[分享] 水利水电工程水资源论证中下泄基流的计算方法

2 河道内需水基流的计算方法

河道内需水基流,主要是河道内生态需水基流、环境需水基流、航运基流组成，其计算方法如下：
维持河道稀释自净能力所需水量的环境基流。主要是保持河流水环境容量的需水量，本文认为环境基流的计算可针对北方缺水地区与南方丰水地区的实际情况区别对待。对于北方缺水地区，通常可用Tennant法或90%保证率最枯月平均流量等进行计算确定。对于南方丰水地区，目前水资源突出问题是水质污染，水体对污染物质具有一定稀释、净化的能力，它能通过一系列物理、化学和生物作用，使污染物浓度逐渐降低，使水质恢复到原来状态，保持水域生态平衡，这称为水环境容量。水环境容量的大小，与水体水量以及水体对污染物的降解能力有关，水量越大、对污染物降解能力越强，则水环境容量也越大。
对许多河流来说，不要求污染源的排放量跟随水量的变化而变化，因此可采用稳态水质模型，计算设计流量下的环境容量。一般河流水功能区纳污能力可采用一维对流推移方程：
（1）
解得：
（2）上式中：C（x）为控制断面污染物浓度（mg/l）；C0为 起始断面污染物浓度（mg/l）；k为污染物综合自净计算（1/s）；x为排污口下游断面距控制断面纵向距离（m）；u为设计流量下岸边污染带的平均流速（m/s）。
污染物一般是沿河岸分多处排放的，每一河段内可能存在多个污染源。为简化计算，可将计算河段内的多个排污口概化为一个集中的排污口，该排污口位于河段中间点，相当于一个集中点源，该集中点源的实际自净长度为河段长的一半，设河段长度为L，则污染物自净长度为L/2。因此，对河段下断面，其污染物浓度为：
（3）故河段水功能区纳污能力为：
（4）上两式中，[m]为河段纳污能力（g/s）； 为河段设计流量（采用90%保证率最枯月平均流量或近10年最枯月平均流量，m3/s）。
对河流来说，当计算所得允许纳污量[m]小于河段实际纳污量时，为了使河段水质达到要求的水质标准，有两种解决方法：一是削减污染源的排污量；二是在经过环境规划分析或考虑治理污染的现实可能性后，认为河流必须接纳一定量污染物（此量超过允许纳污量）的情况下，可通过增加河流流量的方法，增加河流对污染物的稀释、自净能力，此时河流所需的流量Q0，即为维持河流一定量稀释净化能力的环境需水量。各河段Q0的大小，可通过（4）反求：
（5）上式中，Wp为河段必须接受的最小排污量（mg/s）。

②维持水生生物正常生长及保护特殊生物和珍稀物种生存所需水量的生态基流。对于河流生态水量的计算，目前在国际国内虽然流行多种计算方法，但至今尚无统一方法和标准，一般采用流量计算和生境分析的方法进行求算，由于各方法计算成果差异较大，采用单一计算方法可能产生较大误差，因此可采取多种方法计算，对计算成果进行比较，并结合生境分析来决定成果取值。常用的计算方法有：湿周法、曼宁公式（即R2CROSS）法、河道内流量增加珐、法国1/10多年平均流量法（又称法国乡村法）以及影响生物群落生态分析法等。

③航运基流（ ）。河道内保证保证通航要求的流量，根据不同航道等级的通航保证率加以确定，通航保证率为统计年限内高于和等于某一水位天数站全年天数的百分比。

④防止河流蒸发、渗漏量（ ）。对于大面积水体来说，水面蒸发是水量消耗的重要方式之一，如果水体得不到足够的水量补充，回使河流水位逐渐下降，丧失其应用的功能，生态环境将遭到破坏。因此为维持河流自身生态功能，应维持一部分水量，用于弥补水面蒸发的消耗。

对于此部分生态环境需水量的确定，应首先调查、测量水面面积，分析典型年的逐日水面蒸发深度，计算水体的蒸发水量，再扣除降雨量后，即为该水体的净蒸发水量，此为河流生态需水量的一部分。表示如下：
（6）式中，H为计算时段内水面蒸发深度（m）；A为计算时段内水体平均蓄水水面面积（m2）；P为计算时段内降雨量（m）。
当河道水位高于两岸地下水位时，河水将通过渗漏补给地下水。但对于常年有水的河道来说，河床含水率一般是饱和的，因此其渗漏损失可忽略。
当然这其中有重复部分，则河道内需水基流可以用下式计算：
（7）3 河道外需水基流的计算方法

