杜河生態(tài)水電站的實(shí)施與應(yīng)用

韓憲亮

（晉城市水利水電事務(wù)中心，山西 晉城 048000）

1 工程概況

水電是世界公認(rèn)的綠色清潔能源，也是重要的民生水利基礎(chǔ)設(shè)施。晉城市水電站的開發(fā)與建設(shè)，為解決晉城市山區(qū)無電缺電問題、農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和脫貧攻堅(jiān)、低碳社會等方面做出了重要貢獻(xiàn)。截至目前，晉城市小水電站總裝機(jī)8萬kW，年平均發(fā)電量1.4億kW·h，每年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤6萬t，減少碳粉塵排放4萬t，減排二氧化碳1.5億kg、二氧化硫450萬kg、氮氧化物225萬kg，在節(jié)能減排方面發(fā)揮著良好的社會效益。

杜河水電站是經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)晉城市澤州、陽城兩縣農(nóng)村水電初級電氣化縣建設(shè)目標(biāo)的骨干電源工程。攔河大壩位于晉城市澤州縣李寨鄉(xiāng)杜河村和陽城縣金灘村交界的沁河干流上，電站廠房位于杜河村下游的沁河左岸，電站設(shè)計(jì)水頭43.8m，設(shè)計(jì)引水流量34.00m3/s，裝機(jī)容量為4×3200kW，多年平均發(fā)電量1700萬kW·h。電站樞紐工程包括：攔河壩、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道、主副廠房、變電站等建筑物。

2 生態(tài)流量的確定

根據(jù)水利部《農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造河流生態(tài)修復(fù)指導(dǎo)意見》（水電〔2016〕60號）和省水利廳《關(guān)于小水電站下泄生態(tài)流量有關(guān)事項(xiàng)的通知》（晉水農(nóng)水便〔2020〕10號）文件要求，小水電站生態(tài)流量的確定，要滿足地方群眾生產(chǎn)、生活和生態(tài)需水的要求。

近幾十年來，晉城市大部分河流的年均流量存在不同程度下降，還要滿足大水網(wǎng)的用水需求，因此應(yīng)采用盡可能多的計(jì)算方法，比較分析計(jì)算結(jié)果，選擇符合河流實(shí)際情況的生態(tài)基流。

表1 生態(tài)基流計(jì)算方法

按照Tennant法、90%保證率法、近10年最枯月流量法三種不同的方法算出河道生態(tài)基流量，分別為QT，Q90和Q最枯，根據(jù)國家環(huán)?？偩窒嚓P(guān)批復(fù)文件，杜河斷面生態(tài)流量為1.5m3/s，結(jié)合實(shí)際情況對幾種計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，確定生態(tài)流量。

表2 生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果 單位：m3/s

對比四種生態(tài)基流結(jié)果可以看出，杜河斷面生態(tài)基流為1.5～2.71m3/s，不同方法計(jì)算結(jié)果存在一定的差異?？紤]到河道兩岸的生產(chǎn)生活用水，為長期保障下游河道的水生態(tài)環(huán)境，選取2.71m3/s作為杜河大壩斷面的生態(tài)流量。

3 杜河生態(tài)電站工程設(shè)計(jì)

3.1 工程等級及建筑物級別

杜河生態(tài)水電站為壩后式水電站，裝機(jī)容量為500kW，為小（二）型水利工程，工程等別為V等，永久建筑物中主要建筑物電站廠房為5級建筑物，次要建筑物為5級建筑物。

3.2 洪水地震動標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-2014），水電站廠房防洪標(biāo)準(zhǔn)采用20～30年一遇設(shè)計(jì)；50年一遇校核。

據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》附圖、《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015），本區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45s，地震基本烈度為Ⅵ度。

3.3 廠址選定

杜河生態(tài)水電站，利用杜河水庫大壩下泄生態(tài)流量發(fā)電。杜河大壩分為溢流段和非溢流段，溢流壩段位于大壩右側(cè)，長122m，壩頂高程為462.0m，最大壩高38m；非溢流段長46m，壩頂高程471m，下泄生態(tài)流量2.71m3/s。

由于大壩溢流段位于樞紐右側(cè)，泄流洪水時，對下游右岸河段形成較強(qiáng)沖刷，左岸沖刷較??；水電站壓力管道位于大壩左岸，直徑4.2m，在下游管道樁號0+046m處已預(yù)留河道生態(tài)補(bǔ)水口，開口直徑0.9m。

將左岸原有生態(tài)補(bǔ)水管道作為取水口接生態(tài)電站壓力管道，可避免新建引水管道破壞原電站引水隧洞，減少工程量。結(jié)合現(xiàn)場勘察，從地形、地質(zhì)等方面綜合考慮，廠房擬建于杜河大壩壩后左岸平臺處。

3.4 總體布置

杜河生態(tài)水電站工程，由壓力管道和電站廠房工程組成。將電站廠房布置于杜河大壩下游48m處，背靠杜河水電站引水隧洞，地勢較為開闊，高程為439～449m；壓力管道接原生態(tài)補(bǔ)水口，沿左岸已建平臺布置，管徑0.9m，管道總長33.6m。

3.5 防洪安全設(shè)計(jì)

根據(jù)水文計(jì)算，設(shè)計(jì)洪水靜水深6.51m，水面高程443.67m；校核洪水靜水深6.79m，水面高程443.98m。廠房設(shè)計(jì)為主副二層結(jié)構(gòu)，一層為主廠房，室內(nèi)地坪高程441.45m，主要布置水輪發(fā)電機(jī)組及調(diào)速器；二層為副廠房，高程447.45m，主要布置中控室及電氣設(shè)備。

