水电站审批中最小生态流量的初步研究

[摘要] 水能资源是一种共享资源，保护天然河流和水资源是人类共同的责任，对出于商业和经济的一些目的，人们开发水能资源，可能会导致天然河流及附近地区水环境恶化。人类在发展社会经济的同时，不能以牺牲环境为代价，要注意对天然河流水资源开发中的水环境问题，改善水环境任重道远。本文根据河流生态环境需水量的概念，针对广西河流的特点，利用实际项目设计资料，分析了项目下游河流最小生态流量，并提出广西水电站生态流量的确定方法。 [关键词] 水电站；设计审批; 最小生态流量 1 河流最小生态流量的概念 生态需水量应该是特定区域内生态系统需水量的总称，包括生物体自身的需水量和生物体赖以生存的环境需水量，生态需水量实质上就是维持生态系统生物群落和栖息环境动态稳定所需的用水量。由中国工程院组织、43位院士和近300位院外专家参加完成的《21世纪中国可持续发展水资源战略研究》认为：广义的生态环境用水，是指“维持全球生物地理生态系统水分平衡所需用的水，包括水热平衡、水沙平衡、水盐平衡等，都是生态环境用水”。“狭义的生态环境用水是指为维护生态环境不再恶化并逐渐改善所需要消耗的水资源总量”。狭义的“生态环境用水计算的区域应当是水资源供需矛盾突出以及生态环境相对脆弱和问题严重的干旱、半干旱和季节性干旱的半湿润区”。狭义的生态环境用水主要包括“保护和恢复内陆河流下游的天然植被及生态环境；水土保持及水保范围之外的林草植被建设；维持河流水沙平衡及湿地、水域等生态环境的基流；回补黄淮海平原及其他地方的超采地下水”等方面。 在美国，环境用水系指服务于鱼类和野生动物、娱乐及其他美学价值类的水资源需求。主要包括：1、联邦和州确定的自然和景观河流的基本流量。2、河道内用水：指用于航运、娱乐、渔类和野生动物保护以及景观等美学价值等的用水。3、湿地需水：主要指湿地保护区的需水包括咸水湿地、微盐沼泽和淡水湿地的需水。4、海湾和三角洲的流量：为保持和控制海湾和三角洲的环境包括咸度、入海流量而规定的需水量[1]。 目前，关于河流最小生态环境需水量的研究尚不充分。在有限的研究成果中，河流水污染防治用水临界值可用以水质目标为约束的方法求得，或按照简单的十年最枯月平均流量法估算。前者需要知道上游来流中的污染物浓度、河段内污染物产生量、河段内污染物治理程度、河段内污废水资源化程度、河段内城市污废水产生总量和污染物削减等详细信息，在不易获得准确信息时可以近似采用后一种方法。河流生态用水因河流本身就是其中生物体不能完全脱离的生活环境，所以许多情况下都避开生物体自身需水的问题而直接寻求满足一定数量和质量生物体生存的河流水量，有关的方法如湿周法、R2CROSS法和河道内流量增加法等。在资料短缺的情况下，可以对最小河流生态用水进行规定，如法国规定最小河流生态用水流量不应小于多年平均流量的1/10。对多年平均流量大于80m3/s的河流，最低流量的下限也不得低于多年平均流量的1/20。 2 河流水能利用与生态环境用水 河流系统是自然界最重要的生态系统之一。河流系统具有多种功能，通常受到关注的主要有输水、输沙、泄洪、防污、景观、航运、生态等功能。在不同的区域和不同的阶段，为了维持河流系统功能的健康和满足河流系统水资源开发利用的不同目的，必然会提出水资源利用的具体模式。然而，为了使河流水资源能够得到可持续的利用，必须考虑生态环境用水的需求，从而也就提出了河流生态环境需水量的概念。 河流生态环境需水量是在特定时间和空间为满足特定服务目标的变量，它是能够在特定水平下满足河流系统诸项功能所需水量的总称。一方面，河流生态环境需水量可以随时间和空间变化，表现出动态变化的特征；另一方面，河流生态环境需水量具有协调各项河流基本功能的内涵，表现出在特定时空单元内最大限度地满足河流主要功能的优先选择性。河流生态环境需水量的动态配置必须有利于单位水资源的生态环境服务最大化。1997年，联合国大会虽然通过了《国际水域非航海使用法条款》，但同样没有指出河流生态环境需水量的考量方法。 河流系统与人类活动的关系非常密切，世界各国都通过不同的法律和管理手段来保证对河流系统中水能的合理开发和利用。在美国，拥有河流水资源管理权的46个州中就有11个州制定了明确的法规和条例，用以指导水能的利用和河流生态环境的保护。在法国，通过1992年颁布的水法来保证水资源的统一管理和水环境保护，明确将河流最小生态需水放在了仅次于饮用水的优先地位。在中国，利用工程措施调节和分配水资源是满足河流各种主要功能的重要途径。在印度和孟加拉国，多年来一直就恒河水量的合理分配进行协调。在捷克、斯洛伐克和匈牙利，关于合理利用多瑙河水资源的探索正在持续进行。在泰国和越南，围绕湄公河的分水问题也在不断地谈判。在非洲，由两个国家共有河流或湖泊的流域就有57个，因水资源利用协调不善而引发的矛盾屡见不鲜。在中东，水危机造成的冲突尤为典型。 3 水能资源开发中的注意的水环境问题 在很多时候，人类对河流的伤害都是由于人们的愚昧和贪婪造成的。需要对天然河流水资源的开发中应注意以下水环境问题。 3.1 要注意维护天然河流的自然综合功能 每一条河流，都是经过了漫长的自然演化而形成的。