黃 蕊

(惠州市惠州大堤?hào)|堤管理中心，廣東 惠州 516000)

1 流域概況

東江流域發(fā)源于江西省尋烏縣椏髻缽山，由北向南流入廣東省(龍川段以上稱之為尋鄔水，龍川段以后稱之為東江)，全長(zhǎng)562 km。其中，江西省境內(nèi)長(zhǎng)度為127 km，廣東省境內(nèi)長(zhǎng)度為435 km，集水面積為35 340 km2，河道平均坡降0.388‰，平均年徑流深950.4 mm，平均年徑流量257×108m3，流域多年平均降雨量為1 724 mm。目前，東江干流上已建成運(yùn)營(yíng)的梯級(jí)水電站(由上往下)包括龍?zhí)端娬?裝機(jī)4×104kW)、稔坑水電站(2.5×104kW)、羅營(yíng)口水電站(裝機(jī)2.01×104kW))等12個(gè)，其中大部分裝機(jī)容量均小于5×104kW。東江干流上有龍川、河源、嶺下、博羅等多個(gè)水文站，其中龍川、河源、博羅3個(gè)水文站目前已實(shí)現(xiàn)流量全程在線監(jiān)測(cè)，博羅水文站為國(guó)家重點(diǎn)水文站，控制流域面積占整個(gè)東江流域面積的93.7%。因此，選擇博羅水文站數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算具有典型性和代表性。見圖1。

圖1 東江流域近30年年平均流量

2 生態(tài)流量核算方法

截至目前，關(guān)于水電站生態(tài)流量的估算方法有數(shù)百種之多。按照估算原理，可將其劃分為水文學(xué)估算法、水力學(xué)估算法、生物棲息地估算法以及生態(tài)水力學(xué)估算法；按照實(shí)踐分類，又可將其劃分為最小值核算法、不同時(shí)段值核算法、目標(biāo)生態(tài)流量核算法以及全年值核算法。但是，當(dāng)前大多數(shù)生態(tài)流量核算方法對(duì)于生態(tài)流量的定義并不明確，目標(biāo)單一，沒有形成完善的計(jì)算方法和統(tǒng)一的理論體系，導(dǎo)致在具體應(yīng)用過程中不能合理、方便、準(zhǔn)確地得到生態(tài)流量[1-3]。

通過查閱相關(guān)資料和文獻(xiàn)，本文選取9種常用的生態(tài)流量估算方法進(jìn)行對(duì)比[4-10]，結(jié)果見表1。東江流域?qū)儆诹髁枯^大且水電開發(fā)利用程度較高的常年性河流，同時(shí)不具備長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)日均流量數(shù)據(jù)資料，但博羅水文站擁有較為完整的近30年的年平均流量數(shù)據(jù)資料，因此本文選擇經(jīng)驗(yàn)法、頻率曲線法以及Tennant法對(duì)東江流域的生態(tài)流量進(jìn)行估算。

表1 不同生態(tài)流量估算法對(duì)比

經(jīng)驗(yàn)法：當(dāng)研究流域有較長(zhǎng)的水文觀測(cè)資料且為水量較大的常年性河流時(shí)，可通過經(jīng)驗(yàn)法求取最小的生態(tài)流量值。最小生態(tài)流量與生態(tài)環(huán)境之間存在如下關(guān)系：①如果只要求維持河流中水生植物處于貧瘠生長(zhǎng)條件時(shí)，此時(shí)流域的最小生態(tài)流量為年平均流量的10%左右；②如果需要維持河流中水生植物處于較好的生長(zhǎng)條件，此時(shí)流域的最小生態(tài)流量為年平均流量的30%～60%；③如果要求河流中水生植物處于最佳的生長(zhǎng)條件，此時(shí)流域的最小生態(tài)流量為年平均流量的60%～100%。

頻率曲線法：當(dāng)研究對(duì)象可以提供30年以上水文觀測(cè)資料時(shí)，可通過構(gòu)建流域各月的水文頻率曲線，同時(shí)選取適當(dāng)頻率來(lái)確定基本生態(tài)環(huán)境需水量，從而估算得到最小生態(tài)流量。

Tennant法：適用于有較長(zhǎng)的水文觀測(cè)資料且為水量較大的常年性河流，通過構(gòu)建水文數(shù)據(jù)與流域生態(tài)環(huán)境的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來(lái)計(jì)算最小生態(tài)流量，同時(shí)對(duì)不同時(shí)期的流域生態(tài)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：

Q=P·QT·T

(1)

式中：Q為某時(shí)間段內(nèi)河流的生態(tài)環(huán)境需水量，m3；P為某時(shí)間段最小生態(tài)流量占同時(shí)段多年平均天然流量的百分比，%；T為時(shí)段長(zhǎng)，s；QT為同時(shí)段內(nèi)河流多年平均流量，m3/s。

根據(jù)P值大小，可以對(duì)不同時(shí)間段內(nèi)的河流生態(tài)環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，從而確定生態(tài)流量設(shè)計(jì)是否合理。不同時(shí)間段內(nèi)的河流生態(tài)環(huán)境狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 河流生態(tài)環(huán)境狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3 評(píng)估過程及結(jié)果

3.1 已有流量分配方案最小下泄流量

在最小生態(tài)流量核算之前，東江流域有關(guān)部門根據(jù)冬春枯水期流域的生產(chǎn)生活用水情況，制定了東江流域(石龍以上流域)的流量分配方案。根據(jù)該方案的設(shè)計(jì)要求，當(dāng)取流域多年生產(chǎn)生活用水需求以及總供水量90%保證率時(shí)，可計(jì)算得到流域的最小生態(tài)流量為212 m3/s。東江流域用水量分配方案情況見表3。

