国外水电站生态流量的管理经验.doc

国外水电站生态流量的管理经验水利水电技术第41卷2010年第2期国外水电站生态流量的管理经验孙小利,赵云,于爱华(中国水利水电科学研究院,北京100048)摘要:数十年来在水能资源开发较早的国家已经实施对水电站最小生态流量的管理.有些国家确定水电站生态流量管理的方法已经不再是传统的水文统计方式,而是基于生态的标准,利用河流动态数学模型对生态流量产生的效应进行量化和优化.根据数学模型确定的生态流量管理,水电站经过多年的运行,对水库下游水生物种群的恢复起到了明显实效.关键词:国外;水电站;生态流量;水生物种群;数学模型中图分类号:XI71.4文献标识码:A文章编号:10000860(2010)02001304EcologicalflowmanagementexperienceofoverseahydropowerstationsSUNXiao-li,ZHAOYun,YUAi-hua(ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100048,China)Abstract:Inthedevelopedcountries.theminimumecoflowmanagementofthehydropowerstationshasbeenimplementedformanydecades.Basedontheecologicalenvironmentalrequirements,thefiverdynamicalmathematicmodelsratherthanthetraditionalhydrologicalstatisticalmethodsforthehydropowerstationshavebeenusedtooptimizetheecologicalfloweffectsontheenvironmentquantitatively.Afterecoflowmanagementmetorexceededtherequirementsofenvironmentallawshasbeenimplementedforseveraldecades,theecologicalflowmanagementiseffectivefortherestorationofhabitatandrecoveryoftheaquaticspeciesinthedownstreamofthereservoirsKeywords:overseas;hydropowerstation;ecoflow;aquaticspecies;mathematicalmodel1概述水电站建成后,不可避免地改变了下游河道的水文条件,可能会对下游生态环境造成一定影响.在国内外水电开发建设过程中,为了尽可能地利用水能资源,过去考虑较多的是区域经济的发展和发电效益,而对保护生态水环境考虑得较少,出现了一些水电站不考虑合理的最小下泄流量,而引起下游河段水环境恶化等问题.近数十年来,随着经济的发展,人类环保意识的提高,已引起一些国家有关方面越来越多的关注.水利枢纽和水电站运行,特别是枯水期运行,为了恢复水生物的生态环境,要考虑最小下泄生态需水量,用以满足下游生态环境的最低要求.生态流量确定是目前水利水电工程中的一个较为复杂的问题,因其关系到水资源的合理利用,保护生态和发挥工程最大效益,因而合理确定其水库生态流量运行管理方WawrResourcesandHydropowerEngineenngVol41No.2式显得十分重要.在美国对河道内流量进行了研究,从20世纪70年代至8O年代末期,出现了许多河道生态环境需水的计算方法.最初根据水文历史资料提出了一些基于水文学的方法,如7QlO法等.我国对水电站的生态流量控制问题也做了一些较为深入的研究.