水利水电工程水资源论证中下泄基流量的计算方法

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1、水利水电工程水资源论证中下泄基流的计算方法陈伯文，孙晓安（湖南省水利水电勘测设计研究总院，长沙 410007）摘要：谋求和谐的人水关系，将人类活动控制在生态、资源、环境允许范围内，恢复和重建受损的生态 系统等问题越来越受到人们的广泛关注和重视。水利水电工程水资源论证应考虑河道下泄基流。根 据不同需求可将河道下泄基流分为河道内需水基流和河道外需水基流两大部分。从维护水生态环境 的天然结构与功能的目标出发，可以认为河道内需水基流主要是河道内生态需水基流、环境需水基 流、航运基流组成，而河道外需水基流主要是河道外生产生活需水基流与生态环境需水基流组成。 关 键 词： 水利水电工程；水资源论证；下泄基

2、流；计算方法生态环境是人类赖以生存生存和发展的空间，水资源是生态环境建设中最重要的、不可 替代的物质。随着我国国民经济的快速发展，水资源供需矛盾日益尖锐，如何能使有限的水 资源满足国民经济持续发展、水资源的永续利用以及生态环境平衡维护的需要，这是当前亟 待解决的薄弱环节和关键问题。2002年3月 24日，水利部、国家计委联合发布了建设项目水资源论证管理办法（水 利部、国家计委15 号令），这标志着建设项目水资源论证制度在我国正式实行。建设项目水 资源论证，主要是对建设项目用水的可行性、合理性、对周围环境的作用、对其他用水户的 影响等诸多因素进行分析，最终提出建设项目用水的水量、水质、工艺流程、

3、排污等一系列 方案的科技咨询活动。2005年 5月12日颁布并实施的建设项目水资源论证导则（试行） （以下简称导则）中明确规定对引水、蓄水等水利水电工程的论证，必须分析对下游水 文情势的影响，并提出满足下游生态保护需要的最小流量。水利水电工程特别是大坝工程对 于防洪、发电、灌溉、供水、航运等作用巨大，为经济社会发展提供了保障。但大坝对于生 态系统的作用是双重的，一方面水库为生物生长提供了丰富的水源，也缓解大洪水对于生态 系统的冲击等，这些因素对河流生态系统是有利的。另一方面，大坝对于河流生态系统产生 干扰。而根据导则的要求，规定其必须下泄基流正是减轻工程对河流生态系统干扰的一 种补偿措施，因此

4、水利水电工程下泄基流量的分析就显得尤为重要。水利水电工程下泄基流 量根据不同需求可分为河道内需水基流和河道外需水基流两大部分。从维护水生态环境的天 然结构与功能的目标出发，可以认为河道内需水基流主要是河道内生态需水基流、环境需水 基流、航运基流组成，而河道外需水基流主要是河道外生产生活需水基流与生态环境需水基 流组成。1 生态环境需水的概念1.1 我国生态环境需水研究的发展状况生态环境需水维系着流域的生态安全、水安全，是生态水文学在水资源与水环境研究中 应用的关键科学之一，我国生态需水问题是近几年得到关注并开始研究的。1989 年，中国 科学院研究所的汤奇成较早提出了生态用水问题，20 世纪

5、90 年代后期，国家“九五”科技 攻关项目“西北地区水资源合理利用与生态环境保护”的实施，真正揭开了我国生态需水研 究的序幕，以后许多专家学者对生态需水、生态用水、生态耗水等问题提出不同的观点、定 义，丰富了生态需水的理论与学术研究。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。”刘昌明等提出了在计算生态环境用水中 如何估算水热平衡、水盐平衡、水沙平衡和区域水量平衡的方法。以此为基础所做

6、的初步工 作表明，全国生态环境用水总量估计为800亿1000亿m3主要在黄淮海流域和内陆河流 域。1.2 生态环境需水的定义由于缺乏统一的概念，给实际的研究工作带来了一些不便或困难，出现了生态、环境需 水的混淆，以及生态需水、生态耗水和生态用水的混淆问题，导致了生态、环境需水计算内 容和结果的不同。尽管生态需水与环境需水两者之间存在着交叉和重合的部分，但从概念上 来讲是两个不同的概念，应该区别对待。生态需水主要侧重在生物维持其自身发展及保护生 物多样性方面，环境需水则主要体现在环境改善方面。根据杨志峰等著的生态环境需水量 理论、方法与实践，认为生态需水是指维持生态系统中具有生命的生物物体水分平

