小型水电站生态泄流设施改造研究

肖 妮, 杨安玉, 周丽娜, 孟 克

(1.水利部农村电气化研究所，杭州 310022; 2.水利部农村水电工程技术研究中心，杭州 310022)

0 引 言

水电是国际公认的清洁可再生能源，是推进节能减排，改善大气环境，促进生态文明建设的有效举措[1]。立足水电资源优势，走生态之路，是新时代农村水电发展的必然选择。我国早期建成的电站，由于当时的时代背景，没有对电站提出生态方面的要求，大部分老电站没有设置生态流量泄放设施[2]，不同程度出现了一些诸如河段减脱水等问题，给生态环境造成一定的不利影响。

小水电站带来的河流生态环境问题正日益受到社会各界关注, 这已经成为影响我国水电开发和环境可持续发展的主要问题[3,4]。2018年5月23日，生态环境部发布《长江经济带小水电无序开发环境影响评价管理专项清理整顿工作方案》的通知((环办环评函)〔2018〕325号)。2018年5月28日，水利部办公厅发布《关于开展农村水电站生态环境保护情况排查的通知》((办电移)〔2018〕73号)。一系列的通知公告督促小水电尽快整改。为推动绿色水电发展，有效落实河道生态流量，改善河道水生态环境，目前全国正逐步开展水电站生态泄流设施改造。

本文结合浙江、福建等地的小水电站生态改造经验，介绍几种常见的生态流量泄放设施，分析其适用条件及应用效果，并介绍几个小水电生态设施改造典型案例，为老电站生态泄流设施改造提供参考。

1 现状分析

目前，水电站生态流量控制管理工作已在全国范围内逐步展开。部分省份已开展了小水电生态设施改造，但由于没有较为统一的标准，改造方案各式各样，并不都适合于电站生态设施改造。不少电站仅追求下泄流量，未综合考虑改造方案对建筑物或设备设施造成的不利影响，生态改造后可能影响电站的正常运行，甚至造成新的安全隐患。笔者在调研过程中发现小水电生态设施改造仍然存在诸多问题。有的电站直接在钢闸门或混凝土闸门上打孔，破坏了结构的整体性，易造成破坏；有的电站在压力钢管上打孔，存在安全隐患，可能影响电站正常运行；有的电站用放空阀直接泄放，长期半开状态的闸阀极易造成损坏，并非长久之计。

如何使得小水电能够长久的下泄生态流量，继续发挥其清洁能源的功效，选择合适的改造方案显得尤为重要。刘元海[5]等介绍了一个电站的生态用水工程设计，蔡圃[6]等对老旧型水电站生态流量下泄方式进行了分析，结合省某一河段，提出了发电+堰流、堰闸泄流、小机组发电泄流和冲沙底孔泄流的四种方式。总的来说，关于小水电生态设施改造各地仍处于自行摸索的阶段，缺少具有普遍适用性的典型案例和相关技术研究。

2 泄流设施改造方案研究

水电站生态改造设备设施的选择应遵循因地制宜、安全可靠、技术合理、经济适用的原则。根据电站不同开发方式及和枢纽布置特点，经技术经济方案比较，选择适合电站的泄流设备设施。生态流量泄放设施的改造或增设应符合国家有关设计、施工、运行相关标准。生态流量泄放设施应在坝(闸)处或尽量靠近坝(闸)处，其泄流能力应满足核定的生态流量要求。

水利部农村电气化研究所2018-2019年开展了浙江省多个县市的生态评估调查工作，现场调研了1 000余座小水电站，收集、整理了大量电站生态泄放设施现状。本文通过对大量调研电站生态设施改造的研究，分析几种较为常见改造方案适用条件及应用效果。改造方案主要包括：泄流闸、泄流阀、泄流管(孔)、虹吸管及生态机组等。