在国际上水电站生态流量的确定方式是随着科学技术进步与各国的生态环境法的要求而改进,并且合理的水电站生态流量对于下游河道的生态环境修复是要经过一段时间才能产生预期的结果,参考国际水电站生态流量的管理是有益的.2生态流量的确定随着现代科学技术的发展,基于水电站下游河道收稿日期:2009-1012作者简介:孙小利(1954一),男,高级工程师,博:.13孙小利,等国外水电站生态流量的管理经验生态环境对水量的动态需求和水库上游来水的频率及数量的考虑,水电站下游河道的生态流量运行模式往往利用数学模型进行模拟和量化,而不再使用一般的水文统计方式.例如在瑞士的布瑞诺河流域水电站群的生态流量控制研究中,使用AQUASIM水动力数学模型,根据布瑞诺河上的梯级电站运行方式和下泄的水量,以及自然气候气温等变化,通过数学模型的运算模拟,对布瑞诺河各水生物栖息的河段的流量,水位,水温的参数进行了量化j,将生态影响与管理方案相结合,确定了对下游河道生态流量的动态管理.在美国水电站水流控制标准主要是为保证鱼类,野生生物的健康和保持水质提供适宜的水流条件,以及娱乐活动的需求,包括适合的和季节性的流量变化.联邦能源监管委员会(FERC)在更新发电许可证的要求中规定水电站的基本最小下泄生态流量为1.13Ill/s.在美国低影响水电认证过程中,对水电站的基本最小下泄生态流量为2.27in/s.然而在美国对于涉及某些特定需要保护水生物的水电站,在更新发电许可证的过程中,专门成立了由水生物学家组成的专家组进行生态水量的评估.美国华盛顿州奇兰湖水电站属于利用天然湖作为蓄水库,开凿隧洞引水发电类型的电站(见图1),装机容量为48MW.湖下游的奇兰河作为电站的旁侧水道,在原有的运行条件下,在水库的奇兰河旁侧通(水)道,除了在第3段以上和第3段有少数几个由渗出地下水造成的水塘外,没有常栖鱼的栖息地.自然科学工作组根据研究结果和经验性例证,对奇兰河旁侧通道生态目标和水流区域达成一致意见.为了保护裂颌鳟鱼(cutthoattrout),和恢复奇诺克三文鱼(chinooksalm.on)与鳟鱼(steelheadtrout)产卵,孵化和早期生长流态和栖息地,确定足够的最小生态流量.自然科学工作组推荐,最小流量将根据所定义的枯,平水和丰水年来确定.水源来于大坝的放水和用水泵将发电尾水渠的发电泄水抽人旁侧通道4渠段.奇兰湖大坝的出水结构将被改造,使其具有这些功能:(1)如果水泵发生故障,水库可以向旁侧通道渠段4输送所需要100%的水流;(2)水库最低水位可提供9.06m/s的水量引.对水温比较敏感的奇兰河鳟鱼,自然科学工作组使用了河流动态水温数学模型(SNTEMP)来预估奇兰河不同流量产生的水温变化.为满足奇兰河的保护生态目的,建议水流管理产生的水温变化应维持在所要保护的水生物承受限度以内.由于在夏季奇兰河侧通14图1奇兰湖水利枢纽和旁侧通道道自然水温超过鳟鱼的最佳,净生长的范围,并且有可能超过鳟鱼开始死亡的最终上限承受水温限度(UUILT)23.2oC.在奇兰河任何水流的情况下,包括自然科学工作组建议的流态,鳟鱼和其他冷水生物已不可能生存.但是在鳟鱼能够感觉出微小的水温变化而寻找避暑水域,例如由渗出地下水造成的水潭.已知在奇兰河旁侧通道存在地下水渗出的水潭,工作组建议在水流和水位许可的条件下,可为鳟鱼提供这类避暑水域.并且建议在枯水年,水库将释放2.27/s的最小流量.平水年,在5,6月间,水库将释放5.661TI/s的最小流量.丰水年,在5,6月间,水库将释放9.06in/s的最小流量.田纳西和北卡州的美国铝业发电公司(APGI)所有的泰颇克(Tapoco)水电项目,总装机容量达366.82MW.项目共有4座水电站,分别为圣缔特拉(Santeetlah),乔奥亚(Cheoah),考尔德伍德(Calder-wood)和奇尔侯维(Chilhowee)水电站.