河道外需水基流,主要是河道外生产生活需水基流与生态环境需水基流组成，其计算方法如下：

①河道外生态环境基流。河道外生态环境需水主要是指靠近河道两岸的城市生态系统中自然系统的需水量，定义为城市生态环境发挥正常功能的自然主体需水量，包括植被、河湖和地下水的需水量。需水主体自身存在和发展所需要的水量为生态需水量，保证生物生长和发育的各种外部环境条件，改善系统环境所需要的水量为环境需水量，两者虽然在定义上有所区别，实际上是相互联系，不可分离的。
河道外生态环境基流主要是指为改善或维护城市生态环境质量不至于进一步下降所需要的最低水量，包括公园湖泊需水、风景观赏河道需水、城市绿化和园林建设需水等，由人工投入和天然补给共同来满足。
城镇绿化需水、园林建设需水以及防护林草需水等以植被需水为主体的生态环境需水量，可采用定额预测方法；湖泊、城镇河湖补水等，以规划水面面积的水面蒸发与降水之差为其生态环境需水量。
②河道外生产生活需水基流，一般包括农业、工业以及生活需水，农业需水根据农作物播种面积以及相应的灌溉用水定额计算，并根据农业发展水平考虑节水潜力后确定；工业需水根据工业发展水平以及节水潜力，确定工业用水定额及需水量；生活需水根据社会发展水平以及节水潜力，确定生活用水定额及需水量。
考虑到无论生活需水、工业需水还是农业需水，都有一部分回归河道，真正影响径流量的只是消耗的那部分流量，因此在计算河道外生产生活需水基流时应将生产生活需水减去生产生活各项用水的回归水量。
4 下泄基流计算
下泄基流（ ）计算分两种情况确定，即当所在河段的河道外回归水量（ ）不小于该河段的河道内用水时，取下泄基流为该河段河道外用水流量；当所在河段的河道外回归水量小于该河段的河道内用水时，取下泄基流为该河段河道内用水流量与河道外耗水流量之和。表示如下：（8）
5 计算示例
以湖南省资水流域史家洲水电站工程为例，计算其下泄基流。史家洲坝址下游区间的水功能区为资水益阳开发利用区，起始断面为史家洲坝址，终止断面为资水甘溪港河口，主要功能为饮用水源、工业、农业用水区。
首先计算河道内需水基流。通过上述几种方法计算，并根据有关资料确定河段生态基流采用法国乡村法，史家洲坝址多年平均流量为755m3/s，因此河段生态基流为75.5m3/s。资水益阳开发利用区分为资水益阳西流湾饮用水源区与资水益阳赫山工业农业用水区，资水益阳西流湾饮用水源区全长18.3km，现状水质为Ⅲ类，远期（2020年）水质目标为Ⅲ类；资水益阳赫山工业农业用水区全长11.2km，现状水质为Ⅱ类，远期水质目标为Ⅲ类。考虑到COD和氨氮是该河段主要的污染因子，因此选择其作为计算的代表因子，经调查西流湾饮用水源区废污水入河量为2821.6万m3/a，其污染物质CODcr入河量为4275.7t/a，氨氮入河量为654.8t/a；益阳赫山工业农业用水区废污水入河量为3812.1万m3/a，其污染物质CODcr入河量为8629.7t/a，氨氮入河量为594.3t/a。该河段90%最枯月平均流量为98.6m3/s，CODcr的降解系数为0.16d-1，氨氮的降解系数为0.32d-1，经过环境规划分析，认为该河段益阳赫山工业农业用水区远期必须接纳30%的现状排污量，因此根据（5）式计算得到河段的环境基流为98.9m3/s。由于史家洲坝址下游河段为Ⅳ级航道，通航保证率为95%，而电站主要在调峰运行时才会关闸蓄水，而调峰主要在夜间，过往船只较少，因此航运基流可忽略。同时该河段水面面积不大，且处于降水较多的南方地区，河道蒸发量也可忽略。因此确定河道内需水基流为98.9m3/s。
其次计算河道外需水基流。根据有关资料分析史家洲坝址下游区间河道外生产生活远期需水量为71.6m3/s，回归水量为68.1 m3/s。考虑到河道外生态环境基流所占河道外需水基流比重不大，且大部分可以通过本地区较多的降水补给，因此河道外生态环境基流不再单独计算。
电站下泄基流为河道外需水基流与河道内需水基流之和，由于河道外回归水量为68.1 m3/s，小于河道内用水流量，故采用（8）式计算河段下泄基流为102.4 m3/s，考虑到枯水期坝址下游区间来水量很少，因此可确定电站下泄基流为102.4 m3/s。但由于史家洲下游有益阳火电厂，为了满足其61.5 m3/s的取水要求，根据《益阳电厂二期水资源论证报告》，要求河道远期最小日平均流量应达到130m3/s。史家洲电站上游至柘溪区间的所有梯级均要求下泄130 m3/s的基流，即当柘溪下泄日平均流量大于130 m3/s时，史家洲电站应下泄130m3/s，当柘溪下泄日平均流量小于130 m3/s时，史家洲电站应来多少泄多少，因此史家洲电站的下泄基流为130m3/s，该流量已经通过湖南省水利厅组织的专家评审。

[ 本帖最后由 shuli67 于 2012-9-18 14:00 编辑 ]