天花板水電站水資源分析與研究

李正原

（中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京 100024）

0 引言

牛欄江位于云南省滇東北地區，是金沙江右岸一條較大的一級支流，發源于云南省昆明市嵩明縣楊林鎮，流向大體為由南向北。流經云南省的嵩明縣、馬龍縣、尋甸縣、沾益縣、宣威市、會澤縣、魯甸縣和巧家縣昭陽區等9個縣、市、區和貴州省威寧縣，在昭通市的麻耗村附近匯入金沙江。流域呈南北向狹長形。牛欄江水量大、水質良好、水能豐富。上游段地形寬闊，人口密集，工農業生產發達，用水需求量大，并且是鄰近城市的重要水源地。下游段河谷深切，水流湍急，兩岸分水嶺高出水面約1 750～2 500 m，山坡陡峭，河段落差分段集中，耕地稀少，間有較為開闊的山坡臺地，多種植旱作物，沒有灌溉、供水、防洪等綜合利用要求，是較為理想的水電開發河段。

根據規劃報告，干流從黃梨樹至河口的下游段擬進行兩庫十級開發。天花板水電站位于云南昭通市魯甸縣，在流域中下游 “兩庫十級”的梯級開發方案中處于第7級。隨著上游地區經濟發展及調水工程的逐步興建，下游水資源量將有明顯變化，分析規劃水平年的水資源變化情況，對電站開發具有重要意義。

1 工程概況及水資源利用情況

天花板水電站工程為三等中型工程，主要建筑物為3級，次要建筑物為4級。該電站屬于不完全季調節水庫，裝機180 MW，2臺機組，單機容量為90 MW，保證出力為41.7 MW，年利用小時數為4 649 h，年發電量為8.368億kW·h，靜態總投資為103 145萬元。電站位于落差比較集中的河段，開發任務單一，以發電為主。

1.1 項目取水方案

天花板水電站于施工期的第4年3月初導流洞下閘封堵，3月下旬水庫開始蓄水，蓄水起始水位不低于991 m，可直接蓄至1 050 m，需要蓄水量約3 000萬m3，蓄水時間約需要8～9.5 d，可以滿足第一臺機組月底投產運行的要求。

在正常運行期間，電站一臺機組發電流量為116.2 m3/s，所有機組滿發時引水流量為232.4 m3/s，多年平均年發電引用流量約為35.9億m3；但這部分水量僅是推動水輪機組發電，并不消耗水資源。

1.2 項目退水方案

天花板水電站的退水主要由施工期和運行期兩部分組成：

（1）施工期生產廢水主要是砂石料加工系統廢水、混凝土系統廢水、灌漿廢水及基坑廢水。施工廢水經處理后重復使用；排放到河道的主要為基坑廢水，經處理后滿足排放標準的基坑廢水可以就近排放到河道。生活污水在電站施工期以平均人數1 600人，高峰人數2 200人計。施工期生活用水總量為19.06萬m3，高峰用水量為183 m3/d。生活污水經處理達標后，將用于農林澆灌及施工區灑水降塵，均不入河排放。

（2）天花板水電站運行期退水方案：進水口→引水隧洞→調壓井及壓力管道→水輪發電機組→尾水→牛欄江干流。該水電站建成后，退水總量約等于取水總量。建設項目為水力發電，是潔凈能源，運行期不產生生產廢水。電站投入運行后，將有101個人的定員編制，污水量按120 L/（人·d）計，年生活污水排放總量約為0.442萬m3。生活污水經處理達標后回用于辦公生活區的綠化澆灌，不排入河道。

2 項目所在區域的水資源狀況以及開發利用現狀

2.1 流域水資源狀況

牛欄江流域面積為13 672 km2，干流全長440 km，總落差1 725 m，多年平均流量154 m3/s，多年平均徑流量48.6億m3。

天花板水電站壩址位于小河水文站上游，控制流域面積為12 711 km2，占小河站流域面積的96.8%。壩址多年平均流量約143 m3/s，多年平均徑流量約45.1億m3。徑流主要以大氣降水補給為主。流域的產水量從上游到下游隨降水量逐漸增大，流量年內和年際分配都不均勻，來水主要集中在汛期內，豐枯比為4倍。

2.2 水資源開發利用現狀

牛欄江流域內多年平均水資源總量449 786萬m3（云南省部分），人均水資源量為2 396 m3。其中，上游段水資源總量227 298萬m3，人均水資源量為2 244 m3；下游段水資源總量222 488萬m3，人均水資源量2 574 m3。流域內水資源分布不均，山區人少、地少、水多，壩區人多、地多、水少。上游段開發利用程度為13.5% （嵩明大型灌區達到了55.5%），遠高于云南省現狀6.4%的開發程度。整個牛欄江流域內只有下游段的開發較少，低于全省平均水平。這是該地區沒有各縣的主要經濟區，地形上是山高坡陡的高山峽谷區，農村經濟普遍落后的真實反映。

