水利水電工程水資源論證中下泄基流量的計算方法

1、水利水電工程水資源論證中下泄基流的計算方法陳伯文，孫曉安（湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院，長沙410007 ）摘要：謀求和諧的人水關(guān)系，將人類活動控制在生態(tài)、資源、環(huán)境允許范圍內(nèi)，恢復(fù)和重建受損的生態(tài) 系統(tǒng)等問題越來越受到人們的廣泛關(guān)注和重視。水利水電工程水資源論證應(yīng)考慮河道下泄基流。根 據(jù)不同需求可將河道下泄基流分為河道內(nèi)需水基流和河道外需水基流兩大部分。從維護水生態(tài)環(huán)境 的天然結(jié)構(gòu)與功能的目標(biāo)出發(fā)，可以認(rèn)為河道內(nèi)需水基流主要是河道內(nèi)生態(tài)需水基流、環(huán)境需水基 流、航運基流組成，而河道外需水基流主要是河道外生產(chǎn)生活需水基流與生態(tài)環(huán)境需水基流組成。關(guān) 鍵 詞：水利水電工程；水資源論證；下泄基流；

2、計算方法生態(tài)環(huán)境是人類賴以生存生存和發(fā)展的空間，水資源是生態(tài)環(huán)境建設(shè)中最重要的、不可 替代的物質(zhì)。隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，水資源供需矛盾日益尖銳，如何能使有限的水 資源滿足國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展、水資源的永續(xù)利用以及生態(tài)環(huán)境平衡維護的需要，這是當(dāng)前亟 待解決的薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵問題。2002年3月24日，水利部、國家計委聯(lián)合發(fā)布了建設(shè)項目水資源論證管理辦法（水 利部、國家計委15號令），這標(biāo)志著建設(shè)項目水資源論證制度在我國正式實行。建設(shè)項目水 資源論證，主要是對建設(shè)項目用水的可行性、合理性、對周圍環(huán)境的作用、對其他用水戶的 影響等諸多因素進行分析，最終提出建設(shè)項目用水的水量、水質(zhì)、工藝流程、排污等一

3、系列 方案的科技咨詢活動。2005年5月12日頒布并實施的建設(shè)項目水資源論證導(dǎo)則（試行） （以下簡稱導(dǎo)則）中明確規(guī)定對引水、蓄水等水利水電工程的論證，必須分析對下游水 文情勢的影響，并提出滿足下游生態(tài)保護需要的最小流量。水利水電工程特別是大壩工程對 于防洪、發(fā)電、灌溉、供水、航運等作用巨大，為經(jīng)濟社會發(fā)展提供了保障。但大壩對于生 態(tài)系統(tǒng)的作用是雙重的，一方面水庫為生物生長提供了豐富的水源，也緩解大洪水對于生態(tài) 系統(tǒng)的沖擊等，這些因素對河流生態(tài)系統(tǒng)是有利的。另一方面，大壩對于河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生 干擾。而根據(jù)導(dǎo)則的要求，規(guī)定其必須下泄基流正是減輕工程對河流生態(tài)系統(tǒng)干擾的一 種補償措施，因此水利水電工

4、程下泄基流量的分析就顯得尤為重要。水利水電工程下泄基流 量根據(jù)不同需求可分為河道內(nèi)需水基流和河道外需水基流兩大部分。從維護水生態(tài)環(huán)境的天 然結(jié)構(gòu)與功能的目標(biāo)出發(fā)，可以認(rèn)為河道內(nèi)需水基流主要是河道內(nèi)生態(tài)需水基流、環(huán)境需水 基流、航運基流組成，而河道外需水基流主要是河道外生產(chǎn)生活需水基流與生態(tài)環(huán)境需水基 流組成。1生態(tài)環(huán)境需水的概念1.1我國生態(tài)環(huán)境需水研究的發(fā)展?fàn)顩r生態(tài)環(huán)境需水維系著流域的生態(tài)安全、水安全，是生態(tài)水文學(xué)在水資源與水環(huán)境研究中 應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)之一，我國生態(tài)需水問題是近幾年得到關(guān)注并開始研究的。1989年，中國 科學(xué)院研究所的湯奇成較早提出了生態(tài)用水問題，20世紀(jì)90年代后期，國家“

