日調(diào)節(jié)水電站調(diào)峰運行對魚類棲息的影響

為了滿足日能耗需求，每天調(diào)整水庫的流量，隨著時間的推移，河水水質(zhì)惡化，河流的非固定流量。受電站非恒定流影響,壩址下游水力學要素發(fā)生急劇變化,這些水力學參數(shù)的變幅對魚類的生存會產(chǎn)生不同程度的影響。峰荷流量的持續(xù)時間是影響這些水力學參數(shù)改變程度的關(guān)鍵因素之一,研究電站峰荷流量的持續(xù)時間對下游魚類棲息地的影響對于保護魚類棲息地具有重要作用。目前,電站非恒定流的影響研究主要針對航道,對下游水生生物棲息地的研究相對較少且偏重于生態(tài)需水量的研究,而忽略了電站調(diào)峰引起的流量變化率突增對下游棲息地的影響。因此,本文以大渡河金川水電站為例,建立一維非恒定流數(shù)學模型計算電站壩下河段魚類生境水力學參數(shù),通過研究日調(diào)節(jié)水電站峰荷流量的持續(xù)時間對下游魚類棲息地的影響程度,為優(yōu)化電站運行調(diào)度過程從而保護魚類棲息地提供科學依據(jù)。1通過電網(wǎng)的峰值運行和棲息地保護受日調(diào)節(jié)電站調(diào)峰運行的影響,壩下河段每天都會出現(xiàn)基荷流量和峰荷流量兩個流量特征值。河道過水斷面在兩個特征流量的影響下不斷變化。1.1靜水區(qū)和動水區(qū)根據(jù)非恒定流的波動特性,非恒定流形成的位移波,其波峰水深不超過均勻流狀態(tài)下最大流量對應(yīng)的水深,其波谷水深不低于均勻流狀態(tài)下的最小流量對應(yīng)的水深,波動發(fā)生在波峰與波谷之間。對于電站調(diào)峰運行,波峰水深即峰荷流量對應(yīng)水位,波谷水深即基荷流量對應(yīng)水位,波動發(fā)生在基荷流量對應(yīng)水位與峰荷流量對應(yīng)水位之間,基荷流量對應(yīng)水位以下受非恒定流影響較小。因此,基荷流量對應(yīng)水位下的過水斷面區(qū)域,受非恒定流影響程度相對較小,相對穩(wěn)定,本文將此區(qū)域定義為靜水區(qū)?；闪髁克慌c峰荷流量水位之間的過水斷面區(qū)域,受非恒定流影響形成位移波,變化劇烈,區(qū)域內(nèi)發(fā)生非自然的極端水文情勢變化,嚴重擾亂了水生生物的生活規(guī)律,本文將此區(qū)域定義為動水區(qū)。非恒定流影響的過水斷面分區(qū)見圖1。1.2環(huán)境對魚類生長的影響電站非恒定流對生活在岸線淺灘和回水區(qū)的小型魚類及大型魚類幼魚的育苗及避難功能造成嚴重破壞,下游水生生物棲息地質(zhì)量和水生生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力下降,適應(yīng)水流頻繁驟變的全能型物種將取代河道中原有的特有物種,很多物種的生命周期也會被打亂。(1)靜水區(qū)對魚類的影響。靜水區(qū)為水生生物生存提供了能量、物質(zhì)及生物流動的通道,為魚類提供豐富的餌料及適宜的棲息地環(huán)境,成為水生生物必不可少的避難場所?；闪髁康拇笮∮绊戩o水區(qū)的大小,對于維持壩下河段水生生物生存起著至關(guān)重要的作用。當基荷流量小于河道內(nèi)最小生態(tài)需水量時,河道不能保持良好的連續(xù)性,魚類生存環(huán)境將受到破壞。(2)動水區(qū)對魚類的影響。動水區(qū)的變化改變了魚類產(chǎn)卵場、索餌場及越冬場等棲息地,擾亂了魚類等水生生物的生活節(jié)奏,導致魚卵及魚苗擱淺,對魚類的生長、發(fā)育、繁殖、索餌、洄游、越冬等均產(chǎn)生不利影響。1.3基荷流量對于水生生物的影響程度日調(diào)節(jié)電站每日下泄流量都要在發(fā)電基荷流量與發(fā)電峰荷流量之間過渡,使壩下河段形成非恒定流。