抽水蓄能电站生态流量相关问题研究

金弈，张志广，潘莉

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024)

抽水蓄能电站生态流量相关问题研究

金弈，张志广，潘莉

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024)

抽水蓄能电站多建在多年平均流量小于1m3/s的支流上。通过对国内已有的抽水蓄能电站生态流量的需求、计算方法、保障程度、泄放措施等问题进行分析和研究，结果表明：抽水蓄能电站的水损备用库容，可以使下放生态流量的保障程度大为提高；当天然来流量小于规定下泄最小生态流量时，抽水蓄能电站依然可以在大多数情况下满足下泄生态流量的要求。

抽水蓄能电站；生态流量；水损备用库容；保障程度

与常规水电工程及水库工程相比，抽水蓄能电站的生态流量具有其自身特点，主要体现在以下几个方面：(1)生态流量的需求；(2)生态流量的分析方法；(3)生态流量保障程度；(4)生态流量的泄放措施。本文将主要从这4个方面对抽水蓄能电站的生态流量问题进行分析研究。

1 抽水蓄能电站生态流量的需求

相对小河(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)的生态流量更能引起关注。而抽水蓄能电站通常都建在更小流量的河流上，坝址以上来水较少，多年平均流量往往小于1 m3/s，这些河流有些冬季存在冰冻情况，有些甚至是季节性河流。抽水蓄能电站上水库很多更是建在沟道的起点，库盆以上汇水非常小。一些抽水蓄能电站所在沟道天然来流量情况如表1所示。

由表1可见，抽水蓄能电站所在支沟的年均流量虽小，但经过调查发现仍然有鱼类存在，说明维持坝下河段水生生态系统稳定性的生态流量的需求是存在的。当然，这些鱼类的生存环境也是不容乐观的，河流流量小，水很浅，导致鱼类个体难以长大，难以隐藏，容易被捕捉，而进入冬季如果出现冰冻情况，这些鱼类则难以越冬。

研究表明，抽水蓄能电站的生态流量需求，一般主要考虑维持坝下河段水生生态系统稳定性、维持坝下河道水环境质量所需的水量以及坝下灌溉所需水量及生活用水量。

表1 国内部分抽水蓄能电站生态流量需求分析

2 抽水蓄能电站生态流量的确定方法分析

2.1确定方法

国内水利水电工程坝下河道生态流量计算方法大致可分为水文学法、水力学法和生境模拟法三种。水文学法适合于对生态流量计算精度要求不高的河流，或作为其他方法的一种粗略检验，代表方法为Tennant法[4]、90%保证率最枯月流量法和实测最小流量法；水力学法不适用于确定季节性河流的生态流量，代表方法有R2-CROSS法[5]、湿周法[6]；生境模拟法需要实测目标物种栖息地的水下地形，使用成本高，通常适用于目标物种水力生境较为敏感、保护要求高的河流，代表方法为IFIM法[7]。相对常规水利水电工程而言，抽水蓄能电站一般多建在多年平均流量不到1 m3/s的小河沟上，鱼类等水生生物物种简单，个体较小，对水力生境的要求不高，国内已建抽水蓄能电站通常多采用水文学法中的Tennant法确定坝下河道生态流量，结果如表2所示。

一般情况下采用坝址处多年平均的10%作为Tennant法的计算结果推荐抽水蓄能电站坝下生态流量，该流量值多数比最枯月的流量大，加上坝下支流入汇、灌溉流量、河道外生产生活用水量及汛期水库弃水量，基本上能够使坝下河道枯水期保持生态基流，丰水期加上水库弃水有一个高流量过程，对能够维持坝下水生生态系统稳定有一定的作用，在国内抽水蓄能电站工程上得到广泛认可和应用。

表2 国内部分抽水蓄能电站生态流量确定结果分析

2.2案例分析

以清原抽水蓄能电站为例，生态流量计算考虑河道内生态流量和河道外生态流量(灌溉用水、生活用水)。由于清原抽水蓄能电站上、下水库均位于小溪沟，缺少长序列实测水文资料，根据邻近流域水文站——南口前站实测经插补延长的径流系列资料分析，得到下水库的河道内多年平均逐月流量，根据所在溪沟的水量分析适用性并结合下游用水对象的需水要求复核后，采用Tennant法的计算结果作为坝下河道内最小生态流量，数值为0.0556 m3/s。电站下水库坝址处生态流量为0.0556 m3/s，加上灌溉、生活需水量，逐月生态流量如表3所示。电站上水库坝址处逐月生态流量如表4所示。