牛欄江流域內現有水庫工程1 001處。其中，中型水庫7座，小 （一）型水庫58座，小 （二）型水庫及壩塘936處，95%的已建水庫工程都集中在上游。根據牛欄江流域及相關地區各地的水資源情況、建庫條件，結合需水預測，以現狀水資源開發利用狀況為基礎，以當地水資源可利用量為控制上限，并考慮各水源點供水對象對水質的要求，經規劃牛欄江流域擬新建、擴建中型以上水庫5座，分別為蘇斗河、阿浪、罩子河水庫和下官山水庫。

牛欄江水資源綜合利用規劃除要滿足本流域各部門用水要求外，為支持曲靖、宣威以及昆明地區的經濟發展，緩解當地的用水矛盾，還要向這三地調水。

2008年12月，云南省人民政府批準了云南省水利水電勘測設計研究院編制的 《牛欄江流域 （云南省部分）水資源綜合利用規劃修編報告》，水電開發仍采用原規劃報告中牛欄江干流段黃梨樹以下“兩庫十級”的梯級開發方案。

天花板水電站是牛欄江中下游梯級開發規劃的第7級，是牛欄江下游梯級中開發條件較好的一個梯級。

2.3 水質現狀

水質現狀評價結果顯示，天花板水電站壩址斷面和天花板水電站庫尾斷面的水質均不能滿足GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅱ類水質標準的要求。其所反映的指標主要為總磷和總氮超標，溶解氧低于標準值。另外，飲用水指標中的總錳超標。

3 區域水資源開發利用存在的主要問題

（1）水資源開發利用的地區差異性。水資源利用不均衡，山區用水少的地方人均占有水資源量大，壩區需要大量用水的地方人均占有水資源量卻相對較低。

（2）工程性缺水和資源性缺水共存，主要經濟區以資源性缺水為主。目前，流域內的中型及以上水庫主要集中在七星橋以上流域，缺乏調度和調節能力強的水庫，也未形成梯級聯動開發，水資源開發利用程度較低。缺水程度與各地的經濟結構、供水組成、用水水平、水資源開發程度等有關，經濟較為發達的南盤江曲靖壩區、牛欄江源頭段的嵩明壩兩個片區，水源工程是以中小型水庫和塘壩為主，調節控制徑流的能力強，水資源開發程度高，為資源性缺水。其余的牛欄江下段還是以引水供水為主，開發程度低，水資源有待進一步開發利用，為工程性缺水區域。

（3）主要經濟區水資源開發程度超限。牛欄江源頭段的嵩明壩、滇池流域和南盤江曲陸壩區三片的開發程度超過了合理上限，并隨之產生了部分水環境惡化，其余牛欄江下游段的開發程度在7%～8%左右，水資源開發的潛力和余地較大。滇池流域、南盤江曲陸壩區及牛欄江上段昆明境內等地區的缺水形勢將會在未來逐漸加劇，資源性缺水只能依靠外流域調水工程解決。

（4）主要河流湖泊水質惡化。區域內水質狀況不容樂觀，上游區開發利用程度高，廢污水未達標排放、排放總量逐漸增大，導致水環境狀況惡化。根據2005年的 《云南省水資源公報》，牛欄江流域及相關地區內的主要河流盤龍江的溶解氧、氨氮、BOD5含量達到Ⅴ類或劣Ⅴ類水質標準。

4 來水量分析

天花板水電站上游有在建的洪石巖水電站，該水電站規模較小，庫容不大，為徑流式電站，對徑流時空分配基本無影響。上游規劃梯級象鼻嶺水電站正常蓄水位1 405 m，調節能力較強，為年調節水庫，總庫容2.75億m3。規劃水平年來水量，將考慮象鼻嶺水電站的調蓄影響。

（1）現狀水平年來水量分析。天花板水電站位于小河水文站上游，控制流域面積為12 711 km2，比小河站流域面積小419 km2，占電站流域面積的3.2%。可以將小河站設計年徑流成果按面積比轉換到電站壩址處。該電站各典型年的徑流年內分配見表1。在最枯期的2月，保證率P=90%的流量為44.2 m3/s，月來水總量為13.9億m3。電站在汛期水量豐沛時，機組可以滿負荷發電；在枯期時，電站將根據電網情況和來水量情況進行調度和發電。總體說來，天花板水電站的來水量較為豐富，電站正常生產和運行的水量可以得到保證。

（2）規劃水平年來水量分析。根據牛欄江流域的水資源開發規劃，牛欄江將承擔向曲靖、宣威以及昆明滇池調水的任務。大部分調水工程將于2020年完成，部分工程于2030年完成。上游調水后將使下游梯級電站發電水量減少：2020水平年調水量約為9.92億m3，壩址水量減少約22%。考慮上游象鼻嶺等水庫調蓄和調水影響后，各典型年的徑流年內分配見表1。

