整改類小水電生態(tài)流量泄放措施研究

李有富

(永嘉縣水利局，浙江 永嘉 325100)

1 項(xiàng)目背景

永嘉縣小水電整改工作是在深入貫徹習(xí)近平總書記生態(tài)文化和十九大精神，以及在國(guó)家環(huán)保督查等督查中發(fā)現(xiàn)的小型水電違規(guī)建設(shè)、影響生態(tài)環(huán)境等突出問題的背景下進(jìn)行的。永嘉縣共清理整改100座小水電站，大部份為引水式電站，減脫水段長(zhǎng)度從0.1km至5km不等。其中退出類2座(楓林和西溪荊源)，總裝機(jī)容量840kW，占比0.5%，年均發(fā)電量200.6萬(wàn)kW·h，占比0.5%；保留類1座(沙頭)，總裝機(jī)容量2900kW，占比1.8%，年均發(fā)電量1171萬(wàn)kW·h，占比3.1%；整改類97座，總裝機(jī)容量162155kW，占比97.7%，年均發(fā)電量36470.1萬(wàn)kW·h，占比96.4%。

1.1 基本情況

永嘉縣位于浙江省東南部，甌江下游北岸，總面積2677.6km2。全縣水能資源理論蘊(yùn)藏量27.98萬(wàn)kW，現(xiàn)有投產(chǎn)運(yùn)行水電站97座(原100座水電站已退出3座，現(xiàn)有97座)，總裝機(jī)容量16.48萬(wàn)kW，開發(fā)量占比約59%。根據(jù)水利部等相關(guān)文件要求，永嘉縣委、縣政府高度重視，在上級(jí)部門的精心指導(dǎo)下，永嘉已對(duì)全縣97座水電站開展生態(tài)流量泄放動(dòng)態(tài)監(jiān)督管理。其中，95座水電站采用實(shí)時(shí)流量和視頻監(jiān)控共同監(jiān)測(cè)(寒坑二級(jí)、黃山2座水電站因現(xiàn)場(chǎng)無信號(hào)，數(shù)據(jù)由本地保存)，1座水電站采用視頻監(jiān)控監(jiān)測(cè)(沙頭水電站，利用魚道、電站尾水、閘門調(diào)度互動(dòng)放水方式泄放)，1座水電站(應(yīng)坑水電站)利用上游尾水發(fā)電，生態(tài)流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用上游下角水電站泄放數(shù)據(jù)。

(1)涉自然保護(hù)區(qū)及其他生態(tài)紅線情況.均不涉及自然保護(hù)區(qū)及其他禁止開發(fā)區(qū)，涉及其他生態(tài)紅線區(qū)4座，其中，涉及永嘉縣生態(tài)公益林水源涵養(yǎng)生態(tài)保護(hù)紅線3座(雙溪口、金雞、橋坑)，涉及永嘉縣楠溪江風(fēng)景名勝區(qū)生態(tài)保護(hù)紅線1座(建洋)。

(2)合法合規(guī)性.審批手續(xù)不齊全，需完善有關(guān)手續(xù)的8座，其中，1座電站(嶺頭小陳軒溪)需補(bǔ)辦立項(xiàng)審批手續(xù)，3座增效擴(kuò)容電站(雙溪口、毛竹、大岙坦)需補(bǔ)辦環(huán)評(píng)和環(huán)保驗(yàn)收手續(xù)，4座電站(楠泉、金山、佳溪、烏牛溪一級(jí))需補(bǔ)辦環(huán)保驗(yàn)收手續(xù)。

(3)生態(tài)流量核定。7座已核定(雙溪口、金溪一級(jí)、黃山溪一級(jí)、鄭莊、沙頭、大岙坦、烏牛溪二級(jí))，93座尚未核定，其中應(yīng)坑水電站利用下角水電站的尾水發(fā)電，未直接從河道引水，因此不需要核定生態(tài)流量。

