山區(qū)壩式水電站水資源量論證研究

朱靜,何錦峰,劉元帥,代蔭,王海燕,候俊麗

(1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院,重慶 400074;2.重慶市國(guó)土資源和房屋勘測(cè)規(guī)劃院,重慶 400020;3.重慶市科學(xué)技術(shù)研究院 重慶低碳研究中心,重慶 401123)

山區(qū)壩式水電站水資源量論證研究

朱靜1,何錦峰1,劉元帥2,代蔭2,王海燕3,候俊麗3

(1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院,重慶 400074;2.重慶市國(guó)土資源和房屋勘測(cè)規(guī)劃院,重慶 400020;3.重慶市科學(xué)技術(shù)研究院 重慶低碳研究中心,重慶 401123)

以陜西省黃龍溝水電站工程為例,論述了利用參證法確定壩式水電站年來(lái)水量及其年內(nèi)分配的計(jì)算方法,重點(diǎn)闡述了來(lái)水量計(jì)算的設(shè)計(jì)頻率、參證站選取,以及修正系數(shù)的合理性、有效性、可靠性,并基于流域環(huán)境安全及生態(tài)健康理念,探討了生產(chǎn)生活、生態(tài)、景觀用水需求;通過(guò)計(jì)算可利用水資源量確定了該電站的合理取水量;提出了山區(qū)壩式水電站水資源量論證中的關(guān)鍵問(wèn)題及解決措施.

山區(qū);壩式水電站;水資源量;論證;參證法

我國(guó)山區(qū)水能資源豐富,水電站數(shù)量眾多,其結(jié)構(gòu)形式主要為壩式水電站.壩式水電站通過(guò)攔河筑壩蓄水,利用大壩前后水頭差發(fā)電,改變了河流的自然生態(tài),對(duì)水資源及水生態(tài)有較大的影響.由于山區(qū)地形地貌復(fù)雜多樣,生態(tài)環(huán)境敏感,進(jìn)行壩式水電站建設(shè)工程的水資源論證.對(duì)于合理開(kāi)發(fā)水資源,保護(hù)水環(huán)境,協(xié)調(diào)水電站開(kāi)發(fā)與流域自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)關(guān)系具有重要意義[1].

本文以陜西省黃龍溝水電站工程為例,分析該建設(shè)項(xiàng)目對(duì)水資源的影響,旨在闡明水資源論證的核心及主要內(nèi)容,為更好地進(jìn)行山區(qū)壩式水電站項(xiàng)目水資源論證提供參考.

1 壩式水電站水量論證的關(guān)鍵問(wèn)題

1.1 來(lái)水量確定的復(fù)雜性

鑒于山區(qū)水量受豐枯季節(jié)交替影響,來(lái)水量的確定應(yīng)當(dāng)結(jié)合山區(qū)水電站所在流域的地形、地貌、植被和地質(zhì)構(gòu)造,選擇資料可靠的水文站進(jìn)行年徑流量及年內(nèi)分配計(jì)算.其復(fù)雜性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)由于流域面積大以及地理位置的特殊性,大多山區(qū)沒(méi)有或少有水文站,且長(zhǎng)期實(shí)測(cè)資料缺乏,甚至無(wú)實(shí)測(cè)資料;

2)采用水文比擬等方法推求流域年徑流量時(shí),所選擇的參證站及實(shí)測(cè)資料的可靠性、設(shè)計(jì)流域與參證流域的相關(guān)性較難把握;

3)天然徑流量主要包括實(shí)測(cè)徑流量和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河川徑流影響的徑流量?jī)刹糠?而通常在確定來(lái)水量時(shí),僅依據(jù)于水文站的實(shí)測(cè)資料,很少考慮人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域徑流影響的徑流量.

1.2 水資源多功能的難協(xié)調(diào)性

水資源的多功能性體現(xiàn)于在滿(mǎn)足水庫(kù)發(fā)電用水的同時(shí),必須保證其他用水.在水資源協(xié)調(diào)中,確定一些保障性用水量至關(guān)重要.主要包括：

1)采用定額法確定項(xiàng)目流域內(nèi)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、旅游業(yè)等生產(chǎn)性用水量.