7、衡所需 要的水量，而环境需水是指为保护和改善人类居住环境及其水环境所需要的水量。河道生态需水是指维持水生生物正常生长及保护特殊生物和珍稀物种生存所需要的水 量。河道最小生态需水是指为维系和保护河流的最基本生态功能不受破坏，所必须在河道内 保留的最小水量，其理论上由河流的基流量组成。河道最小生态需水量所要满足的生态功能 主要包括：维持水生生物栖息地。维持河流生态系统平衡。河道环境需水是指为保护和改善河流水体水质、为维持河流水沙平衡、水盐平衡及维持 河口地区生态环境平衡所需要的水量。河道最小环境需水量是指为维系和保护河流的最基本 环境功能不受破坏，所必须在河道内保留的最小水量，其理论上由河流的基流

8、量组成。河道 最小环境需水量所要满足的环境功能主要包括：保持水体一定的稀释能力。保持水体一 定的自净能力。2 河道内需水基流的计算方法河道内需水基流（Q.）主要是河道内生态需水基流、环境需水基流、航运基流组成, iwu其计算方法如下： 维持河道稀释自净能力所需水量的环境基流（Q Jo主要是保持河流水环境容量的 ef需水量，本文认为环境基流的计算可针对北方缺水地区与南方丰水地区的实际情况区别对 待。对于北方缺水地区，通常可用 Tennant 法或 90%保证率最枯月平均流量等进行计算确定。 对于南方丰水地区，目前水资源突出问题是水质污染，水体对污染物质具有一定稀释、净化 的能力，它能通过一系列物

9、理、化学和生物作用，使污染物浓度逐渐降低，使水质恢复到原 来状态，保持水域生态平衡，这称为水环境容量。水环境容量的大小，与水体水量以及水体 对污染物的降解能力有关，水量越大、对污染物降解能力越强，则水环境容量也越大。对许多河流来说，不要求污染源的排放量跟随水量的变化而变化，因此可采用稳态水质 模型，计算设计流量下的环境容量。一般河流水功能区纳污能力可采用一维对流推移方程：-ac了 厂u =-k C(1)ax解得：C(x) = C exp(-k x/u)(2)0上式中：C (x)为控制断面污染物浓度(mg/l)； C0为 起始断面污染物浓度(mg/l)； k 为污染物综合自净计算(1/s)； x

10、为排污口下游断面距控制断面纵向距离(m)； u为设计流 量下岸边污染带的平均流速(m/s)。污染物一般是沿河岸分多处排放的，每一河段内可能存在多个污染源。为简化计算，可 将计算河段内的多个排污口概化为一个集中的排污口，该排污口位于河段中间点，相当于一 个集中点源，该集中点源的实际自净长度为河段长的一半，设河段长度为L，则污染物自净 长度为L/2。因此，对河段下断面，其污染物浓度为：mC = C exp( -kL / u) +exp( -kL /2u)x = L0Qr故河段水功能区纳污能力为：4)m=C -C exp(-kL/u)exp(kL/2u)Qs 0 r上两式中，m为河段纳污能力(g/s

11、)； Q为河段设计流量(采用90%保证率最枯月平 r均流量或近10年最枯月平均流量， m3/s)。即为维持河流一定量稀释净化能力的环境需水量。各河段Q0的大小，可通过(4)对河流来说，当计算所得允许纳污量m小于河段实际纳污量时，为了使河段水质达到 要求的水质标准，有两种解决方法：一是削减污染源的排污量；二是在经过环境规划分析或 考虑治理污染的现实可能性后，认为河流必须接纳一定量污染物(此量超过允许纳污量)的 情况下，可通过增加河流流量的方法，增加河流对污染物的稀释、自净能力，此时河流所需 的流量Qo, 反求Q0W exp( -kL / 2u )pC - C exp( -kL / u)s05)上