2.1 泄流闸

泄流闸泄放生态流量指通过对现有闸门进行限位，或在已有的泄流孔(洞)等设施前端或末端安装控制闸门，利用闸门不完全关闭泄放生态流量。

适用条件：①拦水坝为设有冲沙闸的堰坝引水式电站；②坝后引水渠道渠首设有闸门设施的引水式电站； ③电站大坝设有放空洞，且布置有允许动水中启闭的深水闸门。

应用效果：不会因新增泄水建筑物而影响坝体结构，改造技术简单，投资小；但坝前水位变化较大时，泄放流量也变化较大，且闸门长期小开度泄流产生的振动可能使构筑物结构疲劳，可能造成一定的破坏。

泄流闸泄放生态流量示意图如图1所示。

图1 泄流闸泄放示意图

2.2 泄流阀

针对现状设有放空阀的电站，可采取部分开启阀门或增设旁通放水管方式进行生态流量泄放，如果出口流量大流速高，需要加装消能阀(锥形阀)。

适用条件：①现状设有放空阀的电站大坝；②电站利用发电引水洞设置放空支洞，支洞出口设闷头或阀门的；③利用导流隧洞作为放空洞，并在出口设阀门的。

应用效果：方法简单，改造成本低，不破坏水工建筑物，具有较好的经济性；若不加装锥形阀，泄放流量较大，长期高速水流导致的空蚀现象对于泄放管、泄放阀门存在一定危害；泄流产生的振动也易引起构筑物的结构疲劳。

利用现有阀门泄放生态流量示意图如图2所示。

图2 锥形阀出流示意图

2.3 泄流管(孔)

泄流管(孔)泄放方式指在坝体或渠道埋设泄放管或钻孔，通过生态泄放管(孔)泄放生态流量。

适用条件：①电站大坝为低水头堰坝、翻板坝，可在堰坝坝身、翻板坝基础等部位钻孔埋设泄放管；②采用渠道引水的引水式电站，开孔位置应尽量靠近取水口；③大坝较高、无法适用虹吸管设施时，可采用坝肩钻孔敷设泄放管泄放生态流量。

应用效果：泄放管结构简单便于管理、易维护；但无法进行流量精准控制；大坝厚时施工较为麻烦，费用高；泄水管道较长时，容易堵塞，且泄水管贯穿坝体可能对大坝的防渗、抗震安全产生影响。

利用泄流管(孔)泄放生态流量示意图如图3所示。

图3 泄流管(孔)出流示意图

2.4 虹吸管

虹吸管指坝体某处设置虹吸装置，利用虹吸作用，从坝前水库吸水泄放入坝后河道。

适用条件：①电站大坝为无泄流设施的中低土石坝、重力坝，且地质条件不适宜坝肩或引水隧洞钻孔，或其余方式投资过大等情况，可增设虹吸管泄放生态流量；②虹吸管的管道最高点与库水位落差通常不超过7 m。

应用效果：虹吸管对大坝扰动小，不破坏原有设备设施，无额外工程安全风险；但受最大真空度限制，一般虹吸管真空值不超过7 m，同时启闭较复杂，管理较麻烦，设备易损坏。

虹吸管泄流示意图如图4所示。

图4 虹吸管泄流示意图

2.5 生态机组

生态机组指以泄放生态流量为目的的发电机组。

适用条件：具有高坝的电站或河床式电站，生态机组检修或故障停机时应有替代的泄放设施。当采用箱式机组时发电水头不宜小于40 m，发电流量宜在0.05～0.60 m3/s之间。

应用效果：既能不间断下泄流量，又能充分利用下泄流量发电；但适用范围较小，投资大，具有运维要求。

3 典型案例

3.1 泄流闸

浙江省庆元县濛桥电站，接上一级电站尾水发电。电站利用集水面积105 km2，堰顶溢流，最大堰高2 m，堰轴线长43 m。拦水堰左岸设置泄流闸。目前电站通过左岸泄流闸限位，向河道泄放生态流量(见图5)。

图5 濛桥电站拦水堰及泄流闸

此改造方法简单、易行，无土建工程量，仅在原有泄流闸螺旋控制盘的下方增设一定厚度铁片，限制闸门完全关闭，使之达到泄流目的。目前泄流设施运行良好，在枯水期，水位较低，属于无压泄流，不会对闸门造成影响。当河道水位较高时，未发现有振动情况，但水位高，会使下泄生态流量大于核定的生态流量值，影响电站发电效益。