2)在水庫(kù)建成運(yùn)行后,水庫(kù)取水不能對(duì)下游生態(tài)用水造成影響.為此,必須做好實(shí)地勘察工作,嚴(yán)格按照《建設(shè)項(xiàng)目水資源論證導(dǎo)則》[2]和當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門(mén)相關(guān)規(guī)定,確定最小下泄流量,使其大于生態(tài)基流,以保證流域生態(tài)用水.

3)實(shí)地調(diào)查流域景觀用水需求量.

1.3 水電站與流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的低耦合性

水電站建設(shè)項(xiàng)目與所在流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)在水量利用上存在的低耦合性,表現(xiàn)在由于用水主體不同、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)不同,水資源利用方案不同等.導(dǎo)致水電站高利潤(rùn)的取水方案對(duì)于流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)而言并非最佳方案.這就要求在確定水電站運(yùn)行及管理所需水量的同時(shí),必須充分考慮對(duì)流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響,如庫(kù)區(qū)淹沒(méi)范圍、移民,以及可能產(chǎn)生的生態(tài)災(zāi)害等問(wèn)題[3].在此基礎(chǔ)上,制定一個(gè)合理的水資源利用方案,以在最大程度上確保水電站建設(shè)項(xiàng)目與流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的和諧發(fā)展.

2 黃龍溝水電站工程概況

2.1 總體布置

黃龍溝水電站為無(wú)調(diào)節(jié)能力的徑流式引水電站,由擋水建筑物、引水建筑物、發(fā)電廠區(qū)三大部分構(gòu)成.其中擋水建筑物主要由大壩、沖沙閘組成.黃龍溝電站共有2座攔水壩,大壩壩址分別位于黃龍溝叉灣和深子溝興隆寨處,攔蓄黃龍溝、深子溝溝谷來(lái)水;引水建筑物主要包括黃龍溝大壩和深子溝大壩至壓力前池(位于白家鄉(xiāng)茅坡)的引水暗渠,及從前池至發(fā)電廠房的壓力管道;發(fā)電廠區(qū)位于白家鄉(xiāng)大坪村(鎮(zhèn)坪至安康公路右側(cè)的南江河畔),距鎮(zhèn)坪縣城區(qū)25 km,距鎮(zhèn)坪縣白家鄉(xiāng)約6 km.

2.2 工程特性

1)防洪標(biāo)準(zhǔn).黃龍溝水電站無(wú)防洪及其他要求,對(duì)于正常高水位的確定主要是考慮壩址處河床高程及取水要求,且能充分利用水頭,將其確定為1220.00 m.

2)設(shè)計(jì)發(fā)電能力.水電站設(shè)計(jì)引用流量為0.625 m3/s,裝機(jī)容量2 500 k W,多年平均年發(fā)電量為793萬(wàn)k W·h,年利用小時(shí)數(shù)3 192 h,為Ⅴ等小(2)型工程.

3)運(yùn)行調(diào)度.水庫(kù)正常水位1 220.00 m.黃龍溝大壩校核洪水位為1221.48 m;深子溝大壩校核洪水位為1 221.432 m,庫(kù)容較小.庫(kù)區(qū)校核洪水位以下為林地;引水渠道和壓力管道永久占地為林地,壓力前池永久占地為旱地,廠房永久占地為荒地.故該項(xiàng)目無(wú)庫(kù)區(qū)淹沒(méi),不存在移民問(wèn)題.

2.3 流域水文

黃龍溝、深子溝流域均為南江河一級(jí)支流.流域內(nèi)雨量充沛,年際變化小,根據(jù)《水文手冊(cè)》估算,黃龍溝、深子溝壩址處多年平均降雨量應(yīng)為1 010 mm.黃龍溝壩址控制流域面積為6.09 km2,深子溝壩址控制流域面積5.81 km2.黃龍溝和深子溝流域平均比降較大,水能資源豐富,目前尚未進(jìn)行水能資源開(kāi)發(fā).

