基于水資源平衡的二龍山水電站增容取水影響分析

劉 波

(商洛市水電勘測設(shè)計院，陜西？商洛？726000)

1 概 述

二龍山水庫是陜西省商洛市最大水庫，肩負著城市供水、生態(tài)用水、農(nóng)業(yè)灌溉、防洪、發(fā)電等任務(wù)。為提升效益，增加發(fā)電量，二龍山水電站2012年實施了增容改造，裝機容量由3 750 kW擴升為4 500 kW。目前取水許可已經(jīng)到期，為了確保增容的水電站取水順利及正常發(fā)電，根據(jù)取水許可要求，需對電站增容改造發(fā)電取水影響進行分析。

二龍山水庫位于商洛市商州區(qū)西北6 km處的丹江干流，水庫流域面積965 km2，庫容8 100萬m3。左岸設(shè)發(fā)電引水隧洞，長152 m，下接壩后二龍山水電站[1]。二龍山水電站平面布置如圖1所示，電站工程由壓力隧洞、鋼管道、主副廠房、變電站等組成。原電站水輪發(fā)電機為3臺立式機組，引水流量5.8～13.8 m3/s，裝機容量3 750(3×1 250)kW，多年平均發(fā)電量868.16萬kW·h。增效擴容改造后的二龍山水電站主要由水輪發(fā)電機組和電氣設(shè)備組成，總裝機容量4 500(3×1 500)kW，設(shè)計年發(fā)電量1 654萬kW·h，電站尾水入大壩下游河道和東干渠渠道。

圖1 二龍山水庫水電站平面布置圖

2 區(qū)域水資源開發(fā)利用情況分析

2.1 分析范圍

根據(jù)項目所在區(qū)域水資源時空分布特征和開發(fā)利用現(xiàn)狀，以建設(shè)項目取用水有直接關(guān)系的區(qū)域為基準，統(tǒng)籌考慮流域與行政區(qū)域，確定水資源論證分析范圍為商州區(qū)行政區(qū)范圍，面積2 672 km2。電站取水水源論證范圍為壩址以上的徑流區(qū)，徑流面積為965 km2；取水影響范圍為二龍山水庫攔河壩回水末端至二龍山水庫壩址處河段，約3.295 km2，以及水庫下游供水范圍約32.14 km2，總面積為35.435 km2。

2.2 水資源開發(fā)利用分析

商州區(qū)年降水量為17.81億m3，地表水資源量為4.04億m3。截至2018年底，商州區(qū)共有蓄水工程96座，其中中型水庫1座、小型水庫12座、塘壩83座，總庫容10 124.2萬m3，年設(shè)計供水能力10 245萬m3。根據(jù)陜西省人民政府辦公廳《關(guān)于實行最嚴格水資源管理制度考核辦法的通知》，商州區(qū)2018年用水量控制在6 785萬m3以內(nèi)，萬元工業(yè)增加值用水量36.8 m3/萬元，農(nóng)田灌溉水畝均用水量317.8 m3/畝(1 hm2=15畝)，萬元GDP用水量41.6m3/萬元；重要水功能區(qū)水質(zhì)及水源地水質(zhì)均達到控制目標要求，各項指標均滿足“三條紅線”要求。二龍山水庫為“商州源頭水保護區(qū)”，水質(zhì)為Ⅱ類。商州區(qū)范圍內(nèi)丹江干流上只有二龍山水電站，無其他水源開發(fā)利用項目。由于二龍山水電站發(fā)電不耗水，此項目對商州區(qū)的水資源用水總量紅線無影響。

3 可供水量分析

3.1 來水量分析

二龍山水庫有效庫容為3 800萬m3，總庫容為8 100萬m3；水庫壩址處年平均流量6.71 m3/s，徑流總量2.119億m3。二龍山水電站典型年選擇根據(jù)年徑流頻率計算，結(jié)合枯季徑流頻率計算，按照對發(fā)電不利的原則進行選取。

