水利水电工程蓄水期生态流量泄放措施研究

水利水电工程蓄水期生态流量泄放措施研究

王翔

中国水利水电第三工程局有限公司 陕西 西安 710032

摘要：生态基流是使水域生物及河岸带处于健康状态的最小流量，是维持河流形态和基本生态功能的保障。在水利水电工程的蓄水过程中，如不采取措施，往往会导致下游河段出现减脱水现象，继而引发一系列的河流生态系统问题。因此，为保障河流生态系统的健康及可持续发展，水利水电工程在蓄水期要根据工程实际采取相应的措施保证下泄一定的生态流量。鉴于此，文章结合笔者多年工作经验，对水利水电工程蓄水期生态流量泄放措施研究提出了一些建议，以供参考。

关键词：水利水电工程；蓄水期；生态流量；泄放措施研究

引言

水利水电工程蓄水期生态流量泄放措施应充分考虑工程特点和施工组织，采用最为简便经济的泄放方式。当采用特殊生态补水措施时，应充分论证泄放方案的安全性和可靠性，在保证工程质量的前提下实施。

1、功能划分

高度人工化城市河流生态水位和生态流量内涵是指，为保障城市河流各项生态功能正常发挥，必须同时满足一定水深、流速、水质和水量条件。首先，生态基流避免断流，实现了河流从河源、上游、中游到下游的纵向连通，从到洪泛区的横向连通，以及从地表水到地下水的垂向连通，使生态基流的其他功能可以正常发挥作用。其次，河流的自然功能分为水文功能和地质功能，生态基流的自然功能中还应包含水文功能和地质功能。水文功能涵盖范围广，在河面蒸发和河流两岸植被蒸腾的作用下，河流中的水分不断蒸发，化为水汽上升到高空，被气流带到其他地区;与此同时，河流上方的空气相对湿度较大，空气中的水汽易于饱和、凝结，以降水形式重新回到河流;随着水位变化，地表水与地下水相互转化，在这一过程会产生生态环境效应。为突出生态基流在维持河流基本生态环境功能上的重要性，本文将产生的生态环境效应划分到生态环境功能中，生态基流的水文功能仅包含水的输送，即水在陆地表面的流动，以及与降水、土壤水和地下水之间的转换过程，不包括其产生的生态环境效应。此外，生态基流在流动过程中搬运、输送泥沙，防止淤积，维持河流的泄洪排沙能力以及水沙动态平衡。生态基流在输水和输沙过程中，会产生生态环境效应，如为水生动物提供迁移和洄游的通道，为物种提供栖息地;沿收集、运送有机质和营养盐，为河流两岸的植被提供营养物质;分解废物，净化水质等。考虑到生态基流在维持河流基本生态环境功能上发挥的重要作用，将这些生态环境效应划分为生态基流的生态环境功能。生态基流的社会功能不同于河流的社会功能。河流的社会功能是人类在开发利用河流时所赋予河流的功能，代表着人类对河流的索取。生态基流并不能为人类所利用，所以生态基流的会功能是在不影响生态基流自然功能和生态环境功能的基础上，满足人类部分需求的功能。生态基流保持河流的连续性和完整性，维持河流生态系统的健康，是近年的研究热点。

2、生态流量计算方法

2.1水文法

水文法是基于历史径流数据分析的方法。基本假设是为了保护河流生态系统，必须保证天然的水文情势。水文法中并不考虑物种或群落特定水平，提供同期流量的变化幅度和范围，以维持生态过程与生物多样性。

2.2水力-栖息地法

水力-栖息地法是基于流量变化，通过河流形态对生物群落起作用确定群落栖息地出现及持续的时间。水力-栖息地模拟包括：①的物理或水力建模；②模拟生物与物理环境之间的联系。后者可能考虑不同的生境参数，如水深、流速、河床组成、几何形状、覆盖度和水温等。因此，可根据水流和的形态特征来确定生物群落栖息地数量。然后将物理模型和生物模型相结合，用来模拟栖息地质量-数量的指标如何随径流变化。尽管以往文献中不同水力-栖息地模型的概念基本相同，但在具体计算中，模型（物理模型和生物模型）之存在差异。

