農(nóng)村水電站最小下泄流量研究探討

李小強，劉建新

(1.江西省農(nóng)村水電電氣化發(fā)展局，江西 南昌 330009；2.江西省水文局，江西 南昌 330002)

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農(nóng)村水電站最小下泄流量研究探討

李小強1，劉建新2

(1.江西省農(nóng)村水電電氣化發(fā)展局，江西 南昌 330009；2.江西省水文局，江西 南昌 330002)

為提高水能資源管理的規(guī)范化、標準化、精細化水平，江西省開展了農(nóng)村水電站最小下泄流量監(jiān)測研究工作，提出了分析計算最小下泄流量的合理方法，建立了最小下泄流量的推算模型，以期為“綠色水電”建設(shè)提供實證數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

農(nóng)村水電站；下泄流量；研究；探討；江西省

1 問題的提出

1.1 主要生態(tài)問題

江西省水能資源較為豐富，理論蘊藏量685萬kW，技術(shù)可開發(fā)量633萬kW，其中農(nóng)村水電技術(shù)可開發(fā)量423萬kW。截至2014年底，已建成農(nóng)村水電站3 889座，裝機容量310.4萬kW，占農(nóng)村水電技術(shù)可開發(fā)量的73.4%，已經(jīng)達到較高的開發(fā)程度。在新的發(fā)展時期，要適應(yīng)由建設(shè)到管理的工作重心轉(zhuǎn)變，厘清存量電站的主要問題，探索水能資源管理新途徑。

隨著一些河流功能的變化以及水能資源開發(fā)理念的轉(zhuǎn)變，許多早期建設(shè)的農(nóng)村水電站面臨著一些新情況、新挑戰(zhàn)。由于建設(shè)時期、建設(shè)目標和建設(shè)主體不同等方面的原因，一些水電站因下泄流量不足而造成部分河段在部分時段內(nèi)河道生態(tài)流量不足、脫水甚至干涸，在一定程度上影響了河道的正常生態(tài)功能。加之由于農(nóng)村水電站所涉及的河流與當?shù)卮彐?zhèn)有著密切的聯(lián)系，河道的減水給當?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活帶來了一定的影響。

1.2 關(guān)于最小下泄流量

農(nóng)村水電站最小下泄流量應(yīng)該滿足下游減(脫)水河段基本生態(tài)環(huán)境功能、水功能區(qū)納污能力和居民基本生產(chǎn)生活用水等需求，是水電站在運行中必須保證下泄的最小流量。當前，對農(nóng)村水電站最小下泄流量主要按照生態(tài)基流(或生態(tài)需水)進行考慮，如《江河流域規(guī)劃環(huán)境影響評價規(guī)范》《河湖生態(tài)需水評估導(dǎo)則(試行)》等均給出了生態(tài)需水量的計算方法；《建設(shè)項目水資源論證導(dǎo)則(試行)》對于生態(tài)需水量原則上按多年平均流量的10%～20%確定；《水利水電建設(shè)項目水資源論證導(dǎo)則》提出了最小下泄流量要求，但未給出最小下泄流量確定的方法。實踐表明，以多年平均流量的10%～20%作為生態(tài)流量往往不現(xiàn)實，即使多數(shù)地方在實際操作中以不小于河道控制斷面多年平均流量的10%確定最小生態(tài)流量，但在江西仍然覺得偏大。同時，所確定的量也僅為河道內(nèi)的生態(tài)需水，沒有考慮下游諸如生產(chǎn)生活用水等河道外取水。也就是說，目前關(guān)于農(nóng)村水電站最小下泄流量的取值和確定方法仍不明確。

作為加強農(nóng)村水電站最小下泄流量管理的前提，必須加強其基礎(chǔ)性、規(guī)律性問題的研究和探索。為此，江西省水利廳委托水文部門自2013年起就開展了農(nóng)村水電站最小下泄流量的監(jiān)測研究工作，合理確定試點對象的最小下泄流量，提出類似水電站最小下泄流量的確定和監(jiān)測方法及其保障措施。

2 試點對象的選擇

通過實地查勘，選取了贛南的留金壩水電站和贛東北的金雞口水電站作為試點研究對象，分別代表了不同地域、不同集水面積、不同裝機大小、不同引水方式、不同調(diào)節(jié)能力、不同河床型式與河床組成、不同影響程度、有無水文資料的水電站。

