歐 傳 奇

(國際小水電中心，杭州 310002)

我國已建成水電站4萬多座，97%以上的是惠及廣大農(nóng)民的農(nóng)村水電站(小型水電站)，以易引起下游河道減脫水的引水式為主，涉及成千上萬條河流。近年來國家日益重視綠色發(fā)展與水生態(tài)文明建設(shè)，水電站壩(閘)下河道減脫水現(xiàn)象愈發(fā)受到關(guān)注，2018年審計署發(fā)布的《長江經(jīng)濟帶生態(tài)環(huán)境保護審計結(jié)果》公開指出長江經(jīng)濟帶小水電造成河道斷流總長超過1 000 km[1]，引發(fā)社會的極大反響，為此水利部、國家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部、國家能源局四部門聯(lián)合發(fā)文(水電〔2018〕312號)，要求集中開展小水電清理整改工作。河道生態(tài)流量保障是預(yù)防和減緩河道減脫水、實現(xiàn)河流生態(tài)自然修復(fù)的根本性措施。國外對此十分關(guān)注[2]，水利部發(fā)布的《綠色小水電評價標準》也將生態(tài)流量保障作為控制性指標[3]。針對河流生態(tài)流量的確定，學(xué)者研究提出了系列計算方法和技術(shù)保障要求，并反映到相關(guān)技術(shù)標準中[4-8]，對規(guī)范生態(tài)流量計算和確定起到極大的促進作用，但現(xiàn)有研究成果對于涉及人工渠道、串聯(lián)引水、跨流域引水、地下水取水等一些特殊情況生態(tài)流量核定仍少有關(guān)注，且在實際操作中常常存在分歧。本文基于生態(tài)流量泄放目的，系統(tǒng)分析水電站對下游河道的影響特點，總結(jié)提出特殊情況下生態(tài)流量核定要求的相關(guān)建議。

1 生態(tài)流量的核定基本要求

1.1 內(nèi)涵及構(gòu)成要素

生態(tài)流量有廣義和狹義、河道內(nèi)外以及是否涵蓋其過程之分。狹義的生態(tài)流量是針對維持河流自然生態(tài)系統(tǒng)最基本的需要(即河道內(nèi))，廣義的生態(tài)流量包含了水資源綜合利用的要求，還應(yīng)加上下游生活、生產(chǎn)和環(huán)境需要的最小流量(即河道外)，通常稱之為最小下泄流量，國際上習(xí)慣稱為環(huán)境流量。關(guān)于狹義的生態(tài)流量，水利行業(yè)標準SL 709[6]定義“生態(tài)基流”(ecological baseflow)為“為維持河流基本形態(tài)和生態(tài)功能、防止河道斷流、避免河流水生態(tài)系統(tǒng)功能遭受無法恢復(fù)的被破壞的河道內(nèi)最小流量”；能源行業(yè)標準NB/T 35091[7]定義“生態(tài)流量”(ecological flow)為“滿足水電工程下游河段保護目標生態(tài)需水基本要求的流量及過程”；國家環(huán)境保護標準HJ 2.3[8]定義“生態(tài)流量”(ecological flows)為“滿足河流、湖庫生態(tài)保護要求、維持生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能所需要的流量(水位)與過程”。關(guān)于廣義的生態(tài)流量，2007年發(fā)布的《布里斯班宣言》[9]定義為：維持淡水、河口生態(tài)系統(tǒng)以及依賴于這些生態(tài)系統(tǒng)的人類宜居環(huán)境所需要的水流數(shù)量、過程和質(zhì)量，其中數(shù)量是滿足下游河段保護目標生態(tài)需水基本要求的各項需水的最低限量及其組合，過程強調(diào)泄放的連續(xù)性，質(zhì)量體現(xiàn)在量值上取高標準過程上盡可能接近適宜保護對象的天然來水豐枯變化，以實現(xiàn)河流水系的完整性、水體的流動性、水質(zhì)的良好性、水生生物的多樣性、還有水文化的傳承性。廣義生態(tài)流量的核定以狹義生態(tài)流量的核定為基礎(chǔ)，本文研究的生態(tài)流量系指狹義的生態(tài)流量。