5、九五”科技 攻關(guān)項目“西北地區(qū)水資源合理利用與生態(tài)環(huán)境保護”的實施，真正揭開了我國生態(tài)需水研 究的序幕，以后許多專家學(xué)者對生態(tài)需水、生態(tài)用水、生態(tài)耗水等問題提出不同的觀點、定 義，豐富了生態(tài)需水的理論與學(xué)術(shù)研究。21世紀(jì)中國可持續(xù)發(fā)展水資源戰(zhàn)略研究認(rèn)為： “廣義的生態(tài)環(huán)境用水，是指維持全球生物地理生態(tài)系統(tǒng)水分平衡所需用的水，包括水熱平 衡、水沙平衡、水鹽平衡等，都是生態(tài)環(huán)境用水”“狹義的生態(tài)環(huán)境用水是指為維護生態(tài)環(huán) 境不再惡化并逐漸改善所需要消耗的水資源總量?！眲⒉鞯忍岢隽嗽谟嬎闵鷳B(tài)環(huán)境用水中 如何估算水熱平衡、水鹽平衡、水沙平衡和區(qū)域水量平衡的方法。以此為基礎(chǔ)所做的初步工 作表明，全國生態(tài)

6、環(huán)境用水總量估計為800億1000億m3主要在黃淮海流域和內(nèi)陸河流 域。1.2生態(tài)環(huán)境需水的定義由于缺乏統(tǒng)一的概念，給實際的研究工作帶來了一些不便或困難，出現(xiàn)了生態(tài)、環(huán)境需 水的混淆，以及生態(tài)需水、生態(tài)耗水和生態(tài)用水的混淆問題，導(dǎo)致了生態(tài)、環(huán)境需水計算內(nèi) 容和結(jié)果的不同。盡管生態(tài)需水與環(huán)境需水兩者之間存在著交叉和重合的部分，但從概念上 來講是兩個不同的概念，應(yīng)該區(qū)別對待。生態(tài)需水主要側(cè)重在生物維持其自身發(fā)展及保護生 物多樣性方面，環(huán)境需水則主要體現(xiàn)在環(huán)境改善方面。根據(jù)楊志峰等著的生態(tài)環(huán)境需水量 理論、方法與實踐，認(rèn)為生態(tài)需水是指維持生態(tài)系統(tǒng)中具有生命的生物物體水分平衡所需 要的水量，而環(huán)境需水

7、是指為保護和改善人類居住環(huán)境及其水環(huán)境所需要的水量。河道生態(tài)需水是指維持水生生物正常生長及保護特殊生物和珍稀物種生存所需要的水 量。河道最小生態(tài)需水是指為維系和保護河流的最基本生態(tài)功能不受破壞，所必須在河道內(nèi) 保留的最小水量，其理論上由河流的基流量組成。河道最小生態(tài)需水量所要滿足的生態(tài)功能 主要包括：維持水生生物棲息地。維持河流生態(tài)系統(tǒng)平衡。河道環(huán)境需水是指為保護和改善河流水體水質(zhì)、為維持河流水沙平衡、水鹽平衡及維持 河口地區(qū)生態(tài)環(huán)境平衡所需要的水量。河道最小環(huán)境需水量是指為維系和保護河流的最基本 環(huán)境功能不受破壞，所必須在河道內(nèi)保留的最小水量，其理論上由河流的基流量組成。河道 最小環(huán)境需水量