下游河道受到非恒定流波的影響,水力要素陡漲陡落,水文情勢各要素周期性波動,對下游河道棲息地產(chǎn)生不利影響,導致魚類等水生生物的多樣性降低及數(shù)量減少?；闪髁恳欢〞r,峰荷流量越大,動水區(qū)的面積越大,對水生生物的影響程度就越大。由于電站非恒定流是一種波動現(xiàn)象,在傳播過程中具有衰減及坦化的特性,峰值流量將沿程減小。在同一個調(diào)峰運行過程中,靠近壩址處的峰荷流量較大,離壩址越遠,峰荷流量減小越多。而峰荷流量的減小程度與其持續(xù)時間有關(guān),對于河道同一過水斷面,峰荷流量的持續(xù)時間不同,該斷面的峰荷流量不同。因此,日調(diào)節(jié)水電站調(diào)峰運行時,在基荷流量和峰荷流量一定的情況下,不同的峰荷流量持續(xù)時間在河道同一過水斷面形成的動水區(qū)面積不同,對下游魚類棲息地的影響程度也有所不同。2研究領(lǐng)域的總結(jié)2.1藏族羌族下游流域及水文景觀現(xiàn)狀金川水電站為大渡河干流的第6個梯級電站,上游與雙江口水電站銜接,下游經(jīng)金川縣接巴底水電站。電站壩址位于四川省阿壩藏族羌族自治州金川縣城上游約12km處,壩址以上流域面積39978km2,多年平均流量521m3/s。金川水電站開發(fā)型式為壩后式日調(diào)節(jié)水電站,大壩修建后,水庫水位在正常蓄水位與死水位之間變化,一晝夜內(nèi)完成一個調(diào)節(jié)循環(huán),將造成河道內(nèi)水深、流速、水面寬等水文情勢日變幅急劇,這些變化對下游河道的生態(tài)環(huán)境造成較大的不利影響。2.2非生物習性的魚類金川水電站工程研究河段分布的魚類中沒有典型的長距離洄游性魚類,分布的魚類多具有適應(yīng)急流型水生生境的形態(tài)或構(gòu)造特點,適應(yīng)于急流水環(huán)境,多數(shù)魚類體呈紡錘形、有吸盤等吸附構(gòu)造、善于游泳,適應(yīng)底棲或中下水層生活。其中齊口裂腹魚、大渡軟刺裸裂尻魚、黃石爬鮡為長江上游特有魚類,在研究河段為優(yōu)勢種或常見種,其生態(tài)學習性見表1。調(diào)研發(fā)現(xiàn),金川電站影響水域主要魚類產(chǎn)卵期集中在每年的4-6月,金川電站調(diào)峰運行對產(chǎn)卵場的影響在這幾個月份最為突出;對越冬場的影響集中在每年11月到來年1月,其他月份電站調(diào)峰將主要影響索餌場。2.3類創(chuàng)新生物產(chǎn)卵場:一般位于水質(zhì)清新,急流水,水深較淺處,裂腹魚類在這些河段的淺灘上筑巢產(chǎn)卵,而石爬鮡類在礫石或卵石間的洞、縫中產(chǎn)卵。索餌場:研究河段的魚類是喜流水魚類,因此對索餌場要求不高,水流較緩的淺水區(qū)是魚苗的索餌場,成魚索餌場主要在急流淺灘處。越冬場:研究河段主要越冬魚類為齊口裂腹魚和重口裂腹魚等,在河段水深4~10m之間,亂石多,凹凸不平的場所一般為魚類的越冬場。3計算模型3.1模型的基本形式明渠非恒定流的研究采用圣維南方程組,圣維南方程組是由連續(xù)性方程和動量方程聯(lián)立組成的,表征水流要素與流程x和時間t的函數(shù)關(guān)系。一維非恒定流圣維南方程組的具體形式如下。連續(xù)方程:動量方程:式中:Z為水位;Q為流量;A為過水斷面面積;x為沿水流方向的水平距離;α為動能修正系數(shù),一般取1;q為單位河長的旁側(cè)入流量。水力比降S采用以下公式計算:或:式中:n為糙率,河道糙率根據(jù)電站壩下河段實測大斷面地形及水位資料進行率定,在同流量情況下擬合計算水面線與實測水面線,率定河道糙率;R為水力半徑;K為流量模數(shù)。3.2初始條件的確定以電站下泄流量過程作為上游邊界條件,以下游河道正常水深作為下游邊界條件;以t=0的初始時刻壩址下泄流量作為初始條件,計算時間步長取5min。模擬河段為電站壩址下游長61.7km的河段,共67個實測地形大斷面。