小型水電站生態(tài)泄流設(shè)施改造研究

肖 妮, 楊安玉, 周麗娜, 孟 克

(1.水利部農(nóng)村電氣化研究所，杭州 310022; 2.水利部農(nóng)村水電工程技術(shù)研究中心，杭州 310022)

0 引 言

水電是國(guó)際公認(rèn)的清潔可再生能源，是推進(jìn)節(jié)能減排，改善大氣環(huán)境，促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的有效舉措[1]。立足水電資源優(yōu)勢(shì)，走生態(tài)之路，是新時(shí)代農(nóng)村水電發(fā)展的必然選擇。我國(guó)早期建成的電站，由于當(dāng)時(shí)的時(shí)代背景，沒有對(duì)電站提出生態(tài)方面的要求，大部分老電站沒有設(shè)置生態(tài)流量泄放設(shè)施[2]，不同程度出現(xiàn)了一些諸如河段減脫水等問(wèn)題，給生態(tài)環(huán)境造成一定的不利影響。

小水電站帶來(lái)的河流生態(tài)環(huán)境問(wèn)題正日益受到社會(huì)各界關(guān)注, 這已經(jīng)成為影響我國(guó)水電開發(fā)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的主要問(wèn)題[3,4]。2018年5月23日，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶小水電無(wú)序開發(fā)環(huán)境影響評(píng)價(jià)管理專項(xiàng)清理整頓工作方案》的通知((環(huán)辦環(huán)評(píng)函)〔2018〕325號(hào))。2018年5月28日，水利部辦公廳發(fā)布《關(guān)于開展農(nóng)村水電站生態(tài)環(huán)境保護(hù)情況排查的通知》((辦電移)〔2018〕73號(hào))。一系列的通知公告督促小水電盡快整改。為推動(dòng)綠色水電發(fā)展，有效落實(shí)河道生態(tài)流量，改善河道水生態(tài)環(huán)境，目前全國(guó)正逐步開展水電站生態(tài)泄流設(shè)施改造。

本文結(jié)合浙江、福建等地的小水電站生態(tài)改造經(jīng)驗(yàn)，介紹幾種常見的生態(tài)流量泄放設(shè)施，分析其適用條件及應(yīng)用效果，并介紹幾個(gè)小水電生態(tài)設(shè)施改造典型案例，為老電站生態(tài)泄流設(shè)施改造提供參考。

1 現(xiàn)狀分析

目前，水電站生態(tài)流量控制管理工作已在全國(guó)范圍內(nèi)逐步展開。部分省份已開展了小水電生態(tài)設(shè)施改造，但由于沒有較為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，改造方案各式各樣，并不都適合于電站生態(tài)設(shè)施改造。不少電站僅追求下泄流量，未綜合考慮改造方案對(duì)建筑物或設(shè)備設(shè)施造成的不利影響，生態(tài)改造后可能影響電站的正常運(yùn)行，甚至造成新的安全隱患。筆者在調(diào)研過(guò)程中發(fā)現(xiàn)小水電生態(tài)設(shè)施改造仍然存在諸多問(wèn)題。有的電站直接在鋼閘門或混凝土閘門上打孔，破壞了結(jié)構(gòu)的整體性，易造成破壞；有的電站在壓力鋼管上打孔，存在安全隱患，可能影響電站正常運(yùn)行；有的電站用放空閥直接泄放，長(zhǎng)期半開狀態(tài)的閘閥極易造成損壞，并非長(zhǎng)久之計(jì)。

如何使得小水電能夠長(zhǎng)久的下泄生態(tài)流量，繼續(xù)發(fā)揮其清潔能源的功效，選擇合適的改造方案顯得尤為重要。劉元海[5]等介紹了一個(gè)電站的生態(tài)用水工程設(shè)計(jì)，蔡圃[6]等對(duì)老舊型水電站生態(tài)流量下泄方式進(jìn)行了分析，結(jié)合省某一河段，提出了發(fā)電+堰流、堰閘泄流、小機(jī)組發(fā)電泄流和沖沙底孔泄流的四種方式?？偟膩?lái)說(shuō)，關(guān)于小水電生態(tài)設(shè)施改造各地仍處于自行摸索的階段，缺少具有普遍適用性的典型案例和相關(guān)技術(shù)研究。