3 黃龍溝水電站來(lái)水量計(jì)算

3.1 參證站的選取

鎮(zhèn)坪縣南江河流域內(nèi)設(shè)有銀盤(pán)、鎮(zhèn)坪、牛頭店雨量站,無(wú)水文站.據(jù)此,宜用水文比擬法進(jìn)行推求.水文比擬法就是將參證流域的水文資料移置到設(shè)計(jì)流域上來(lái).移置的關(guān)鍵在于參證站的選擇,不僅要求參證流域具有較長(zhǎng)的、可靠的實(shí)測(cè)資料系列,而且須確保參證流域影響徑流的各項(xiàng)因素與設(shè)計(jì)流域具有相似性,即其主要影響因素如氣候、下墊面、人類(lèi)活動(dòng)等因素[4]應(yīng)與設(shè)計(jì)流域相近.經(jīng)過(guò)對(duì)黃龍溝及深子溝流域參證站進(jìn)行比選,鄰近流域的嵐河六口(佐龍溝)水文站最具優(yōu)勢(shì).該站是國(guó)家基本水文站,擁有1959年至今的觀測(cè)系列水文資料,水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范,資料經(jīng)過(guò)省級(jí)和流域機(jī)構(gòu)的審查,資料系列長(zhǎng),成果可靠.同時(shí),嵐河流域與洪石河流域發(fā)源于同一山脈(大巴山北麓),處于同一氣候區(qū),其地形、地貌、植被和地質(zhì)構(gòu)造基本相似.因此,本項(xiàng)目論證選用六口水文站作為參證站.

3.2 修正系數(shù)

為確保設(shè)計(jì)流域與參證流域具有較高的相似性和所用實(shí)測(cè)資料的可靠性,計(jì)算設(shè)計(jì)流域徑流量應(yīng)按下式進(jìn)行修正[5].

式中：Q為設(shè)計(jì)流域徑流流量,m3/s;A為設(shè)計(jì)流域面積,m2;R0為參證流域徑流深,mm;k為考慮不同因素影響時(shí)的修正系數(shù),分別為降雨量、下墊面、流域面積、人工徑流等要素.

在計(jì)算黃龍溝水電站壩址流域年流量時(shí),考慮到流域面積和降雨量與參證流域有較大差異,故對(duì)其進(jìn)行如下修正：

1)k1(面積修正系數(shù))為設(shè)計(jì)站黃龍溝、深子溝壩址與參證站六口水文站的控制流域面積之比.黃龍溝面積修正系數(shù)k11=6.09/1 749=0.003 482,深子溝面積修正系數(shù)k12=5.81/1 749=0.003 322.

2)k2(降雨修正系數(shù))為黃龍溝、深子溝壩址與參證站控制流域多年平均降雨量比值.本次論證壩址控制流域降雨量采用牛頭店雨量站多年平均降雨量983.1 mm;參證站采用流域內(nèi)6個(gè)雨量站多年均值的算術(shù)平均值999.1 mm.故降雨修正系數(shù)k2=983.1/999.1=0.984 0.

3.3 黃龍溝水電站來(lái)水量及年內(nèi)分配

黃龍溝水電站采用多年平均徑流量作為與設(shè)計(jì)保證率相對(duì)應(yīng)的徑流量。根據(jù)六口水文站不同頻率的年徑流量,按式(1)進(jìn)行修正,得到不同頻率黃龍溝水電站年徑流量,取其平均值作為該水電站多年平均來(lái)水量,即833.99萬(wàn)m3.

1)參證流域多年平均徑流量年內(nèi)分配.鄰近流域嵐河六口水文站為本項(xiàng)目參證站,其多年平均徑流年內(nèi)分配計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 嵐河六口水文站多年平均徑流量年內(nèi)分配Tab.1 Annual distribution of mean annual runoff of Liukou hydrologic station in Lan River 億3m

2)黃龍溝多年平均徑流量年內(nèi)分配.多年平均徑流的年內(nèi)分配根據(jù)六口站徑流年內(nèi)分配系數(shù)(表1)進(jìn)行計(jì)算.多年平均徑流量的年內(nèi)分配見(jiàn)表2.