1.2 水電站開發(fā)方式及其影響特點

水能開發(fā)分為壩式、引水式和混合式等3種方式[10-12]。壩式開發(fā)是利用筑壩集中河段落差的水能開發(fā)方式；引水式開發(fā)是修建引水建筑物集中河段落差的水能開發(fā)方式；混合式開發(fā)是利用壩和引水道共同集中河段落差的水能開發(fā)方式。水電站常常根據(jù)廠房布置不同，又將壩式分為壩后式和河床式等形式；而混合式與引水式因建筑物特征相似、分界線不明晰，一般統(tǒng)歸為引水式。就蓄水發(fā)電影響而言，壩式發(fā)電水量直接回到下游河道，對下游河道減脫水防治有利；引水式發(fā)電引水使得下游廠壩間河道水量減少，對下游河道減脫水防治不利，兩種開發(fā)方式影響差異明顯，為此常常以開發(fā)方式來區(qū)分電站下泄生態(tài)流量的要求[13]。然而，這種對應(yīng)開發(fā)方式的影響并不是絕對的。例如：

(1)壩式水電站，若壩后廠房布置不便需靠下游布置時，可能存在幾十米至數(shù)百米的廠壩間河段，與引水式相近，而與通常的壩式不同。

(2)引水式電站，如引瀑布水發(fā)電的，電站廠房建設(shè)在瀑布下方河道附近，可能不存在明顯的廠壩間河段，此時與壩式相近，而與通常的引水式不同。

(3)人工渠道取水、串聯(lián)引水、跨流域引水、地下水取水、多水源取水等一些特殊的開發(fā)布置方式，存在著壩式及引水式的組合影響特征。

顯然，嚴格意義上，水電站對河流的影響及其生態(tài)流量泄放要求，不宜以開發(fā)方式定論，而應(yīng)以具體的影響河段的特征來區(qū)別，否則容易誤導(dǎo)而引發(fā)混亂，需要引起注意和重視。

1.3 核定斷面選擇

生態(tài)流量核定斷面是指生態(tài)流量核定過程中，用于計算生態(tài)流量所選取的河流控制斷面，只要該斷面生態(tài)流量得到滿足，則受影響的其余河段均能滿足要求。以圖1所示的常見的壩式及引水式水電站為例，通常不論開發(fā)方式，均會以壩閘處的斷面2-2作為計算控制斷面，但實際上這種做法是以默認整個重點影響河段的生態(tài)流量一致、忽略區(qū)間增量為前提，對于一些受影響的重點影響河段較長的情況(可能超過20 km)，將存在生態(tài)流量保障不足的風(fēng)險。為此，生態(tài)流量核定斷面應(yīng)取重點關(guān)注河段生態(tài)需水最大的斷面，這個斷面即為重點關(guān)注河段最靠下游側(cè)的斷面，即斷面3-3。對于引水式水電站，當廠壩間存在匯流且匯流后滿足下游河道所需生態(tài)流量時，可上移至斷面6-6。其他特殊情況及相關(guān)組合，可參照此述方法一一選定。

圖1 不同開發(fā)方式壩下受影響需重點關(guān)注的河段

2 特殊情況生態(tài)流量核定的探討

2.1 建在人工渠道上

如圖2(a)所示建在供水、灌溉等人工渠道上的各站。其影響特點為：先有渠道，后有電站，渠道以供水、灌溉為主，電站充當渠道消能設(shè)施利用富余水能，無蓄水和調(diào)節(jié)能力。目前，對于此類情況的生態(tài)流量核定，除《綠色小水電評價標準》[3]外，尚未見其他規(guī)定。大多認為沒有生態(tài)流量泄放要求，無需核定生態(tài)流量；也有認為應(yīng)按取水流量確定。按前述原則，本文建議按分情況確定。

情況一：與河流相連的第一級，發(fā)電超量取水(渠首節(jié)制閘)可能對下游河道流量造成影響，應(yīng)按無壓引水式確定生態(tài)流量。若進水閘(帶保障生態(tài)流量的分水閘)由主管部門控制，主管部門確認未對電站提出生態(tài)流量要求的，水電站可不核定生態(tài)流量。

情況二：發(fā)電尾水全部或部分回歸河道的，對下游河道有補給任務(wù)的，其尾水閘(分水閘)分配至河道的泄流量及過程可能對下游河道造成影響，應(yīng)類似于無壓引水式，按尾水匯入點上游側(cè)河道斷面確定生態(tài)流量。若尾水閘(帶保障生態(tài)流量的分水閘)由主管部門控制，主管部門確認未對電站提出生態(tài)流量要求的，水電站可不核定生態(tài)流量。