2 泄流設(shè)施改造方案研究

水電站生態(tài)改造設(shè)備設(shè)施的選擇應(yīng)遵循因地制宜、安全可靠、技術(shù)合理、經(jīng)濟(jì)適用的原則。根據(jù)電站不同開發(fā)方式及和樞紐布置特點(diǎn)，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案比較，選擇適合電站的泄流設(shè)備設(shè)施。生態(tài)流量泄放設(shè)施的改造或增設(shè)應(yīng)符合國(guó)家有關(guān)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。生態(tài)流量泄放設(shè)施應(yīng)在壩(閘)處或盡量靠近壩(閘)處，其泄流能力應(yīng)滿足核定的生態(tài)流量要求。

水利部農(nóng)村電氣化研究所2018-2019年開展了浙江省多個(gè)縣市的生態(tài)評(píng)估調(diào)查工作，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研了1 000余座小水電站，收集、整理了大量電站生態(tài)泄放設(shè)施現(xiàn)狀。本文通過(guò)對(duì)大量調(diào)研電站生態(tài)設(shè)施改造的研究，分析幾種較為常見改造方案適用條件及應(yīng)用效果。改造方案主要包括：泄流閘、泄流閥、泄流管(孔)、虹吸管及生態(tài)機(jī)組等。

2.1 泄流閘

泄流閘泄放生態(tài)流量指通過(guò)對(duì)現(xiàn)有閘門進(jìn)行限位，或在已有的泄流孔(洞)等設(shè)施前端或末端安裝控制閘門，利用閘門不完全關(guān)閉泄放生態(tài)流量。

適用條件：①攔水壩為設(shè)有沖沙閘的堰壩引水式電站；②壩后引水渠道渠首設(shè)有閘門設(shè)施的引水式電站； ③電站大壩設(shè)有放空洞，且布置有允許動(dòng)水中啟閉的深水閘門。

應(yīng)用效果：不會(huì)因新增泄水建筑物而影響壩體結(jié)構(gòu)，改造技術(shù)簡(jiǎn)單，投資??；但壩前水位變化較大時(shí)，泄放流量也變化較大，且閘門長(zhǎng)期小開度泄流產(chǎn)生的振動(dòng)可能使構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)疲勞，可能造成一定的破壞。

泄流閘泄放生態(tài)流量示意圖如圖1所示。

圖1 泄流閘泄放示意圖

2.2 泄流閥

針對(duì)現(xiàn)狀設(shè)有放空閥的電站，可采取部分開啟閥門或增設(shè)旁通放水管方式進(jìn)行生態(tài)流量泄放，如果出口流量大流速高，需要加裝消能閥(錐形閥)。

適用條件：①現(xiàn)狀設(shè)有放空閥的電站大壩；②電站利用發(fā)電引水洞設(shè)置放空支洞，支洞出口設(shè)悶頭或閥門的；③利用導(dǎo)流隧洞作為放空洞，并在出口設(shè)閥門的。

應(yīng)用效果：方法簡(jiǎn)單，改造成本低，不破壞水工建筑物，具有較好的經(jīng)濟(jì)性；若不加裝錐形閥，泄放流量較大，長(zhǎng)期高速水流導(dǎo)致的空蝕現(xiàn)象對(duì)于泄放管、泄放閥門存在一定危害；泄流產(chǎn)生的振動(dòng)也易引起構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)疲勞。

利用現(xiàn)有閥門泄放生態(tài)流量示意圖如圖2所示。

圖2 錐形閥出流示意圖

2.3 泄流管(孔)

泄流管(孔)泄放方式指在壩體或渠道埋設(shè)泄放管或鉆孔，通過(guò)生態(tài)泄放管(孔)泄放生態(tài)流量。

適用條件：①電站大壩為低水頭堰壩、翻板壩，可在堰壩壩身、翻板壩基礎(chǔ)等部位鉆孔埋設(shè)泄放管；②采用渠道引水的引水式電站，開孔位置應(yīng)盡量靠近取水口；③大壩較高、無(wú)法適用虹吸管設(shè)施時(shí)，可采用壩肩鉆孔敷設(shè)泄放管泄放生態(tài)流量。

應(yīng)用效果：泄放管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于管理、易維護(hù)；但無(wú)法進(jìn)行流量精準(zhǔn)控制；大壩厚時(shí)施工較為麻煩，費(fèi)用高；泄水管道較長(zhǎng)時(shí)，容易堵塞，且泄水管貫穿壩體可能對(duì)大壩的防滲、抗震安全產(chǎn)生影響。