3 抽水蓄能电站生态流量的保障程度分析

在河流上，枯水期经常存在天然来流量小于规定下泄最小生态流量的情况，对于调节能力差的水利水电工程，在这种情况下是不能保障下泄最小生态流量的。因此，《关于深化落实水电开发生态环境保护措施的通知》(环发[2014]65号文)中规定：“当天然来流量小于规定下泄最小生态流量时，电站下泄生态流量按坝址处天然实际来流量进行下放。”

表3 清源抽水蓄能电站下水库坝址处逐月生态流量表

表4 清源抽水蓄能电站上水库坝址处逐月生态流量表

相比常规水电水利工程，抽水蓄能电站具有独特的特点，更有利于保障生态流量的下泄。首先，施工期由于地下洞室开挖时间最长，因此，抽水蓄能电站的上、下水库可以提前蓄水，蓄水期较长，可以在保障生态流量下泄的前提下进行蓄水；在运行期，抽水蓄能电站除了补充上、下水库以及水道系统的蒸发、渗漏损失水量外，大部分天然来水都泄放到下游，而且抽水蓄能电站设置有水损备用库容，当天然来流量小于规定下泄最小生态流量时，电站可以通过水损备用库容的调节，满足下泄生态流量的要求，即抽水蓄能电站的水损备用库容具有保障生态流量的功能，相当于生态库容。本节以清原抽水蓄能电站为例，分析抽水蓄能电站对生态流量的保障程度。

3.1初期蓄水生态流量保障程度分析

清原抽水蓄能电站的环境保护要求较高，初期蓄水期，无论天然来流量是否可以达到下泄最小生态流量，都按表3中的生态流量进行下放。

根据清原抽水蓄能电站的施工进度安排，下水库在施工期第4年8月初具备蓄水条件，首台机组在第6年3月初调试，到第7年12月底6台机组全部投产发电，考虑连续4年75%年份的径流过程进行水量平衡计算，在保证下游生态用水和施工期用水的前提下，进行清原抽水蓄能电站初期蓄水能力分析，当天然来流量小于规定下泄最小生态流量时，电站按最小生态流量下泄。结果显示，从首台机组调试到全部机组投产发电，所蓄水量均能满足发电要求，水量总盈余319万m3，具体分析如表5所示。通过表5可以看出，清源抽水蓄能电站在初期蓄水期间可以100%满足下放生态流量要求。

3.2运行期生态流量保障程度分析

运行期，清原抽水蓄能电站上、下水库以及水道系统的蒸发、渗漏要损失一部分水量，需对这些损失的水量及时补充，年需补水量306.9万m3，补水水源为下水库入库径流，多余的水量通过下水库泄水建筑物进入下游河道，而且补水时间安排在水量较充沛月份(5—9月)进行，正常运行期补水按设计保证率95%特枯年份分析。在保证率为95%时，清原抽水蓄能电站应首先满足其他用水户用水和生态用水量。

表5 清原抽水蓄能电站下水库初期蓄水能力分析

经计算，下水库天然入库水量为474万m3，上游用水量为51.7万m3，考虑电站蒸发、渗漏水量以及泄放生态流量的情况下，按照水文年逐月进行水量平衡计算，清原抽水蓄能电站需设置161万m3水损备用库容。

95%来水保证率情况下，电站年补水量(148.4万m3)占下水库坝址处年实际来水量(入库水量)(422.4万m3)的35.1%，年下泄水量占下水库坝址处年实际来水量的64.9%，年下泄水量为应下泄生态流量的155.9%，各月下泄水量占坝址实际来水量(入库水量)的比例均不小于40%，6月下泄水量最多，可达77.48万m3，占天然来水量的74.8%。枯水期的11月、12月、1月、2月、4月，下水库坝址处实际来水量小于生态流量，但通过电站的水损备用库容调节，可以在天然来流量的基础上增加10%的下泄量放到坝下，即在天然来流量小于生态流量时，按天然来流量的110%下放生态流量到坝下。在来水保证率95%的特枯年情况下，清原抽水蓄能电站可以保证在天然来流量小于生态流量时，按天然来流量的110%下放生态流量到坝下。

