李 伟 朱阁晨 任泽垠2,

(1.南阳市河务处，河南 南阳 473007；2.南阳市水利建筑勘测设计院，河南 南阳 473003；3.河南灵捷水利勘测设计研究有限公司，河南 南阳 473003)

丹江是汉江的重要支流，其干流水力资源相对丰富，在河南省境内丹江干流上建有两座小型水电站，水力资源开发在为经济社会提供了清洁能源的同时也对下游河道生态造成了不利影响，其生态成本不容忽视。丹江下游分布有丹江湿地国家级自然保护区，保护丹江干流生态对于丹江湿地自然保护区的生态保护具有重要意义，而如何科学合理地确定丹江干流生态流量是一个重要的问题。本文通过多种方法对丹江干流生态流量进行了初步计算，并提出了保障措施和建议。

1 河道概况

1.1 河道流域情况

丹江是汉江最大的支流，是南水北调中线工程水源地丹江口水库主要入库河流。丹江发源于陕西省商洛市商州区秦岭中段南麓，流经陕西、河南、湖北三省，在丹江口汇入汉江，河流全长391km，流域面积16138km2,约占汉江总流域面积的1/10，占丹江口水库流域面积的17.4%。丹江在河南境内全长112km，全在南阳市淅川县境内，落差120m，河床比降1.1‰，河宽一般在500～800m，主要支流为老灌河、淇河和滔河。丹江口水库建成后，回水至大石桥乡磨峪湾附近。

1.2 丹江径流

丹江的径流主要由降雨形成。根据丹江荆紫关水文站1959—2016年实测资料分析，站址处多年平均径流量13.02亿m3，多年平均流量41.3m3/s，径流年际变化较大，最大年径流量为46.2亿m3(1964年)，最小年径流量0.79亿m3(2002年)，极值比达58.5。丹江径流年内分配十分不均匀，一般是4月开始涨水，5—6月水量增加，7月达到年内丰水期，一直延续到10月底开始降落，至第二年2月出现最枯流量；全年径流量主要集中在汛期7—10月，占全年径流总量的 50%～70%。

2 河道水力资源开发及水生态现状

2.1 水力资源开发情况

丹江干流的水力资源较为丰富，总水能资源理论蕴藏量达22.700万kW，可开发量12.760万kW，其中河南段理论蕴藏量9.196万kW，可开发量2.105万kW。目前河南境内丹江干流上建成两座水电站，由上而下分别为武当山水电站和清凉寺水电站，两者相距约30km。武当山水电站为引水式电站，清凉寺水电站为河床式电站，发电尾水退入河道，基本不消耗水，但会导致拦河坝至退水渠区间河段流量减少。目前两座水电站均没有专门的生态流量泄放和监测装置。

武当山水电站建成于2000年，在淅川县荆紫关镇丹江干流金斗沟口筑坝拦水，经9.6km引水渠道至武当山建电站厂房。拦河坝控制流域面积7060km2，引水流量51m3/s，设计净水头18.7m，水电站装机7500kW，多年平均发电量3510万kW·h，下游3km为荆紫关水文站。

清凉寺水电站建成于2017年，在淅川县寺湾镇党岗村淇河入丹江的汇合口下游丹江干流上建拦河坝，控制流域面积8943km2，引水流量79m3/s，水电站装机8000kW，电站厂房位于渠首坝左岸，下游6km为磨峪湾水文站。

2.2 水生态现状及存在的问题

武当山水电站建设较早，当时没有进行环境评价和水资源论证，为尽可能利用水能资源，未考虑下泄生态流量，使得电站引水后下游河道生态流量不足，水电站多年平均引水量37.9m3/s，占河道总流量的92%，河道内鱼类等水生生物稀少，干旱期坝后减水河段水量严重不足，甚至会出现断流现象。根据荆紫关水文站观测，曾出现2013年近6个月、2014年近8个月、2016年6个月河道断流现象，2007—2016年10年期间有77个月月均流量小于1m3/s，相当于1年中2/3的时间河道都处于极小流量状态，河道生态功能的退化，已经严重影响沿河群众的生产生活。

清凉寺水电站建成较晚，根据环评和水资源论证要求，需下泄8m3/s的生态流量。从实际运行看，河道水量大部分通过渠首坝左岸电站发电后由2.3km长的尾水渠泄入河道，少部分通过坝顶溢流泄入下游，目前对生态流量的泄放无法进行有效的监管。

