水量计量在水电站生态流量下泄监管中的应用

申庆成,游姝虹,陈庆

(1.四川省水利科学研究院,成都,610072;2.四川省河湖保护和监管事务中心,成都,610072)

四川小水电数量较多且开发较早,修建过程受开发理念、技术条件和监管不到位等原因制约,造成一些河流小水电过度开发,对河流生态系统造成了严重破坏。按照长江经济带小水电清理整改要求,四川近期已完成在运行小水电的清理整改工作和生态系统修复治理,按照水电站下泄生态流量整改要求,增设了生态流量泄放和监控设施,实现了河流的联通、生态修复。但如何构建水电站生态流量长效监管机制,如何评估河流生态修复成果,优化生态流量泄放过程目标管理,实现社会、经济和生态系统协调发展,目前没有进一步要求。本课题从水电站生态流量泄放量值溯源方面进行研究,提出根据不同生态流量泄放设施技术特点研究布置水量计量标准装置,开展水电站生态流量在线校准,为水电站生态流量分类监管提供依据,为水电站生态流量泄放长效监管提供技术支撑。

1 水电站生态流量泄放要求

河湖生态流量是指为了维系河流、湖泊等水生态系统的结构和功能,需要保留在河湖内符合水质要求的流量(水量、水位)及其过程[1]。近年来,随着河流生态保护理论的逐步发展,生态流量计算方法不断丰富,目前已经提出了水文学法、水力学法、生境模拟法、整体法四大类计算方法,形成两百多种生态流量计算方法[2]。目前,水文学法、蒙大拿法、7Q10法、90%保证率法、基本流量法等是比较具有代表性的方法,河道生态需水量的计算方法大多都只是从水文数据、水质数据出发,偏重于宏观尺度,各种方法本身都存在一定的不足之处,应通过实地调查和试验相结合,逐步完善河流生态需水量计算方法的适用性分析和试验研究,建立适合国内不同河流或流域的生态流量的计算方法。

四川在《关于开展全省水电站下泄生态流量问题整改工作的通知》中要求“水电站的下泄生态流量不得低于河道天然同期多年平均流量10%;国家级自然保护区内的水电站下泄生态流量不得低于河道天然同期多年平均流量的18%,省级及以下自然保护区内的水电站下泄生态流量不得低于河道天然同期多年平均流量的15%”。整改实施以来关于水电站生态流量下泄量值多有争议,目前多数水电站已经解决放的问题,但是对于如何放、放多少,如何平衡河流下游最小需水量且不影响水利水电工程正常效益的发挥尚未解决。

2 水电站生态流量泄放和监测方式调查

2.1 生态流量泄放方式

按照长江经济带小水电清理整改和四川水电站生态流量泄放整改要求,水电站生态流量泄放设施改造方案应遵循“因地制宜、安全可靠、技术合理、经济适用”的原则,根据水电站工程规模和枢纽布置方式,在考虑经济性及安全性上选择合理的泄放设施。本课题对四川境内成都、绵阳和乐山几个水电站较多、类型较丰富地区展开了水电站生态流量下泄调查工作,收集整理了水电站经过改造之后生态流量泄放设施现状,归类分为如下几种:泄流闸、泄流阀、泄流管、泄流孔、虹吸管、泄流槽、溢流堰、溢流槽、生态机组等[3]。调查结果见表1。

2.2 生态流量测量方式

根据对几个市州的水电站调研结果,完成生态流量泄放改造的水电站中80%已安装视频监控、流量监测等监控系统,并已将监测数据实时上传至省级监控平台,只有少数位置较为偏僻、通讯不畅的水电站未能实现在线监测和现地保存视频流量监测数据。

在已完成生态流量泄放设施改造的水电站中,流量监测分为两类:一类为直接通过测量获得,主要采用明渠测流和管道测流,根据现场分析,由于明渠监测断面不规则、流速仪安装不规范、非满管测流、流量计安装不规范和监测方法不完善等原因造成监测数据与实际情况不符、监测精度不高。另一类为通过流量经验公式得到计算值,通过泄流孔(管)和阀泄放生态流量的电站上传至监控平台的流量监测数据均为不变的计算值,但在阀门开度或管径大小恒定不变的情况下,通过生态流量泄放设施下泄的流量大小受水头影响是变化的,水头越高,压力越大,泄放量越大,反之越小;另一种情况通过生态机组或发电机组泄放生态流量因具有一定的经济效益,泄放量能得到较大的保证且流量计算值较为准确。目前经过生态流量下泄整改已基本解决河流减脱水河段断流问题,河流生态环境得到了一定程度的修复,受限于水电站很难提供符合测量要求的标准量水堰槽和明渠及符合要求的直管道,生态流量监测数据真实性得不到保证。

3 典型泄放方式现场计量校准

水电工程的建设是为了发挥其社会效益和经济效益,如在发电、饮用水源、航运、农田灌溉用水等供给方面产生显性社会经济效益是建设单位主动需求,而河流生态流量下泄产生的生态效益是被动需求的隐性效益[4],因此生态流量是否下泄、是否达标下泄与水电站建设的社会经济效益存在矛盾。

