引水式电站减水河段最小生态需水量模型研究.docx

'第４２卷第１９期人民长江Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．１９２０１１年１０月ＹａｎｇｔｚｅＲｉｖｅｒＯｃｔ．，２０１１文章编号：１００１－４１７９（２０１１）１９－００４７－０４引水式电站减水河段最小生态需水量模型研究１１２，孟艳秋１何怀光，张贵金，田大作（１．长沙理工大学水利工程学院，湖南长沙４１０１１４；２．湖南省水利水电科学研究所，湖南长沙４１００７６）摘要：为了保护引水式水电站大坝与厂房之间减水河段的生态环境，需要确定河道最小生态需水量，以反映河道特征的差异。以湖南省一些典型引水式水电站下游减水河段为例，应用改进的湿周法计算了河道最小生态需水量，并通过单变量影响分析，研究河道最小生态需水量的影响因素；以幂函数对最小生态需水量与各单变量的关系进行了拟合分析，得到了合适的最小生态需水计算模型，其计算结果与实际情况的分析比较表明，模型计算结果基本合理。关键词：改进湿周法；最小生态需水；计算模型；引水式水电站中图法分类号：ＴＶ２１３．４文献标志码：Ａ在中小河流上兴建引水式水电站，可能对河流的生态环境造成极大的影响。大坝和厂房之间形成的减水河段水流减少，尤其是在枯水期减水河段可能出现断流，造成水生生物丧失栖息地而死亡。为了保障减水河段的生态环境，需下泄一定的生态流量，即最小生态需水量。目前，国内外学者对河流生态需水量进行了大量的研究，提出了多种计算方法。总结起来可以分为：水文学法、水力学法、生境模拟法和综合分析法等［１］。水文学法原理简单，应用广泛，但精度不高，一般作为其他方法计算值的参考［２］。水力学法仅通过河道断面水力参数确定最小生态需水量，没有考虑生态环境的影响［３］。生境模拟法需要大量详细的河道水文、水力学和生物特征等资料，且方法本身比较复杂，在实际应用中受到限制［４］。综合法由于操作较为复杂等原因，在我国也很少应用［５］。总之，现行的计算方法对河道实测水文资料要求较高，操作较复杂，没有形成较直观的计算模型，而一般山区引水式水电站下游河道缺乏水文实测资料，对于减水河段，难以计算最小生态需水量。因此，研究适合山区引水式水电站下游减水河段最小生态需水量的计算方法是非常必要的。收稿日期：２０１１－０７－１２１最小生态需水量计算的单变量影响分析本文采用改进湿周法，对湖南省某河流梯级开发所形成的多个减水河段进行最小生态需水量分［６－９］析，并根据河道的特征差异采用单变量分析法来研究河道最小生态需水量的影响因素。山区河道断面大多呈“Ｕ”形、“Ｖ”形和抛物线形，经分析认为抛物线断面更符合实际情况，更具代表性。为使分析具有一般性，采用河流标准抛物线断面计算。首先按改进的湿周法对多种不同特征河道断面的最小生态需水进行计算，然后对计算结果进行线性拟合，提出计算河道最小生态需水的计算模型。断面宽深比、河流纵向坡降、多年平均流量和河道粗糙系数是反映河流特征的重要参数。本文通过单变量分析法分别研究这４个参数对最小生态需水量的影响，并对计算结果进行线性拟合，以推求计算河道最小生态需水的计算模型。１．１宽深比的影响３对研究河流各断面的多年平均流量均取４０ｍ／ｓ，河道坡降均取０．０１，粗糙系数均取０．０３５，按改进的湿周法计算得出的最小生态需水量结果见表１。基金项目：湖南省水利科技重点项目“山区中小河流治理关键技术研究”资助（［２００９］２０３－２２）作者简介：何怀光，男，硕士研究生，主要从事水利工程安全评价与风险分析方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｅｈｕａｉ＿２００６＠１６３．