3 生态流量的计算

3.1 生态流量的含义及计算方法

河道需保持一定的生态流量，这是维持河道生态功能的必要条件。河道生态流量是维持河流生态系统运转、保障河流水环境质量、维持水生态系统稳定的最小流量。

生态流量的计算方法主要有4种：水文学法(历史流量法)、水力学法、栖息地评价法和整体分析法。其中水文学法主要采用历史流量资料推算河道生态流量，常用方法有Tennant法、枯水频率法、流量历时曲线法等；水力学法主要通过水力学现场数据，分析河道流量与鱼类栖息地指示因子的关系，其常用方法有湿周法和R2-Cross法；栖息地评价法是将河段水力特性与某一给定生物种群偏爱的栖息地联系在一起，估计在不同流量条件下，给定生物种群栖息地的数量，常用的方法为河流流量增量法(IFIM法)；整体分析法从河流生态系统整体出发，根据专家意见综合研究流量、泥沙输移、河床形态与河岸带群落之间的关系，一般用于综合性、大流域生态需水研究。

3.2 丹江生态流量的计算

丹江干流河南段现有荆紫关和磨峪湾两个水文站，荆紫关水文站设立于1958年，集水面积为7086km2，由于武当山水电站引水影响较大，水文站同时观测电站引水渠水位、流量。磨峪湾水文站设立于2011年，位于大石桥乡G209丹江大桥上游，集水面积9113km2，为丹江口水库丹江流域入库控制水文站。

根据丹江实测水文系列较长的实际情况，本次主要采用水文学法中的Tennant法、枯水频率法、最小月平均流量法、流量历时曲线法分别计算生态流量。根据水文站点分布情况，分别以荆紫关站和磨峪湾站为代表断面，对应作为武当山水电站和清凉寺水电站坝址断面成果，其中磨峪湾水文站成果由荆紫关水文站成果按水文比拟法推算。

3.2.1 Tennant法

Tennant法即蒙大拿法，是目前应用最广泛的生态流量计算方法,是以历史流量为基础确定河道生态需水量的水文学方法,它采用年平均天然径流量的百分比作为推荐流量,在不同月份采用不同百分比来估算河道生态需水量。根据研究，对于大多数水生物而言，10%的平均流量是支撑短期生存栖息地的最小瞬时流量，当河流流量占年均流量的30%～60%时，河宽、水深及流速一般是令人满意的。本次计算一般用水期取多年平均流量的10%，鱼类产卵育幼期采用多年平均流量的30%。Tennant法计算结果见表1。

表1 Tennant法丹江生态流量计算成果

3.2.2 枯水频率法

枯水频率法主要是7Q10法，即90%保证率最枯月连续7天平均流量，国内一般采用7Q10改进法，即近10年最枯月平均流量或90%保证率最枯月平均流量，在我国环境影响评价中多用此方法。

a.近10年最枯月平均流量法：统计荆紫关水文站2007—2016年最枯月平均流量并取其均值，经计算，荆紫关断面生态流量为5.2m3/s，推算磨峪湾断面生态流量为6.7m3/s。

b.90%保证率最枯月平均流量法: 统计荆紫关水文站1959—2016年最枯月平均流量系列,并进行频率分析，采用P-Ⅲ型曲线进行适线，取均值8.7m3/s，Cv=0.65，Cs=2Cv，计算荆紫关断面生态流量为2.4m3/s，推算磨峪湾断面生态流量为3.0m3/s。

3.2.3 流量历时曲线法

利用历史流量资料绘制各月流量历时曲线，将某个累积频率相应的流量作为生态流量，频率P一般可取90%。本次计算采用90%保证率计算各月生态流量，根据荆紫关水文站逐月平均流量系列进行频率分析，得到各月90%保证率的流量，计算结果见表2。表2中磨峪湾站采用面积比法推算。