2.1 留金壩水電站

贛江上游支流梅江流域中型水庫留金壩水電站是江西省南部的具有集水面積大、裝機容量較大、河床式、調(diào)節(jié)周期短、大江大河寬淺河道、水生生物較豐富、減(脫)水河段較長且沿途取用水較多、有水文監(jiān)測資料的典型代表站。留金壩水電站位于瑞金市瑞林鎮(zhèn)安全村，系贛江上游支流梅江流域。大壩控制集水面積5 790 km2，水庫庫容6 120×104m3，年發(fā)電量5 021萬kW·h，系河道型日調(diào)節(jié)水庫；河床式發(fā)電廠房位于壩段后，發(fā)電下泄水量直接排入河道，至于都縣貢江鎮(zhèn)龍舌咀注入貢水，區(qū)間集水面積1 331 km2。沿途取用水較多，水生生物豐富多樣，擬將大壩至梅江與貢水匯合口的河道作為減(脫)水河段分析范圍，減(脫)水河段總長62 km。大壩下游18 km(河道長度)建有汾坑水文站，低枯水水位與流量過程呈鋸齒狀，河道寬淺。

2.2 金雞口水電站

信江支流豐溪河花廳水流域小型梯級電站金雞口水電站是江西省東北部小流域、裝機容量較小、引水式、無調(diào)節(jié)周期、山區(qū)性河道、水生生物較少、減(脫)水河段較短且沿途無取用水、無水文監(jiān)測資料的眾多農(nóng)村小水電站典型代表站。金雞口水電站位于上饒縣花廳鎮(zhèn)湖邊自然村，是信江一級支流豐溪河花廳水下會坑水庫下游梯級電站之一，下會坑水庫控制集水面積107 km2，庫容3 505×104m3。金雞口水電站控制集水面積145 km2，水電站年發(fā)電量222萬kW·h，按來水和供電要求進行控制調(diào)節(jié)。電站廠房上游2 km處建有攔河壩，引水式發(fā)電導(dǎo)致攔河壩下游出現(xiàn)約2 km長的減水甚至脫水現(xiàn)象。減(脫)水河段系山區(qū)性河道，減脫水河段較短、水生生物較少，未設(shè)立水文監(jiān)測設(shè)施。

3 研究內(nèi)容與方法

3.1 研究目標

通過對留金壩水電站所在的梅江，金雞口水電站所在的豐溪河花廳水的部分河段，尤其是水電站下游減(脫)水河段開展監(jiān)測、調(diào)查與分析，合理確定水電站的最小下泄流量，提出類似水電站最小下泄流量的確定和監(jiān)測方法，從工程和非工程角度提出保障最小下泄流量的措施。

3.2 技術(shù)路線

通過搜集電站所在流域的水文、生態(tài)、地質(zhì)等資料，確立減(脫)水河段影響范圍和分析斷面，實測水電站壩(閘)下水位、流量、水質(zhì)等數(shù)據(jù)，調(diào)查減(脫)水河段斷面間經(jīng)濟、社會、生態(tài)等需水量以及區(qū)間來水量，分析確定水電站最小下泄流量，建立水電站最小下泄流量推算模型，研究分析水電站壩(閘)下最小下泄流量滿足程度。

3.3 主要內(nèi)容

(1)調(diào)查試點監(jiān)測對象所在流域的水文、氣象、水質(zhì)、地質(zhì)、水生態(tài)環(huán)境及經(jīng)濟社會等有關(guān)資料。

(2)調(diào)查試點監(jiān)測對象的水電站或水庫的建設(shè)規(guī)模、調(diào)度運行方式及下游減(脫)水河段取用水量情況。

(3)選擇合適測驗河段，布設(shè)監(jiān)測斷面，建設(shè)水文監(jiān)測設(shè)施設(shè)備，根據(jù)項目需求和水文測驗規(guī)范規(guī)定，確立水位、流量、水質(zhì)等監(jiān)測方案。