8、所要滿足的環(huán)境功能主要包括：保持水體一定的稀釋能力。保持水體一 定的自凈能力。2河道內(nèi)需水基流的計算方法河道內(nèi)需水基流（Q.wu）主要是河道內(nèi)生態(tài)需水基流、環(huán)境需水基流、航運基流組成， 其計算方法如下： lWU維持河道稀釋自凈能力所需水量的環(huán)境基流（Q Jo主要是保持河流水環(huán)境容量的需水量，本文認(rèn)為環(huán)境基流的計算可針對北方缺水地區(qū)與南方豐水地區(qū)的實際情況區(qū)別對 待。對于北方缺水地區(qū)，通?？捎肨ennant法或90%保證率最枯月平均流量等進行計算確定。 對于南方豐水地區(qū)，目前水資源突出問題是水質(zhì)污染，水體對污染物質(zhì)具有一定稀釋、凈化 的能力，它能通過一系列物理、化學(xué)和生物作用，使污染物濃度逐漸降

9、低，使水質(zhì)恢復(fù)到原 來狀態(tài)，保持水域生態(tài)平衡，這稱為水環(huán)境容量。水環(huán)境容量的大小，與水體水量以及水體 對污染物的降解能力有關(guān)，水量越大、對污染物降解能力越強，則水環(huán)境容量也越大。對許多河流來說，不要求污染源的排放量跟隨水量的變化而變化，因此可采用穩(wěn)態(tài)水質(zhì) 模型，計算設(shè)計流量下的環(huán)境容量。一般河流水功能區(qū)納污能力可采用一維對流推移方程：(1)-ac_(1)u k C dX解得：C（x） C exp（-k x/u）（2）上式中：C（x）為控制斷面污染物濃度（mg/l）； C0為 起始斷面污染物濃度（mg/l）； k 為污染物綜合自凈計算（1/s）； x為排污口下游斷面距控制斷面縱向距離（m）； u

10、為設(shè)計流 量下岸邊污染帶的平均流速（m/s）。污染物一般是沿河岸分多處排放的，每一河段內(nèi)可能存在多個污染源。為簡化計算，可 將計算河段內(nèi)的多個排污口概化為一個集中的排污口，該排污口位于河段中間點，相當(dāng)于一 個集中點源，該集中點源的實際自凈長度為河段長的一半，設(shè)河段長度為L，則污染物自凈 長度為L/2。因此，對河段下斷面，其污染物濃度為：(3)(4)C C exp( -kL / u) + exp( -kL /2u)(3)(4)xL0Qr故河段水功能區(qū)納污能力為:m C - C0exp( -kL / u)exp( kL /2u)Q上兩式中，m為河段納污能力（g/s）； Qr為河段設(shè)計流量（采用90

11、%保證率最枯月平 均流量或近10年最枯月平均流量，m3/s）。即為維持河流一定量稀釋凈化能力的環(huán)境需水量。各河段Q0的大小，可通過（4）對河流來說，當(dāng)計算所得允許納污量m即為維持河流一定量稀釋凈化能力的環(huán)境需水量。各河段Q0的大小，可通過（4）(5)W。exp( -kL /2u) C - C exp( -kL / u)(5)上式中，Wp為河段必須接受的最小排污量（mg/s）。維持水生生物正常生長及保護特殊生物和珍稀物種生存所需水量的生態(tài)基流（Q）。 對于河流生態(tài)水量的計算，目前在國際國內(nèi)雖然流行多種計算方法，但至今尚無統(tǒng)一方法和 標(biāo)準(zhǔn)，一般采用流量計算和生境分析的方法進行求算，由于各方法計算成

12、果差異較大，采用 單一計算方法可能產(chǎn)生較大誤差，因此可采取多種方法計算，對計算成果進行比較，并結(jié)合 生境分析來決定成果取值。常用的計算方法有：濕周法、曼寧公式（即R2CROSS）法、河道 內(nèi)流量增加琺、法國1/10多年平均流量法（又稱法國鄉(xiāng)村法）以及影響生物群落生態(tài)分析 法等。航運基流（Qh ）。河道內(nèi)保證保證通航要求的流量，根據(jù)不同航道等級的通航保證 率加以確定，通航保證率為統(tǒng)計年限內(nèi)高于和等于某一水位天數(shù)站全年天數(shù)的百分比。防止河流蒸發(fā)、滲漏量（Q）。對于大面積水體來說，水面蒸發(fā)是水量消耗的重要 方式之一，如果水體得不到足夠的水量補充，回使河流水位逐漸下降，喪失其應(yīng)用的功能， 生態(tài)環(huán)境將遭