2.3整体法

整体法的目的是将人类和生态流量需求融合到缜密的评估框架中。该方法的理念是所有生物和非生物组成了需要管理的生态系统。整体法有时被称为专家小组法，在研讨中制定生态流量标准，由多学科专家小组（包括水文学、地貌学、水质和生态学各学科）审议特定河流的数据。

2.4生态流量差距分析

在《欧盟水框架指令》的一般背景下，“差距分析”在于确定每一水体现有状态与实现环境目标需状态的偏差。如果水文情势变化可能妨碍实现环境保护目标，则应对当前流态与生态流之间的距进行评估，即“生态流量差距分析”。对于目前满足生态流量（无生态流量差距）的地表水体，在措施计划中应关注维持河流健康。对于某些河流，若已经确定当前流量和生态流量之间差距，则应制定相应的措施计划以恢复生态流量，并缩小差距。

3、水利水电开发方式及其影响特点

水能开发分为坝式、引水式和混合式等3种方式。坝式开发是利用筑坝集中河段落差的水能开发方式;引水式开发是修建引水建筑物集中河段落差的水能开发方式;混合式开发是利用坝和引水道共同集中河段落差的水能开发方式。水利水电常常根据厂房布置不同，又将坝式分为坝后式和河床式等形式;而混合式与引水式因建筑物特征相似、分界线不明晰，一般统归为引水式。就蓄水发电影响而言，坝式发电水量直接回到下游，对下游减脱水防治有利;引水式发电引水使得下游厂坝间水量减少，对下游减脱水防治不利，两种开发方式影响差异明显，为此常常以开发方式来区分电站下泄生态流量的要求。然而，这种对应开发方式的影响并不是绝对的。例如:(1)坝式水利水电，若坝后厂房布置不便需靠下游布置时，可能存在几十米至数百米的厂坝间河段，与引水式相近，而与通常的坝式不同。(2)引水式电站，如引瀑布水发电的，电站厂房建设在瀑布下方附近，可能不存在明显的厂坝间河段，此时与坝式相近，而与通常的引水式不同。(3)人工渠道取水、串联引水、跨流域引水、地下水取水、多水源取水等一些特殊的开发布置方式，存在着坝式及引水式组合影响特征。显然，严格意义上，水利水电对河流的影响及其生态流量泄放要求，不宜以开发方式定论，而应以具体的影响河段的特征来区别，否则容易误导而引发混乱，需要引起注意和重视。

4、蓄水期常用生态流量泄放方案和泄放措施

4.1导流洞导流的水利水电工程

采用一次拦断河床，导流洞导流的水利水电工程，根据不同的工程特点，蓄水期常用的生态流量的泄放方案如下：对于土石坝等不便于在坝身开孔坝型的水利水电工程，在导流洞封堵后可采用单独设置生态供水洞或者通过改建导流洞，在导流洞封堵体上布置放水孔泄放生态流量。对于混凝土重力坝、拱坝等坝型的水利水电工程，在导流中后期一般会通过坝身开孔来满足过流，故在蓄水期间一般通过导流底孔等导流设施泄放生态流量。

4.2导流洞下闸期间生态流量泄放方式研究

(1)常规生态补水措施：小井沟水利工程所需生态流量较小，在导流洞下闸封堵后，水位到达永久生态放水洞可提供生态流量之前，通过导流洞底预埋的临时生态放水管向下游提供生态流量，之后，对临时生态流量放水管进行封堵。在导流洞上设置生态流量放水管是较为常规的做法，这种方法工程投资相对较省，能够满足泄生态流量的要求，但这种放水措施一般应用于下泄生态流量较小的工程，且会对导流洞封堵工作产生一定的干扰。(2)特殊生态补水措施:水利水电在导流洞下闸期间，结合工程特点，利用过水围堰，对下游过水围堰进行适当加高后，形成坝下、堰前生态蓄水池（可蓄水60万m³），在导流洞下闸至永久底孔泄放生态流量前的约3h蓄水期间，利用下游围堰预留的充水道作为泄水通道，将生态蓄水池存水下泄至，保证了下游的生态用水需要。