人类在河流的中上游地区进行水资源的开发利用，修建拦、蓄、引、调工程，必然要改变河流的天然水流状态及时空分布。与此同时，必须要考虑工程对河流下游地区维持原有生态系统最低限度的流量要求，以利于继续发挥其河流的自然综合功能。 3.2 注意修复、维护水生态系统 生态系统，是指一定空间中的生物群落与其环境组成的系统。其中各成员借助能量交换和物质循环形成一个组织有序的功能复合体。在整个系统整体中的任何一种因素遭到破坏，都会引起系统的失衡。人类要尊重自然界生态系统的平衡，并防止由于人类的活动破坏这种平衡。自然界中的水体及相关生物群落是一个有机的生态系统，一条河流就是一个生态系统，人类对河流的水资源开发，兴修水利工程，必然的要改变天然水体的时空分布和水质状况，使原有水生态系统受到人类的干扰 。这就要求兴建水利水电工程应该考虑怎样减少对原有水生态系统的破坏、维护河流形态的多样化，使河流水域与岸上陆域生态系统有机联系，并通过综合的工程措施对已遭到破坏的水生态系统进行修复和维护，以利于实现人类与河流和谐相处。 3.3 注意营造、美化水利景观 自然的水域及周边景观是天然水自然生成的景观。水利工程建设以水为对象，由自然水域变成工程水域必然要改变水域及周边的自然景观。改变是不可抗拒的，我们必须减少因水利工程的建设带来的负面影响，依靠水利工程来营造出新的景观，美化水域及周边地区的景观，使各具特色的水域、水陆过渡域及陆域有机的组合，形成丰富多彩的水利景观，使之成为人们生活居住、休闲活动的自然水利景观。 3.4 注意开发和弘扬水利人文 水环境是人类文明的一面镜子，优秀的水文化可以促进人水关系的协调；落后的水文化使人水关系紧张。新时代的水资源开发建设活动中，水利水电工程规划、设计与建设、管理，既要注意保护我国历史上遗留下来的优秀水文化；又要注意引进先进的现代科学技术、文化理念，创造现代的水文化，体现科学技术与人类社会的进步；引导人类社会与自然水环境和谐相处；提倡人们进行现代文明的生产、生活方式，以实现人类社会的可持续发展。长期的人类活动，创造并遗留下了大量特定水域周边的人文景观，在各个领域都积累沉淀了丰富的水文化，并真实的记录了历史上的水旱灾害和社会历史变迁。各种形式的诗歌、碑刻、绘画、史记、著作、传说、民俗、信仰、祭祀等都蕴含着及其丰富的水文化。 4. 水电站最小生态流量的实例研究 在小水电开发建设过程中，过去考虑较多的是对区域经济的发展和发电效益，而对保护生态水环境考虑的较少，如不考虑电站大坝最小下泄流量而引起下游河段水环境恶化等问题，已越来越引起社会各界的关注。特别是引水式电站，由于其大坝与厂房之间往往会形成一定的脱水段，脱水段的形成必然会给下游生态环境造成一定的影响。如何确定大坝下泄最小流量，才能满足下游生态环境需水量的要求呢，国内外有许多学者提出了各种生态环境需水量计算方法，如湿周法、河道内流量增加法、“R2CROSS法”、最枯月平均流量法等等，但是在我国目前还没有一个统一的计算标准。本文结合电站实例，用代表年法和长系列法，对大坝下泄最小流量的确定进行了分析和初步探讨。 工程概况:某水电站位，为一引水式电站。坝址以上集雨面积385 km2，流域内多年平均降雨量3200 mm，坝址断面多年平均流量36.98 m3/s。工程拟建拦河坝高122m，输水系统长4.2 km。电站设计水头94 m，设计发电流量17 m3/s，装机2×7000kw。流域内主要河道弯曲曲折，水能资源丰富。流域内林深坡陡，地表植被较好。 电站流域内无实测水文站，故利用降雨资料推求径流，即利用邻近周边气候、下垫面条件基本一致的雨量站为依据，及较近处有水文站，计算出电站坝址控制流域1964年—1992年共28年的径流系列，径流系列参数为Q= 36.98 m3/s, Cv=0.146 , Cs=2 Cv 根据设计的水电站年径流系列，根据代表年（P=90%）枯水年法和长系列法，分别以年最小月平均流量、年最小日平均流量选样，经分析求得响水洞电站坝址处的枯水流量成果见上表。 从上表可以得出以下结论：长系列法计算出最小枯水流量，更接近天然状态下的枯水流量，但用代表年法计算的最小月平均流量能满足设计精度要求；设计中采用代表年法，P=90%枯水年的最小月平均流量可以满足下游生态需水量的要求。由于本项目处于河流上游区,坝址以上淹没人员较少,故采用电站最小生态下泻流量为6.5 m3/s。 5. 结论和建议 广西河流众多，其中集雨面积超过50平方公里的有285条，既有国家水电富矿红水河，也有众多的山区的中小河流，各种河流的水文水资源特性不同，表现为河段对生态需水要求的不同。广西主要处于山区丘陵地区，建议在水电站设计和审查中，采用以下方法计算河段最小生态流量 ：①多年平均流量的1/10；②90%保证率最枯月平均流量；③90%保证率最枯日平均流量；④近10年最枯月平均流量。 建议在广西中小水电站的设计和审查中，对项目处于山区\丘陵地区, 河流上游,人员稀少，水生生物资源较为贫乏的，电站最小下泄生态流量可以取以上各种方法的小值。对项目处于平原\下游, 人员较多，水生生物资源较为丰富的，生态流量取以上各种方法的大值。这样确定的河段生态用水的最小流量基本上维持了河流水生生物栖息生长、景观及一定稀释净化能力所需的水量。