淳化县茨坪水电站生态流量计算分析

夏焕清,马 康,霍秀秀

(咸阳水文水资源勘测中心,陕西 咸阳 712000)

1 概况

1.1 茨坪水电站概况

淳化县茨坪水电站位于陕西省淳化县马家镇泾河干流上,是流域内进行重点梯级开发的地段,茨坪水电站亦为其中的一个梯级,也是泾河东庄水库上游小水电规划中梯级开发的最后一级水电站。电站为径流式引水电站,电站用水靠天然径流,以泾河地表水作为取水水源,属河道内取用水。随着水资源开发利用程度的增加,需要以改善水环境为核心,重点解决河道与水电生态流量泄放的问题。

1.2 控制断面的选取

经过调研和分析,茨坪水电站为径流式引水电站,电站利用拦河坝抬高上游河床水位,通过引水渠、输水隧洞、压力前池和压力钢管引水发电,故选择茨坪电站拦河坝为生态流量控制断面,坐标:东经108°27′00″,北纬34°47′42.66″。该控制断面避开死水区、回水区,且该处河床稳定、河段顺直、水流平稳,在充分考虑交通状况、经济条件和实施安全的基础上,重点考虑水文资料是否容易获取,确保后期生态流量监测的可行性和准确性。

1.3 区域概况及水资源开发利用概况

根据《2020年陕西省水资源公报》,咸阳市水资源总量8.43亿 m3,地表水资源总量4.68亿 m3,地下水水资源量6.70亿 m3,重复计算量为2.95亿 m3。咸阳市年平均降水量574.0 mm,低于全省年平均656.2 mm的水平。

区域内河流众多,但水力资源蕴藏量有限,唯泾河早饭头—张家山峡谷,落差大,水流急,曲流深切,常流量足,水能资源十分丰富,具有相当大的开发价值,其河段区间内开发有多个小水电站,而茨坪电站则是位于泾河早饭头—张家山峡谷段。

根据调查,陕西省泾河流域已建防洪工程共15 429 m,河道整治工程19处,其中丁坝41座、磨盘坝35座、顺坝长260 m、导流堤3处,长1 884 m,工程主要分布于长武、彬县及泾阳境内。陕西省泾河流域已建成水库40座,总库容1.67亿 m3,现状供水能力0.72亿 m3;引水工程140座,现状供水能力2.75亿 m3;提水工程831座,现状供水能力0.45亿 m3。集雨工程5 211座,年利用量37.66万 m3。

2 电站来水量分析

2.1 依据的资料与方法

淳化县茨坪水电站工程位于淳化县边界泾河淳化县一侧,控制断面选择在茨坪水电站拦河坝位置。取水位置距泾河张家山水文站测验断面较近,故采用该站资料进行水量分析计算。

2.1.1 参证站的基本情况

张家山水文站为泾河下游干流控制站,系一类精度水文站,国家重要站,中央报汛站。上游建有景村水文站,下游建有桃园(二)站。1922年为修建引泾工程,民国陕西渭北水利工程局在泾阳县张家山设立二龙王庙站进行泾河水位、流量、含沙量测验,1925年停测。1930年10月泾惠渠施工建设,改在张家山水磨桥恢复水文测验,自1932年1月起有连续水文记载,黄河水利委员会根据资料定1932年1月为张家山水文站建站日期,资料名称为张家山(一)。1952年6月测验断面下迁2 700 m,资料名称为张家山(二),站址位于泾阳县王桥镇岳家坡村赵家沟,东经108°36′,北纬34°38′。集水面积43 216 km2,控制河长397 km,河流平均比降2.78‰,距河口里程58 km。

测验河段比较顺直。砂卵石河床,两岸为沙质土壤,窄深河槽,冲淤变化不大。基本水尺断面上、下游约300 m均有弯道。基本水尺上游约4 km有泾惠渠大坝,最大引水量52 m3/s,闸门启闭影响河道水位。泾惠渠断面位于进水口下游1 250 m,野狐桥下游40 m处,顺直无冲淤变化。进水口下游30 m处有一退水闸,2 km处有3号退水闸,均在基本水尺断面以上汇入河道。测验项目有水位、流量、泥沙、水温、降水、蒸发、墒情。

2.1.2 “三性分析”

