小孤山水電站下游脫水段生態(tài)修復(fù)方案比選研究

黃 肖

(鞍山水文局，遼寧 鞍山 114039)

1 工程背景

小孤山水電站地處遼寧省丹東市寬甸滿族自治縣長甸鎮(zhèn)長甸村境內(nèi)。電站大壩為混凝土面板堆石壩，壩軸線長106m，最大壩高25.5m，設(shè)計庫容260萬m3。電站為引水式水電站，設(shè)計水頭為16.6m，最大工作水頭21.3m，最小工作水頭12.44，電站裝機容量為2×2MW+2×0.6MW，共4臺混流式水輪機組，設(shè)計年發(fā)電量為2545萬kW·h，年利用小時數(shù)約4125h。小孤山水電站是一座小型電站。

小孤山水電站建成運行之后，會造成下游5400m脫水段。與其他類似電站相比，小孤山水電站的脫水段長度較長，河床基本呈裸露狀態(tài)，河道內(nèi)的魚類基本失去生存環(huán)境?？傮w來看，脫水段產(chǎn)生之后，下游河道逐漸向半水生和陸地生轉(zhuǎn)化，周邊的植被由于缺乏水資源的涵養(yǎng)，造成了比較嚴重的生態(tài)化境破壞，亟待實施工程修復(fù)措施[1]。

2 生態(tài)修復(fù)的影響因素和生態(tài)流量計算

小孤山水電站下游脫水段的河道為典型的山區(qū)蜿蜒型河道，其中存在較多的深潭和灌木帶，因此，具有較多的水面面積，對生態(tài)修復(fù)工作比較有利。研究中在豐水期選取脫水段的深潭—淺灘斷面，度量河道寬度和水深數(shù)據(jù)，利用R2-CROSS法進行生態(tài)流量計算[2]，結(jié)果見表1。

表1 小孤山水電站下游脫水段生態(tài)流量計算結(jié)果

由計算結(jié)果可知，小孤山水電站下游脫水段生態(tài)流量的最大值為1.42m3/s，依據(jù)水電站上游的來水資料。對電站在P=20%、P=50%和P=80%三種不同保證率下的水量調(diào)度進行計算，結(jié)果見表2。由計算結(jié)果可知，在P=20%、P=50%和P=80%三種不同保證率下，電站的年發(fā)電量分別為2434.3kW·h、2108.7kW·h和1545.6kW·h，年發(fā)電量均值為2029.5kW·h。如果按照當(dāng)前的0.3757元/(kW·h)的上網(wǎng)電價計算，年均發(fā)電效益約為762.48萬元[2029.5萬kW·h×0.3757元/(kW·h)≈762.48萬元]。由于部分上游來水被用作生態(tài)流量，電站的發(fā)電效益有所降低。

表2 不同保證率下水量調(diào)度計算結(jié)果

3 修復(fù)方案的比選

如果采取工程措施對大壩下游脫水段進行生態(tài)修復(fù)，可以有效減少生態(tài)流量值，進而明顯提升電站的發(fā)電效益[3]。目前，針對電站脫水段生態(tài)修復(fù)，常用的修復(fù)技術(shù)主要有滾水壩、生態(tài)流量泄放措施、階梯-深潭系統(tǒng)、生態(tài)丁壩、河道縱向深槽、暗壩、生態(tài)護坡等[4]。鑒于小孤山水電站脫水段有近60m的落差，且脫水段的長度較長，認為滾水壩和生態(tài)丁壩兩種方案最為合適。下面主要這兩種方案進行進一步的比較，以獲取最佳方案。

3.1 生態(tài)丁壩方案

傳統(tǒng)丁壩的主要作用是調(diào)整流速和保護河岸，主要包括樁式、拋石和混凝土三種不同的丁壩類型[5]。生態(tài)丁壩指的是在傳統(tǒng)丁壩的基礎(chǔ)上，充分引入植物材料，利用植被的根系增加丁壩的強度，同時利用植株本身營造生態(tài)景觀效果。在脫水段生態(tài)修復(fù)工程中，丁壩可以起到束窄河床，減少流量下瀉，為生物提供良好棲息環(huán)境的作用[6]。研究中結(jié)合小孤山水電站脫水段的河道特征，設(shè)計了將水面寬度束窄為1.0m和2.0m兩種工況，利用上節(jié)方法對生態(tài)流量和發(fā)電量進行計算，結(jié)果如表3和表4。

表3 不同水面寬度生態(tài)徑流量計算結(jié)果

表4 不同水面寬度發(fā)電量計算結(jié)果

由計算結(jié)果可知，當(dāng)利用生態(tài)丁壩將水面寬度束窄至1.0m時，在P=20%、P=50%和P=80%三種不同保證率下，電站的年發(fā)電量分別為3023.4kW·h、2556.8kW·h和1927.3kW·h，年發(fā)電量均值為2502.5kW·h。如果按照當(dāng)前的0.3757元/(kW·h)的上網(wǎng)電價計算，年均發(fā)電效益約為940.19萬元[2502.5萬kW·h×0.3757元/(kW·h)≈940.19萬元]。與僅依靠生態(tài)流量下瀉措施相比，年發(fā)電效益可以增加177.71萬元(940.19萬元-762.48萬元=177.71萬元)。當(dāng)利用生態(tài)丁壩將水面寬度束窄至2.0m時，在P=20%、P=50%和P=80%三種不同保證率下，電站的年發(fā)電量分別為2982.1kW·h、2504.9kW·h和1888.1kW·h，年發(fā)電量均值為2458.4kW·h。如果按照當(dāng)前的0.3757元/(kW·h)的上網(wǎng)電價計算，年均發(fā)電效益約為923.62萬元[2458.4萬kW·h×0.3757元/(kW·h)≈923.62萬元]。與僅依靠生態(tài)流量下瀉措施相比，年發(fā)電效益可以增加161.14萬元(923.62萬元-762.48萬元=161.14萬元)。