利用泄流管(孔)泄放生態(tài)流量示意圖如圖3所示。

圖3 泄流管(孔)出流示意圖

2.4 虹吸管

虹吸管指壩體某處設(shè)置虹吸裝置，利用虹吸作用，從壩前水庫(kù)吸水泄放入壩后河道。

適用條件：①電站大壩為無(wú)泄流設(shè)施的中低土石壩、重力壩，且地質(zhì)條件不適宜壩肩或引水隧洞鉆孔，或其余方式投資過(guò)大等情況，可增設(shè)虹吸管泄放生態(tài)流量；②虹吸管的管道最高點(diǎn)與庫(kù)水位落差通常不超過(guò)7 m。

應(yīng)用效果：虹吸管對(duì)大壩擾動(dòng)小，不破壞原有設(shè)備設(shè)施，無(wú)額外工程安全風(fēng)險(xiǎn)；但受最大真空度限制，一般虹吸管真空值不超過(guò)7 m，同時(shí)啟閉較復(fù)雜，管理較麻煩，設(shè)備易損壞。

虹吸管泄流示意圖如圖4所示。

圖4 虹吸管泄流示意圖

2.5 生態(tài)機(jī)組

生態(tài)機(jī)組指以泄放生態(tài)流量為目的的發(fā)電機(jī)組。

適用條件：具有高壩的電站或河床式電站，生態(tài)機(jī)組檢修或故障停機(jī)時(shí)應(yīng)有替代的泄放設(shè)施。當(dāng)采用箱式機(jī)組時(shí)發(fā)電水頭不宜小于40 m，發(fā)電流量宜在0.05～0.60 m3/s之間。

應(yīng)用效果：既能不間斷下泄流量，又能充分利用下泄流量發(fā)電；但適用范圍較小，投資大，具有運(yùn)維要求。

3 典型案例

3.1 泄流閘

浙江省慶元縣濛橋電站，接上一級(jí)電站尾水發(fā)電。電站利用集水面積105 km2，堰頂溢流，最大堰高2 m，堰軸線長(zhǎng)43 m。攔水堰左岸設(shè)置泄流閘。目前電站通過(guò)左岸泄流閘限位，向河道泄放生態(tài)流量(見圖5)。

圖5 濛橋電站攔水堰及泄流閘

此改造方法簡(jiǎn)單、易行，無(wú)土建工程量，僅在原有泄流閘螺旋控制盤的下方增設(shè)一定厚度鐵片，限制閘門完全關(guān)閉，使之達(dá)到泄流目的。目前泄流設(shè)施運(yùn)行良好，在枯水期，水位較低，屬于無(wú)壓泄流，不會(huì)對(duì)閘門造成影響。當(dāng)河道水位較高時(shí)，未發(fā)現(xiàn)有振動(dòng)情況，但水位高，會(huì)使下泄生態(tài)流量大于核定的生態(tài)流量值，影響電站發(fā)電效益。

3.2 泄流閥

浙江省龍泉市巖樟溪一級(jí)水電站是巖樟溪干流的第一級(jí)水電站，壩址以上集水面積53.61 km2，水庫(kù)總庫(kù)容1 143 萬(wàn)m3，電站裝機(jī)容量2×10 MW。攔河大壩為雙曲拱壩，最大壩高81.75 m。大壩設(shè)內(nèi)徑0.8 m的放空管，出口設(shè)檢修蝶閥和工作錐閥，用錐形閥泄放生態(tài)流量(見圖6)。

圖6 巖樟溪一級(jí)錐形閥泄流

巖樟溪一級(jí)水電站屬于利用現(xiàn)有設(shè)備泄放生態(tài)流量，無(wú)需進(jìn)行改造，無(wú)額外改造費(fèi)用。通過(guò)控制錐形閥開度控制流量，方法簡(jiǎn)單易行，泄放效果良好，且不會(huì)對(duì)現(xiàn)有建筑物及設(shè)備設(shè)施造成影響。

3.3 泄流管(孔)

