吳文濤，黃菊萍，李 然，沈煥榮，馮鏡潔

(1.陜西子午建設(shè)管理有限公司,西安 710025； 2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610065)

引 言

河流生態(tài)流量的出現(xiàn)和發(fā)展，是隨著人類活動(dòng)對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)所造成的負(fù)面影響不斷增加而逐漸被研究者們認(rèn)識(shí)和關(guān)注的[1]。為維持和恢復(fù)河流的生態(tài)環(huán)境與相應(yīng)的生態(tài)功能，生態(tài)流量(Environmental flow)這個(gè)概念被研究者們提出來[2]，即能夠維持河流的生態(tài)系統(tǒng)和維持人類生存發(fā)展所依賴的生態(tài)系統(tǒng)所需要的河流水量、時(shí)間和水質(zhì)[3]。美國(guó)于20世紀(jì)40年代開始了對(duì)河流生態(tài)流量的研究，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人類活動(dòng)的日益加劇，河流生態(tài)流量也相應(yīng)得到了關(guān)注和發(fā)展，到20世紀(jì)80年代，澳大利亞、英國(guó)和南非等國(guó)家相應(yīng)開展了這方面的研究，而我國(guó)關(guān)于河流生態(tài)流量的研究起步較晚[4]。

對(duì)于水電工程，在電站的施工期和運(yùn)行期均有可能出現(xiàn)下游河段減水或脫水的現(xiàn)象。在初期蓄水期，水庫水位需從常水位蓄至發(fā)電水位(死水位)，使得下游河道的來水量減少，甚至出現(xiàn)斷流[5]。對(duì)于引水式電站，在電站運(yùn)行期間，電站通過引水系統(tǒng)截彎取直引水發(fā)電，造成原河道中壩址與發(fā)電廠址間河段的水量減少，甚至斷流，形成減水或脫水河段[6]。我國(guó)西南地區(qū)的水電資源豐富，受地理地貌影響，西南地區(qū)水電開發(fā)常采用引水式發(fā)電[7]。隨著引水流量的加大，下泄流量減少，減水河段內(nèi)水力學(xué)條件發(fā)生變化，對(duì)河道內(nèi)的沿河植物、哺乳動(dòng)物和魚類等造成嚴(yán)重影響，破壞了河道內(nèi)的生態(tài)環(huán)境。因此，為保證壩下河流的自然生態(tài)環(huán)境，必須下泄生態(tài)流量[8]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)生態(tài)流量的研究主要集中在對(duì)河流生態(tài)需水量的研究方面。計(jì)算河流生態(tài)流量主要包括水文學(xué)法、水力學(xué)法、生態(tài)棲息地法、整體分析法等[9-10]。水文學(xué)法基于歷史流量，主要包括Tennant法[11]、7Q10法[12]、逐月流量頻率曲線法[13]等；水力學(xué)法基于水力學(xué)計(jì)算，主要包括濕周法[14]、R2CROSS法[15]等；生態(tài)棲息地法基于生物學(xué)基礎(chǔ)，包括IFIM法、PHABSIM法[16]等；整體分析法基于河流系統(tǒng)整體性理論，包括南非的BBM(Building Block Merhodology)[17]等。在水電工程上，常通過優(yōu)化水庫調(diào)度來滿足河流生態(tài)系統(tǒng)的流量需求，從而減少水庫調(diào)節(jié)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響，我國(guó)學(xué)者在生態(tài)調(diào)度方面做出了許多研究，并提出了考慮生態(tài)流量的水庫調(diào)度模型[18～20]。