1)可靠性分析

张家山站资料实测序列完整,数据经过在站整编,分局初审、省局复审、流域机关汇审和全国终审,最终形成水文年鉴整编成果,资料质量可靠。

2)一致性分析

资料一致性是指一个系列不同时期的资料成因应相同。水文频率计算洪水资料必须具有一致性,也就是各年洪水的流域产流、汇流条件应保持基本相同。当流域内修建水库、跨流域引水、分洪等工程及水文站迁移都会影响洪水资料的一致性。

20世纪80年代以来,泾河流域由于人类活动改变了流域下垫面条件,导致入渗、径流、蒸发等水平衡要素发生一定的变化,从而造成泾河径流的减少。下垫面变化对产流的影响非常复杂,如水土保持生态建设,改变了当地的下垫面条件,造成同等降水条件下产流量有所减少;地下水开采量增加,改变了地表水和地下水之间的转换关系;大量水利工程的建设,增加了水面蒸发损失量等。人类活动影响了水文系列的一致性,必须进行系列一致性处理。《黄河流域水资源综合规划》中,对1956年～2000年的河川径流系列进行了还原计算和一致性处理。针对泾河实际情况,天然径流量系列一致性处理主要采用《黄河流域(片)水资源综合规划技术细则》中提出的降水径流关系方法,结合水土保持建设、地下水开采对地表水影响、水利工程建设引起的水面蒸发附加损失等因素成因分析方法,综合进行分析计算。

水土保持影响量主要修正1956-1969年时段,地下水开采影响量主要修正1956-1989年时段,水利工程影响量修正水利工程投入运用以前时段。

张家山水文站-致性处理前后的天然径流见表1,一致性处理前后天然径流量多年平均情况下的年内分配过程见表2。

表1 张家山站一致性处理前后天然径流量 亿 m3

表2 张家山站一致性处理前后天然径流量年内分配 亿 m3

3)代表性分析

(1)径流系列

从张家山站1932-2010年系列系列天然径流过程线(见图1)及1932-2010年系列的5年滑动平均过程线拟合分析(见图2),张家山站天然径流量具有弱的递减趋势性特征。

图1 张家山站1932-2010年系列天然径流过程线

图2 张家山站1932-2010年5a滑动平均过程线

图3和图4分别给出了张家山水文站1932-2010年系列和1956-2000年系列模比系数差积曲线,可以看出,泾河1932-2010年间,1944-1949年,处于连续偏丰水时段;1950-1957年,处于连续平偏枯水时段;1963-1969年,处于连续偏丰水时段;1985-2002年处于连续偏枯时段,在2003年出现一次丰水年份,2004-2010年为连续偏枯时段。比较图3与图4,可见长短系列的累积模比系数具有较强的一致性,短系列中具有长系列中的丰、枯水年份及连续丰水和枯水的时段,1956-2000年系列具有一定的代表性。

图3 张家山站79年径流系列模比系数差积曲线

图4 张家山站45年径流系列模比系数差积曲线

(2)两系列均值与变差系数比较

表3为泾河张家山水文站1932-2010年不同系列均值与变差系数Cv值的比较情况。可以看出,1956-2000年系列多年平均径流量比1932-2010年系列多0.53亿 m3,仅占1932-2010年系列径流量的2.9%,长短系列的Cv值基本一致。通过两系列均值与Cv值对比结果,说明1956-2000年系列具有一定的代表性。1956-2000年和1932-2010年年径流量频率曲线分别见图5和图6。

图6 张家山站79年天然径流量频率曲线

图7 张家山站最枯月平均流量P-Ⅲ曲线图

表3 张家山站不同系列均值与Cv值比较

鉴于1956-2000年系列张家山站天然径流量与1932-2010年系列成果比较接近,而且1956-2000年系列进行了一致性处理;另考虑到黄河水资源配置和可供水量的确定是以1956-2000年45年系列成果为依据进行分析的,而且1956-2000年系列已经通过了水利部的认定,故选用径流系列采用1956-2000年45 a系列是合适的。即根据还原后的成果,张家山站的多年天然河川径流量为18.49亿 m3,还原后的径流系列为天然径流系列。

2.2 电站来水量计算

控制断面年径流采用水文比拟法进行计算,依据张家山站径流量按下式进行比拟计算。

W设=F设/F参×w参×P设/P参

(1)

式中:W设为设计流域年径流量,m3;F设为设计流域流域面积,km2;F参为参证站流域面积,km2;W参为参证站站年径流量,m3;P设为设计流域年降水量,mm;P参为参证站年降水量,mm。