情況三：未從河道直接取水的(非與河流相連的第一級)，發(fā)電尾水仍回到渠道的，水電站相當于渠道消能設(shè)施，對河流沒有影響，不具有常規(guī)開發(fā)方式的特點和對河流的影響特性，無需核定生態(tài)流量，但對于規(guī)模較大、運行年份較長的人工渠道的干渠及主要支渠，若已形成類似河道的生態(tài)環(huán)境，應(yīng)視保護要求確定是否需要核定生態(tài)流量。

2.2 直接引用上一級尾水發(fā)電

如圖2(b)所示各站。特點：若將串聯(lián)電站群作為一座電站的若干車間，則具有明顯的引水式特征。第一級電站與河道相連，一般有大壩及調(diào)節(jié)水庫；區(qū)間電站直接取用上一級電站尾水發(fā)電，與天然河道無直接取水和退水關(guān)系，均無蓄水和調(diào)節(jié)能力，在充分利用水能的情況下，一般區(qū)間電站偏離河道距離較遠，上一級尾水全部引入下一級發(fā)電，未能及時回歸河道；最后一級電站尾水回歸河道，形成補給。環(huán)保優(yōu)勢在于梯級電站群未筑壩不影響河道的連通性，可能的不利因素為區(qū)間河道較長又無水量補給。

圖2 特殊情況生態(tài)流量核定的取水、退水關(guān)系

目前，對于此類情況的生態(tài)流量核定，尚存在分歧，既有認為無需核定生態(tài)流量，也有認為均需泄放生態(tài)流量。按前述原則，本文建議按分情況確定。

情況一：當電站群取水斷面至退水斷面區(qū)間河段有限時(例如：可按控制集雨面積的1%控制)，區(qū)間河道各斷面生態(tài)流量幾乎一致，生態(tài)流量可由第一級保障，即與河道相連的第一級需要核定生態(tài)流量，其余均可豁免。

情況二：當電站群取水斷面至退水斷面區(qū)間河段，或區(qū)間有新增取水要求時，需按各不同需水斷面確定對應(yīng)的生態(tài)流量及區(qū)間各級電站需要泄放至河道的生態(tài)流量，或由退水斷面(斷面2-2)所確定的生態(tài)需水量及區(qū)間新增用水要求來核定與河道相連的第一級的生態(tài)流量，由第一級(斷面1-1)足量落實生態(tài)流量泄放。

2.3 跨流域引水發(fā)電

如圖2(c)所示電站。特點：按開發(fā)方式，為引水式(混合式)；就對取水河流下游河道的影響而言，類似于壩前有河道外需水的壩后式，無廠壩間河段，但引走的水量自始至終不能回到原河道。

對于跨流域引水發(fā)電的情況，目前常規(guī)做法是以壩址處河流斷面(斷面1-1)來核定生態(tài)流量，其忽視了下游河道相關(guān)斷面生態(tài)需水隨集雨面積增加而增長的需求，若下游沒有有效支流的及時匯入，則相關(guān)斷面可能存在生態(tài)流量不足的情況。本文建議，按下游側(cè)最近一處支流(枯水期不斷流)匯入處靠上游側(cè)的斷面(斷面2-2)生態(tài)需水要求核定生態(tài)流量，并宜復(fù)核下一個支流(枯水期不斷流)匯入處靠上游側(cè)的斷面(斷面3-3)生態(tài)需水滿足情況。若下游還有其他河道外需水要求，則應(yīng)復(fù)核其他相關(guān)斷面所需流量，以定取水斷面(斷面1-1)最適宜的生態(tài)流量。

2.4 引用地下水發(fā)電的

如圖2(d)所示電站，包括引用暗河、洞水、泉水等情況，常見于我國云貴川等喀斯特地貌區(qū)域。特點：所影響水源多數(shù)天然就未形成有效的地表徑流，或形成的地表徑流不連續(xù)、天然就具有明顯的季節(jié)性，不具有常規(guī)開發(fā)方式的特點和對河流的影響特性。目前，對于此類情況的生態(tài)流量核定，按前述原則并參考文獻[14]，建議按下述情況確定。

情況一：建站前取水與退水斷面之間已形成地表徑流的(包括泉眼、湖泊)，應(yīng)核定生態(tài)流量。

情況二：建站前取水與退水斷面間沒有形成地表徑流的，可不核定和泄放生態(tài)流量，但應(yīng)符合地下水管理的有關(guān)要求，完善生態(tài)環(huán)境保護措施。