然而，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于生態(tài)流量泄放措施的研究還較少，對(duì)于生態(tài)流量泄放系統(tǒng)的布置型式、對(duì)下游河道生態(tài)環(huán)境的影響、泄放保證率以及資源利用等方面缺乏理論研究。水庫建成后，因水庫對(duì)水量的調(diào)蓄以及水體對(duì)熱量存儲(chǔ)等條件的變化，形成其特有的水溫分布結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致水庫下泄水溫變化規(guī)律不同于天然河道狀態(tài)下的水溫變化，對(duì)下游河段水溫分布造成影響，從而對(duì)水環(huán)境及水生環(huán)境造成較大影響[21-22]。王銳等以錦屏二級(jí)水電站為研究對(duì)象，探討了下游減水河段內(nèi)水溫變化對(duì)魚類產(chǎn)卵的影響，研究結(jié)果表明，受工程影響，某些魚類的產(chǎn)卵時(shí)間被推遲了一個(gè)月[23]。因此，在設(shè)計(jì)生態(tài)流量的泄放時(shí)，需要考慮生態(tài)流量下泄水溫對(duì)下游河道生態(tài)環(huán)境的影響。

對(duì)于生態(tài)流量泄放措施的設(shè)計(jì)還應(yīng)當(dāng)考慮泄流保證率的問題，在我國(guó)，《中華人民共和國(guó)自然保護(hù)區(qū)條例》和《中華人民共和國(guó)環(huán)境影響評(píng)價(jià)法》明確規(guī)定水電站設(shè)施必須保證下泄足夠的生態(tài)流量。而在實(shí)際工程運(yùn)行期間，常會(huì)涉及到生態(tài)流量下泄管道檢修或出故障等問題，因此需要考慮在意外情況下，保障生態(tài)流量下泄的備選方案，否則可能會(huì)出現(xiàn)無法保證生態(tài)流量持續(xù)下泄的情況。

生態(tài)流量的下泄與水資源利用率也有關(guān)系。對(duì)于引水式電站，可采用通過設(shè)置生態(tài)機(jī)組的形式來保證生態(tài)環(huán)境用水，利用生態(tài)機(jī)組的電站尾水充當(dāng)下泄生態(tài)流量，使壩下減水河段處于常年有水的狀態(tài)[24]。因而，增加生態(tài)機(jī)組，既能保證生態(tài)流量，同時(shí)有利于增加發(fā)電量，合理高效利用水能資源。

本文以去學(xué)水電站為研究對(duì)象，對(duì)生態(tài)流量泄放措施進(jìn)行研究。去學(xué)水電站位于碩曲河下游的四川省得榮縣內(nèi)，為混合式開發(fā)水電站，電站引水將導(dǎo)致壩址與電站尾水出口間形成約6.5 km的減水河段，對(duì)減水河段生態(tài)環(huán)境用水造成不利影響，因此，需要下泄生態(tài)流量。

1 生態(tài)流量的確定

碩曲河河道生態(tài)環(huán)境用水量主要從維持河道水生生物生存的需水量、河流景觀需水量和防治河流水污染需水量三方面來考慮。

分別采用水文學(xué)法中的Tennant法、R2CROSS法、生態(tài)水力學(xué)法計(jì)算維持河道水生生物生存的需水量。

Tennant法不僅適應(yīng)有水文站點(diǎn)的季節(jié)性河流，而且適用沒有水文站點(diǎn)的河流。河流流量推薦值以預(yù)先確定的年平均流量的百分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ)。該方法推薦的生態(tài)基流分為豐水期和枯水期，根據(jù)多年平均流量百分比和河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況的對(duì)應(yīng)關(guān)系，直接計(jì)算維持河道一定功能的生態(tài)環(huán)境需水量。從Tennant法中不同流量百分比對(duì)應(yīng)河道內(nèi)的生態(tài)環(huán)境狀況可知對(duì)于去學(xué)電站，當(dāng)枯水期下泄流量達(dá)到多年平均流量的10%時(shí)，對(duì)應(yīng)河道內(nèi)的生態(tài)環(huán)境狀況可以達(dá)到“一般”級(jí)以上。R2CROSS法以曼寧公式為基礎(chǔ)，根據(jù)對(duì)減水河段斷面的實(shí)測(cè)資料，選擇典型河道斷面，計(jì)算出各流量下的水位、流速及濕周率，對(duì)于本工程，當(dāng)下泄流量為多年平均流量的10%，即8.42 m3/s時(shí)，典型斷面處的平均水面寬度為18.16 m、平均水深1.08 m、濕周率為65.1%、流速為0.43 m/s，各項(xiàng)指標(biāo)都符合R2CROSS法所規(guī)定的水力參數(shù)要求。采用生態(tài)水力學(xué)法驗(yàn)證R2CROSS法確定的最小生態(tài)流量值，可以看到當(dāng)下泄8.42 m3/s的生態(tài)流量時(shí)，生境參數(shù)指標(biāo)除水面寬度與過水?dāng)嗝婷娣e不滿足要求外，其余指標(biāo)均滿足要求；但考慮到碩曲河為中型河流，同時(shí)魚類區(qū)系組成簡(jiǎn)單，標(biāo)準(zhǔn)可適當(dāng)降低，因此當(dāng)壩址處下泄8.42 m3/s生態(tài)流量，減水河段的水力生境參數(shù)基本滿足要求。