表2 黃龍溝電站壩址多年平均徑流量年內(nèi)分配Tab.2 Annual distribution of mean annual runoff of Huanglonggou hydropower station 萬(wàn)3,m%

4 其他取水需求

4.1 生產(chǎn)生活用水需求

生產(chǎn)生活用水一般包括城鄉(xiāng)居民生活用水、工礦企業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水等.建設(shè)項(xiàng)目水資源論證主要分析工程實(shí)施對(duì)水資源和水環(huán)境的影響,水電站的評(píng)價(jià)影響范圍主要為大壩庫(kù)尾以下.據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì),黃龍溝與深子溝庫(kù)尾至其壩址,乃至壩址以下的南江河以及兩壩至廠房區(qū)間內(nèi)無(wú)人居住,沿河兩岸耕地極少,亦無(wú)牲畜養(yǎng)殖場(chǎng),基本沒(méi)有生產(chǎn)生活用水需要.

4.2 生態(tài)用水需求

黃龍溝水電站為徑流式電站,發(fā)電用水從取水口取水后,通過(guò)引水隧洞、前池和壓力管道進(jìn)入水輪機(jī)組進(jìn)行發(fā)電.引水發(fā)電使得電站取水樞紐至廠房區(qū)間的河段水體由原在自然河床變?yōu)樵谏襟w隧洞中流淌,形成減水河段,對(duì)河流原有生態(tài)環(huán)境造成了影響.為將這種影響控制在一定范圍乃至消除不利因素,確保下游生態(tài)用水,目前常采用生態(tài)基流理論,即通過(guò)控制下泄流量的方法以保障生態(tài)用水.

按照《建設(shè)項(xiàng)目水資源論證導(dǎo)則》要求和陜水電發(fā)[2007]6號(hào)文件《陜西省水利廳關(guān)于農(nóng)村水電站保證最小下泄流量有關(guān)問(wèn)題的通知》規(guī)定,維持水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定所需最小流量一般不應(yīng)小于河道控制斷面多年平均流量的10%.黃龍溝水電站壩址處多年平均流量為0.135 m3/s,則下泄生態(tài)流量不應(yīng)小于0.013 5 m3/s;深子溝水電站壩址處多年平均流量為0.129 m3/s,則下泄生態(tài)流量不應(yīng)小于0.012 9 m3/s.

4.3 景觀用水需求

經(jīng)過(guò)調(diào)查及分析流域規(guī)劃,流域內(nèi)現(xiàn)無(wú)景觀用水.

5 可利用水量論證

流域內(nèi)可開(kāi)發(fā)利用水量應(yīng)為流域來(lái)水量扣除該流域其他取水需求后的水資源量.對(duì)于黃龍溝水電站,經(jīng)計(jì)算黃龍溝壩址處多年平均年徑流量為427萬(wàn)m3,深子溝壩址處多年平均年徑流量為407萬(wàn)m3(見(jiàn)表2).項(xiàng)目《初設(shè)報(bào)告》選擇電站裝機(jī)容量2 500 W,設(shè)計(jì)黃龍溝、深子溝引用流量分別為0.121 5 m3/s和0.116 1 m3/s,扣除各自的生態(tài)基流后,計(jì)算出多年平均可利用量為750.60萬(wàn)m3.其中黃龍溝多年平均可供水量為384.30萬(wàn)m3,深子溝多年平均可供水量為366.30 m3.電站發(fā)電用水量分別為340.59、321.67萬(wàn)m3,因此來(lái)水量滿(mǎn)足電站用水要求.

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)黃龍溝水電站的水資源論證,探討了論證中的難點(diǎn)及應(yīng)予關(guān)注的問(wèn)題,基于當(dāng)前我國(guó)在水資源論證工作的問(wèn)題與不足,提出以下建議：

1)切實(shí)保證水文站選取的合理性與數(shù)據(jù)的可靠性.對(duì)于有水文站的流域,應(yīng)盡量選擇具有長(zhǎng)期實(shí)測(cè)資料的測(cè)站;對(duì)尚未建立水文觀測(cè)站的山區(qū),則應(yīng)選擇相似性高、相關(guān)性強(qiáng)的參證站,并保證實(shí)測(cè)資料的代表性和可靠性.