ｃｏｍ ４８人民长江２０１１年表１不同宽深比条件下最小生态需水量计算结果通过幂函数线性拟合，结果见图。２断面多年平均流量最小生态最小生态需水量最小生态需水量水面平均流速／需水量／占多年平均流量流速／平均相对宽深比宽／ｍ水深／ｍ（·－１）（３·－１）比例／％（·－１）水深／ｍ湿周／％ｍｓｍｓｍｓ５８．５０１．７０３．２０２．１１５．２７１．４３０．３７５０１０１１．２０１．１２３．００２．７２６．８３１．３５０．３３５１２０１７．５００．８８２．５６３．５２８．８５１．２３０．２９５５３０２２．８００．７５２．３４４．１２１０．２９１．１６０．２６５８４０２６．０００．６５２．１４４．６４１１．４６１．１２０．２４６０７０３８．６００．５５１．９３５．９４１４．８５１．０５０．２２６２１００５３．４００．５３１．７５６．４６１６．１４０．９６０．２１６５图２不同河道坡降条件下最小生态需水量拟合曲线从表１可看出，在最小生态需水流量下，各断面的水力参数差异不大。河道最小生态需水占多年平均流量的比例随断面宽深比的增大而逐渐增大，且变化显著。为了进一步研究河道最小生态需水量与断面宽深比的关系，对计算结果进行了幂函数线性拟合，拟合结果见图１。图１不同宽深比条件下最小生态需水量拟合曲线从图１可知，断面最小生态需水量与宽深比的关Ｂ０．３８２４２系近似为：Ｑ∝１．１３１５（），相关系数Ｒ＝Ｈ０．９９８２，拟合结果较好。１．２河道坡降的影响各断面宽深比均取３０，多年平均流量均取４０３ｍ／ｓ，粗糙系数均取０．０３５，按改进的湿周法计算得出的最小生态需水量结果见表２。表２不同河道坡降条件下最小生态需水量计算结果河道多年平均流量最小生态最小生态需水量最小生态需水量水面平均流速／需水量／占多年平均流量流速／平均相对坡降宽／ｍ水深／ｍ（·－１）（３·－１）比例／％（·－１）水深／ｍ湿周／％ｍｓｍｓｍｓ０．００５２５．６０．８７１．７４．４８１１．２０．９２０．３２６００．０１０２２．５０．７５２．３４．１２１０．３１．１６０．２６５９０．０１５２０．７０．７２２．６３．９２９．８１．３４０．２４５９０．０２０１９．６０．６６３．１３．８０９．５１．４７０．２２５８０．０４０１７．５０．５６４．１３．４８８．７１．８６０．１９５８０．０６０１６．２０．５３４．５３．３２８．３２．１５０．１７５６０．１００１５．６０．４９４．８３．１２７．８２．２３０．１５５５从图２可知，断面最小生态需水量与河道坡降的－０．１２０８２关系近似为：Ｑ∝２．３６２４Ｊ，相关系数Ｒ＝０．９９９９，拟合结果较好。１．３多年平均流量的影响各断面宽深比均取３０，河道坡降均取０．０１，粗糙系数均取０．０３５，按改进的湿周法计算得出的最小生态需水量结果见表３。表３不同多年平均流量条件下最小生态需水量计算结果多年平多年平均流量最小生态最小生态需水量最小生态需水量均流量／水面平均流速／需水量／占多年平均流量流速／平均相对（３·－１）宽／ｍ水深／ｍ（·－１）（３·－１）比例／％（·－１）水深／ｍ湿周／％ｍｓｍｓｍｓｍｓ５７．８００．２６１．４０１．２１２４．２１０．８８０．１８６７１０１３．４００．４５１．７０１．８２１８．２１０．９８０．２０６３２０１７．５００．５６２．１０２．７４１３．６９１．０９０．２３５７５０２２．４００．７５２．５６４．７０９．４０１．２１０．２６５４１００３１．６０１．０８３．３０７．０７７．０７１．３２０．３２５１２００４２．５０１．４７３．６０１０．６３５．３１１．４５０．２７５０从表３可知，河道最小生态需水量占多年平均流量的比例随多年平均流量的增大而逐渐减小，从２４．