13、到破壞。因此為維持河流自身生態(tài)功能，應(yīng)維持一部分水量，用于彌補水面蒸 發(fā)的消耗。對于此部分生態(tài)環(huán)境需水量的確定，應(yīng)首先調(diào)查、測量水面面積，分析典型年的逐日水 面蒸發(fā)深度，計算水體的蒸發(fā)水量，再扣除降雨量后，即為該水體的凈蒸發(fā)水量，此為河流 生態(tài)需水量的一部分。表示如下：Q = H A - P（6）ZS式中，H為計算時段內(nèi)水面蒸發(fā)深度（m）； A為計算時段內(nèi)水體平均蓄水水面面積（m2）； P為計算時段內(nèi)降雨量（m）。當(dāng)河道水位高于兩岸地下水位時，河水將通過滲漏補給地下水。但對于常年有水的河道 來說，河床含水率一般是飽和的，因此其滲漏損失可忽略。當(dāng)然這其中有重復(fù)部分，則河道內(nèi)需水基流可以用下式計算

14、：Q = maxQ ,Q ,Qh + Q（7）3河道外需水基流的計算方法河道外需水基流（Qow）主要是河道外生產(chǎn)生活需水基流與生態(tài)環(huán)境需水基流組成， 其計算方法如下：WU河道外生態(tài)環(huán)境基流（Q ）。河道外生態(tài)環(huán)境需水主要是指靠近河道兩岸的城市生 態(tài)系統(tǒng)中自然系統(tǒng)的需水量，定義為城市生態(tài)環(huán)境發(fā)揮正常功能的自然主體需水量，包括植 被、河湖和地下水的需水量。需水主體自身存在和發(fā)展所需要的水量為生態(tài)需水量，保證生 物生長和發(fā)育的各種外部環(huán)境條件，改善系統(tǒng)環(huán)境所需要的水量為環(huán)境需水量，兩者雖然在 定義上有所區(qū)別，實際上是相互聯(lián)系，不可分離的。河道外生態(tài)環(huán)境基流主要是指為改善或維護城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不至于進

15、一步下降所需 要的最低水量，包括公園湖泊需水、風(fēng)景觀賞河道需水、城市綠化和園林建設(shè)需水等，由人 工投入和天然補給共同來滿足。城鎮(zhèn)綠化需水、園林建設(shè)需水以及防護林草需水等以植被需 水為主體的生態(tài)環(huán)境需水量，可采用定額預(yù)測方法；湖泊、城鎮(zhèn)河湖補水等，以規(guī)劃水面面 積的水面蒸發(fā)與降水之差為其生態(tài)環(huán)境需水量。河道外生產(chǎn)生活需水基流，一般包括農(nóng)業(yè)、工業(yè)以及生活需水，農(nóng)業(yè)需水根據(jù)農(nóng)作物 播種面積以及相應(yīng)的灌溉用水定額計算，并根據(jù)農(nóng)業(yè)發(fā)展水平考慮節(jié)水潛力后確定；工業(yè)需 水根據(jù)工業(yè)發(fā)展水平以及節(jié)水潛力，確定工業(yè)用水定額及需水量；生活需水根據(jù)社會發(fā)展水 平以及節(jié)水潛力，確定生活用水定額及需水量?？紤]到無論生活需