從計(jì)算數(shù)據(jù)可知，去學(xué)水電站壩址處多年平均流量為84.2 m3/s，壩址處下泄8.42 m3/s生態(tài)流量可滿足河道水生生物棲息地用水基本需求；考慮防治河流水污染需水量，經(jīng)計(jì)算，要使減水區(qū)間的水質(zhì)維持《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，則需至少保證0.02 m3/s的流量，以保障減水河段區(qū)間水質(zhì)不受污染；在維持河道生態(tài)需水量分析中，對(duì)不同下泄流量下減水河段典型斷面的水力參數(shù)如河寬、水深等進(jìn)行了測(cè)算，當(dāng)下泄流量達(dá)到多年平均流量的5%(即4.21 m3/s)時(shí)，減水河段的河谷景觀與天然狀況相比沒有太大的變化，可滿足河流景觀要求。

綜合考慮各項(xiàng)生態(tài)環(huán)境需水量，按最大需水量取值，即：減水河段生態(tài)環(huán)境需水=max{維持河道水生生物生存的需水量，河流景觀需水量，防治河流水污染需水量}=max{8.42, 4.21, 0.02}m3/s =8.42 m3/s。為此，去學(xué)電站下泄生態(tài)流量確定為8.42 m3/s。

2 可研階段生態(tài)流量泄放方案

根據(jù)確定的生態(tài)環(huán)境需水量，可行性研究階段提出了生態(tài)流量泄水措施方案(可研階段方案)[25]。

2.1 生態(tài)流量泄放方案

生態(tài)水量通過泄洪無壓洞洞身向下游河道供水，生態(tài)流量泄水設(shè)施布置在工作閘門井右側(cè)。兩根鋼管中心高程均為2 266.00 m。1#鋼管內(nèi)徑80 cm，設(shè)一道DN800型蝶閥和一道電磁流量調(diào)節(jié)閥，用以控制泄放生態(tài)流量。2#鋼管內(nèi)徑60 cm，設(shè)一道DN600型蝶閥。兩根鋼管泄水直接沖擊泄洪洞底板和邊墻部位。

當(dāng)庫水位在死水位～正常蓄水位間變化時(shí)，鋼管的作用水頭為43 m～64 m，隨庫水位的變化鋼管泄放流量變化不大，閥門控制方便；且采用兩條鋼管的布置型式在運(yùn)行期操作較為靈活。

為防止進(jìn)入操作室的滲漏水或泄洪洞下泄洪水對(duì)閥門產(chǎn)生損害，在操作室周邊設(shè)置排水溝，引至下游邊墻處的集水井內(nèi)。集水井內(nèi)設(shè)置兩臺(tái)排水泵，錯(cuò)開布置，一臺(tái)工作，一臺(tái)備用。排水泵出水口直接接入1#鋼管電磁流量調(diào)節(jié)閥下游側(cè)主管。

2.2 下泄流量計(jì)算

生態(tài)流量下泄時(shí)鋼管內(nèi)為有壓流，其出口不淹沒。泄流能力計(jì)算采用有壓管流泄流能力計(jì)算公式[26]：

(1)

式中，Q為下泄流量(m3/s)；H為由鋼管中心高程算起的上游庫水深(m)；A為鋼管斷面面積(m2)；g為重力加速度(m/s2)；μc為有壓管流的流量系數(shù)，由下式計(jì)算：

(2)