2)充分考慮水資源多功能性.在山區(qū)水資源論證中,應(yīng)注意充分考慮項(xiàng)目所在流域的工農(nóng)業(yè)用水需求,避免對(duì)自來(lái)水廠等工礦企業(yè)用水影響論證較多,而忽視對(duì)農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、航運(yùn)、河道管理、防汛、旅游業(yè)等用水的影響[6].

3)高度重視水資源開(kāi)發(fā)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響.在山區(qū)水庫(kù)水電站項(xiàng)目水資源論證中,要高度重視、切實(shí)協(xié)調(diào)好第三方關(guān)系,特別是要協(xié)調(diào)好與移民工作的關(guān)系,妥善、徹底地解決好移民問(wèn)題,避免存在遺留問(wèn)題.

4)加強(qiáng)水行政主管部門(mén)對(duì)水資源開(kāi)發(fā)利用的監(jiān)管.要嚴(yán)格執(zhí)行水資源論證與取水許可制度,加強(qiáng)對(duì)水資源的計(jì)量和水資源費(fèi)的征收.并按照誰(shuí)開(kāi)發(fā)誰(shuí)保護(hù)、誰(shuí)受益誰(shuí)補(bǔ)償?shù)脑瓌t,建立健全生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制及水權(quán)應(yīng)急機(jī)制,以在出現(xiàn)用水糾紛或矛盾時(shí),及時(shí)進(jìn)行有效處置.

[1] 付學(xué)功.建設(shè)項(xiàng)目水資源論證工作中的問(wèn)題及建議[J].水利發(fā)展研究,2010,10(5)：47-50.

[2] 中華人民共和國(guó)水利部.SL/Z 322—2005建設(shè)項(xiàng)目水資源論證導(dǎo)則(試行)[S].北京：中華人民共和國(guó)水利部,2005.

[3] 李迎春.小水電站建設(shè)對(duì)當(dāng)?shù)氐挠绊懷芯縖J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2007,49(10)：141-142.

[4] 詹道江,葉守澤.工程水文學(xué)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社,2007：208-220.

[5] 李廣賀.水資源利用與保護(hù)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002：49-51.

[6] 殷延波.淺談水資源論證工作中應(yīng)注意的問(wèn)題和解決對(duì)策[J].科技致富向?qū)?2011,19(35)：388.

Demonstration of water resource quantity of dam-type power station in mountain area

ZHU Jing1,HE Jin-feng1,LIU Yuan-shuai2,DAI Yin2,WANG Hai-yan3,HOU Jun-li3
(1.School of River and Ocean Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China;2.Chongqing Institute of Surveying&Planning for Land Resource&Housing,Chongqing 400020,China;3.Chongqing Research Center for Low Carbon and Environmental Engineering,Chongqing Academy of Science&Technology,Chongqing 401123,China)

Taking Huanglonggou hydropower station project in Shaanxi Province as an example,this paper discusses calculation method for annual inflow to the dam-type hydropower station and its distribution for each month within the year on the basis of referential evidence method with emphasis on designed frequency,selection of referential station as well as the validity,effectiveness and reliability of the correction coefficient.Based on the theory of environmental security and eco-health of the drainage basin,this paper discusses water demand needed to be guaranteed for production and life,ecology,as well as landscape.Reasonable water withdrawal is settled by calculating accessible water resource and key technology as well as relevant measures in demonstration of water resource quantity of dam-type power plant in mountain area is put forward.

mountain area;dam-type power plant;water resource quantity;demonstration;referential evidence method

TV 72

A

2095-3550(2014)01-0037-04

2013-09-16

朱靜,女,江蘇泰州人,碩士.

E-mail：864630729@qq.com

(責(zé)任編輯：趙國(guó)淮)