由此可見，上述兩種生態(tài)丁壩方案相比，將水面寬度束窄至1.0m雖然會多投入部分材料費和工費，但是可以增加16.57萬元(177.71萬元-161.14萬元=16.57萬元)的發(fā)電效益，因此將水面寬度束窄至1.0m的方案更優(yōu)。

3.2 滾水壩方案

滾水壩也被稱為低水頭溢流堰，可以通過造成的河道雍水。提高河道水位[7]。按照材料劃分，滾水壩主要有橡膠壩、漿砌石壩、混凝土重力壩等[8]。由于寒區(qū)河道脫水段修復(fù)并沒有景觀方面的特殊需求，因此漿砌石壩為最佳選擇。鑒于修復(fù)的主要考慮因素是水深，而平均水深30cm即可滿足當(dāng)?shù)馗鞣N魚類的生存需要。結(jié)合當(dāng)?shù)氐母叱虜?shù)據(jù)，確定在河道上的7個突出點部位修建滾水壩，其平面位置如圖1。

圖1 滾水壩布置地點示意圖

布置滾水壩之后，河道的水文、物理性質(zhì)將發(fā)生較大變化。與生態(tài)丁壩相比，該方案僅需要進行周期性生態(tài)流量調(diào)節(jié)，按照生態(tài)丁壩水面寬度束窄為1.0m的生態(tài)流量計算(計算結(jié)果見表5)。由表中的計算結(jié)果可知，在P=20%、P=50%和P=80%三種不同保證率下，電站的年發(fā)電量分別為3053.3kW·h、2577.6kW·h和1952.8 kW·h，年發(fā)電量均值為2527.9kW·h。如果按照當(dāng)前的0.3757元/(kW·h)的上網(wǎng)電價計算，年均發(fā)電效益約為949.73萬元。與僅依靠生態(tài)流量下瀉措施相比，年發(fā)電效益可以增加187.25萬元[2527.9萬kW·h×0.3757元/(kW·h)-762.48萬元≈187.25萬元]。與生態(tài)丁壩中的最優(yōu)方案相比，年發(fā)電效益可增加9.54萬元(187.25萬元-177.71萬元=9.54萬元)。因此，與生態(tài)丁壩方案相比，滾水壩方案雖然需要相對較大的工程成本投入，且需要對生態(tài)流量進行周期性泄放調(diào)控，但是從可持續(xù)發(fā)展的角度看，無疑滾水壩生態(tài)修復(fù)方案最優(yōu)。同時，小孤山水電站地處偏遠，當(dāng)?shù)仉娏π枨筝^大，但來水量相對比較缺乏，且脫水段的距離較長，因此，滾水壩方案最為適合。

表5 滾水壩方案水量調(diào)度計算結(jié)果

4 工程方案設(shè)計

由于本文的修復(fù)區(qū)并不在風(fēng)景區(qū)內(nèi)，并沒有景觀方面的特定要求。但是電站位于遼寧東部長白山區(qū)，屬于北方寒區(qū)，冬季氣溫較低，因此，對雍水堰的耐久性有一定的要求。此外，修復(fù)區(qū)地處山區(qū)，交通不便，應(yīng)盡量就地取材。因此，建設(shè)中擬充分利用河道中現(xiàn)有的部分巨石，在石塊中間的孔隙部位修建C25混凝土防滲面，在其基礎(chǔ)面采用長度1.0m，直徑20mm的鋼筋進行錨固，錨固筋的橫向間距為0.4m，錨固砂漿為M10水泥砂漿。防滲面的迎水面和背水面均采用塊石堆砌，并用M7.5砂漿固結(jié)。具體設(shè)計見圖2。

5 修復(fù)效果

工程修建完后，實現(xiàn)了對降雨和山間徑流的充分利用，形成了有效的堰前雍水，在河道中出現(xiàn)了眾多深度不一的水潭，其深度較淺處為15～18cm，深度可達50cm以上，為河道生物營造了良好的生存環(huán)境。通過現(xiàn)場水樣采集和檢測，結(jié)果顯示水質(zhì)情況良好，水體含鹽量低，pH值在6.7～7.3之間，為典型的中性水，各種污染物的含量較低，均滿足Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準，生態(tài)修復(fù)效果良好。

圖2 工程方案設(shè)計示意圖

6 結(jié) 語

小型引水式水電站建設(shè)往往會造成大壩下游脫水段，對河道生態(tài)環(huán)境造成不利影響，需要采取必要的工程措施進行生態(tài)修復(fù)。本文以遼寧丹東小孤山水電站脫水段為例，進行脫水段生態(tài)修復(fù)研究。結(jié)合電站脫水段的實際情況，選擇生態(tài)丁壩和滾水壩兩種設(shè)計方案進行比選，最終確定滾水壩方案為最優(yōu)方案。本文的研究結(jié)論和方法對類似工程脫水段的生態(tài)修復(fù)研究具有方法和實踐層面的借鑒價值。當(dāng)然，生態(tài)修復(fù)是一項涉及多領(lǐng)域的復(fù)雜課題，應(yīng)該以自然修復(fù)為主，工程技術(shù)措施為輔的原則，研究和選擇最合適的修復(fù)方案，使河道生態(tài)環(huán)境能夠最大限度恢復(fù)到最初狀態(tài)。