16、水、工業(yè)需水還是農(nóng)業(yè)需水，都有一部分回歸河道，真正影響徑流量 的只是消耗的那部分流量，因此在計算河道外生產(chǎn)生活需水基流時應(yīng)將生產(chǎn)生活需水減去生 產(chǎn)生活各項用水的回歸水量。4下泄基流計算下泄基流（Qmvd）計算分兩種情況確定，即當(dāng)所在河段的河道外回歸水量（Qh ）不 小于該河段的河道內(nèi)用水時，取下泄基流為該河段河道外用水流量；當(dāng)所在河段的河道外回 歸水量小于該河段的河道內(nèi)用水時，取下泄基流為該河段河道內(nèi)用水流量與河道外耗水流量 之和。表示如下：Q = JowuQhgiwu（ 8）mVigwu + QoQhg Qhg V Qwu5計算示例以湖南省資水流域史家洲水電站工程為例，計算其下泄基流。史家洲

17、壩址下游區(qū)間的水 功能區(qū)為資水益陽開發(fā)利用區(qū)，起始斷面為史家洲壩址，終止斷面為資水甘溪港河口，主要 功能為飲用水源、工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)。首先計算河道內(nèi)需水基流。通過上述幾種方法計算，并根據(jù)有關(guān)資料確定河段生態(tài)基流 采用法國鄉(xiāng)村法，史家洲壩址多年平均流量為755m3/s，因此河段生態(tài)基流為75.5m3/s。資 水益陽開發(fā)利用區(qū)分為資水益陽西流灣飲用水源區(qū)與資水益陽赫山工業(yè)農(nóng)業(yè)用水區(qū)，資水益 陽西流灣飲用水源區(qū)全長18.3km，現(xiàn)狀水質(zhì)為III類，遠(yuǎn)期（2020年）水質(zhì)目標(biāo)為III類；資 水益陽赫山工業(yè)農(nóng)業(yè)用水區(qū)全長11.2km，現(xiàn)狀水質(zhì)為II類，遠(yuǎn)期水質(zhì)目標(biāo)為I類?？紤]到 COD和氨氮是該河段主要

18、的污染因子，因此選擇其作為計算的代表因子，經(jīng)調(diào)查西流灣飲用 水源區(qū)廢污水入河量為2821.6萬m3/a，其污染物質(zhì)CODcr入河量為4275.7t/a，氨氮入河 量為654.8t/a；益陽赫山工業(yè)農(nóng)業(yè)用水區(qū)廢污水入河量為3812.1萬m3/a，其污染物質(zhì)CODcr 入河量為8629.7t/a，氨氮入河量為594.3t/a。該河段90%最枯月平均流量為98.6m3/s，CODcr 的降解系數(shù)為0.16d-1，氨氮的降解系數(shù)為0.32d-1，經(jīng)過環(huán)境規(guī)劃分析，認(rèn)為該河段益陽赫 山工業(yè)農(nóng)業(yè)用水區(qū)遠(yuǎn)期必須接納30%的現(xiàn)狀排污量，因此根據(jù)（5）式計算得到河段的環(huán)境 基流為98.9m3/s。由于史家洲壩址

19、下游河段為W級航道，通航保證率為95%，而電站主要在 調(diào)峰運行時才會關(guān)閘蓄水，而調(diào)峰主要在夜間，過往船只較少，因此航運基流可忽略。同時 該河段水面面積不大，且處于降水較多的南方地區(qū)，河道蒸發(fā)量也可忽略。因此確定河道內(nèi) 需水基流為98.9m3/s。其次計算河道外需水基流。根據(jù)有關(guān)資料分析史家洲壩址下游區(qū)間河道外生產(chǎn)生活遠(yuǎn)期 需水量為71.6m3/s，回歸水量為68.1 m3/s?？紤]到河道外生態(tài)環(huán)境基流所占河道外需水基 流比重不大，且大部分可以通過本地區(qū)較多的降水補給，因此河道外生態(tài)環(huán)境基流不再單獨 計算。電站下泄基流為河道外需水基流與河道內(nèi)需水基流之和，由于河道外回歸水量為68.1 m3/s，小于河道內(nèi)用水流量，故采用（8）式計算河段下泄基流為102.4 m3/s，考慮到枯水 期壩址下游區(qū)間來水量