在75%来水保证率情况下，电站年补水量(306.9万m3)占下水库坝址处年实际来水量(入库水量，959万m3)的32%，年下泄水量占下水库坝址处年实际来水量(入库水量，959万m3)的68%，年下泄水量为应下泄生态流量的315.5%，各月下泄水量占坝址实际来水量(入库水量)的比例均不小于30%。6月下泄水量最多，可达221.3万m3，占坝址实际来水量(入库水量)的89.4%，1月、2月坝址处实际来水量较少，但由于其他月份来水较多，电站利用下水库水损备用库容中的水量，可以增加下泄水量，使下泄水量较天然来水分别增加169.5%和168.6%，满足生态流量下泄的要求。即在75%来水保证率情况下，清原抽水蓄能电站可以100%满足生态流量下泄要求。

通过分析可知，在运行期，当天然来流量小于规定下泄最小生态流量时，清原抽水蓄能电站下泄流量可以按生态流量或坝址处天然实际来流量的110%进行下放。此种情况下，抽水蓄能电站的水损备用库容具有了生态库容的功能，增加了环境效益。

4 抽水蓄能电站生态流量的保障措施

抽水蓄能电站的生态流量泄放措施如表6所示，由表6可知，采用生态流量泄放管进行泄放生态流量的情况较多。清原抽水蓄能电站则在设计中采取了将上水库以上流域来水通过上水库环库公路外侧渠道导流至上水库坝下河道的措施。比较而言，采用生态流量泄放管的工程，由于水库水位日变幅很大，导致泄放管水头变化大，阀门控制与耗能较为复杂，在实际中操作管理较为烦琐。在条件允许情况下，将上游来水采用环库公路外侧渠道导流至坝下河道的措施简单实用且有效。由于我国抽水蓄能电站建成项目较少，目前通过竣工环保验收的项目中，辽宁蒲石河抽水蓄能电站和福建仙游抽水蓄能电站采用了生态流量泄放措施。建议加强对已建生态流量泄放措施的水电工程开展专题调查，分析其生态流量泄放措施的运行效果及存在问题，提出推广或改进建议。

表6 国内部分抽水蓄能电站生态流量泄放措施

5 结论

通过分析，可以得出以下结论：

(1)抽水蓄能电站多建在多年平均流量小于1m3/s的支流上，但仍存在维持坝下河段水生生态系统稳定性、维持坝下河道水环境质量以及坝下灌溉、生活用水量的生态流量需求。

(2)采用Tennant法确定维持抽水蓄能电站坝下河道水生生态系统稳定所需的生态流量是比较经济适用的方法。

(3)抽水蓄能电站由于存在水损备用库容，下放生态流量的保障程度较高；当天然来流量小于规定下泄最小生态流量时，抽水蓄能电站依然可以在大多数情况下满足下泄生态流量的要求。

(4)抽水蓄能电站下水库的生态流量泄放措施，采用生态流量泄放管的情况较多，也有采用生态流量泄放闸的。条件允许的情况下，可以采用通过抽水蓄能电站上水库环库公路外侧渠道将上游来水导流至上水库坝下河道的措施。

[1] 中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司. 广东阳江抽水蓄能电站环境影响报告书[R].长沙:中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司, 2015.

[2] 中国水电顾问集团北京勘测设计研究院. 吉林敦化抽水蓄能电站环境影响报告书[R].北京:中国水电顾问集团北京勘测设计研究院, 2011.

[3] 中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司. 辽宁清原抽水蓄能电站环境影响报告书[R].北京:中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司, 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，教授级高级工程师，学士，主要研究方向为环境保护，E-mail：jiny@bhidi.com

10.14068/j.ceia.2017.06.003

X171.4

A

2095-6444(2017)06-0009-05