3.2 可供水量計算

根據(jù)二龍山水庫目前的功能特性，水庫先保證城市供水、生態(tài)用水、農(nóng)業(yè)灌溉供水，然后在滿足防洪安全的前提下利用多余水量發(fā)電。

可供水量=壩址來水量-水庫損失水量-生態(tài)流量-城市供水水量-灌溉供水量。

(1)壩址處來水量

經(jīng)實測資料分析計算，豐、平、枯水年月平均來水過程如表1所示。

表1 壩址處豐、平、枯水年月平均來水過程表

(2)水庫損失水量

依據(jù)水庫實測資料，水庫損失量水主要是庫區(qū)蒸發(fā)水量、滲漏水量，計算結(jié)果如表2所示。

表2 水庫損失水量

(3)河道生態(tài)用水量

二龍山水庫大壩右岸已經(jīng)設(shè)置有生態(tài)用水閥門，流量為0.8 m3/s；發(fā)電尾水池設(shè)有生態(tài)補水閥門，流量為0.3 m3/s；因此生態(tài)流量總計為1.1 m3/s。

(4)城市供水和灌溉用水量

據(jù)調(diào)查，目前二龍山水庫給城市日供水量為2.5～4萬m3，月供水量最大約為124萬m3。據(jù)了解，庫區(qū)目前灌溉面積約5 670畝，按照商洛市灌溉定額317 m3/畝，年灌溉用水量約180萬m3。

(5)可供電站發(fā)電水量

根據(jù)豐、平、枯水年來水量，扣除生態(tài)用水、城市供水和灌溉用水量，可供電站發(fā)電量計算結(jié)果如表3所示。

表3 可供電站發(fā)電水量

經(jīng)計算，在保證率75%的情況下，水庫來水量在扣除城市供水、生態(tài)用水、灌溉供水水量后剩余水量(8 901萬m3)大于電站發(fā)電需水量(7 776萬m3)，因此水庫來水可滿足電站發(fā)電。

4 用水量分析

4.1 用水工藝分析

二龍山水電站為引水式開發(fā)，取水水源為二龍山水庫蓄水，其用水工藝為：在水庫進行取水，水庫至水輪機采用壓力隧洞和壓力鋼管連接，水通過壓力鋼管道進入水輪機發(fā)電。

電站裝機3臺，單機設(shè)計引用流量5 m3/s(3臺機組最大合計15 m3/s)。電站的發(fā)電流量采用5、10、15 m3/s流量進行調(diào)節(jié)計算。當水庫蓄水位較低、來水量較小時電站不發(fā)電；當水庫水位在正常蓄水位附近且來水量接近月平均值時電站開1臺或者2臺發(fā)電機運行；當水庫水位較高、來水量較大時電站3臺發(fā)電機同時運行。

二龍山水電站工程屬非耗水項目，水電站取水量基本等于水電站尾水量，因此節(jié)水潛力不大，只能依靠水庫和電網(wǎng)的合理調(diào)度少產(chǎn)生棄水。

4.2 用水水平評價

二龍山水電站增容前，單臺發(fā)電機額定功率為1 250 kW，裝機容量達到3 750 kW，年利用小時數(shù)為4 300 h，設(shè)計年發(fā)電量1 615萬kW·h，實際年均發(fā)電量868.16萬kW·h，最高年發(fā)電量1 601萬kW·h，最低年發(fā)電量393.27 kW·h，引水流量5.8～13.8 m3/s。

電站經(jīng)過增容改造后，單臺發(fā)電機額定功率為1 500 kW，裝機容量達到4 500 kW，設(shè)計年利用小時數(shù)為3 676 h，設(shè)計年發(fā)電量1 654萬kW·h，水輪機額定效率為91%，發(fā)電機額定效率為95%。

二龍山水電站2013—2018年記錄實際發(fā)電量統(tǒng)計如表5所示，從電站2013—2018年記錄的實際發(fā)電量來看，近6年最高年發(fā)電量為1 088萬kW·h，最低年發(fā)電量為604.6 kW·h，引水流量5.0～15 m3/s，設(shè)計水頭35.72 m，實際年均發(fā)電量741.7萬kW·h。