浙江省龍泉市住龍水電站攔水壩位于住溪干流，在住龍鎮(zhèn)彎潭尾村上游村旁。壩址以上集水面積149.5 km2，電站2009年5月投產(chǎn)發(fā)電，總裝機(jī)容量4×800 kW。電站樞紐按引水式布置，攔河壩為水力自控翻板門重力壩，最大壩高為11.8 m。攔河壩左岸壩側(cè)壩肩設(shè)置了一根泄流管，無(wú)節(jié)制泄放流量，滿足下游灌溉及生態(tài)用水。

住龍電站生態(tài)流量無(wú)節(jié)制泄放，便于管理，僅需每隔一段時(shí)間清除下管道前側(cè)的雜物，保障水流通暢。目前泄流管運(yùn)行良好，全天候不間斷泄流，保障了壩下游潺潺流水，改善了壩下4 km減水河段的生態(tài)環(huán)境(見圖7)。

圖7 住龍電站生態(tài)泄流管

3.4 虹吸管

浙江省縉云縣盤溪五級(jí)電站(插花墩電站)位于舒洪鎮(zhèn)西塔坑村自然村，壩址以上集水面積76 km2，水庫(kù)正常庫(kù)容105 萬(wàn)m3。電站建于1972年4月，于2011年3月重建，現(xiàn)裝機(jī)容量3×400 kW。電站大壩2018年10月安裝了虹吸式生態(tài)泄流管，采用DN160的PE管道，跨過(guò)溢洪道，并固定在溢洪道的一側(cè)(見圖8)。

圖8 盤溪五級(jí)電站虹吸式生態(tài)泄流管

盤溪五級(jí)電站生態(tài)虹吸管自安裝至今運(yùn)行良好，經(jīng)歷了2019年8月的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”，水庫(kù)高水位泄洪，虹吸管未受到損壞。虹吸管最高點(diǎn)至水庫(kù)最低運(yùn)行水位的高差4.5 m，小于虹吸的限制條件，且造價(jià)不大，整套設(shè)備花費(fèi)約3 萬(wàn)元左右。

3.5 生態(tài)機(jī)組

浙江省金華市九峰電站是全國(guó)第一批“綠色小水電站”，水庫(kù)工程位于錢塘江上游衢江的支流厚大溪上，工程以防洪、灌溉為主，結(jié)合供水、發(fā)電等綜合利用的中型水利工程。電站為壩式水電站，裝機(jī)容量為2×3 200 kW+400 kW，廠內(nèi)安裝了裝機(jī)容量為400 kW的生態(tài)小機(jī)組，生態(tài)機(jī)組全天24 h運(yùn)行，保證下游生態(tài)、生活用水。

九峰電站生態(tài)機(jī)組目前運(yùn)行良好，發(fā)電的同時(shí)向下游下泄生態(tài)流量。九峰電站生態(tài)機(jī)組與常規(guī)同在一廠房?jī)?nèi)，減少了土建工程量，并且統(tǒng)一管理，減少了運(yùn)維方面的支出。

4 結(jié) 語(yǔ)

立足水電資源優(yōu)勢(shì)，走生態(tài)之路，是新時(shí)代農(nóng)村水電發(fā)展的必然選擇。為推動(dòng)綠色水電發(fā)展，有效落實(shí)河道生態(tài)流量，改善河道水生態(tài)環(huán)境，全國(guó)正逐步開展水電站生態(tài)泄流設(shè)施改造，目前各地仍處于自行摸索的階段，缺少具有普遍適用性的典型案例和相關(guān)技術(shù)研究。本文通過(guò)對(duì)小水電生態(tài)流量泄放設(shè)施的研究，提出幾種適用的生態(tài)泄放設(shè)施改造方案，并分析其適用性，為小水電生態(tài)整改提供技術(shù)支撐。不同類型的電站取水口有不同的改造方式，文中介紹幾種常用的類型，未囊括所有，如底欄柵式取水口改造成泄流槽，有魚類洄游的小型河道結(jié)合魚道考慮，無(wú)法通過(guò)其他改造方式的利用水泵抽水放流[7]等。另外，生態(tài)泄流設(shè)施改造宜結(jié)合河道修復(fù)措施，如生態(tài)堰壩、生態(tài)護(hù)坡等，生態(tài)改造效果將更加明顯。

對(duì)老電站的生態(tài)改造，將使農(nóng)村水電實(shí)現(xiàn)水電綠色發(fā)展，走上和經(jīng)濟(jì)社會(huì)、環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)的可持續(xù)綠色發(fā)展之路。

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