4.3图像识别技术在小水电生态流量监管中的应用

使用图像识别技术进行小水电生态流量泄放监管，通过人工对生态流量的视频监控画面进行标记，在标记生态泄放合格或不合格的照片库中利用图像识别技术自动提取泄放口特征，实现计算机自动判断生态流量泄放是否达标，达到提升监管效率解放人力投入的目的。采用图像智能识别技术的小水电生态流量监管平台已于2020年6月1日起在某市水利局正式投入运行，实现了水利水电生态流量的日常监管，大大提升了效率。生态流量监管支持图形识别，自动根据视频和图像判断是否有正常泄放生态流量的功能，支持非正常状态下报警，支持不同场景的自学习功能;包含生态流量报警、报警审核、报警处理、报警数据统计等功能。对于泄放过程有明显水花的泄放口识别率在90%以上。小水电生态泄放识别分为学习阶段和系统使用阶段2部分。(1)在学习阶段通过收集小水利水电摄像头24h的照片(从早到晚)以及手机生态流量监测的拍照照片(包含可能的角度和时间)。每个电站收集20～100张照片，形成识别模型训练资料库，通过深度学习照片后，发布识别服务。(2)在系统使用阶段，对小水利水电摄像头24h的照片以及手机生态流量监测的拍照照片进行实时识别，通过应用平台展示报警结果，人工通过报警结果进行确定审核。如果审核当中发现机器识别有误，将该图片提交纠错，再次通过深度学习训练然后发布识别服务。反复纠错收敛后，错误将越来越少。(3)由于识别是基于图像，所以在摄像头识别方面应尽可能减少摄像头的角度较大变化以及像头设备的更换导致图片像素和图片中下泄位置角度变化。在手机拍照识别方面应尽量选择几个固定点位拍照以及不要频繁更换拍照手机。如出现识别错误，可进行人工核准对系统预判的结果进行纠正，系统将自动进行学习。

4.4初期蓄水期和运行期生态流量泄放设施

大坝建立了一个生态河流污水系统，将河流下游右侧的生态流量风机释放到下游容器中，释放生态流量，并通过污水泄漏释放生态流量。排水管道的管道中心高度为297.1.0m，下通道直径为1.0m，内径为30cm，中心线为550.0m，入口位于排水开放入口通道内，生态流量阀阀位于进口壁外侧向下，沿出口侧布置，直至出口在供应口侧面板上停止并连接到河床。为了控制释放的生态流量，在一个生态流量阀中设置了两个流量节流阀和一个流量磁化阀。通风空间位于进水口检修孔右侧，长度8.0米，宽度3.6米，基准高度293.5米，高度323.85米，高度323.85米，与工作区工作空间齐平，并设有风扇运转位置楼梯。操作面板中的控制和操作设计为远程控制阀门。为防止操作区泄漏或孔内泛滥，可在操作区设置两台排气泵，错开布置，一次作业，一次储备，从而损坏阀门。泵的流量直接引导到漏钢管电磁流量控制控制装置的下部管路中。为了不影响发电，必须确保及时排放水而不造成河流中断。在水的初始阶段，河流因短水量累积，必须开通生态管道，以排出生态电流，298.00死角的下水道排水速度为0.145 m3/s，正常水位为319.00m时的排气速度为0.145 m3/s。溪流的高度为294m，溪流的高度为279m，大坝的溪流高度为283m，大坝与溪流之间的河道长度。

结束语

综上所述，得出以下结论;(1)水利水电生态流量泄放要求不宜以开发方式定论，而应以具体影响河段的特征来区别。(2)生态流量核定应以取水口至回归尾水断面(或有效支流汇入口)间全断面保障为核心目标。(3)生态流量核定断面为影响河段最靠下游侧的断面，非坝址所在断面。

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