電站發(fā)電用水從水庫取水，經(jīng)引水系統(tǒng)和壓力鋼管將水引入廠房發(fā)電，經(jīng)尾水渠放出，工程不耗水也不會引起水質(zhì)變化，故工程不生產(chǎn)污水。

4.3 徑流調(diào)節(jié)計算發(fā)電可用水量

二龍山水電站為壩后式水電站，根據(jù)《小水電水能設(shè)計規(guī)程》(SL 76—2009)，按年調(diào)節(jié)進行徑流調(diào)節(jié)水能計算方法，采用等流量法進行計算[2_3]。

經(jīng)計算，豐水年來水量P=25%時，可供發(fā)電水量Q=20 736 萬m3；平水年P(guān)=50%時，可供發(fā)電水量Q=14 256萬m3；枯水年P(guān)=75%時，可供發(fā)電水量Q=7 776萬 m3?？菟?5%來水量計算結(jié)果如表4所示。

表4 枯水年75%來水量計算表

經(jīng)水庫調(diào)節(jié)計算，水庫可供發(fā)電水量在7 776～20 736萬m3之間。

4.4 電站發(fā)電實際用水量計算

二龍山水電站運行監(jiān)測記錄數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 二龍山水電站發(fā)電與用水數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

根據(jù)水電站提供的實測數(shù)據(jù)，經(jīng)計算得出多年平均發(fā)電用水量為7 877萬m3。

4.5 電站申請發(fā)電取水量核定

以實測資料為依據(jù)計算出的電站發(fā)電多年平均取水量為7 877萬m3。在保證率75%來水的情況下，水庫來水首先扣除城市供水、生態(tài)用水、灌溉供水后經(jīng)二龍山水電站徑流調(diào)節(jié)計算，水庫可供發(fā)電水量為7 776萬m3。經(jīng)過對兩種方法的結(jié)果比較，本次電站申請發(fā)電取水量為7 776萬 m3。

4.6 取水可靠性分析

電站取水口以上徑流面積965 km2，多年平均流量6.71 m3/s，多年平均年徑流量2.119億m3，年發(fā)電取水量7 776萬m3。經(jīng)計算，在枯水年可發(fā)電水量有0.89億m3，因此取水水源來水量可以滿足本工程發(fā)電取水水量及其保證率要求。電站取水水源充足，取水可靠。

5 取水影響分析

5.1 對水功能區(qū)影響

水庫來水扣除城市供水、生態(tài)用水、灌溉供水、庫區(qū)蒸發(fā)滲漏損失后剩余水量用來發(fā)電，其用水水量平衡如圖2所示，發(fā)電過程中不耗水。

圖2 水量平衡圖

根據(jù)《商洛市地表水功能區(qū)劃》，丹江流域劃為源頭保護區(qū)、開發(fā)利用區(qū)和保留區(qū)，水電站上游水庫所在區(qū)屬“保護區(qū)”，水電站下游所在區(qū)屬“保留區(qū)和開發(fā)利用區(qū)”。電站發(fā)電的尾水無污染、無排放，退水水質(zhì)與取水水源水質(zhì)基本一致。經(jīng)監(jiān)測，從麻街和板橋至壩址處約10 km，水質(zhì)為Ⅱ類，水質(zhì)目標為Ⅱ類 ，滿足水功能區(qū)水質(zhì)目標要求；所以水電站增容擴效對水功能區(qū)水質(zhì)目標和水源地水質(zhì)控制目標紅線無影響。