根据调研结果,水电站选择闸门、堰槽和泄流孔(管)进行泄流占设施改造90%以上,本文针对以上几种泄流设施生态流量下泄测量和河流生态修复措施进行了研究,提出几种生态改造及流量测量方案,明渠堰槽测流结合生态环境用水需求、泄流孔(管)测流结合自动调压进水阀、高坝及长尾水电站安装生态机组、闸门泄流应进行模型试验,改造完成既可提高生态流量泄放的保证率又可精确计量生态流量,依据量化的生态流量对河流保护目标展开调查和监测,用于确定河流生态流量对环境的影响过程,指导河流生态修复。

(1)明渠堰槽测流校准。明渠流量计一般由量水堰槽、液位计和积算仪组成,由于明渠测流设施笨重且不方便拆卸送检,只能开展现场校准。明渠堰槽泄流设施改造过程中结合沿河群众的生产生活需求、美丽乡村建设和当地生态环境修复建设需求,修建标准量水堰槽并预留校准用标准明渠断面,利用速度面积法对在线监测明渠堰槽流量计进行现场校准,两者的有机结合既解决了水量测量的难题,又能实现美丽乡村建设、乡村振兴和共同富裕的社会责任。对于泄放生态流量之后仍不能满足用水需求的需采取新增生态跌坎、生态堰坝等一系列水生态修复措施[5]。

(2)泄流孔(管)测流校准。利用泄流孔(管)下泄生态流量,一般在符合要求的直管且满管段安装电磁流量计、超声波流量计等,直接测量瞬时下泄流量。调查过程中发现采用泄流孔(管)、阀测流上传监控平台数据为计算理论值,经常会出现泄水孔堵塞、水位降低导致泄放量减少而与实际不符的情况。泄流孔(管)改造过程中进水口采用恒流量自动控制阀[4],实现闸阀随水库(前池)水位变化而自动控制生态流量恒定下泄,泄流管排入下游河道过程中预留20倍管径的直管段用于安装外夹式超声波流量计对泄流孔(管)泄放流量进行现场校准。

(4)闸门泄流校准。目前平板闸门主要通过测量闸门前后水位及闸门开度来计算流量[7],且需根据不同流态采用不同的流量计算方法,现场校准存在较大困难。根据现场调研结果,采用闸孔泄流多为计算理论值,坝前水位变化时,泄放流量也发生变化,且闸门长期小开度泄流产生的振动可使构筑物结构疲劳,可能会对坝体结构造成一定的破坏[3]。对于闸孔泄流量复核应进行理论计算复核和实验室模型试验相结合,模拟现场水力学特性进行测试研究。

4 加强水电站生态流量长期监管的建议

(1)水电站生态修复完成一段时间之后,应进一步研究适应不同河流的生态流量泄放评价办法,整体性判断流域水电站生态修复的效果。干超等[8]在分析浙江地区小水电生态流量泄放的现状及存在的问题后,总结提出了一种基于三类评价指标的小水电生态流量泄放评价方法及建议,用于指导水电站生态流量泄放和监管工作。

(2)加强水电站生态流量信息公开,调动人民群众参与的积极性,在水电站大坝生态流量泄放口位置设置生态流量信息、监督主体和监督电话公示牌,并将测量的生态流量瞬时信息在公示牌处进行实时显示,便于群众及时发现水电站存在的生态流量问题,监管部门可采取有效机制引导和鼓励当地群众主动参与到水电站生态流量监督过程中来。

(3)进一步完善水电站生态流量泄放量值的计量设施改造,改造中应按照规范设计、建设标准的测流断面或量水堰槽,为流量计量提供工作条件。部分流经场镇人口密集地区的水电站,在进行生态流量泄放设施改造时应与生态堰坝、亲水河流和生态护岸修复有机结合,开展水电工程生态化、景观化改造,整合当地水生态、水文化和休闲旅游等资源,探索创新发展的新趋势、新业态,打造亲水型功能区,助推当地经济社会的发展[5]。

(4)目前生态流量监管过程中容易出现一刀切等极端手段,但是对于河流究竟需要多少水、河流生态保护的对象是什么、不同区域河流水文特征差异明显[1]并没有关注。通过在典型河流上开展生态流量在线监测技术研究,进一步提高生态流量监测精度,完善生态流量计量测试技术及方法,对生态流量下泄评价标准、生态影响评估指导意见、鱼类资源评估指导意见、生态补偿电价执行标准和生态流量下泄设施管理开展研究,根据研究成果完善生态流量监管相关的法律法规,使得生态流量监管做到有法可依、有的放矢。

5 结语

推动水电站绿色发展,建立河流生态流量监测系统,修复河流生态系统,使水电站建设走上和经济社会发展、环境保护相协调的可持续发展之路。本文通过对水电站生态流量泄放设施改造情况进行调研,归纳出4种常用的生态流量泄放设施,并根据设施的不同特点提出了改进意见和现场校准方法,使其满足流量计量的条件,可实现对重点河流生态流量精确计量,监测河流生态变化,指导河流生态修复,实现对水电站生态流量的分类监管,从而实现河流水资源开发与环境保护的协调发展。