小水電生態(tài)流量利用效率提升策略和實(shí)施方案探討

馬躍先，李忠義，鄧旭

（1.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.河南鄭大水利科技有限公司，河南 鄭州 450001；3.河南省農(nóng)村水電及電氣化發(fā)展中心，河南 鄭州 450003）

0 引言

小水電是我國水電能源的重要組成部分，截至2021年底，我國已建成4.7萬多座小水電站，年發(fā)電量達(dá)2 500億kW·h。小水電，尤其是綠色小水電，已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)我國“雙碳”目標(biāo)的重要路徑之一［1］。

由于開發(fā)理念、管理水平、監(jiān)管措施落后等原因，一些小水電存在過度開發(fā)現(xiàn)象，對(duì)河流生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞。為了改善小水電的這一現(xiàn)狀，國家和地方先后出臺(tái)多項(xiàng)政策，明確了要強(qiáng)化小水電生態(tài)流量的監(jiān)督管理，保障河湖生態(tài)流量［2-4］。

近年來，國家陸續(xù)完成了對(duì)小水電系統(tǒng)的生態(tài)恢復(fù)整治和改造，大部分小水電站都已經(jīng)增設(shè)了生態(tài)流量泄放和監(jiān)管裝置，實(shí)現(xiàn)了生態(tài)流量的持續(xù)泄放；但是對(duì)于如何利用生態(tài)泄流，實(shí)現(xiàn)該部分水量的高效利用，目前還缺乏相應(yīng)的策略和方法［5-7］。

1 生態(tài)流量泄放現(xiàn)狀

1.1 泄放標(biāo)準(zhǔn)

小水電生態(tài)流量的泄放標(biāo)準(zhǔn)為需要滿足下游生態(tài)流量的要求。目前，計(jì)算小水電生態(tài)泄流量的方法有Tennant法、7Q10法、最低連續(xù)30日均流量法、多年枯水期流量10%等［8］。一般情況下，小水電會(huì)核定相應(yīng)的生態(tài)流量，并經(jīng)相應(yīng)的主管單位批準(zhǔn)，實(shí)際泄流中也以該批準(zhǔn)值進(jìn)行泄放。

1.2 泄放方案

確定生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)后，還應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的生態(tài)流量泄放方案，根據(jù)電站不同的布置形式，其生態(tài)流量泄放方案一般包括：生態(tài)機(jī)組泄放、管道泄放、閘門泄放等。由于部分水電站設(shè)計(jì)投運(yùn)較早，其設(shè)計(jì)時(shí)一般均未考慮生態(tài)流量泄放，因此其機(jī)組利用流量遠(yuǎn)大于生態(tài)流量，現(xiàn)有機(jī)組無法直接充當(dāng)生態(tài)機(jī)組；除個(gè)別電站專門增設(shè)生態(tài)機(jī)組外，大部分電站都采用管道泄放或閘門泄放的方式。

由于生態(tài)流量核定值為固定值，為了實(shí)現(xiàn)生態(tài)流量的固定泄放，生態(tài)流量泄放方案多采用固定式（即不可調(diào)整式）。例如，河南省某小水電站通過在沖沙閘下方焊接鋼墊塊實(shí)現(xiàn)生態(tài)流量泄放（見圖1）。

圖1 某小水電站生態(tài)流量泄放示意圖

1.3 監(jiān)管方案

為了保證小水電下泄生態(tài)流量符合要求，需要制定相應(yīng)的監(jiān)管方案。監(jiān)管方案主要包括生態(tài)泄流視頻畫面、實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)的采集與上傳，通過數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)泄流的實(shí)時(shí)監(jiān)管。如果下泄生態(tài)流量不滿足要求，則執(zhí)行相應(yīng)的懲罰措施，以保證生態(tài)流量的泄放（見圖2，以閘門泄流方式為例）。

圖2 生態(tài)泄流監(jiān)管架構(gòu)圖

2 固定式生態(tài)流量泄放問題

2.1 存在的問題

對(duì)于固定式生態(tài)流量泄放，由于無法對(duì)泄流進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，導(dǎo)致生態(tài)泄流裝置處于固定泄流模式；此時(shí)若水電站運(yùn)行發(fā)電，已經(jīng)向下游泄放足夠的生態(tài)流量，其仍處于固定泄流模式，造成該部分生態(tài)泄流未經(jīng)過電站能量轉(zhuǎn)化，水資源利用效率降低，也在一定程度上影響水電站發(fā)電效益。

2.2 效益損失估算

以河南省某水電站為例，該水電站裝機(jī)容量為10 500 kW（3×3 500 kW），為壩后式水電站。電站設(shè)計(jì)水頭21.6 m，年均發(fā)電量為4 668萬kW·h，年利用小時(shí)為4 445 h。電站生態(tài)流量泄放方式為沖沙閘下方焊接鋼墊塊，其中鋼墊塊厚度為0.021 m。

該水電站生態(tài)流量泄放為固定式泄放，即無論水電站是否運(yùn)行，其均處于固定泄流模式。目前水電站已完成生態(tài)泄流改造和監(jiān)管，上級(jí)監(jiān)控中心實(shí)時(shí)獲取沖沙閘處的生態(tài)泄流量和泄流畫面，一旦獲取的數(shù)據(jù)不滿足要求，則進(jìn)行相應(yīng)的處罰。