其中：∑ζ為管道計(jì)算段中各局部水頭損失系數(shù)之和；l為鋼管計(jì)算段長(zhǎng)度(m)；d為鋼管內(nèi)徑(m)；λ為沿程水頭損失系數(shù)。

采用公式(1)、(2)計(jì)算管道泄流能力，當(dāng)泄水鋼管在死水位2 310 m時(shí)，1#鋼管可下泄流量4.58 m3/s，2#鋼管可下泄流量4.43 m3/s，兩根泄水鋼管總泄流量為9.01 m3/s，滿足下游所需8.42 m3/s生態(tài)流量的要求。

2.3 生態(tài)流量泄放水溫

水庫水溫的垂直結(jié)構(gòu)大致分為分層型、混合型和過渡型等三種類型，現(xiàn)行的水庫水溫分層判別方法主要有水庫水替換次數(shù)的α和β指標(biāo)判別法、水庫寬深比判別法、Norton密度Froude數(shù)判別法及熱平衡因子法等[27]。去學(xué)水電站水庫庫區(qū)天然河道平均比降約7.6‰，正常蓄水位2 330 m，相應(yīng)庫容1.2745億m3，水庫面積約2.2 km2，壩前最大水深128 m，碩曲河干流回水長(zhǎng)18.56 km。根據(jù)以上特點(diǎn)，采用Norton密度Froude數(shù)判別法對(duì)去學(xué)水電站水庫水溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷。

2.3.1 水溫分層結(jié)構(gòu)判別模型

(3)

式中：Fd為密度佛汝德數(shù)；L為水庫長(zhǎng)度(m)；Hr為水庫平均水深(m)；V為水庫庫容(m)；Qin為入庫流量(m3/s)；G為標(biāo)準(zhǔn)化的垂向密度梯度，10-6(1/m)。

當(dāng)Fd<0.1時(shí)為穩(wěn)定分層型；0.11.0時(shí)為完全混合型。

2.3.2 水庫水溫計(jì)算模型

針對(duì)去學(xué)水電站水庫為河道型，水庫調(diào)節(jié)性能為季調(diào)節(jié)的特定，并根據(jù)庫區(qū)水溫結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)結(jié)果，認(rèn)為去學(xué)水電站水庫水溫在縱橫向變化小，采用寬度平均的立面二維模型可較好地模擬出此類窄深型水庫在縱向和垂向上的水溫時(shí)空分布。匡亮[28]等人采用立面二維模型分別對(duì)烏東德水庫、白鶴灘水庫進(jìn)行了水溫的模擬和預(yù)測(cè)，計(jì)算結(jié)果顯示模型能夠較好地模擬出水庫垂向水溫的變化規(guī)律，說明采用寬度平均的立面二維模型可以較好地對(duì)水庫水溫進(jìn)行模擬。

2.3.2.1 模型基本方程

方程基于以下假定：

a. 流體為不可壓縮流體；

b. 滿足Boussinesq假定：在密度變化不大的流體運(yùn)動(dòng)中，密度變化的影響只在重力項(xiàng)中考慮，而在控制方程的其他項(xiàng)中忽略其影響。

連續(xù)方程

(4)

x向動(dòng)量方程：

(5)

式中，B(m)為水體寬度；U(m/s)為縱向流速；Ux(m/s)為匯入的支流流速；W(m/s)為垂向流速；q(1/s)為側(cè)向單位體積凈入庫流量；η(m)為水位；α(rad)為河道傾角；ρ(kg/m3)為水體密度；τxx(N/m2)為控制體在x面x向的湍流剪應(yīng)力；Ux為支流流速的x分量；τxz(N/m2)為控制體在z面x向的湍流剪應(yīng)力，由下式計(jì)算：

(6)

式中，Az(m2/s)為垂向渦黏系數(shù)，由于縱向上對(duì)流輸運(yùn)占主導(dǎo)地位，紊動(dòng)切應(yīng)力的影響作用相對(duì)較小，因此計(jì)算紊動(dòng)切應(yīng)力時(shí)縱向紊動(dòng)粘性系數(shù)取為常數(shù)。而垂向速度較小，水體的對(duì)流輸運(yùn)較弱，不宜采用簡(jiǎn)單的常數(shù)模型計(jì)算垂向渦粘系數(shù)。垂向渦粘系數(shù)采用W2N公式計(jì)算，為：