(4)生態(tài)流量泄放設(shè)施。尚未設(shè)置的29座，其中應(yīng)坑水電站利用下角水電站的尾水發(fā)電，未直接從河道引水，因此不需要泄放設(shè)施；已設(shè)置的71座，其中滿足泄放要求的4座，不滿足泄放要求的67座。

(5)生態(tài)流量監(jiān)測(cè)。除沙頭水電站外其余99座水電站均未安裝生態(tài)流量監(jiān)測(cè)設(shè)施，其中應(yīng)坑水電站利用下角水電站的尾水發(fā)電，且不在縣級(jí)以上河道上，因此不需要安裝監(jiān)測(cè)設(shè)施。涉及省市縣三級(jí)河道上的水電站有28座(經(jīng)綜合評(píng)估，沙頭水電站被列為保留類，其余27座水電站被列為整改類)，根據(jù)浙江省要求需于2020年底前實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，其他水電站逐步實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。

(6)生態(tài)環(huán)境影響。均不涉及珍稀瀕危等國(guó)家及地方保護(hù)物種；除沙頭水電站已按規(guī)定建設(shè)魚道外，其他水電站均無魚道建設(shè)要求和魚類增殖放流要求；所有水電站植被恢復(fù)到位，不存在地表裸露情況，未發(fā)現(xiàn)存在漏油等污染水環(huán)境的現(xiàn)象。

(7)安全管理及運(yùn)行狀況。按規(guī)定應(yīng)進(jìn)行大壩安全鑒定的49座，未開展或尚未完成安全鑒定的13座。各站均已落實(shí)雙主體責(zé)任。單站裝機(jī)容量1000kW以內(nèi)的72座，均已開展安全生產(chǎn)年檢；單站裝機(jī)容量1000kW及以上的28座，均已通過安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)審。經(jīng)專家組現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核，現(xiàn)場(chǎng)安全管理及運(yùn)行狀況好的8座，較好的26座，一般的59座，較差的7座。

1.2 總體目標(biāo)

按照四部委文件、省級(jí)實(shí)施方案和指導(dǎo)意見要求的時(shí)間和質(zhì)量，對(duì)全縣轄區(qū)內(nèi)所有99座小型水電站編制“一站一策”工作方案，為永嘉縣2020年底前完成小水電清理整改工作提供可靠的技術(shù)依據(jù)。根據(jù)綜合評(píng)估分類結(jié)果，對(duì)于整改類電站，以合法合規(guī)性完善、生態(tài)流量核定、生態(tài)流量泄放設(shè)施增設(shè)或改造、生態(tài)流量監(jiān)測(cè)與監(jiān)管、安全隱患消除等方面為重點(diǎn)，逐站制定相應(yīng)的整改措施；對(duì)于退出類電站，以工程拆除、生態(tài)保障與修復(fù)、風(fēng)險(xiǎn)防范與化解、后續(xù)處置、退出協(xié)議簽訂等為重點(diǎn)，制定合理退出措施。