3.3越冬場地水岸一般會在30.10處,一般不穩(wěn)定研究河段產(chǎn)卵場位于底質(zhì)為礫石或卵石,水質(zhì)清澈、水深約在10~80cm,平均流速約1~3m/s,水流較急的淺水灘處。越冬場位于水體較寬而深,一般水深在3~4m,底質(zhì)多為亂石或礁石,凹凸不平,越冬場的兩端或一側(cè)大都有1~3m深的流水淺灘和江岸,越冬場對流速要求不嚴格。為研究水力要素變化幅度對魚類的影響,選擇魚類生存所需的緩流淺灘、急流淺灘、深潭3個典型生境斷面。斷面選擇見表2,斷面形狀見圖2。4峰荷流量持續(xù)時間對下游魚類棲息地的影響對于日調(diào)節(jié)水電站,下泄流量突變引起的水力學要素的變化是影響下游魚類棲息地的主要因素,水溫變化對下游魚類棲息地的影響較小,因此本文僅考慮水力學要素變化對棲息地的影響,分析最大水深、平均流速、過水斷面面積等水力要素的變化情況,進行峰荷流量持續(xù)時間對下游魚類棲息地的影響程度研究。4.1基荷、峰荷流量本文設(shè)置4個調(diào)度方案,根據(jù)研究河段生態(tài)需水要求和電站發(fā)電要求,各方案基荷流量設(shè)為130m3/s,峰荷流量設(shè)為1040m3/s。方案1:峰荷流量持續(xù)為1h;方案2:峰荷流量持續(xù)為2h;方案3:峰荷流量持續(xù)為3h;方案4:峰荷流量持續(xù)為4h。4個調(diào)度方案設(shè)置見圖3。4.2研究河段斷面衰減程度采用一維非恒定流模型計算結(jié)果,提取各方案下泄流量過程各斷面的峰值流量,分析各方案的峰值流量衰減過程見圖4。由圖4可知,方案1沿程峰值流量衰減效果最為明顯,在5km處峰值流量開始明顯降低,5~20km河段衰減率最大,20km處的45號深潭斷面衰減程度達35.3%;20km后衰減率有所降低,21km處的44號緩流淺灘斷面減率程度為36.1%,25.5km處的39號急流淺灘斷面衰減程度為39.5%,研究河段最后一個斷面衰減程度達到52.9%。方案2峰值流量沿程有一定衰減,在15km處峰值流量開始有所降低,15~20km河段峰值流量衰減率最大,20km處的45號斷面衰減程度為5.2%;衰減率同樣在20km后有所降低,44號斷面衰減程度為5.7%,39號斷面衰減程度為7.8%,研究河段最后一個斷面衰減程度達到22.0%。方案3沿峰值流量程衰減效果不明顯,45號深面衰減程度僅為0.4%,44號斷面衰減程度為0.5%,39號斷面衰減程度為0.7%,研究河段最后一個斷面衰減程度也只有5.7%。方案4研究河段峰值流量沿程幾乎沒有變化,離電站壩址最遠的最后一個斷面峰值流量衰減程度僅有1.0%。結(jié)果表明,為使研究河段典型生境斷面的峰值流量有所衰減,達到保護魚類棲息地的目的,下泄峰荷流量持續(xù)時間應(yīng)不超過2h,且持續(xù)時間越短,衰減程度越大。4.3水流動力學指標通過一維明渠非恒定流計算,獲得4種調(diào)度方案下電站壩下河段非恒定流水力學參數(shù)值,提取產(chǎn)卵場處最大水深、平均流速、過水斷面面積等水力要素一日內(nèi)最大值及最小值,并計算各水力要素在一日內(nèi)的最大變幅及相對日最小值的變化程。不同方案典型生境斷面的水力要素日變幅見表3。由表3可以看出,隨著峰荷流量1040m3/s持續(xù)時間由短到長,引起的非恒定流使下游河道水文要素日變幅逐漸增大。①水深變幅:方案3到方案4日變幅接近,峰荷流量持續(xù)3~4h對各典型生境斷面的影響程度變化不明顯;持續(xù)時間在3h之內(nèi),不同的持續(xù)時間對各斷面影響程度不同,其中39號急流淺灘斷面最大水深日變幅變化最大,是日最小值的1.6~2.5倍,44號緩流淺灘斷面最大水深日變幅是日最小值的60%~84%,45號深潭斷面最大水深日變幅僅為日最小值的23%~32%?？梢?日流量的變化對水深的影響在急流淺灘處最大,產(chǎn)卵場受非恒定流影響較大。