該水電站核定生態(tài)流量為1.66 m3/s，年生態(tài)泄水量為5 234.98萬m3。根據(jù)水電站多年運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，水電站年開機(jī)運(yùn)行時(shí)間約為6 000 h，其中水電站最小開機(jī)出力對(duì)應(yīng)的流量為9 m3/s；即水電站開機(jī)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，下泄流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于核定生態(tài)流量，則生態(tài)流量泄放量為：

假定該泄放流量全部用于發(fā)電，則產(chǎn)生的發(fā)電量為：

考慮電站在泄洪期間存在棄水，該部分生態(tài)泄量無法被完全利用，上述發(fā)電量按照0.95進(jìn)行折減，則對(duì)應(yīng)的發(fā)電量為163.50萬kW·h，約占全年發(fā)電量的3.5%左右。

3 生態(tài)流量利用效率提升策略

針對(duì)固定式生態(tài)流量存在的問題，提出如下效率提升策略：

（1）在水電站未開機(jī)運(yùn)行且下游河道無法滿足核定生態(tài)流量時(shí)，開啟固定式生態(tài)流量裝置，保證下游足夠的生態(tài)流量需求。

（2）在水電站開機(jī)運(yùn)行且下游河道已經(jīng)滿足核定生態(tài)流量時(shí)，可以考慮關(guān)閉固定式生態(tài)流量裝置，該部分下泄流量存蓄在壩前水庫中，通過水電站機(jī)組下泄，以提高生態(tài)流量利用效率。

4 具體實(shí)施方案

4.1 實(shí)施技術(shù)路線

（1）在系統(tǒng)中接入實(shí)時(shí)生態(tài)流量數(shù)據(jù)、水電站機(jī)組出力數(shù)據(jù)。

（2）在生態(tài)泄流裝置上設(shè)置控制裝置。

（3）實(shí)時(shí)判斷水電站機(jī)組出力數(shù)據(jù)，如果水電站水輪發(fā)電機(jī)組出力數(shù)據(jù)大于設(shè)定值，則通過控制裝置關(guān)閉生態(tài)泄流裝置；如果水電站水輪發(fā)電機(jī)組出力數(shù)據(jù)小于設(shè)定值，則通過控制裝置開啟生態(tài)泄流裝置。

上述設(shè)定值應(yīng)滿足：在該出力設(shè)定值下，水輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)電流量等于核定生態(tài)流量值（見圖3）。

圖3 技術(shù)路線圖

4.2 具體實(shí)施方案

針對(duì)上述技術(shù)路線，制定具體的實(shí)施方案，需要對(duì)原有監(jiān)管系統(tǒng)進(jìn)行如下改造：

新增生態(tài)泄流控制系統(tǒng)，用于開啟或關(guān)閉生態(tài)泄流裝置，同時(shí)遙測終端接入水電站水輪發(fā)電機(jī)組出力數(shù)據(jù)；在監(jiān)控中心增設(shè)智能處理模塊，智能處理模塊獲取水電站水輪發(fā)電機(jī)組出力數(shù)據(jù)，并與設(shè)定值進(jìn)行比較；根據(jù)比較結(jié)果，反饋生態(tài)泄流控制系統(tǒng)，以控制生態(tài)泄流裝置工作或關(guān)閉（見圖4）。

圖4 實(shí)施方案架構(gòu)圖

4.3 推廣應(yīng)用價(jià)值

上述實(shí)施方案的成本較低，僅需要增設(shè)生態(tài)泄流控制系統(tǒng)，對(duì)于閘門式泄流，可以利用原閘門啟閉裝置，并進(jìn)行相應(yīng)的自動(dòng)化改造即可，硬件成本投入較低。對(duì)于軟件部分，在原有監(jiān)管平臺(tái)的基礎(chǔ)上，僅需要多采集水輪發(fā)電機(jī)組的出力數(shù)據(jù)即可；而在原有平臺(tái)架構(gòu)上，嵌入智能處理模塊，進(jìn)行簡單的邏輯判斷，即可實(shí)現(xiàn)本文提出的策略方案，投入相對(duì)較低，且易于實(shí)現(xiàn)。

該方案實(shí)施后，水電站在開機(jī)時(shí)段，如果下泄流量已經(jīng)滿足生態(tài)流量核定值，將不下泄生態(tài)流量，該部分流量存蓄在水庫中，以供電站調(diào)用，可以充分提高其利用效率。以第2.2節(jié)的河南省某小水電應(yīng)用實(shí)例估算，其平均可以提高發(fā)電效益3%以上，經(jīng)濟(jì)效益極為可觀。

5 結(jié)語

隨著小水電生態(tài)環(huán)境重視程度的不斷提升，小水電生態(tài)流量泄放問題已經(jīng)成為行業(yè)焦點(diǎn)問題，但由于小水電規(guī)模小、重視程度差，目前小水電生態(tài)泄流的整治仍存在一刀切、粗放管理等問題，對(duì)小水電的效益產(chǎn)生了較大的影響。

“十四五”期間，小水電的整體發(fā)展目標(biāo)為“綠色、安全、智慧、惠民”，采用本文提出的策略方案，在保證小水電生態(tài)修復(fù)功能的基礎(chǔ)上，可以有效提高小水電水資源的整體利用效率和發(fā)電效益，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。