2 生態(tài)流量核定

永嘉縣97座整改類水電站中，除雙溪口、金溪一級(jí)、黃山溪一級(jí)、鄭莊、大岙坦和烏牛溪二級(jí)6座水電站已核定生態(tài)流量，應(yīng)坑水電站利用下角水電站尾水發(fā)電，未直接從河道引水，不存在生態(tài)流量相關(guān)問題外，其余90座均需核定生態(tài)流量。生態(tài)流量的計(jì)算主要分為生態(tài)基流和敏感生態(tài)需水計(jì)算兩方面。對(duì)于南方河流，生態(tài)基流宜采用“不小于90%保證率最枯月平均流量和多年平均天然徑流量的10%兩者之間的大值”進(jìn)行計(jì)算，從已批復(fù)的電站生態(tài)流量情況和部分電站計(jì)算結(jié)果比對(duì)看，采用“多年平均天然徑流量的10%”計(jì)算所得數(shù)值均大于采用“不小于90%保證率最枯月平均流量”計(jì)算所得數(shù)值。同時(shí)由于永嘉縣100座電站均不涉及國(guó)家重要濕地名錄、《全國(guó)重要江河湖泊水功能區(qū)劃》的重要敏感區(qū)水域，以及《全國(guó)主體功能區(qū)規(guī)劃》中明確的國(guó)家級(jí)或省級(jí)自然保護(hù)區(qū)、國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)等涉水的重要敏感區(qū)水域，因此不需要計(jì)算敏感生態(tài)需水量。永嘉縣境內(nèi)未核定生態(tài)流量的水電站的生態(tài)流量均按“多年平均天然徑流量的10%”進(jìn)行計(jì)算，最終由縣級(jí)水行政主管部門會(huì)同生態(tài)環(huán)境部門核定。

3 生態(tài)流量泄放設(shè)施的布置原則

泄放設(shè)施應(yīng)該布置在水電站壩址附近或盡可能的靠近壩址，其泄流能力應(yīng)滿足在水庫(kù)最低水位時(shí)仍不小于核定的最小下泄生態(tài)流量。有效解決因水電開發(fā)而導(dǎo)致的河道減水脫流問題，保障水電站攔河壩下游河道生態(tài)需水，為河流生態(tài)功能修復(fù)創(chuàng)造條件。

4 生態(tài)流量泄放設(shè)施方案

生態(tài)流量泄放設(shè)施的選用應(yīng)根據(jù)水電站開發(fā)類型，結(jié)合工程實(shí)際條件，在確保安全可靠的基礎(chǔ)上，遵循技術(shù)合理、經(jīng)濟(jì)適用的原則。一般情況下，生態(tài)流量泄放設(shè)施方案主要有：

4.1 利用引水建筑物改造泄流

對(duì)于通過渠道引水的水電站，可以在壩尾側(cè)壁適當(dāng)?shù)牡胤皆O(shè)置側(cè)堰或設(shè)置排水管，以排出生態(tài)流量；對(duì)經(jīng)隧道引水的水電站，可以采用現(xiàn)有的支洞進(jìn)行改建或新建泄流洞，設(shè)置排水管，以保證生態(tài)流量；對(duì)直接通過壓力鋼管引水的水電站，可在機(jī)組進(jìn)水控制閥旁通管上開孔并增設(shè)控制閥下泄生態(tài)流量。

4.2 利用攔河閘壩的工作閘門小開度泄流

對(duì)攔河壩為閘壩的水電站，可一孔或多孔閘門不完全關(guān)閉，控制一定開度下泄生態(tài)流量。閘門開度可通過閘門行程控制儀或在閘底板位置設(shè)置限位墩(水泥墩)等方式控制。

4.3 利用大壩原有的底孔設(shè)施改造泄流

對(duì)大壩原有的底孔設(shè)施(如導(dǎo)流底孔、排沙孔、水庫(kù)放空孔等)進(jìn)行技術(shù)改造，開設(shè)泄流孔，并增設(shè)控制閥，調(diào)節(jié)閥門開度下泄生態(tài)流量。

4.4 安裝生態(tài)虹吸管

若水電站存在無法利用引水建筑物進(jìn)行改造泄流、攔河閘壩小開度泄流、或大壩無底孔設(shè)施等情況，對(duì)于上游最低運(yùn)行水位至壩頂跨越高度較小的水電站，特別是壩體不宜開孔的大壩，可在壩體合適位置安裝生態(tài)虹吸管下泄生態(tài)流量。