2.5 引瀑布水發(fā)電

對于山區(qū)性河流，河水在流經(jīng)斷層、凹陷等地區(qū)時，常常垂直地從高空跌落形成瀑布。引瀑布水發(fā)電的情況在國內(nèi)外均比較常見。特點：所處河流季節(jié)性強，水頭集中，不筑壩或采用低壩引水式開發(fā)，無調(diào)節(jié)能力，是一種投資比較省的開發(fā)方式。一般廠壩間河道較短，甚至可以忽略，對河流影響特征類由類似引水式漸變?yōu)轭愃茐魏笫?。對于此類情況的生態(tài)流量核定，建議按下述情況確定。

情況一：電站廠房建設(shè)在瀑布下方河道附近，不存在明顯的廠壩間河段，河道季節(jié)性強，天然存在減脫水情況，水生生物對減脫水情況有耐受性，或區(qū)域?qū)ζ俨季坝^無特殊要求的，可不核定生態(tài)流量，但需采取堰壩等工程措施，確保瀑布底部河道常年有水。

情況二：電站壩閘與廠房之間的河段較長，需泄放生態(tài)流量才能保障瀑布底部河道常年有水的，以及對瀑布景觀有要求的，應(yīng)按規(guī)定核定生態(tài)流量。

2.6 取季節(jié)性支溝水發(fā)電

在小水電站多水源取水的電站中比較常見。當取水水源涉及流域面積小、枯水期天然長時間斷流的支溝時，按照有關(guān)方法核定的生態(tài)流量理論數(shù)值相對更小(以浙江為例，估算約為多年平均流量的3%～5%)，既泄放困難、增加企業(yè)負擔(dān)，也起不到實際作用，不具有實用價值。為此建議：

情況一：涉及敏感區(qū)域或有特殊保護目標的，建議拆除相關(guān)引水設(shè)施全額泄放，并恢復(fù)其河道原貌。

情況二：不涉及敏感區(qū)域、無特殊保護目標、產(chǎn)流在0.1 m3/s以內(nèi)的此類支溝(約對應(yīng)降雨量1 000 mm、產(chǎn)流系數(shù)0.8的4 km2集雨面積)，無需核定生態(tài)流量。該流量的5%對應(yīng)約1 m水頭5 cm管口出流流量，按20 cm×2.5 cm的過水斷面估計僅可形成0.1 m/s的流速。

3 結(jié) 論

在分析研究水電站影響及其生態(tài)流量核定要點的基礎(chǔ)上，針對特殊情況下的水電站生態(tài)流量核定提出了相關(guān)建議，有關(guān)結(jié)論總結(jié)如下。

(1)水電站生態(tài)流量泄放要求不宜以開發(fā)方式定論，而應(yīng)以具體影響河段的特征來區(qū)別。通常，壩式水電站發(fā)電尾水直接回到下游河道，對下游河道減脫水防治有利；引水式水電站發(fā)電引水使得下游廠壩間河道減水，對下游河道減脫水防治不利，但這種對應(yīng)開發(fā)方式的影響并非絕對，有可能截然相反，或存在影響特征相互組合的情況，需要引起注意和重視。

(2)生態(tài)流量核定應(yīng)以取水口至回歸河道尾水斷面(或有效支流匯入口)間河道全斷面保障為核心目標。電站取水、退水關(guān)系多樣，對河道影響復(fù)雜，對于各種情況，包括涉人工渠道取水，引上一級尾水、跨流域引水、地下水取水、引瀑布式發(fā)電等具有一定的特殊性的，均應(yīng)以取水口至回歸河道尾水斷面(或有效支流匯入口)間河道全斷面保障為核心目標，確定其基礎(chǔ)要求。

(3)生態(tài)流量核定斷面為影響河段最靠下游側(cè)的斷面，而非壩址所在斷面。生態(tài)流量對應(yīng)的是河流生態(tài)的需求，主要與相應(yīng)斷面控制集雨面積有關(guān)，為確保滿足所有影響河段的生態(tài)流量，生態(tài)流量核定斷面應(yīng)為重點影響河段生態(tài)需水最大的控制斷面，這個控制斷面靠下游側(cè)，當前普遍取壩址所處斷面是有條件的，即重點影響河段較短，可忽略整個重點影響河段區(qū)間生態(tài)流量需求增量。

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