(4)開展水質(zhì)水量監(jiān)測，收集相關(guān)水質(zhì)水量資料，對資料成果進行合理性分析與研究。

(5)利用水文資料(無資料可采用參照站修正移用)和調(diào)查成果，分析水電站最小生態(tài)流量；分析建庫前后天然來水影響狀況；分析水電站減脫水河段水功能區(qū)納污能力最小流量；分析減脫水河段現(xiàn)狀年和規(guī)劃年生產(chǎn)生活用水量；合理確定水電站現(xiàn)狀年和規(guī)劃年最小下泄流量；通過對典型對象的分析比較，建立水電站最小下泄流量推算模型，分析水電站最小下泄流量滿足度要求。

(6)提出類似水電站最小下泄流量模型應(yīng)用方法和最小下泄流量分析、監(jiān)測方法等建議。

(7)從水電站建設(shè)，調(diào)度運行、水功能區(qū)水質(zhì)管理目標、取用水量等方面，提出確保最小下泄流量的技術(shù)措施。

4 主要成果與結(jié)論

4.1 水位、流量監(jiān)測

留金壩水電站下游18 km處減(脫)水河段內(nèi)建有汾坑水文站，通過對汾坑站進行水位、流量監(jiān)測，建立了汾坑站水位流量關(guān)系、留金壩和汾坑站流量相關(guān)關(guān)系，推求了留金壩下泄流量變化過程，實現(xiàn)了留金壩水電站下泄流量實時監(jiān)測。

金雞口水電站減(脫)水河段內(nèi)無水文站，在金雞口減(脫)水河段內(nèi)選擇了合適測驗河段，建設(shè)水尺觀測碼頭、雷達水位計，水位數(shù)據(jù)通過GPRS公網(wǎng)傳輸至上饒市水文局水情科數(shù)據(jù)接收平臺。通過對金雞口水電站減(脫)水河段進行水位、流量監(jiān)測和引水渠道流量監(jiān)測，建立了金雞口站減(脫)水河段水位流量關(guān)系、發(fā)電功率與引水渠道流量關(guān)系，推求了減(脫)水河段流量變化過程、發(fā)電引水流量過程，進行了流量合成，實現(xiàn)了金雞口水電站下泄流量的實時監(jiān)測。

4.2 水質(zhì)監(jiān)測與分析評價

經(jīng)對留金壩水電站上下游布設(shè)監(jiān)測斷面進行水質(zhì)監(jiān)測、評價分析，該水電站上下游河段水質(zhì)均達到Ⅱ類和Ⅲ類水質(zhì)標準，滿足水功能區(qū)水質(zhì)目標要求；水庫蓄水運行后，庫區(qū)河段的水文情勢發(fā)生變化，水流減緩，從而影響庫區(qū)水體中污染物的稀釋、擴散及降解，對庫區(qū)水質(zhì)產(chǎn)生一定影響，水庫大壩下游減(脫)水河段的水質(zhì)狀況沒有沿河呈現(xiàn)明顯變化趨勢。

（4）鉆井液性能控制的精準化。不同的地層要求鉆井液有不同的性能，為此制定分井段的鉆井液性能規(guī)范，如密度、黏度、失水、動塑比等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，明確分段藥品加量，提前進行鉆井液處理，以達到性能要求，充分滿足鉆井需求。

經(jīng)對金雞口電站上下游布設(shè)監(jiān)測斷面進行監(jiān)測、評價分析，該水電站上下游河段水質(zhì)均達到Ⅱ類和Ⅲ類水質(zhì)標準，滿足水功能區(qū)水質(zhì)目標要求；引水渠引水對攔河壩下游減(脫)水河段水質(zhì)有一定的影響，對尾水匯合后的河道水質(zhì)未產(chǎn)生明顯影響。

4.3 最小生態(tài)流量分析

對采用的水文資料進行了代表性、可靠性和一致性分析，采用目前簡單易用的三種主要水文學(xué)方法，即7Q10法、Tennant法、最小月(最小連續(xù)30天)平均實測徑流量法，分別推求了梅川留金壩水電站下游的汾坑水文站、花廳水金雞口水電站減(脫)水河段的最小生態(tài)流量。

根據(jù)歷史資料和實測資料，對3種常用的方法推求的最小生態(tài)流量結(jié)果進行比較，最小連續(xù)30 d平均流量法的計算值存在受前期降雨和地表產(chǎn)匯流影響，代表該站基流會偏大；7Q10法計算值基本不受前期降雨和地表產(chǎn)匯流影響，能較好代表該站基流，因此確定7Q10法計算值作為最小生態(tài)流量最小閾值。