(7)

式中：vt(m2/s)為垂向渦粘系數(shù)；lm(m)為混合長(zhǎng)度；κ為范卡門常數(shù)；u*(m/s)為剪力速度；τwy(N/m2)為因風(fēng)而產(chǎn)生的橫向剪應(yīng)力；k為波數(shù)；τytributary(N/m2)為因支流入流而產(chǎn)生的橫向剪應(yīng)力；△zmax(m)為垂向網(wǎng)格間距的最大值。v(m2/s)為分子粘度；C為常數(shù)；Ri為Richardson number，動(dòng)能與勢(shì)能之比。

該寬度平均立面二維模型認(rèn)為在縱向尺度遠(yuǎn)大于垂向尺度的情況下，垂向流速遠(yuǎn)小于縱向流速，假定垂向流速對(duì)時(shí)間和空間的偏導(dǎo)數(shù)和湍流剪應(yīng)力偏導(dǎo)數(shù)均為小量，在忽略時(shí)變加速度項(xiàng)、位變加速項(xiàng)和湍流剪應(yīng)力項(xiàng)后，將z方向動(dòng)量方程簡(jiǎn)化為靜水壓力方程，這種假定對(duì)于有明顯垂向加速度的流動(dòng)不適用，如強(qiáng)降溫導(dǎo)致的垂向?qū)α鞯饶M不準(zhǔn)確。

z向動(dòng)量方程：

(8)

狀態(tài)方程：

ρ=f(Tw,ΦTDS,Φss)

(9)

自由水面方程：

(10)

熱輸運(yùn)方程：

(11)

式中， f(Tw,ΦTDS,ΦSS)為密度函數(shù)，為水溫、鹽度、懸浮物濃度的函數(shù)。Bη(m)為水面寬度；Dx(m2/s)為縱向離散系數(shù)；Dz(m2/s)為垂向離散系數(shù)；qΦ(J/m3/s(mg/L/s))為單元控制體側(cè)向熱量(水質(zhì))出入流的速率；SΦ(J/m3/s(mg/L/s))為源匯項(xiàng)。

熱輸運(yùn)方程源項(xiàng)中忽略了河床熱交換，僅考慮水面熱交換和兩部分。水面熱交換主要由輻射、蒸發(fā)和傳導(dǎo)三部分組成。

2.3.2.2 數(shù)值求解方法

采用有限差分法對(duì)微分方程進(jìn)行離散，采用ULTIMATE算法求解差分方程，水動(dòng)力方程、溫度耦合求解。計(jì)算中先求解自由水面離散方程，得出自由水面高程，之后求解U、W，再求解溫度方程。根據(jù)新的水面高程更新計(jì)算網(wǎng)格往返計(jì)算。

2.3.2.3 模型主要參數(shù)設(shè)置

影響水庫水溫計(jì)算結(jié)果的參數(shù)較多，主要參數(shù)設(shè)定見下表。其中影響較大且需要率定的參數(shù)有垂向渦粘系數(shù)、風(fēng)遮蔽系數(shù)和光遮蔽系數(shù)。垂向渦粘系數(shù)、風(fēng)遮蔽系數(shù)直接影響水動(dòng)力條件，從而影響熱量輸運(yùn)，其他系數(shù)直接影響熱量輸運(yùn)計(jì)算。

表 模型中水溫計(jì)算主要參數(shù)Tab. The main parameters of water temperature calculation in the model

2.3.3 計(jì)算結(jié)果

采用上述的水溫計(jì)算模型，經(jīng)計(jì)算，去學(xué)水電站水庫的Fd=0.0021。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，水庫水溫結(jié)構(gòu)屬于穩(wěn)定分層型。