12、式中，Wp为河段必须接受的最小排污量(mg/s)。 维持水生生物正常生长及保护特殊生物和珍稀物种生存所需水量的生态基流(Q ) e 对于河流生态水量的计算，目前在国际国内虽然流行多种计算方法，但至今尚无统一方法和 标准，一般采用流量计算和生境分析的方法进行求算，由于各方法计算成果差异较大，采用 单一计算方法可能产生较大误差，因此可采取多种方法计算，对计算成果进行比较，并结合 生境分析来决定成果取值。常用的计算方法有：湿周法、曼宁公式(即R2CR0SS)法、河道 内流量增加珐、法国1/10 多年平均流量法(又称法国乡村法)以及影响生物群落生态分析 法等。 航运基流（Q ）。河道内保证保证通航要求

13、的流量，根据不同航道等级的通航保证hy率加以确定，通航保证率为统计年限内高于和等于某一水位天数站全年天数的百分比。 防止河流蒸发、渗漏量（Q ）。对于大面积水体来说，水面蒸发是水量消耗的重要zs方式之一，如果水体得不到足够的水量补充，回使河流水位逐渐下降，丧失其应用的功能， 生态环境将遭到破坏。因此为维持河流自身生态功能，应维持一部分水量，用于弥补水面蒸 发的消耗。对于此部分生态环境需水量的确定，应首先调查、测量水面面积，分析典型年的逐日水 面蒸发深度，计算水体的蒸发水量，再扣除降雨量后，即为该水体的净蒸发水量，此为河流 生态需水量的一部分。表示如下：Q 二 H A - P（6）式中，H为计算

14、时段内水面蒸发深度（m）； A为计算时段内水体平均蓄水水面面积（m2）； P为计算时段内降雨量（m）。当河道水位高于两岸地下水位时，河水将通过渗漏补给地下水。但对于常年有水的河道 来说，河床含水率一般是饱和的，因此其渗漏损失可忽略。当然这其中有重复部分，则河道内需水基流可以用下式计算：Q 二 max Q ,Q ,QQ（7）iwu ef e hy zs3 河道外需水基流的计算方法河道外需水基流（ Q ）主要是河道外生产生活需水基流与生态环境需水基流组成，owu其计算方法如下： 河道外生态环境基流（Q ）河道外生态环境需水主要是指靠近河道两岸的城市生oef态系统中自然系统的需水量，定义为城市生态环

15、境发挥正常功能的自然主体需水量，包括植 被、河湖和地下水的需水量。需水主体自身存在和发展所需要的水量为生态需水量，保证生 物生长和发育的各种外部环境条件，改善系统环境所需要的水量为环境需水量，两者虽然在 定义上有所区别，实际上是相互联系，不可分离的。河道外生态环境基流主要是指为改善或维护城市生态环境质量不至于进一步下降所需 要的最低水量，包括公园湖泊需水、风景观赏河道需水、城市绿化和园林建设需水等，由人 工投入和天然补给共同来满足。城镇绿化需水、园林建设需水以及防护林草需水等以植被需 水为主体的生态环境需水量，可采用定额预测方法；湖泊、城镇河湖补水等，以规划水面面 积的水面蒸发与降水之差为其生

16、态环境需水量。 河道外生产生活需水基流，一般包括农业、工业以及生活需水，农业需水根据农作物 播种面积以及相应的灌溉用水定额计算，并根据农业发展水平考虑节水潜力后确定；工业需 水根据工业发展水平以及节水潜力，确定工业用水定额及需水量；生活需水根据社会发展水 平以及节水潜力，确定生活用水定额及需水量。考虑到无论生活需水、工业需水还是农业需水，都有一部分回归河道，真正影响径流量 的只是消耗的那部分流量，因此在计算河道外生产生活需水基流时应将生产生活需水减去生 产生活各项用水的回归水量。4 下泄基流计算下泄基流（ Q ）计算分两种情况确定，即当所在河段的河道外回归水量（ Q ）不mvd hg 小于该河