5.2 對河道生態(tài)流量影響

根據(jù)《水利水電建設(shè)項目水資源論證導(dǎo)則》(SL 525—2011)第6.2.3 條“水利水電建設(shè)項目最小下泄流量包括工程控制斷面以下河段生活、生產(chǎn)用水和最小生態(tài)需水量，并分析合理的最小下泄流量”[4]。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，二龍山水庫已經(jīng)專門設(shè)置了生態(tài)流量泄放設(shè)施，另外電站發(fā)電尾水也直接排入大壩下游河道補充生態(tài)流量，而且壩址下游河段沒有國家級保護動植物；因此壩址處泄放的生態(tài)流量滿足下游生態(tài)用水要求。

在水電開發(fā)建設(shè)過程中，過去考慮更多的是區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和發(fā)電效益，而對保護生態(tài)水環(huán)境考慮得較少。為滿足大壩下游河道水生態(tài)環(huán)境最小用水量的要求，近年來提出水電站最小生態(tài)下泄流量的概念，以保證在發(fā)揮水電站效益的同時，考慮給予下泄一定的流量，以滿足下游生態(tài)環(huán)境需水量的最低要求。

一般用代表年法，采用P=90%枯水年的最小月平均流量可以滿足下游生態(tài)需水量的要求。經(jīng)計算，P=90%枯水年有1977年，其當年的最小月平均流量為1.1 m3/s；還有2012年，其當年的最小月平均流量為0.57 m3/s，

二龍山水庫大壩右岸已經(jīng)設(shè)置有生態(tài)用水閥門，流量為0.8 m3/s；發(fā)電尾水池設(shè)有生態(tài)補水閥門，流量為0.3 m3/s；因此生態(tài)流量總計為1.1 m3/s。水庫的生態(tài)下泄流量設(shè)置合理。

5.3 對生態(tài)系統(tǒng)的影響

二龍山水電站位于二龍山水庫壩下，電站未涉及自然保護區(qū)或核心區(qū)，用水不會造成大壩下游斷流。

根據(jù)已經(jīng)批復(fù)的《二龍山一級電站二級電站項目環(huán)境影響評價報告》，目前二龍山水庫水電站管理人員生活污水經(jīng)化糞池預(yù)處理后進入市政污水管網(wǎng)，生活垃圾收集交由環(huán)衛(wèi)部門統(tǒng)一處理。另外，本項目在設(shè)備檢修過程中會產(chǎn)生廢油，廢油暫時存放在密閉廢油儲存桶內(nèi)，由設(shè)備維修單位回收，并交由具有危險廢物回收處理資質(zhì)的單位處理。因此，項目對生態(tài)環(huán)境影響甚微。

5.4 對其他用水戶的影響

二龍山水庫總庫容為8 100萬m3，興利庫容3 800萬m3，具備調(diào)節(jié)功能。電站本身不消耗水量，所取發(fā)電用水沖擊水輪機后再次注入河道，電站用水直接從水庫取水。農(nóng)業(yè)灌溉及城市供水也直接從水庫取水，而且水庫用水管理原則首先是保證城市供水和農(nóng)業(yè)灌溉，其次才是發(fā)電用水。在來水量少的情況下，可以減少發(fā)電用水，必須保證其他用水戶用水。因此，電站取水對其他用水戶影響甚微。

6 結(jié) 語

水電是清潔能源，屬于國家重點鼓勵發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。二龍山水電站取水地點位于丹江干流上，取水方式為庫區(qū)取水，壩址處多年平均來水量為 2.119億 m3。

經(jīng)過分析探討，二龍山水電站發(fā)電多年平均用水量為7 877萬m3，在來水保證率75%的情況下，水庫水量在扣除城市供水、生態(tài)用水、灌溉供水后經(jīng)調(diào)節(jié)算出可供發(fā)電水量為7 776萬m3。經(jīng)計算得出多年平均發(fā)電用水量為7 877萬m3，電站申請發(fā)電取水量7 776萬 m3，滿足增容發(fā)電要求。工程取水不會影響流域內(nèi)其他項目水資源開發(fā)利用，對生態(tài)環(huán)境影響不大，對河流水資源狀況基本沒有影響。因此，二龍山水電站的取水量是合理的。