去學(xué)水電站水庫水溫隨時(shí)間變化如圖1所示?？梢钥闯鰩靺^(qū)水深呈現(xiàn)顯著分層現(xiàn)象。因此，生態(tài)泄流的取水高程及取水水溫值得關(guān)注。可研階段設(shè)計(jì)將永久生態(tài)流量泄放鋼管埋設(shè)于泄洪洞中，泄洪洞入口底板高程為2 265.0 m，據(jù)此可查到對(duì)應(yīng)高程水溫。近似取該水溫為生態(tài)流量下泄水溫。將得到的生態(tài)流量下泄水溫與壩址天然水溫進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖1?？梢钥闯?，永久生態(tài)流量泄放管取水口底板高程為2 265.0 m，位于水庫死水位2 310.0m以下45 m，處于水庫斜溫層下端，導(dǎo)致生態(tài)流量的水溫接近于庫底水溫，各月水溫在4℃～8℃之間，最大年變幅較小(僅4℃)，3月～10月存在長(zhǎng)時(shí)間的下泄低溫水現(xiàn)象，特別在6月份，生態(tài)流量水溫較壩址處天然水溫偏低達(dá)7.6℃。

圖1 去學(xué)水電站水庫水溫逐月變化示意圖Fig.1 The variation of water temperature in reservoir of Quxue hydropower project

2.4 生態(tài)流量泄放方案分析

可研階段方案滿足了下泄生態(tài)流量的要求，但是存在著一些不足，尤其是在下泄水溫方面，生態(tài)流量的下泄很有可能對(duì)減水河段魚類產(chǎn)卵繁殖造成不利影響。因此，在為減水河段提供滿足水生生物要求的水量的同時(shí)，還需盡可能合理優(yōu)化生態(tài)泄流取水高程，減緩因水溫變化對(duì)減水河段水生生物的影響。

隨著工程建設(shè)的逐步推進(jìn)和對(duì)環(huán)保問題認(rèn)識(shí)的深入，逐步發(fā)現(xiàn)可研階段生態(tài)泄放措施存在生態(tài)下泄流量水溫與天然水溫差異較大、泄洪洞或生態(tài)流量泄放管檢修期間生態(tài)流量泄放的保證受到影響等問題。

3 生態(tài)流量泄放方案的優(yōu)化研究

為了進(jìn)一步提高生態(tài)流量泄放保證率，同時(shí)合理高效利用水能資源，本文在去學(xué)電站施工詳圖階段提出了生態(tài)流量泄放措施優(yōu)化方案(優(yōu)化方案)，并對(duì)兩種方案在生態(tài)流量的下泄水溫，生態(tài)流量泄放保證率，利用水能資源等方面進(jìn)行比較分析。

3.1 優(yōu)化原則

鑒于可研階段生態(tài)流量泄放設(shè)施存在的一些問題，確定了生態(tài)流量泄放設(shè)施的優(yōu)化原則。

3.1.1 優(yōu)化生態(tài)流量泄放設(shè)施的布置方式，提高生態(tài)流量泄放保證率；

3.1.2 提高生態(tài)流量泄放系統(tǒng)取水口高程，改善取水水溫；

3.1.3 安裝生態(tài)機(jī)組，提高生態(tài)流量利用效率。

3.2 優(yōu)化方案

優(yōu)化方案中，將生態(tài)泄放系統(tǒng)進(jìn)水口布置于攔河壩右岸上游側(cè)，采用塔式進(jìn)水口，底板高程2303.0 m，進(jìn)水口段長(zhǎng)7.30 m，孔口尺寸3.0 m×3.5 m(寬×高)。生態(tài)泄放系統(tǒng)管道全長(zhǎng)約496 m，全部采用壓力鋼管，分埋管和明管兩種方式。進(jìn)水口后穿右岸山體部分為埋管布置，壓力鋼管內(nèi)徑1.5 m，厚度12 mm，壓力鋼管外襯0.5 m厚混凝土，長(zhǎng)度約179 m。出山體后采用明管方式，利用原有“環(huán)北線旅游公路”進(jìn)行敷設(shè)，泄放出口設(shè)置在導(dǎo)流洞出口方的旅游環(huán)北線臨時(shí)路上。由于出口與河床高差約50 m，在邊坡上布置泄槽、在河床部位設(shè)置挑流鼻坎，采用挑流消能，將生態(tài)流量泄放至河床。

