抽水蓄能電站生態(tài)流量相關問題研究

金弈，張志廣，潘莉

(中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024)

抽水蓄能電站生態(tài)流量相關問題研究

金弈，張志廣，潘莉

(中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024)

抽水蓄能電站多建在多年平均流量小于1m3/s的支流上。通過對國內(nèi)已有的抽水蓄能電站生態(tài)流量的需求、計算方法、保障程度、泄放措施等問題進行分析和研究，結(jié)果表明：抽水蓄能電站的水損備用庫容，可以使下放生態(tài)流量的保障程度大為提高；當天然來流量小于規(guī)定下泄最小生態(tài)流量時，抽水蓄能電站依然可以在大多數(shù)情況下滿足下泄生態(tài)流量的要求。

抽水蓄能電站；生態(tài)流量；水損備用庫容；保障程度

與常規(guī)水電工程及水庫工程相比，抽水蓄能電站的生態(tài)流量具有其自身特點，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)生態(tài)流量的需求；(2)生態(tài)流量的分析方法；(3)生態(tài)流量保障程度；(4)生態(tài)流量的泄放措施。本文將主要從這4個方面對抽水蓄能電站的生態(tài)流量問題進行分析研究。

1 抽水蓄能電站生態(tài)流量的需求

相對小河(多年平均流量lt;15 m3/s)而言，大中型河流(多年平均流量≥15 m3/s)的生態(tài)流量更能引起關注。而抽水蓄能電站通常都建在更小流量的河流上，壩址以上來水較少，多年平均流量往往小于1 m3/s，這些河流有些冬季存在冰凍情況，有些甚至是季節(jié)性河流。抽水蓄能電站上水庫很多更是建在溝道的起點，庫盆以上匯水非常小。一些抽水蓄能電站所在溝道天然來流量情況如表1所示。

由表1可見，抽水蓄能電站所在支溝的年均流量雖小，但經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)仍然有魚類存在，說明維持壩下河段水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的生態(tài)流量的需求是存在的。當然，這些魚類的生存環(huán)境也是不容樂觀的，河流流量小，水很淺，導致魚類個體難以長大，難以隱藏，容易被捕捉，而進入冬季如果出現(xiàn)冰凍情況，這些魚類則難以越冬。

研究表明，抽水蓄能電站的生態(tài)流量需求，一般主要考慮維持壩下河段水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、維持壩下河道水環(huán)境質(zhì)量所需的水量以及壩下灌溉所需水量及生活用水量。

表1 國內(nèi)部分抽水蓄能電站生態(tài)流量需求分析

2 抽水蓄能電站生態(tài)流量的確定方法分析

2.1確定方法

國內(nèi)水利水電工程壩下河道生態(tài)流量計算方法大致可分為水文學法、水力學法和生境模擬法三種。水文學法適合于對生態(tài)流量計算精度要求不高的河流，或作為其他方法的一種粗略檢驗，代表方法為Tennant法[4]、90%保證率最枯月流量法和實測最小流量法；水力學法不適用于確定季節(jié)性河流的生態(tài)流量，代表方法有R2-CROSS法[5]、濕周法[6]；生境模擬法需要實測目標物種棲息地的水下地形，使用成本高，通常適用于目標物種水力生境較為敏感、保護要求高的河流，代表方法為IFIM法[7]。相對常規(guī)水利水電工程而言，抽水蓄能電站一般多建在多年平均流量不到1 m3/s的小河溝上，魚類等水生生物物種簡單，個體較小，對水力生境的要求不高，國內(nèi)已建抽水蓄能電站通常多采用水文學法中的Tennant法確定壩下河道生態(tài)流量，結(jié)果如表2所示。

一般情況下采用壩址處多年平均的10%作為Tennant法的計算結(jié)果推薦抽水蓄能電站壩下生態(tài)流量，該流量值多數(shù)比最枯月的流量大，加上壩下支流入?yún)R、灌溉流量、河道外生產(chǎn)生活用水量及汛期水庫棄水量，基本上能夠使壩下河道枯水期保持生態(tài)基流，豐水期加上水庫棄水有一個高流量過程，對能夠維持壩下水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定有一定的作用，在國內(nèi)抽水蓄能電站工程上得到廣泛認可和應用。

表2 國內(nèi)部分抽水蓄能電站生態(tài)流量確定結(jié)果分析

2.2案例分析

以清原抽水蓄能電站為例，生態(tài)流量計算考慮河道內(nèi)生態(tài)流量和河道外生態(tài)流量(灌溉用水、生活用水)。由于清原抽水蓄能電站上、下水庫均位于小溪溝，缺少長序列實測水文資料，根據(jù)鄰近流域水文站——南口前站實測經(jīng)插補延長的徑流系列資料分析，得到下水庫的河道內(nèi)多年平均逐月流量，根據(jù)所在溪溝的水量分析適用性并結(jié)合下游用水對象的需水要求復核后，采用Tennant法的計算結(jié)果作為壩下河道內(nèi)最小生態(tài)流量，數(shù)值為0.0556 m3/s。電站下水庫壩址處生態(tài)流量為0.0556 m3/s，加上灌溉、生活需水量，逐月生態(tài)流量如表3所示。電站上水庫壩址處逐月生態(tài)流量如表4所示。