②流速變幅:峰荷流量持續(xù)時間超過2h,對各典型生境斷面的影響程度就已無明顯變化;持續(xù)時間在1~2h之內(nèi),39號斷面平均流速日變幅變化最小,是日最小值的23%~30%,44號斷面平均流速日變幅是日最小值的28%~34%,45號斷面平均流速日變幅僅為日最小值的1.3~1.8倍。流速變幅在深潭處相對日最小值較大,因此越冬場受流速變化影響較大,但各方案平均流速均在1~3m/s間變化,在研究河段主要魚類適宜的變化范圍內(nèi),因此流速變化對各生境斷面的影響較小。③動水區(qū)面積:動水區(qū)面積變化即為過水斷面的日變幅,峰荷流量持續(xù)時間在3h之內(nèi)動水區(qū)面積變化受持續(xù)時間影響較大,超過3h持續(xù)時間對動水區(qū)面積影響甚微。39號斷面動水區(qū)面積相對最大,是靜水區(qū)面積的2.9~5.0倍,44號斷面動水區(qū)面積是靜水區(qū)面積的1.2~1.8倍,45號斷面動水區(qū)面積為靜水區(qū)面積的53%~79%?？梢姺呛愣鲗Ξa(chǎn)卵場和幼魚索餌場有較大影響。④水面寬度:各斷面動水區(qū)水面寬度日變幅是日靜水區(qū)水面寬度的50%以下,非恒定流對水面寬度的影響相對較小。綜上所述,非恒定流對下游魚類產(chǎn)卵場的最大水深日變幅和動水區(qū)面積影響最大,可能導致急流處產(chǎn)卵、索餌、嬉戲的生境功能被削減或消失;同時,由于幼魚的適應(yīng)性較弱,非恒定流對幼魚索餌場的影響也會對魚類的生存環(huán)境產(chǎn)生一定破壞;非恒定流對越冬場的影響較小,但長時間的調(diào)峰運行將使越冬場功能被削減。4.4水力要素最大小時變率由于日調(diào)節(jié)電站非恒定流對下游魚類產(chǎn)卵場影響較大,下文將重點研究不同峰荷流量持續(xù)時間對產(chǎn)卵場水力要素單位小時變化率的影響,表4為各方案產(chǎn)卵場水文要素的最大小時變率。由表4可知,方案1到方案2水力要素最大小時變率增幅較大,方案2、方案3、方案4水力要素最大小時變率基本相同。平均流速與水面寬度最大小時變率甚小,最大水深與動水區(qū)面積最大小時變率較大,易導致產(chǎn)卵場魚卵及魚苗擱淺、受日光曝曬而死亡。因此,為減緩產(chǎn)卵期日調(diào)節(jié)水電站對下游產(chǎn)卵場的影響,峰荷流量持續(xù)時間應(yīng)不超過1h,這樣可保證最大水深單位小時變率不超過2m,動水區(qū)單位小時變率在200m2左右,有效降低魚卵及魚苗的擱淺幾率。5日調(diào)節(jié)5座電廠調(diào)峰時間和峰荷流量持續(xù)時間將是下游棲息地保護的主要方向(1)通過對峰荷流量持續(xù)時間對典型生境斷面水力要素的影響研究可知,電站非恒定流對產(chǎn)卵場的影響最大,影響程度與斷面位置有關(guān)。為保證魚類的生存和繁衍,電站在魚類產(chǎn)卵期4-6月下泄峰荷流量持續(xù)時間應(yīng)在1h之內(nèi);對于受電站調(diào)峰影響較小的索餌場,為保證經(jīng)濟效益,峰荷流量持續(xù)時間可達到4h以上;在魚類越冬的11-1月,為有效減緩電站非恒定流對下游河道魚類越冬場的不利影響,峰荷流量持續(xù)時間一般在2h之內(nèi)。(2)對于日調(diào)節(jié)水電站,基于保證河流生態(tài)需水量的生態(tài)調(diào)度方案對于解決電站調(diào)度對下游棲息地的影響是遠遠不夠的,今后應(yīng)結(jié)合電站的調(diào)峰運行過程研究電站的生態(tài)調(diào)度方案。在有效范圍內(nèi)縮短峰荷流量持續(xù)時間將達到保護下游棲息地的目的,若持續(xù)時間縮短的幅度不夠,可能造成損失大量經(jīng)濟利益卻無法改善下游棲息地狀況的后果。(3)經(jīng)濟效益與環(huán)境效益的矛盾是現(xiàn)代社會的主要矛盾之一,