從節(jié)約投資考慮，結(jié)合防洪要求，廠房采用全封閉式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墻體采用60cm厚C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，房頂高程為447.45m，且主要電氣設(shè)備均布置在二層副廠房，滿足防洪要求。廠房內(nèi)采用排水溝匯集滲漏水，通過排水溝排入廠外河道，廠區(qū)沿建筑物四周均布置排水溝。

4 水力計(jì)算及機(jī)組選擇

4.1 生態(tài)流量復(fù)核

杜河水電站壓力管道主管直徑4.2m，在下游46m處通過生態(tài)補(bǔ)水口接生態(tài)水電站壓力鋼管，直徑0.9m。按照優(yōu)先泄放生態(tài)流量，剩余水量再進(jìn)行發(fā)電的原則，通過簡單管道水力計(jì)算公式對其過流能力進(jìn)行復(fù)核（不考慮行進(jìn)流速水頭），管中流量計(jì)算公式如下：

式中：Q——管中流量，m3/s；

H——管道水頭；

A——管道中的過水?dāng)嗝婷娣e;

uc——流量系數(shù)。

流量系數(shù)uc計(jì)算公式如下：

式中：λ——沿程阻力系數(shù)；

l——管道長度，m；

d——管道直徑，m；

∑ζ——管路中各局部水頭損失系數(shù)總和，m。

當(dāng)河道水量充沛，考慮生態(tài)水電站和已建電站共同運(yùn)營時，按照分叉管道計(jì)算公式對其進(jìn)行復(fù)核：

式中：Q、Q1、Q2——主管、生態(tài)管、原電站管中流量，m3/s；

H1、H2——生態(tài)水電站水頭、原電站水頭，m；

l、l1、l2——主管、生態(tài)管、原電站管長度，m；

K、K1、K2——主管、生態(tài)管、原電站管流量模數(shù)，m3/s。

經(jīng)計(jì)算復(fù)核，在優(yōu)先泄放生態(tài)流量的情況下，生態(tài)水電站壓力管過流量可達(dá)6.5m3/s，可滿足生態(tài)流量2.71m3/s的要求；當(dāng)生態(tài)水電站和已建電站共同運(yùn)營時，按照已建電站多年運(yùn)營實(shí)際情況，考慮兩臺3200kW機(jī)組和生態(tài)水電站共同運(yùn)營，經(jīng)分叉管道計(jì)算公式試算復(fù)核后，已建電站引水流量17m3/s，生態(tài)水電站引水流量滿足2.71m3/s，滿足生態(tài)流量泄放要求。

4.2 水頭損失計(jì)算

杜河水電站壓力管道進(jìn)口處至生態(tài)取水口長46m，生態(tài)水電站壓力管道總長33.6m，生態(tài)水電站單機(jī)過水流量為2.71m3/s。由此進(jìn)行水頭損失計(jì)算。

沿程水頭損失計(jì)算公式如下：

式中:hf——管道沿程水頭損失，m；

λ——沿程阻力系數(shù)；

d——管道直徑，m；

l——管道長度，m；

v——管道中水流斷面平均流速，m/s。

經(jīng)計(jì)算，包含原電站主管和生態(tài)水電站管道，沿程損失為0.77m。

局部水頭損失計(jì)算：

式中:hj——管道局部水頭損失，m；

ζ——局部水頭損失系數(shù)，包括壓力管道的進(jìn)出水口、蝶閥、折管段、彎管段和伸縮節(jié)處的水頭損失系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，局部損失為1.42m。

壓力管道總的水頭損失為兩者之和，即2.19m。

4.3 設(shè)計(jì)水頭確定

設(shè)計(jì)水頭采用下列公式計(jì)算：

式中：H設(shè)——電站設(shè)計(jì)水頭，m；

H毛——電站毛水頭，23m；

h沿——水頭沿程損失，0.77m；

h局——水頭局部損失，1.42m。

生態(tài)電站毛水頭取杜河大壩正常水位與正常尾水位之差23m。經(jīng)計(jì)算，生態(tài)水電站設(shè)計(jì)水頭為20.81m。

4.4 水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備選擇

生態(tài)水電站設(shè)計(jì)流量2.71m3/s，設(shè)計(jì)水頭為20.81m，根據(jù)水輪機(jī)適用范圍，機(jī)組擬選用混流式水輪機(jī)，適應(yīng)本電站參數(shù)范圍的水輪機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)輪型號為HLA551-WJ-71，裝機(jī)容量500kW。參考水輪機(jī)模型特性曲線，水輪發(fā)電機(jī)具體參數(shù)見表1。

表1 水輪機(jī)及發(fā)電機(jī)選型及參數(shù)表

5 投資與工程效益分析

工程概算總投資440.16萬元。其中：建筑工程162.21萬元，機(jī)電設(shè)備及安裝工程133.97萬元，金屬結(jié)構(gòu)及安裝工程19.01萬元，施工臨時工程34.89萬元，獨(dú)立費(fèi)用69.11萬元，預(yù)備費(fèi)20.96萬元。工程效益主要體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

經(jīng)濟(jì)效益：工程建成后年發(fā)電量可達(dá)399.4萬kW·h，扣除1%的電站用電及2%的電量損失，則實(shí)際年售電量為391.4萬kW·h，上網(wǎng)售電價(jià)為0.27元/kW·h，年平均售電收益為105.68萬元。

生態(tài)效益，通過發(fā)電后泄放生態(tài)流量，保證了下游減脫水河段水面的連續(xù)性，改善了河道水生態(tài)環(huán)境；以生態(tài)電站年發(fā)電量399.4萬度粗略估算，每年共節(jié)約標(biāo)煤0.16萬t，減排碳粉塵0.11萬t、二氧化碳0.390萬t、二氧化硫0.012萬t、氮氧化物0.006萬t，在低碳、節(jié)能、減排方面效益顯著。