年內展布法、濕周法和生態(tài)水深-流速法的判斷矩陣(見表4)，加權平均后得到觀音峽水電站生態(tài)流量推薦值為1.12 m3/s，約占多年平均流量的17%。

表4 觀音峽水電站計算方法判斷矩陣及權重計算

4 結 論

(1) 依據(jù)酉水街水文站長系列水文資料，選用Tennant法、90%保證率最枯月平均流量法、Texas法、基流比例法、年內展布法、濕周法和生態(tài)水深-流速法對湑水河觀音峽水電站生態(tài)流量進行了計算，計算結果分別為0.65 m3/s、0.59 m3/s、0.62 m3/s、0.22～2.56 m3/s、0.90 m3/s、1.23 m3/s、1.48 m3/s。

(2) 對各種計算方法中所考慮的指示因子的重要性進行評判打分后構建矩陣得到Tennant法、90%保證率最枯月平均流量法、Texas法、基流比例法、年內展布法、濕周法和生態(tài)水深-流速法的權重系數(shù)分別為0.064 0、0.025 6、0.025 6、0.197 1、0.197 1、0.099 4、0.391 2。

(3) 各方法計算結果的加權平均值為1.10 m3/s，可作為觀音峽水電站壩址生態(tài)流量推薦值，約占多年平均流量的17%。多種方法計算結果加權平均法可為其他水電站核算生態(tài)流量提供參考。