表2 历时曲线法计算各月生态流量(P=90%) 单位:m3/s

3.2.4 最小月平均流量法

以河道最小月平均流量的多年平均值作为河道基本生态需水量。按此方法计算，荆紫关断面生态流量为8.7m3/s，磨峪湾断面为11.2m3/s。

3.2.5 RVA法

RVA法是1997年由Richter在IHA(Index of Hydrologic Alteration)指标体系的基础上提出的，通过对比人类活动影响前后的河流水文情势，反映水利工程建设及运行对河流流量的影响程度，是基于IHA指标体系的一种评价和管理河道生态环境的方法。RVA法通过规定流量指标的RVA阈值(即上下限)来估算河流生态流量，通常将IHA各指标发生概率的75%和25%的值作为RVA的上下限。基于RVA法的生态流量计算公式为

S生态=S均值-(S上限-S下限)

式中:S生态为河道生态流量,m3/s；S均值为流量均值,m3/s；S上限为 RVA阈值上限,m3/s；S下限为 RVA阈值下限,m3/s。

计算结果详见表3。与流量历时曲线法相比，该法得到的结果整体偏小约40%。

表3 RVA 法计算的荆紫关站各月生态流量结果 单位:m3/s

3.2.6 计算结果比较

丹江干流生态流量不同计算方法结果对比见表4，从中可见，90%保证率最枯月平均流量法计算结果最小,Tennant法中一般用水期流量(取多年平均流量的10%)和近10年最枯月平均流量法计算结果较为接近，基本反映了河流最小生态需水的要求。历时曲线法和RVA法考虑了各月份来水流量的差异，Tennant法考虑了鱼类等生物不同生育阶段的需求，其中RVA法计算的结果偏小，建议综合历时曲线法和Tennant法成果制定逐月生态流量，为更科学指导生态流量下泄提供依据。

表4 丹江干流生态流量不同计算方法对比 单位:m3/s

3.3 推荐的生态流量方案

根据《水利部关于汉江流域水量分配方案的批复》(水资源〔2016〕262号)，丹江荆紫关控制节点的最小泄流流量为5.1m3/s(相当于荆紫关站多年平均流量的12.3%)，清凉寺水电站按环评批复及水资源论证要求，应确保下泄不小于8.0m3/s(相当于磨峪湾站多年平均流量的15.1%)的生态流量。

结合本次分析计算，认为上述流量基本可满足河流最小生态需水，建议有关主管部门协调武当山水电站在引水发电的同时要确保下泄不小于5.1m3/s生态流量，清凉寺水电站应下泄不小于8.0m3/s生态流量；如果天然来水小于上述最小生态流量，水电站应停止发电，按天然来水下泄。同时，考虑不同月份天然来水的差异性和生态需求，建议在鱼类产卵育幼期加大下泄流量，下泄流量可根据Tennant法和历时曲线法结果择优选定，两者逐月比较取其大值。各月生态流量见表5。

表5 推荐采用的各月生态流量成果 单位:m3/s

4 生态流量的保障措施

为保护丹江干流生态，保障生态流量按照标准泄放，有关部门应加强水资源管理，尤其是规范小型水电站管理，严格审批新建河道内取用水项目，已建水电站要完善水资源论证及环境评价手续，不满足要求的应实行生态改造、枯水期限制运行等措施。应要求水电站管理单位提出保障生态流量的措施和调度方案，按照审批的生态流量方案保证下泄，恢复河道水生态，保证不因发电导致下游减水河段断流和水生态环境的恶化。

结合丹江干流已建水电站实际，为保证水电站生态流量泄放，目前较为简单可行的方案是采用冲沙闸下泄生态流量。建议短期内开启拦河坝冲沙闸下泄生态流量，适时启动改造渠首坝、增设专门的生态泄流孔保障下泄生态流量。同时要加强下泄流量监控，近期可结合水文站观测与河道现有视频装置进行监控，应专门增设水电站生态泄流在线实时监测设施。鉴于丹江下游为国家级湿地保护区，建议有关部门对水电站下游的生态环境和生物多样性进行持续监测评估，并根据评估情况进一步完善生态流量泄放方案。

5 结 语

丹江干流水力资源丰富，水电开发为经济社会发展提供了清洁能源，同时也不容忽视对下游河道生态环境产生的不利影响，科学安排下泄生态流量是生态文明建设的必然要求。本文根据丹江河道河南段实际，进行丹江生态流量计算分析，提出了河道生态流量数值及保障措施的有关建议，可供有关主管部门参考应用，也可为其他河道生态流量计算提供参考。