在增設(shè)的生態(tài)流量利用設(shè)施中增加安裝生態(tài)機(jī)組。生態(tài)機(jī)組通過明管段中設(shè)置的1#引水支管引水發(fā)電，并兼具生態(tài)流量泄放功能。在發(fā)電機(jī)組檢修或故障條件下，可關(guān)閉1#引水支管，下泄流量通過永久生態(tài)泄放管(2#支管)泄放到下游河道。永久生態(tài)泄放系統(tǒng)布置如圖2所示。

采用公式(1)、(2)計(jì)算管道泄流能力，在水庫水位為死水位2310m時(shí)，泄水鋼管1#、2#支管過流能力遠(yuǎn)大于下游所需8.42 m3/s生態(tài)流量的要求。

在優(yōu)化方案中增加了生態(tài)流量綜合利用設(shè)施。去學(xué)生態(tài)電站利用在建去學(xué)水電站生態(tài)流量建設(shè)而成。去學(xué)水電站生態(tài)流量泄放為8.42 m3/s，機(jī)組位于去學(xué)水電站壩址處不受下游奔子欄回水的影響，廠房位于去學(xué)水電站導(dǎo)流洞靠下右側(cè)，采用岸邊地面廠房布置方式。經(jīng)綜合比較，為滿足各水頭段泄放生態(tài)流量的需求，去學(xué)水電站生態(tài)機(jī)組擬用1臺(tái)機(jī)組裝機(jī)容量9.4 MW方案。

生態(tài)機(jī)組裝機(jī)容量為9.4 MW時(shí)，機(jī)組最大水頭對(duì)應(yīng)發(fā)電流量為8.42 m3/s，最小水頭對(duì)應(yīng)發(fā)電流量為8.5 m3/s，機(jī)組對(duì)應(yīng)額定流量為9.0 m3/s，機(jī)組正常運(yùn)行期間完全能夠滿足生態(tài)流量泄放要求。

由于生態(tài)泄放系統(tǒng)需要滿足8.42m3/s的生態(tài)流量泄放需求，因此，除檢修期間外，生態(tài)機(jī)組均以恒定不低于8.42 m3/s的流量發(fā)電運(yùn)行。機(jī)組檢修期間，生態(tài)流量的下泄通過永久生態(tài)泄放支管(2#支管)或者泄洪洞等泄流建筑物泄放流量實(shí)現(xiàn)。

圖2 優(yōu)化方案生態(tài)流量下泄系統(tǒng)布置圖Fig.2 The layout of the environmental flow discharge system in optimized scheme

3.3 方案優(yōu)化分析

3.3.1 下泄水溫對(duì)比分析

優(yōu)化方案中生態(tài)流量取水口高程為2303 m(在死水位2310 m以下7 m)。根據(jù)前述計(jì)算得到的去學(xué)水庫水溫分布結(jié)果，近似采用優(yōu)化方案取水口對(duì)應(yīng)高程的水溫為生態(tài)流量下泄水溫，如圖3所示。與可研階段生態(tài)流量泄放方案的水溫結(jié)果對(duì)比可以看出，優(yōu)化方案中取水口高程提高了37.3 m，各月取水水溫在4℃～15℃之間，取水水溫較接近表層水溫，與壩址處天然水溫最大溫差不超過5℃。生態(tài)流量逐月水溫過程與壩址處天然水溫相差較原可研方案大大縮小，極大程度上減緩了對(duì)減水河段水生生物產(chǎn)卵繁殖的影響。

對(duì)比電站發(fā)電尾水水溫(去學(xué)水電站裝機(jī)246 MW，安裝2臺(tái)單機(jī)容量為123 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)引用流量79.2 m3/s)，優(yōu)化方案下的生態(tài)流量對(duì)發(fā)電尾水水溫的影響較小，如圖4所示，這是因?yàn)樯鷳B(tài)流量相對(duì)發(fā)電尾水流量較小，生態(tài)流量?jī)?yōu)化方案對(duì)水溫的改善作用主要在尾水匯入前的河段，發(fā)電尾水混合后有一定改善效果，但并不顯著。