3 抽水蓄能電站生態(tài)流量的保障程度分析

在河流上，枯水期經(jīng)常存在天然來流量小于規(guī)定下泄最小生態(tài)流量的情況，對于調(diào)節(jié)能力差的水利水電工程，在這種情況下是不能保障下泄最小生態(tài)流量的。因此，《關于深化落實水電開發(fā)生態(tài)環(huán)境保護措施的通知》(環(huán)發(fā)[2014]65號文)中規(guī)定：“當天然來流量小于規(guī)定下泄最小生態(tài)流量時，電站下泄生態(tài)流量按壩址處天然實際來流量進行下放?！?/p>

表3 清源抽水蓄能電站下水庫壩址處逐月生態(tài)流量表

表4 清源抽水蓄能電站上水庫壩址處逐月生態(tài)流量表

相比常規(guī)水電水利工程，抽水蓄能電站具有獨特的特點，更有利于保障生態(tài)流量的下泄。首先，施工期由于地下洞室開挖時間最長，因此，抽水蓄能電站的上、下水庫可以提前蓄水，蓄水期較長，可以在保障生態(tài)流量下泄的前提下進行蓄水；在運行期，抽水蓄能電站除了補充上、下水庫以及水道系統(tǒng)的蒸發(fā)、滲漏損失水量外，大部分天然來水都泄放到下游，而且抽水蓄能電站設置有水損備用庫容，當天然來流量小于規(guī)定下泄最小生態(tài)流量時，電站可以通過水損備用庫容的調(diào)節(jié)，滿足下泄生態(tài)流量的要求，即抽水蓄能電站的水損備用庫容具有保障生態(tài)流量的功能，相當于生態(tài)庫容。本節(jié)以清原抽水蓄能電站為例，分析抽水蓄能電站對生態(tài)流量的保障程度。

3.1初期蓄水生態(tài)流量保障程度分析

清原抽水蓄能電站的環(huán)境保護要求較高，初期蓄水期，無論天然來流量是否可以達到下泄最小生態(tài)流量，都按表3中的生態(tài)流量進行下放。

根據(jù)清原抽水蓄能電站的施工進度安排，下水庫在施工期第4年8月初具備蓄水條件，首臺機組在第6年3月初調(diào)試，到第7年12月底6臺機組全部投產(chǎn)發(fā)電，考慮連續(xù)4年75%年份的徑流過程進行水量平衡計算，在保證下游生態(tài)用水和施工期用水的前提下，進行清原抽水蓄能電站初期蓄水能力分析，當天然來流量小于規(guī)定下泄最小生態(tài)流量時，電站按最小生態(tài)流量下泄。結(jié)果顯示，從首臺機組調(diào)試到全部機組投產(chǎn)發(fā)電，所蓄水量均能滿足發(fā)電要求，水量總盈余319萬m3，具體分析如表5所示。通過表5可以看出，清源抽水蓄能電站在初期蓄水期間可以100%滿足下放生態(tài)流量要求。

3.2運行期生態(tài)流量保障程度分析

運行期，清原抽水蓄能電站上、下水庫以及水道系統(tǒng)的蒸發(fā)、滲漏要損失一部分水量，需對這些損失的水量及時補充，年需補水量306.9萬m3，補水水源為下水庫入庫徑流，多余的水量通過下水庫泄水建筑物進入下游河道，而且補水時間安排在水量較充沛月份(5—9月)進行，正常運行期補水按設計保證率95%特枯年份分析。在保證率為95%時，清原抽水蓄能電站應首先滿足其他用水戶用水和生態(tài)用水量。

表5 清原抽水蓄能電站下水庫初期蓄水能力分析

經(jīng)計算，下水庫天然入庫水量為474萬m3，上游用水量為51.7萬m3，考慮電站蒸發(fā)、滲漏水量以及泄放生態(tài)流量的情況下，按照水文年逐月進行水量平衡計算，清原抽水蓄能電站需設置161萬m3水損備用庫容。

95%來水保證率情況下，電站年補水量(148.4萬m3)占下水庫壩址處年實際來水量(入庫水量)(422.4萬m3)的35.1%，年下泄水量占下水庫壩址處年實際來水量的64.9%，年下泄水量為應下泄生態(tài)流量的155.9%，各月下泄水量占壩址實際來水量(入庫水量)的比例均不小于40%，6月下泄水量最多，可達77.48萬m3，占天然來水量的74.8%。枯水期的11月、12月、1月、2月、4月，下水庫壩址處實際來水量小于生態(tài)流量，但通過電站的水損備用庫容調(diào)節(jié)，可以在天然來流量的基礎上增加10%的下泄量放到壩下，即在天然來流量小于生態(tài)流量時，按天然來流量的110%下放生態(tài)流量到壩下。在來水保證率95%的特枯年情況下，清原抽水蓄能電站可以保證在天然來流量小于生態(tài)流量時，按天然來流量的110%下放生態(tài)流量到壩下。