２１％减至５．３１％，变化显著。通过幂函数线性拟合，结果见图３。图３不同多年平均流量条件下最小生态需水量拟合曲线从图３可知，断面最小生态需水与多年平均流量０．５８８９２的关系近似为：Ｑ∝０．４６９２Ｑ０，相关系数Ｒ＝１，拟合结果较好。１．４河道粗糙系数的影响从表２可知，河道最小生态需水量占多年平均流各断面宽深比均取３０，河道坡降均取０．０１，多年量的比例随河道坡降的增大而逐渐减小，但变化较小。３平均流量均取４０ｍ／ｓ，按改进的湿周法计算得出的最 第１９期何怀光，等：引水式电站减水河段最小生态需水量模型研究４９小生态需水量结果见表４。３计算模型的修正表４不同粗糙系数条件下最小生态需水量计算结果研究认为，相同水力要素下“Ｕ”形和梯形断面对粗糙多年平均流量最小生态最小生态需水量最小生态需水量水面平均流速／需水量／占多年平均流量流速／平均相对河道需水量较抛物线形断面大，“Ｖ”形断面较抛物线系数宽／ｍ水深（·－１）（３·－１）比例／％（·－１）水深／ｍ湿周／％／ｍｍｓｍｓｍｓ形断面小；改进的湿周法没有考虑减水河段河道输沙、０．０２５２４．６０．７７１．５０５．７４１４．３５０．８２０．３１５８０．０３０２１．５０．６５２．１０４．７８１１．９６１．０６０．２４５６鱼类生存繁殖以及其他生态情况的影响；河道含沙量０．０３５１９．７０．６２２．４０４．１０１０．２５１．２４０．２２５６较高的河道生态需水量较大，对鱼类等水生生物生存０．０４０１８．６０．５６２．９０３．５９８．９７１．３７０．２０５５０．０５０１６．５０．４６４．００２．８７７．１８１．７６０．１７５５繁殖要求较高的河道生态需水量较大；河岸植被茂盛，０．０７０１５．２０．４３４．３０２．０５５．１３２．０５０．１５５３河道涵养水较多的河道生态需水较小。综合考虑各种０．１００１４．６０．３９４．６０１．４４３．５９２．１３０．１３５１形式的河床断面以及生物繁殖、输沙和其他生态情况从表４可知，河道最小生态需水量占多年平均流等因素的影响，引入形状修正系数ｍ１和生态修正系数ｍ２，修正后的计算模型如下：Ｑ量的比例随粗糙系数的增大而逐渐减小，从１４．３５％Ｑ－３Ｂ０．３８２４００．５８８９－０．１２０８ｎ－１减至３．５９％，变化显著。通过幂函数线性拟合，结果＝２．５６５×１０ｍ１ｍ２（）（）Ｊ（）ｑｈｑｎ０见图４。式中，形状修正系数ｍ１和生态修正系数ｍ２（３）推荐参照表５取值。表５形状修正系数与生态修正系数参照值修正系数取值范围河道生态情况ｍ１＞１．０“Ｕ”形、梯形１．０抛物线形ｍ２＜１．０“Ｖ”形＜１．０植被茂盛，无输沙、鱼类繁殖要求１．０植被一般，无输沙、无特殊鱼类繁殖要求图４不同粗糙系数条件下最小生态需水量拟合曲线＞１．０有鱼类繁殖或输沙要求从图４可知，断面最小生态需水与粗糙系数的关－１２系近似为：Ｑ∝０．１４３５ｎ，相关系数Ｒ＝１，拟合结果较好。２河道最小生态需水量的计算模型从上述研究可知，河道最小生态需水量跟断面宽深比、河道坡降、多年平均流量以及粗糙系数存在以下近似关系：ＱＢ０．３８２４Ｑ０．５８８９－０．１２０８ｎ－１０＝ｋ（）（）Ｊ（）（１）ｑｈｑｎ０式中，ｋ为常数；Ｂ为河道断面水面宽，ｍ；ｈ为断面平均水深，ｍ；Ｑ０为多年（一般为２０ａ以上）平均流量，３３ｍ／ｓ；ｑ为单位流量，取１．０ｍ／ｓ；Ｊ为河道坡降；ｎ为粗糙系数；ｎ０为单位粗糙系数，取１．０。３当断面的多年平均流量取４０ｍ／ｓ，河道坡降取０．０１，粗糙系数取０．０３５，断面宽深比取３０时，最小生３态需水量为４．１２ｍ／ｓ。将以上数据代入式（１）可得：ｋ＝２．５６５×１０－３。