圖3 去學(xué)水電站生態(tài)下泄流量水溫與天然水溫逐月對(duì)比圖Fig.3 Comparison between monthly variation of water temperature of environmental flow discharged from Quxue hydropower station and natural flow

圖4 去學(xué)水電站優(yōu)化方案生態(tài)下泄流量與發(fā)電尾水混合后水溫示意圖Fig.4 Water temperature after mixing environmental flow with tail water in Quxue hydropower station in the optimized scheme

3.3.2 水資源利用率對(duì)比分析

可研階段方案中，生態(tài)流量通過泄放管直接流至泄洪洞出口，借助泄洪洞下游的消能建筑物將多余能量消掉后安全傳輸至下游減水河段。由于沒有安裝生態(tài)發(fā)電機(jī)組，生態(tài)流量所攜帶的能量沒有得到有效利用。

相關(guān)資料表明，生態(tài)機(jī)組對(duì)水溫的影響并不顯著[24]，在優(yōu)化方案中，合理利用生態(tài)流量及其水頭，增設(shè)生態(tài)裝機(jī)容量9.4 MW的生態(tài)發(fā)電機(jī)組，有利于增加發(fā)電量，合理高效利用水能資源。對(duì)于節(jié)約煤炭資源，減少溫室氣體排放具有十分重要的意義。

3.3.3 泄放保證率的對(duì)比分析

原設(shè)計(jì)在泄洪洞或者生態(tài)流量泄放鋼管檢修期間，生態(tài)流量下泄的保障措施有兩種，一是當(dāng)庫水位高于2 320 m時(shí)，可以通過溢洪道弧門局部開啟向下游短時(shí)間補(bǔ)水。二是當(dāng)泄洪洞檢修時(shí)段較長(zhǎng)而庫水位低于2 320 m時(shí)，需要臨時(shí)在溢洪道上架設(shè)潛水泵從上游庫中抽水向下游補(bǔ)水，水泵總額定流量不小于8.42 m3/s。對(duì)于第一種方案，存在溢洪道弧門調(diào)度不便、精度難于控制等問題，且在2 320 m以下水位時(shí)無法應(yīng)用。第二種方案需要架設(shè)總額定流量不小于8.42 m3/s的多臺(tái)潛水泵，不僅操作難度較大，而且不適于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

此次施工詳圖階段提出的生態(tài)流量泄放措施優(yōu)化方案中，將生態(tài)流量泄放系統(tǒng)和泄放管于泄洪洞之外單獨(dú)設(shè)置，并在廠房上游墻前坡面設(shè)置檢修泄放管。在正常運(yùn)行期，生態(tài)流量通過發(fā)電引水管道(1#引水支管)泄放，在機(jī)組檢修期間，發(fā)電引水管關(guān)閉，生態(tài)流量通過2#檢修泄放支管下泄。而當(dāng)生態(tài)泄放系統(tǒng)檢修或事故期間，則可通過控制泄洪洞或溢洪道閘門小開度下泄生態(tài)流量，完全避免了增設(shè)生態(tài)機(jī)組對(duì)生態(tài)流量泄放的影響，從而真正實(shí)現(xiàn)了生態(tài)流量的不間斷泄放，使生態(tài)流量下泄的保證率大大提高。

4 結(jié)論與展望

根據(jù)預(yù)測(cè)得到的生態(tài)需水量，去學(xué)水電站在可行性研究階段、施工詳圖階段設(shè)計(jì)了兩種生態(tài)流量泄放措施方案。生態(tài)流量泄放措施優(yōu)化方案提高了生態(tài)流量取水口的布置高程，在泄洪洞之外單獨(dú)布置生態(tài)泄放系統(tǒng)，并增設(shè)生態(tài)流量機(jī)組。同可研階段方案相比，施工詳圖階段生態(tài)流量泄放措施優(yōu)化方案中生態(tài)流量水溫更接近于天然水溫,優(yōu)化方案的泄洪洞或泄放管檢修期間生態(tài)流量下泄的保證率進(jìn)一步提高,優(yōu)化方案的水資源利用效率更加合理高效,為同類水電工程的生態(tài)流量泄放措施的設(shè)計(jì)提供了參考。