4.5 增設(shè)大壩放水設(shè)施

在上述4種方案均不可行的情況下，可在壩體或兩岸岸坡開鑿泄流孔等設(shè)施，不間斷地從水庫(kù)取水泄放至大壩下游河道。

4.6 設(shè)置生態(tài)基荷或采用反調(diào)節(jié)調(diào)度泄流

對(duì)于大壩型水電站，在利用機(jī)組發(fā)電的情況下，可以不設(shè)專門的泄流設(shè)施，并依據(jù)上游來水情況、庫(kù)容、發(fā)電機(jī)組特點(diǎn)，優(yōu)化水庫(kù)的調(diào)度，確保電站至少有1臺(tái)機(jī)組不停地工作，利用基荷或反調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)下泄生態(tài)流量，并盡可能降低下游河道流量日內(nèi)變化。在特殊時(shí)段應(yīng)利用底孔、放空洞等設(shè)施泄流。

4.7 安裝生態(tài)機(jī)組

經(jīng)論證技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行的，可在靠近大壩下游的適當(dāng)位置建造能長(zhǎng)期單獨(dú)運(yùn)行、承擔(dān)生態(tài)下泄流量的生態(tài)機(jī)組。

5 增設(shè)泄放設(shè)施參數(shù)計(jì)算方法

5.1 渠道側(cè)墻上埋設(shè)放水管(泄流孔)

通過在渠道側(cè)墻上埋設(shè)放水管泄流，流態(tài)一般為自由出流，泄流示意如圖1所示。

圖1 渠道側(cè)墻埋設(shè)放水管泄流示意圖

根據(jù)管道自由出流公式，泄流管的泄流量為：

(1)

(2)

式中，μC—管道系統(tǒng)流量系數(shù)；A—管道截面積，m2，對(duì)圓管A=πD2/4；H—不包括行進(jìn)流速水頭的作用水頭，m；λ—管道沿程阻力系數(shù)；L—管道長(zhǎng)度，m；D—管道內(nèi)徑，m；∑ξi—各局部水頭損失系數(shù)之和。

假定泄流管進(jìn)水口布置在渠道底部，渠道內(nèi)最低運(yùn)行水位為泄流管內(nèi)徑的1.5倍，以盡可能地減少自由水面的旋轉(zhuǎn)以及避免摻氣漏斗等有害影響，降低泄流能力，則有H=D，代入公式(1)—(2)，經(jīng)過試算可得出泄流管內(nèi)徑D。

5.2 壓力鋼管上開孔泄流(泄流孔)

壓力鋼管上開孔泄流的示意如圖2所示，其過流能力也可按管道自由出流公式(1)—(2)進(jìn)行計(jì)算，但作用水頭H需根據(jù)水庫(kù)內(nèi)最低水位與壓力鋼管中心線高程之間的水頭差確定。

圖2 壓力鋼管上開孔泄流示意圖

5.3 大壩原有底孔設(shè)施改造，增設(shè)控制閥(泄流閥)

可按有壓管道自由出流公式(1)—(2)進(jìn)行計(jì)算。

5.4 生態(tài)虹吸管

如圖2所示，生態(tài)虹吸管過流能力可根據(jù)淹沒出流公式計(jì)算。

圖3 生態(tài)虹吸管布置示意圖

(3)

(4)

式中，∑Li—虹吸管的總長(zhǎng)度，m；∑ξi—計(jì)算段內(nèi)各局部水頭損失系數(shù)之和，包括管道出口水頭損失系數(shù)。

生態(tài)虹吸管的最大安裝高度不得超過最大允許真空度hυ(通常規(guī)定hυ不超過7m水柱高度)，即需滿足公式(5)要求：

(5)