在实行新的生态环保法之前,上游圣缔特拉水库没有通过原乔奥亚河河道向下游水库经常的泄流,而是通过压力管道和隧洞将水引入乔奥亚水库(见图2).乔奥亚水电站也属于泰颇克水电项目.乔奥亚河段中的流量来自上游圣缔特拉水坝的渗漏,支流和上游水库非经常性的溢流,在河中也形成了一定的水流.该河段是濒临灭绝的阿帕拉契贻贝栖息地,为了改善乔奥亚河的生态水流状况,咨询当地的资源和环境保护部门与美国森林局和美国鱼类及野生生物局,APGI制定了乔奥亚河的生态水流管理规划.该管理规划要求于2007年3月1日生效,向河道中排放1.122.81m/s的生态基本流量.APGI将根据水库水位变化和泄流流量的测量记录计算出平均入库流量,再根据前3个月的平均入库计算流量来确定生态基本流量.如果某个月的平均入库流量大于水利水电技术第4l卷2010年第2期=奇大t一.圣缔特.南泰哈拉拉水库切偌基国家森林国家森林.偌宾斯维尔图2泰颇克(Tapoco)水电站项目历史人流25%的分布,美国铝业发电公司将按照表中等级A流量,在圣缔特拉水坝放水,如果某个月的平均入库流量小于或等于历史人流25%的分布,APGI将按照表中等级B流量放水(见表1).表1水生生态基本流量m/s月份等级A流量等级B流量l1.421.4222.832.5532.832.5542.832.5552.552.2761.7O1.7O71.701.428l421.1391.421.131O1.421.13l11.421.13l21.701.42在每年,APGI的水电站要有1920d的峰值泄流,流量约为28.1m/s.更重要的是泰颇克水电项目为了获得低影响水电的认证,泰颇克水电项目在4个水电站之间调整了发电能力,以确保维持原河道中的生态流量.其中圣迪特拉电站的装机容量由原来的49.2MW降低为47.0MW;奇尔侯维水电站的装机容量由原来的52.2MW降低为48.0MW.美国低影响水电研究所(LowImpactHydropowerInstituteLIHI)管理委员会授予APGI为第一个第一次就得到8年有效期(一般有效期为5年)的低影响水电证书的,主.3实行生态水流管理的效果水电站下游河道生态环境修复是要经过长期按照水利水电技术第41卷2010年第2期孙小利.等国外水电站生态流量的管理经验生态水流的要求运行,才能收到较好的效果.最为典型的是美国华盛顿州斯凯基特水电项目(见图3).图3斯凯基特(Skagit)水电项目分布及流域该项目是美国最大的获得低影响水电证书的梯级水电站,总装机容量为690MW,包括了3个水电站,分别为罗斯湖(RossLake)水电站,峡谷坝(GorgeDam)水电站和迪阿布罗(Diablo)水电站(见图3).2008年8月又通过重新认证.自1981年以来,西雅图电灯公司实施新的水电站下泄水量的管理措施,1991年水电站业主(西雅图电灯公司)与斯凯基特河系统合作组织(Skagit土着部落组织),国家和华盛顿生态管理部门达成斯凯基特河有关水流管理的渔业和解协议(和解协议)的要求.这些要求是通过一系列模型计算模拟得出的,计算研究根据降雨和河水水位变化,并且考虑了水库水位与季节间断性的径流,以及参照在斯凯基特河上游三文鱼和鳟鱼的所有关键生命阶段,进行着重保护.在紧邻发电厂下游河段的水流,受斯凯基特河水电项目运行影响最大.水电站控制水流的影响沿着河道下游逐渐降低,并因主要支流瀑布(Cascade)河,苏克河与贝克河(见图3)的来水量缓和了这种影响.斯凯基特河的奇诺克三文鱼(chinooksalmon),细鳞三文鱼(pinksalmon),马苏三文鱼(chumsalmon)和布尔鳟鱼(bulltrout)被列入受威胁的物种.根据1991年和解协议的要求,斯凯基特河的最小流量有了显着的增加.在三文鱼生态重要的孵化期间和实施协议前的水流相比(1981年以前,1981年至1991年为过渡期),最小流量在大多数年份已经增大.