依据张家山站的天然径流量系列资料,通过P-Ⅲ频率曲线,计算不同频率的年径流量成果。茨坪水电站坝址以上流域面积为42 110 km2,张家山站控制断面以上流域面积40 281 km2,与茨坪电站坝址以上流域面积分别相差2.56%,流域面雨量近似相等,经计算茨坪水电站处多年平均径流量为18.02亿 m3。

3 电站生态流量计算

3.1 Tennant法

利用还原后的张家山站天然径流量数据,利用径流量计算公式:W=Q·T推求出张家山站的多年平均流量分别为58.6 m3/s。

3.2 不同频率最枯月平均值法(QP法)

从收集到的张家山站逐年平均流量资料中挑选出最枯月平均流量资料和最枯日平均流量资料,并绘制最枯月平均流量资料和最枯日平均流量频率曲线。根据频率曲线,计算出张家山站的90%保证率的最枯月平均流量分别为9.54 m3/s;张家山站的90%保证率的最枯日平均流量分别为2.61 m3/s。

3.3 近10a最枯月平均流量法

选用张家山站2012-2021年共计10 a最枯月平均流量系列资料,计算得出张家山站近10 a最枯月平均流量分别为18.3 m3/s。

3.4 不同方法的生态流量小结

由控制断面多年平均径流量与张家山多年平均径流量的比值K张=0.974,乘以张家山站逐年、逐月、逐日径流量,即为控制断面相应的年、月、日径流量。

3.5 生态流量确定

(1)近10 a最枯月平均流量法适用于缺乏长系列资料的情况,本次计算使用的张家山水文资料有长系列(n>30 a)资料(1956-2000年),且该方法使用资料系列较短,受短期内丰枯变化影响较大,故本次生态流量确定首先排除代表性较差的近10年最枯月平均流量法。

(2)Tennant法均适用于有长系列水文资料的计算,也适用于北方常年性河流;该方法作为经验公式,主要适用于北温带较大的、常年性河流,作为河流规划目标管理、战略性管理方法,在我国南方水量较大的常年性河流的生态流量计算中应用较多。综合考虑泾河季节性河流的特点,枯水季时水量较小,该方法不适合干旱地区季节性河流;又由于它没有考虑河流的几何形态对流量的影响,也未考虑到流量变化大等河流特性,故本次Tennant法计算成果不予采用。

(3)不同频率最枯月平均值法(QP法),本次计算分别选取了90%保证率最枯月平均流量和90%保证率最枯日平均流量。其中采用90%保证率最枯月平均流量计算的茨坪水电站生态流量为9.29 m3/s,考虑到茨坪水电站的经济效益和下游减水河段生态环境需水量不大,该方法不予采纳。

为确保泾河生态环境的持续发展,结合控制断面径流特征、生态状况及区域内水资源特点和开发利用现状,本次计算成果采用90%保证率最枯日平均流量作为茨坪电站的生态流量,即2.61 m3/s。

4 结语

4.1 结论

本次分析在收集茨坪水电站竣工验收设计工作报告资料和张家山站的实测水文数据的基础上,对茨坪水电站开展了现场调研,实地了解电站生态流量泄放、下游河道减水情况,然后采用张家山站实测水文数据资料对小水电站开展生态流量计算分析,得到茨坪水电站拦河坝控制断面的生态流量为2.61 m3/s。

4.2 建议

(1)加强泾河流域内梯级水库水电站(群)统一运行调度,建立水库水电站群、水库水电站生态补偿机制及利益均衡策略,解决水资源开发利用多主体投入产出关系、上下游生态环境用水与经济用水、社会公平等之间日益突出的矛盾。

(2)加强河流生态功能区划规划与监管,设计划定河流生态基流关键控制断面及其阈值管理目标,强化河流开发利用中的景观文化多样性规划设计,促进山川秀美之目标实现。

(3)加强河流湿地生态区保护,强化水库水电站生态功能设计与调度研究,设立水库水电站下游河道河岸线控制管理“红线”,并根据水生生物的生活繁衍习性,通过人造洪峰调度方式对河道下游水生生物及鱼类资源进行保护,实施水库生态调度,保障水库水电站下游泄洪安全、居民取用水安全与生态景观安全。

(4)加快建设过鱼设施、鱼类增殖放流站、栖息地保护等措施,保护河段鱼类资源和洄游通道。

(5)督促要求小水电站选择合适的生态流量监测点,充分利用已经安装监测设施,实现实时在线监测,同时借助咸阳市小水电生态流量监管信息平台,实时在线查看站点监测信息并向上级监管部门开放相关实时监测数据。