在75%來水保證率情況下，電站年補水量(306.9萬m3)占下水庫壩址處年實際來水量(入庫水量，959萬m3)的32%，年下泄水量占下水庫壩址處年實際來水量(入庫水量，959萬m3)的68%，年下泄水量為應下泄生態(tài)流量的315.5%，各月下泄水量占壩址實際來水量(入庫水量)的比例均不小于30%。6月下泄水量最多，可達221.3萬m3，占壩址實際來水量(入庫水量)的89.4%，1月、2月壩址處實際來水量較少，但由于其他月份來水較多，電站利用下水庫水損備用庫容中的水量，可以增加下泄水量，使下泄水量較天然來水分別增加169.5%和168.6%，滿足生態(tài)流量下泄的要求。即在75%來水保證率情況下，清原抽水蓄能電站可以100%滿足生態(tài)流量下泄要求。

通過分析可知，在運行期，當天然來流量小于規(guī)定下泄最小生態(tài)流量時，清原抽水蓄能電站下泄流量可以按生態(tài)流量或壩址處天然實際來流量的110%進行下放。此種情況下，抽水蓄能電站的水損備用庫容具有了生態(tài)庫容的功能，增加了環(huán)境效益。

4 抽水蓄能電站生態(tài)流量的保障措施

抽水蓄能電站的生態(tài)流量泄放措施如表6所示，由表6可知，采用生態(tài)流量泄放管進行泄放生態(tài)流量的情況較多。清原抽水蓄能電站則在設計中采取了將上水庫以上流域來水通過上水庫環(huán)庫公路外側(cè)渠道導流至上水庫壩下河道的措施。比較而言，采用生態(tài)流量泄放管的工程，由于水庫水位日變幅很大，導致泄放管水頭變化大，閥門控制與耗能較為復雜，在實際中操作管理較為煩瑣。在條件允許情況下，將上游來水采用環(huán)庫公路外側(cè)渠道導流至壩下河道的措施簡單實用且有效。由于我國抽水蓄能電站建成項目較少，目前通過竣工環(huán)保驗收的項目中，遼寧蒲石河抽水蓄能電站和福建仙游抽水蓄能電站采用了生態(tài)流量泄放措施。建議加強對已建生態(tài)流量泄放措施的水電工程開展專題調(diào)查，分析其生態(tài)流量泄放措施的運行效果及存在問題，提出推廣或改進建議。

表6 國內(nèi)部分抽水蓄能電站生態(tài)流量泄放措施

5 結(jié)論

通過分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)抽水蓄能電站多建在多年平均流量小于1m3/s的支流上，但仍存在維持壩下河段水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、維持壩下河道水環(huán)境質(zhì)量以及壩下灌溉、生活用水量的生態(tài)流量需求。

(2)采用Tennant法確定維持抽水蓄能電站壩下河道水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定所需的生態(tài)流量是比較經(jīng)濟適用的方法。

(3)抽水蓄能電站由于存在水損備用庫容，下放生態(tài)流量的保障程度較高；當天然來流量小于規(guī)定下泄最小生態(tài)流量時，抽水蓄能電站依然可以在大多數(shù)情況下滿足下泄生態(tài)流量的要求。

(4)抽水蓄能電站下水庫的生態(tài)流量泄放措施，采用生態(tài)流量泄放管的情況較多，也有采用生態(tài)流量泄放閘的。條件允許的情況下，可以采用通過抽水蓄能電站上水庫環(huán)庫公路外側(cè)渠道將上游來水導流至上水庫壩下河道的措施。

[1] 中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司. 廣東陽江抽水蓄能電站環(huán)境影響報告書[R].長沙:中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司, 2015.

[2] 中國水電顧問集團北京勘測設計研究院. 吉林敦化抽水蓄能電站環(huán)境影響報告書[R].北京:中國水電顧問集團北京勘測設計研究院, 2011.

[3] 中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司. 遼寧清原抽水蓄能電站環(huán)境影響報告書[R].北京:中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司, 2016.

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StudyontheProblemsofEcologicalFlowinPumpedStoragePowerStations

JIN Yi, ZHANG Zhi-guang, PAN Li

(Power China Beijing Engineering Co., Ltd., Beijing 100024, China)

Pumped storage power stations were built on the tributaries with the multi-year average flow of less than 1 m3/s. The demand, calculation method, guarantee degree and discharge measures of the ecological flow of pumped storage power stations in China were analyzed and studied in this paper. The results showed that the reserve capacity of the pumped storage power station could greatly improve the guarantee degree of the decentralized ecological flow. When the natural flow is less than the specified minimum discharge of the ecological flow, the pumped storage power station can still meet the requirements of the discharge ecological flow in most cases.

pumped storage power station; ecological flow; water storage capacity; guarantee degree

2017-08-17

金弈(1969—)，男，北京平谷人，教授級高級工程師，學士，主要研究方向為環(huán)境保護，E-mail：jiny@bhidi.com

10.14068/j.ceia.2017.06.003

X171.4

A

2095-6444(2017)06-0009-05