在奇诺克三文鱼孵化期间,根据和解协议最小流量从36.79m/s增加到59.5m/s.对于细鳞三文鱼,最小孵化期流量从39.6m/s增加到59.5m/s.对于马苏三文鱼的孵化期流量改善最大,最小孵化期流量从45.3m/s增加到73.6m/s.达成和解协议后,对于日常的调峰发电泄水的运行方式也做了调15一孙小利,等国外水电站生态流量的管理经验整,调峰卸载后的泄水水量由高峰值降到基础值的时间由原来的1h延长到5h.自从1991年,为了保护正在孵化的三文鱼,每年西雅图电灯公司自愿释放额外的最小生态流量,持续时间为数周到数月.正是西雅图电灯公司根据和解协议在水电站运行中实行了保护鱼类的水流控制措施,流域内三文鱼的数量有了明显的增加,到水电站下游河道中产卵的三文鱼成鱼的数量成倍数的增加.自从实行水流管理措施以来,在水电站下游河段马苏三文鱼洄游数量已经明显的增加.在流域内马苏三文鱼洄游的数量已经处于或接近历史最高水平,在临近水电站下游的2个河段,自从实行保护水流措施以来,马苏三文鱼洄游产卵鱼数量增加了48倍.在斯凯基特河流域内的细鳞三文鱼洄游产卵鱼群,洄游的数量变化呈现出周期性,在奇数年细鳞三文鱼洄游数量较大.洄游产卵鱼数量在200000至1400000尾,超过90%的洄游细鳞三文鱼在主河道内产卵.产卵细鳞三文鱼数量已经增加到1500尾/(海里),即自1985年以来增加了5倍.根据以上阐述,自1981年以来,西雅图电灯公司新的水电站下泄水量的管理措施大大改善了下游河道的生态环境,使得洄游三文鱼的数量明显增加,曾列为濒危物种的马苏三文鱼和细鳞三文鱼不再列为濒危物种,并且细鳞三文鱼数量达到了可以进行捕捞的程度.斯凯基特河主河道产卵的马苏和细鳞三文鱼被美国渔业协会(TheAmericanFisheriesSociety)认定为健康一级,其标志着种群中至少有2/3的数量是在没有人类干扰的情况下生活的,显然西雅图电灯公司的水流管理措施是非常有效的.但是实施和解协议水流管理后,奇诺克三文鱼的数量没有明显的增加,还被列为受威胁的物种.值得注意的是:同样是河流的生态流量问题,发展中国家与发达国家的侧重点则是完全不同的.发展中国家很可能首先考虑的是如何建立更大的水电站水库,更多发电装机,增加水能资源的调控能力,满足人类社会的能源和生态流量问题.而在发达国家,主要关注的可能是如何恢复水生物种群和栖息地环境的生态流量问题.但水能资源开发较早的国家对生态流量管理的科学方法和成果还是值得借鉴的.4结论根据对水能资源开发较早的国家的水电站生态16流量管理方式的介绍,以及长期运行后取得的成效,可以得出结论:水电站生态流量管理是一项综合性的项目,要针对某种需要保护的水生物,以往的水文统计确定最小生态流量方式已经不再使用了,通常使用河流动态数学模型,考虑各种水流的流态,在各种自然条件下,模拟对所要保护和恢复的河道中生物群落和栖息环境的动态变化进行量化和优化.实施水电站生态流量管理需要较长的时间才能见到明显实效.美国斯凯基特河梯级水电站根据新的生态环境保护法与和解协议的要求,自1981年就开始实行生态流量管理,经过20多年长期运行,在河流下游中,有原列为濒危的2个三文鱼种群已经恢复到健康一级的状态.同时取得的成果是与进行水电站下游河道生态环境连续调查有着重要关系的,通过现场调查才能确定水电站实行的措施对哪些水生物种群恢复有实效,哪些效果不明显,从而在为保护生态环境付出一定代价的时候,增强实施正确有效的生态流量管理的信心,并及时发现措施的不足,以取得更多和更实在的成果.通过以上对水能资源开发较早的国家一些中小水电站的生态流量管理经验的介绍,可以认为:(1)为保护水电站下游水系中的生态环境,充分利用现代科学的进步,利用河流动态数学模型,来对生态环境进行量化分析是非常有助于确定水电站有效的生态管理方案