4.4 最小下泄流量分析

4.5 最小下泄流量模型

綜合留金壩水電站和金雞口水電站最小下泄流量分析方法和結(jié)果，建立了農(nóng)村水電站最小下泄流量的推算模型。當減(脫)水河段較長時，應(yīng)根據(jù)減(脫)水河段的河道外取用水量、河道內(nèi)經(jīng)濟社會需水量、排污分布和區(qū)間入流等情況，將減(脫)水河段劃分若干斷面，分別確定各斷面所需水電站下泄最小流量，再取各斷面所需下泄最小流量的最大值作為該農(nóng)村水電站下泄最小流量。

Q泄=Q外+MAX(Q生,Q經(jīng))-Q區(qū)

式中，Q泄為水電站必須保證的最小下泄流量(m3/s)；Q外為減(脫)水河段河道外需水量(m3/s)；Q生為減(脫)水河段河道內(nèi)最小生態(tài)流量(m3/s)；Q經(jīng)為減(脫)水河段河道內(nèi)經(jīng)濟社會需水量(m3/s)；Q區(qū)為減(脫)水河段區(qū)間來水量(m3/s)。

4.6 最小下泄流量滿足度分析

最小下泄流量滿足度是指壩(閘)日均下泄流量不小于最小下泄流量的天數(shù)占評價期總天數(shù)的百分比(當入庫流量小于最小下泄流量時，入庫流量就作為最小下泄流量)。按照下泄流量模型推求留金壩和金雞口水電站最小下泄流量，結(jié)合水庫的實際下泄流量計算農(nóng)村水電站最小下泄流量滿足度。經(jīng)計算，留金壩水電站最小下泄流量日滿足度達99.8%，小時滿足度達90.4%。該水電站減(脫)水河段較長、取用水較多、河道水生生物相對豐富，水電站最小下泄流量對其影響較大，為保障減(脫)水河段用水需求和生態(tài)需水，滿足度范圍宜相對較高，建議類似留金壩水電站的最小下泄流量滿足度為80%～90%。經(jīng)計算，金雞口水電站日滿足度為52.1%，小時滿足度為52.1%，該水電站減脫水河段較短、無取用水需求，河道內(nèi)水生生物較少、無水生生物保護需求，在盡量減少對水電站效益影響的前提下，建議采用工程或非工程措施，適當提高該水電站最小下泄流量滿足度至70%～80%。

4.7 最小下泄流量保障措施

因留金壩水電站新增泄水建筑物會影響壩體結(jié)構(gòu)，不宜采取工程保障措施，且該站調(diào)度運行方案能滿足最小下泄流量需求，建議加強監(jiān)管，合理調(diào)度運行，控制閘門的啟閉高度可保障最小下泄流量正常下泄。

建議金雞口水電站在攔河壩壩體內(nèi)靠引水渠一側(cè)埋設(shè)鋼管，鋼管進口底高程為158 m，孔徑可采用0.5 m，出口設(shè)錐閥進行流量控制及消能。

5 有關(guān)建議

最小下泄流量監(jiān)測試點研究所選擇站點雖具有一定的代表性，但因各地的自然地理、下墊面、暴雨洪水成因和組合等因素較為復(fù)雜，所提出的最小下泄流量推算模型還有待進一步的實踐檢驗，并修正已有的研究成果，才能指導(dǎo)全省農(nóng)村水電站的最小下泄流量監(jiān)測和管理工作。新建電站可依據(jù)所建立推算模型進行最小下泄流量設(shè)計，符合要求的已建電站以推算模型確定最小下泄流量并實行定量監(jiān)測管理，不符合要求的通過相應(yīng)的工程措施和調(diào)度手段實現(xiàn)最小下泄流量管理要求。

關(guān)于最小下泄流量非工程保障措施，一是要完善水電站調(diào)度方案，合理調(diào)度發(fā)電運行；二是要加強最小下泄流量監(jiān)督管理，開展水電站水資源論證，完善監(jiān)測設(shè)施，加強河道巡查；三是要控制流域內(nèi)污染排放；四是要建立健全最小下泄流量監(jiān)督管理長效機制、激勵機制和補償機制。

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責(zé)任編輯 吳 昊

2015-06-11

李小強(1973-)，男，高級工程師，主要從事農(nóng)村水電管理工作。E_mail：lixiaoqiang8384@163.com