表1 天花板電站典型年徑流年內分配 m3/s

5 用水量及可供水量分析

5.1 電站現狀水平年用水量

牛欄江流域在七星橋以上，有農業灌溉和水庫蓄水等人類活動影響，用水以城鎮生活及農業灌溉等河道外用水為主；七星橋以下流域僅少量的農業灌溉和農村生活用水都是分散自備水源解決，水資源開發主要是河道內的水力發電。因此主要考慮七星橋以上的人類活動情況，七星橋水文站年還原水量在3 000萬～13 000萬m3之間，豐水年還原水量小，枯水年還原水量大，還原量的大小與河流情勢相符合。但由于牛欄江流域引用水量主要是農業灌溉，因此灌溉用水回歸后至下游小河站還原后的多年平均流量為148 m3/s、年來水量為46.7億m3，與實測多年平均流量145 m3/s、年來水量45.7億m3相差不大 （約2%左右）。所以，天花板水電站現狀水平年在進行水資源配置計算中，不考慮水量的還原，采用實測成果計算。

根據依據水文站計算的壩址豐、平、枯各典型年徑流過程，經徑流調節計算，得到天花板水電站現狀水平年各典型年水資源配置見表2。

5.2 流域規劃水平年用水量

（1）社會經濟發展情況預測。牛欄江流域2005年總人口187.7萬人，城鎮人口20.9萬人，城鎮化率11.1%；預測2020年流域內總人口269.3萬人，其中城鎮人口126.4萬人，城鎮化率46.9%。該流域2005年GDP總量65.1億元，預測2020年GDP總量為286.5億元，年均遞增10.4%。流域現狀耕地面積27.273萬hm2，占全省耕地面積的4.8%。人均占有耕地0.156 hm2，比全省平均水平高0.02 hm2。根據流域內各縣土地利用總體規劃，預測2020年流域耕地凈減少量為1.24萬hm2，則2020年流域內總耕地面積為27.37萬hm2。

（2）需水量預測。分生活 （城鎮生活、農村生活）、生產 （農業、工業、建筑業及第三產業）、生態 （城鎮生態環境）用水對牛欄江流域進行需水量預測，昆明航空城按總體規模計算需水量。分析結果：2005年牛欄江流域多年平均需水量為73 342萬m3，2020年需水量為97 914萬m3，增加了24 572萬m3，到2030年需水量為104 624萬m3，又增加了6 710萬m3。由此可看出，增加的幅度不大，并且增加的用水量也主要用于農業灌溉，考慮灌溉用水回歸后至下游小河站的還原水量也較小。因此，天花板水電站規劃水平年水資源配置計算中不考慮引用水量增加的這部分。

表2 天花板水電站各典型年發電用水過程及棄水線m3/s

5.3 電站規劃水平年用水量

天花板水電站的主要任務就是發電，無工業用水和農業灌溉等其他任務。到了2020規劃水平年，由于上游調水工程的興建，牛欄江流域水量比現狀減少約9.92億m3，壩址水量減少約22%。在考慮上游象鼻嶺等水庫調蓄和調水影響后，2020年涼風臺電站水資源配置見表3。

5.4 可供水量分析

在牛欄江七星橋以上流域，有農業灌溉和水庫蓄水等人類活動影響，用水以城鎮生活及農業灌溉等河道外用水為主。考慮七星橋以上的人類活動情況，七星橋水文站年還原水量在3 000萬～13 000萬m3，豐水年還原水量小，枯水年還原水量大。小河站還原后的多年平均流量為148 m3/s，年來水量為46.7億m3，與實測多年平均流量145 m3/s，年來水量45.7億m3相差不大。

天花板水電站為季調節水庫，運行過程中蒸發、滲漏損失較小，基本無水資源消耗。水電站僅對季內來水過程進行重新分配，將水能轉化為電能，不存在耗水。因此電站實際來水量即為項目的可用水量。

表3 涼風臺水電站各典型年發電用水過程及棄水線 m3/s

6 結語

牛欄江域現狀水資源開發利用程度7.0%，到了2020年規劃水平年，由于上游調水工程的興建，牛欄江流域約減少9.92億m3的水量。隨著上游水資源開發利用程度的提高，在2020年以前調水對下游梯級電站的影響較小，到2030年影響逐漸加大；直至電站運行后期，總體影響不大。

經初步測算，牛欄江上游調水后，天花板水電站2020水平年的多年平均發電量為7.627億kW·h（聯調），減少8.05%； 2030水平年的多年平均發電量為6.443億kW·h（聯調），減少22.33%。

天花板水電站工程建設符合國家的產業政策和當地的水資源配置要求。水電站是一種無水資源消耗的清潔能源，工程的興建對下游用水戶基本沒有影響。從該地區水資源方面分析，在取水和退水環節均不會對周圍產生大的不利影響。建設期和運行期應加強水質監測及生態環境保護工作，嚴格執行 《云南省水功能區劃》，加強對水功能區的管理工作，使得環境保護措施得以實施，保護水資源質量。