17、段的河道内用水时，取下泄基流为该河段河道外用水流量；当所在河段的河道外回 归水量小于该河段的河道内用水时，取下泄基流为该河段河道内用水流量与河道外耗水流量 之和。表示如下：QQ Qowu hgiwu（8）+ Q - Q Q Qiwu owuhg hgiwu5 计算示例以湖南省资水流域史家洲水电站工程为例，计算其下泄基流。史家洲坝址下游区间的水 功能区为资水益阳开发利用区，起始断面为史家洲坝址，终止断面为资水甘溪港河口，主要 功能为饮用水源、工业、农业用水区。首先计算河道内需水基流。通过上述几种方法计算，并根据有关资料确定河段生态基流 采用法国乡村法，史家洲坝址多年平均流量为755m3/s，因此

18、河段生态基流为75.5m3/s。资 水益阳开发利用区分为资水益阳西流湾饮用水源区与资水益阳赫山工业农业用水区，资水益 阳西流湾饮用水源区全长18.3km，现状水质为III类，远期（2020年）水质目标为III类；资 水益阳赫山工业农业用水区全长11.2km，现状水质为II类，远期水质目标为III类。考虑到 COD 和氨氮是该河段主要的污染因子，因此选择其作为计算的代表因子，经调查西流湾饮用 水源区废污水入河量为2821.6万m3/a，其污染物质CODcr入河量为4275.7t/a，氨氮入河 量为654.8t/a；益阳赫山工业农业用水区废污水入河量为3812.1万m3/a，其污染物质CODcr

19、入河量为8629.7t/a,氨氮入河量为594.3t/a。该河段90%最枯月平均流量为98.6m3/s, CODcr 的降解系数为0.16山，氨氮的降解系数为0.32Z，经过环境规划分析，认为该河段益阳赫 山工业农业用水区远期必须接纳 30%的现状排污量，因此根据（5）式计算得到河段的环境 基流为98.9m3/s。由于史家洲坝址下游河段为W级航道，通航保证率为95%，而电站主要在 调峰运行时才会关闸蓄水，而调峰主要在夜间，过往船只较少，因此航运基流可忽略。同时 该河段水面面积不大，且处于降水较多的南方地区，河道蒸发量也可忽略。因此确定河道内 需水基流为 98.9m3/s。其次计算河道外需水基流

20、。根据有关资料分析史家洲坝址下游区间河道外生产生活远期 需水量为71.6m3/s，回归水量为68.1 m3/s。考虑到河道外生态环境基流所占河道外需水基 流比重不大，且大部分可以通过本地区较多的降水补给，因此河道外生态环境基流不再单独 计算。电站下泄基流为河道外需水基流与河道内需水基流之和，由于河道外回归水量为 68.1 m3/s，小于河道内用水流量，故采用（8）式计算河段下泄基流为102.4 m3/s，考虑到枯水 期坝址下游区间来水量很少，因此可确定电站下泄基流为102.4m3/s。但由于史家洲下游有 益阳火电厂，为了满足其61.5 m3/s 的取水要求，根据益阳电厂二期水资源论证报告， 要

21、求河道远期最小日平均流量应达到130m3/s。史家洲电站上游至柘溪区间的所有梯级均要 求下泄 130 m3/s 的基流，即当柘溪下泄日平均流量大于 130 m3/s 时，史家洲电站应下泄 130m3/s，当柘溪下泄日平均流量小于130 m3/s时，史家洲电站应来多少泄多少，因此史家洲电站的下泄基流为130m：/s,该流量已经通过湖南省水利厅组织的专家评审。6 结论水利水电工程水资源论证中考虑下泄基流无论对管理部门还是对研究部门而言,都是一 个全新的领域,有许多理论和方法问题需要进一步探讨和深入研究,同时在实践中进行验证 水利水电工程水资源论证中下泄基流问题不但要从计算方法上,而且还要从评价指标上、需 水阈值上进行系统化研究,为管理决策提供具有操作性的方案和准则。当然,应该在保障自 然生态功能和人与自然和谐的前提下,最大程度地降低下泄基流,增加可利用水量的途径和 措施。参考文献1、李云开,杨培岭等.建设项目水资源论证中生态需水的计算方法.中国水利,2004.112、刘凌,董增川等.内陆河流生态环境需水量定量研究.湖泊科学,2002.33、杨志峰、刘静玲等.生态环境需水量理论、方法与实践.北京：科学出版社,2004.36-404、佘国云、张硕辅等.丰水区域缺水期水资源调度研究.北京：中国水利水电出版社,2007.5