3.2 泄流阀

浙江省龙泉市岩樟溪一级水电站是岩樟溪干流的第一级水电站，坝址以上集水面积53.61 km2，水库总库容1 143 万m3，电站装机容量2×10 MW。拦河大坝为双曲拱坝，最大坝高81.75 m。大坝设内径0.8 m的放空管，出口设检修蝶阀和工作锥阀，用锥形阀泄放生态流量(见图6)。

图6 岩樟溪一级锥形阀泄流

岩樟溪一级水电站属于利用现有设备泄放生态流量，无需进行改造，无额外改造费用。通过控制锥形阀开度控制流量，方法简单易行，泄放效果良好，且不会对现有建筑物及设备设施造成影响。

3.3 泄流管(孔)

浙江省龙泉市住龙水电站拦水坝位于住溪干流，在住龙镇弯潭尾村上游村旁。坝址以上集水面积149.5 km2，电站2009年5月投产发电，总装机容量4×800 kW。电站枢纽按引水式布置，拦河坝为水力自控翻板门重力坝，最大坝高为11.8 m。拦河坝左岸坝侧坝肩设置了一根泄流管，无节制泄放流量，满足下游灌溉及生态用水。

住龙电站生态流量无节制泄放，便于管理，仅需每隔一段时间清除下管道前侧的杂物，保障水流通畅。目前泄流管运行良好，全天候不间断泄流，保障了坝下游潺潺流水，改善了坝下4 km减水河段的生态环境(见图7)。

图7 住龙电站生态泄流管

3.4 虹吸管

浙江省缙云县盘溪五级电站(插花墩电站)位于舒洪镇西塔坑村自然村，坝址以上集水面积76 km2，水库正常库容105 万m3。电站建于1972年4月，于2011年3月重建，现装机容量3×400 kW。电站大坝2018年10月安装了虹吸式生态泄流管，采用DN160的PE管道，跨过溢洪道，并固定在溢洪道的一侧(见图8)。

图8 盘溪五级电站虹吸式生态泄流管

盘溪五级电站生态虹吸管自安装至今运行良好，经历了2019年8月的超强台风“利奇马”，水库高水位泄洪，虹吸管未受到损坏。虹吸管最高点至水库最低运行水位的高差4.5 m，小于虹吸的限制条件，且造价不大，整套设备花费约3 万元左右。

3.5 生态机组

浙江省金华市九峰电站是全国第一批“绿色小水电站”，水库工程位于钱塘江上游衢江的支流厚大溪上，工程以防洪、灌溉为主，结合供水、发电等综合利用的中型水利工程。电站为坝式水电站，装机容量为2×3 200 kW+400 kW，厂内安装了装机容量为400 kW的生态小机组，生态机组全天24 h运行，保证下游生态、生活用水。

九峰电站生态机组目前运行良好，发电的同时向下游下泄生态流量。九峰电站生态机组与常规同在一厂房内，减少了土建工程量，并且统一管理，减少了运维方面的支出。

4 结 语

立足水电资源优势，走生态之路，是新时代农村水电发展的必然选择。为推动绿色水电发展，有效落实河道生态流量，改善河道水生态环境，全国正逐步开展水电站生态泄流设施改造，目前各地仍处于自行摸索的阶段，缺少具有普遍适用性的典型案例和相关技术研究。本文通过对小水电生态流量泄放设施的研究，提出几种适用的生态泄放设施改造方案，并分析其适用性，为小水电生态整改提供技术支撑。不同类型的电站取水口有不同的改造方式，文中介绍几种常用的类型，未囊括所有，如底栏栅式取水口改造成泄流槽，有鱼类洄游的小型河道结合鱼道考虑，无法通过其他改造方式的利用水泵抽水放流[7]等。另外，生态泄流设施改造宜结合河道修复措施，如生态堰坝、生态护坡等，生态改造效果将更加明显。

对老电站的生态改造，将使农村水电实现水电绿色发展，走上和经济社会、环境保护相协调的可持续绿色发展之路。

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