因此，式（１）可写成：ＱＱ－３Ｂ０．３８２４００．５８８９－０．１２０８ｎ－１＝２．５６５×１０（）（）Ｊ（）ｑｈｑｎ０（２）４应用实例４．１工程概况（１）老寨水电站位于城步县境内珠江水系浔水支流长滩溪中游，是长滩溪干流梯级开发的第二级。工程以发电为主，兼有防洪、灌溉等综合效益，电站设计３引用流量１１．４ｍ／ｓ，装机容量１２．６ＭＷ，设计年发电量４９５３万ｋＷ·ｈ。减水河段为“Ｖ”形河槽，附近无工业企业分布，只有少数居民散居于此，生活及灌溉用水一般接引山溪水和开采地下水。（２）五里牌水电站位于湖南永州市和双牌县交界处，工程以发电为主，兼顾航运等综合利用，枢纽工程３水库校核洪水位时总库容为０．４亿ｍ，电站装机容量为４５ＭＷ，设计年发电量１．７５亿ｋＷ·ｈ，形成的减水河段长约１０ｋｍ。减水河段为抛物线形河槽，两岸植被茂盛，河道内涵养水较丰富。附近无工业企业分布，居民生活及灌溉用水不依赖于河道取水。（３）金家沟水电站位于湖南省石门县境内，工程以防洪为主，兼顾发电、灌溉、航运等，是一座综合利用的水利枢纽。电站装机１２０ＭＷ，设计年发电量３７６５ ５０人民长江２０１１年万ｋＷ·ｈ。减水河段为“Ｕ”形河槽，附近植被全部被砍伐，基岩裸露，河道生活垃圾积聚，污染较为严重。附近居民较多，生活用水和农业用水依赖于减水河段取水。（４）平游桥水电站工程位于湖南省新化县奉家镇境内，是一座以发电为主的水利枢纽工程。电站装机６ＭＷ，多年平均发电量为２３０３万ｋＷ·ｈ，引水隧洞总长５０１６．５ｍ。减水河段为“Ｕ”形河槽，河道两岸植被良好，地下水丰富。河道含沙量较小，污染较轻，下游需满足农业用水要求。４．２最小生态需水量计算根据各工程实际情况，确定最小生态需水量计算参数见表６。表６工程最小生态需水量计算参数电站名平均平均水坡降糙率平均流量／常数ｍ１ｍ２水深／ｍ面宽／ｍ３－１（ｍ·ｓ）老寨２．０１２．００．０４００００．０４０４．９９０．００２５６５０．９０．８五里牌６．０１１２．００．０００７６０．０３８３０５．０００．００２５６５１．００．８金家沟４．０８０．００．００２４００．０４０９７．６００．００２５６５１．１１．２平游桥１．３２０．００．００６０５０．０４０４．８５０．００２５６５１．１０．９各电站河道最小生态需水量与实际情况对比分析结果见表７。表７河道最小生态需水量计算值与实际值模型计算值／工程实际值／相对误差／电站名３－１３－１％（ｍ·ｓ）（ｍ·ｓ）老寨０．３５０．３２９．４五里牌１１．４４９．００２７．１金家沟８．１９７．１０１５．４平游桥０．８５０．６６２８．８４．３合理性分析由表７可知，最小生态需水量计算值比实际工程预留值稍微偏大，相对误差均在３０％以内。宋兰兰等研究认为，相对误差小于３３％为相差较小［１０］。因此，该模型计算的减水河道最小生态需水量与工程实际情况基本相符。从工程实际来看，减水河段水生生态受到了一定的破坏，河道存在不同程度的污染，原工程预留的生态需水量偏小。因此，计算值比原工程实际值偏大是合理的。５结语对山区河流水电开发减水河段，采取工程措施和行政措施，甚至法律措施，确保最小生态需水量是很好的补救方法。不同的河流所需的最小生态需水量各异，因此，科学合理的计算河道最小生态需水量对生态环境的保护具有重要的意义。通过研究，得出以下结论：（１）根据山区减水河道缺乏水文实测资料的特点，分别分析了河道典型断面宽深比、河道坡降、多年平均流量及粗糙系数对最小生态需水量的影响，并综合考虑了河道生态植被和输沙的影响，研究提出了计算模型，经工程实例验证，成果合理。