式中，ZB—最高位置點(diǎn)B的高程，m；AB—上游水庫(kù)管道起始處點(diǎn)A與最高位置點(diǎn)B之間。

6 生態(tài)流量監(jiān)測(cè)與監(jiān)管

農(nóng)村水電站生態(tài)流量監(jiān)測(cè)分為實(shí)時(shí)流量監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)視頻監(jiān)測(cè)和靜態(tài)圖像監(jiān)測(cè)3種，監(jiān)測(cè)方式包括在線監(jiān)測(cè)和離線監(jiān)測(cè)兩種。根據(jù)浙江省實(shí)施方案和溫州市有關(guān)規(guī)定，省市縣三級(jí)水電站和縣級(jí)以上人民政府確定需要在線監(jiān)測(cè)的水電站，在2020年底前實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)流量在線監(jiān)測(cè)，條件允許的可同時(shí)實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)視頻監(jiān)測(cè)；其他水電站采用靜態(tài)圖像監(jiān)測(cè)，在條件允許的情況下，還可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)流量或動(dòng)態(tài)視頻監(jiān)測(cè)，并逐步實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。溫州市統(tǒng)一建立各小水電生態(tài)流量監(jiān)管信息平臺(tái)，面向縣級(jí)有關(guān)主管部門開放，接收各個(gè)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)信息，并將相關(guān)數(shù)據(jù)公開給上一級(jí)的平臺(tái)。永嘉縣水利局負(fù)責(zé)所有站點(diǎn)終端監(jiān)測(cè)設(shè)施的建設(shè)工作。永嘉縣97座整改類水電站中，除應(yīng)坑水電站利用下角水電站尾水發(fā)電，未直接從河道引水，不存在生態(tài)流量相關(guān)問題外，其余96座均需開展生態(tài)流量監(jiān)測(cè)，其中27座電站位于縣級(jí)以上河道，需實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)流量在線監(jiān)測(cè)，有條件的可一并實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)視頻監(jiān)測(cè)；其余69座電站可采用靜態(tài)圖像的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有條件的也可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)流量或動(dòng)態(tài)視頻監(jiān)測(cè)，并逐步實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。

7 生態(tài)流量泄放管理措施

加強(qiáng)對(duì)小水電流域水資源的科學(xué)論證，確保其最低泄洪流量滿足其最基本的生態(tài)流量要求；加強(qiáng)對(duì)小水電最低泄放流量的監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)對(duì)最低泄放流量的監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)對(duì)河道的監(jiān)測(cè)；要對(duì)相關(guān)泄放設(shè)備的操作和維修進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)最低泄放流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。要根據(jù)小水電的實(shí)際情況，制定合理的調(diào)度方案，確保小水電的最低泄放流量。針對(duì)多個(gè)小型水利設(shè)施，必須進(jìn)行統(tǒng)籌調(diào)度，并根據(jù)不同的控制功能，進(jìn)行水資源統(tǒng)籌調(diào)配、系統(tǒng)管理，合理地使用庫(kù)容，協(xié)調(diào)保證泄流滿足最低泄放流量要求。加強(qiáng)與電力部門的協(xié)調(diào)，合理安排枯水期的發(fā)電運(yùn)營(yíng)，適當(dāng)減少小水電參與電網(wǎng)調(diào)峰的機(jī)動(dòng)工作。小水電工程的調(diào)度，應(yīng)根據(jù)河道的自然來流量進(jìn)行泄放，以確保滿足最低泄洪需求，防止人為因素影響流域水環(huán)境狀況。

8 結(jié)語(yǔ)

小水電為永嘉縣的農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展、優(yōu)化農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)作出了重大的貢獻(xiàn)，但隨著環(huán)保的日益嚴(yán)格，小水電的攔河筑壩導(dǎo)致下游河道的減脫水現(xiàn)象也受到社會(huì)各界的關(guān)注，導(dǎo)致了很多人對(duì)小水電的妖魔化，想要盡快鏟除。然而，小水電是一種可再生的清潔能源，對(duì)我縣的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有很大的促進(jìn)作用。當(dāng)前，只要對(duì)小水電進(jìn)行合理科學(xué)的生態(tài)流量泄放和監(jiān)測(cè)，確保下游的生態(tài)用水需求，以及人與自然的和諧共存，小水電的發(fā)展前景還是很廣闊的。