表3 東江流域用水量分配方案 /108 m3

3.2 經(jīng)驗(yàn)法估算最小下泄流量

東江流域缺乏長(zhǎng)時(shí)間的日均流量數(shù)據(jù)，河道中也沒有需要特殊保護(hù)的水生生物，因此河道的最小生態(tài)流量可維持水生生物保持在較好狀態(tài)即可。將流域近30年來(lái)的流量作成流量排頻圖，取50%保證率作為年平均流量，取該年平均流量的30%作為最小生態(tài)流量，結(jié)果見圖2。當(dāng)保證率取50%時(shí)，對(duì)應(yīng)的年平均流量為753 m3/s，由于P經(jīng)驗(yàn)取值為30%，那么可計(jì)算得到流域的最小生態(tài)流量為753×0.3=225.9 m3/s(取整數(shù)為226 m3/s)。

圖2 年均流量排頻曲線

3.3 頻率法估算最小下泄流量

經(jīng)驗(yàn)法利用年平均流量進(jìn)行最小生態(tài)流量計(jì)算，而頻率法則一般是利用年最枯月平均流量進(jìn)行最小生態(tài)流量計(jì)算。從近30年的該流域最枯月平均流量可知，1992年的月最枯流量最小，僅為171 m3/s，2003和2011年的月最枯流量最大，達(dá)到558 m3/s。同理，對(duì)30年來(lái)的月最枯月平均流量進(jìn)行排頻，然后取90%保證率下的月最枯流量作為流域的最小生態(tài)流量，結(jié)果見圖3。從圖3中可以看到，當(dāng)保證率取90%時(shí)，對(duì)應(yīng)的流量大小為233 m3/s，因此頻率法估算得到的最小生態(tài)流量為233 m3/s。

圖3 最枯月平均流量排頻圖

3.4 Tennant法最小生態(tài)流量評(píng)估結(jié)果

通過上文分析可知，采用流量分配方案、經(jīng)驗(yàn)法以及頻率法3種方法計(jì)算得到的最小生態(tài)流量有所差異，分別為212、226和233 m3/s，因此還需要對(duì)不同計(jì)算方法得到的生態(tài)流量進(jìn)行評(píng)估。本文采用Tennant法對(duì)3種方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)估：首先根據(jù)博羅站近30年的水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到東江流域多年月平均天然流量值，然后對(duì)不同方法計(jì)算得到的最小生態(tài)流量占同時(shí)段多年平均天然流量的百分比P進(jìn)行計(jì)算，最后根據(jù)不同方法P值計(jì)算結(jié)果，對(duì)河流生態(tài)環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，通過評(píng)估結(jié)果選取最佳的生態(tài)流量核算方法。

不同方法下最小生態(tài)流量與多年月平均天然流量占比(P)情況見圖4。從圖4中可以看到，根據(jù)不同方法計(jì)算得到的P值近似呈U形分布，即在枯水期的P值較高，豐水期的P值較低；相同時(shí)間段內(nèi)，采用頻率法計(jì)算得到的P值略高于經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算得到的P值，同時(shí)明顯高于水量分配方案計(jì)算得到的P值。這主要是因?yàn)樵诶媒?jīng)驗(yàn)法和頻率法計(jì)算生態(tài)流量過程中，不僅考慮了供水需求關(guān)系，而且還考慮了生態(tài)用水(水資源條件、河湖水量等)，使得生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果更貼近于實(shí)際情況。對(duì)于經(jīng)驗(yàn)法，1-12月份的水生態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果分別為：最佳、最佳、極好、中、中、中、中、中、中、好、最佳、最佳；對(duì)于頻率法， 1-12月份的水生態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果分別為：最佳、最佳、極好、好、中、中、中、中、好、好、最佳、最佳；對(duì)于水量分配方案，1-12月份的水生態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果分別為：最佳、極好、好、中、中、中、中、中、中、好、極好、最佳。從評(píng)估結(jié)果來(lái)講，采用頻率法得到的最小生態(tài)流量對(duì)流域的水生態(tài)影響最小，經(jīng)驗(yàn)法次之，流量分配方案最小。但是考慮到本流域并無(wú)特殊生物需要保護(hù)，而增大生態(tài)流量會(huì)導(dǎo)致發(fā)電效率降低，因而建議將流域最小下泄生態(tài)流量取值控制在226～233 m3/s。

圖4 不同方法P值計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

以東江流域(石龍以上)為例，采用經(jīng)驗(yàn)法、頻率法對(duì)小流域梯級(jí)水電站的最小下泄生態(tài)流量進(jìn)行計(jì)算，并利用Tennant法對(duì)不同方法計(jì)算得到的最小下泄生態(tài)流量進(jìn)行評(píng)估，結(jié)論如下：

1) 由于東江流域?qū)儆诹髁枯^大且水電開發(fā)利用程度較高的常年性河流，同時(shí)不具備長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)日均流量數(shù)據(jù)資料，因而選取經(jīng)驗(yàn)法、頻率曲線法以及Tennant法對(duì)東江流域的生態(tài)流量進(jìn)行計(jì)算分析。

2) 采用流量分配方案、經(jīng)驗(yàn)法以及頻率法3種方法計(jì)算得到的最小生態(tài)流量分別為212、226和233 m3/s。

3) 利用Tennant法計(jì)算得到P值呈U形分布，經(jīng)驗(yàn)法和頻率法計(jì)算得到的P值明顯高于流量分配方案，枯水期的水生態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果優(yōu)于豐水期；經(jīng)驗(yàn)法和頻率法較流量分配方案更適用于最小生態(tài)流量的核算，建議將流域最小下泄生態(tài)流量取值控制在226～233 m3/s。