（２）所建立的模型在改进湿周法基础上综合了水文学、水力学以及生态学理论，考虑了可能影响河道最小生态需水量的主要因素，突破了传统的湿周法只适用于宽浅河段的局限，扩大其应用范围，计算更为准确、直观和简便，适用于山区缺少水文实测资料的河道的最小生态需水计算。（３）由于河道最小生态需水的研究极其复杂，模型中涉及到的各种参数并不一定全面，修正系数的取值也有待进一步明确，需要结合更多的工程实例进行完善。参考文献：［１］陈进，黄薇．长江的生态流量问题［Ｊ］．长江科学院院报，２００７，２４（６）：１－５．［２］ＴｅｎｎａｔＤＬ．ＩｎｓｔｒｅａｍＦｌｏｗＲｅｇｉｍｅｓｆｏｒＦｉｓｈ，Ｗｉ１ｄｌｉｆｅ，Ｒｅｃｒｅａｔｉｏｎ，ａｎｄＲｅｌａｔｅｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＲｅｓｏｕｒｃｅｓ［Ｒ］．Ｍａｒｙｌａｎｄ：ＡｍｅｒｉｃａｎＦｉｓｈｅｒｉｅｓＳｏｃｉｅｔｙ，１９７６：３５９－３７３．［３］李嘉，王玉蓉，李克峰，等．计算河段最小生态需水的生态水力学法［Ｊ］．水利学报，２００６，（１０）：１１６９－１１７３．［４］ＳｔａｌｎａｋｅｒＣＢ，ＬａｍｂＢＬ，ＨｅｎｒｉｋｓｅｎＪ，ｅｔａｌ．ＴｈｅＩｎｓｔｒｅａｍＦｌｏｗＩｎｃｒｅｍｅｎｔａｌＭｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ，ａＰｒｉｍｅｒｆｏｒＩＦＩＭ［Ｒ］．Ｃｏｌｏｒａｄｏ：ＮａｔｉｏｎａｌＥｃｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒ，１９９４：９９．［５］ＡｒｔｈｉｎｇｔｏｎＡＨ，ＫｉｎｇＪ．ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａＨｏｌｉｓｔｉｃＡｐｐｒｏａｃｈｆｏｒＡｓｓｅｓｓｉｎｇＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＦｌｏｗＲｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆＲｉｖｅｒｉｎｅＥｃｏｓｙｓｔｅｍｓ［Ｃ］∥ＰｉｇｒａｍＪＪ，ＨｏｏｐｅｒＢＰ，ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆａｎＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｅｍｉｎａｒａｎｄｗｏｒｋｓｈｏｐｏｎｗａｔｅｒＡｌｏｃａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ａｎｎｉｄａｌｅ：ＴｈｅＣｅｎｔｅｒｆｏｒＷａｔｅｒＰｏｌｉｃｅＲｅｓｅａｒｃｈ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＮｅｗＥｎｇｌａｎｄ，１９９２：２８２－２９５．［６］刘苏峡，夏军，刘昌明．用斜率和曲率湿周法推求河道最小生态需水量的比较［Ｊ］．地理学报，２００６，（３）：２７３－２８１．［７］王庆国，李嘉，李克峰．河流生态需水量计算的湿周法拐点斜率取值的改进［Ｊ］．水利学报，２００９，（５）：５５０－５５５．［８］吕宏兴，冯家涛．明渠水力最佳断面的比较［Ｊ］．人民长江，１９９４，２５（１１）：４２－４５．［９］史方方，黄薇．用改进湿周法计算河道内最小生态需水量［Ｊ］．长江科学院院报，２００９，（４）．［１０］宋兰兰，陆桂华，刘凌．水文指数法确定河流生态需水［Ｊ］．水利学报，２００６，３７（１１）：１３３６－１３４１．（编辑：常汉生）（下转第６１页）'