小孤山水电站下游脱水段生态修复方案比选研究

黄 肖

(鞍山水文局，辽宁 鞍山 114039)

1 工程背景

小孤山水电站地处辽宁省丹东市宽甸满族自治县长甸镇长甸村境内。电站大坝为混凝土面板堆石坝，坝轴线长106m，最大坝高25.5m，设计库容260万m3。电站为引水式水电站，设计水头为16.6m，最大工作水头21.3m，最小工作水头12.44，电站装机容量为2×2MW+2×0.6MW，共4台混流式水轮机组，设计年发电量为2545万kW·h，年利用小时数约4125h。小孤山水电站是一座小型电站。

小孤山水电站建成运行之后，会造成下游5400m脱水段。与其他类似电站相比，小孤山水电站的脱水段长度较长，河床基本呈裸露状态，河道内的鱼类基本失去生存环境。总体来看，脱水段产生之后，下游河道逐渐向半水生和陆地生转化，周边的植被由于缺乏水资源的涵养，造成了比较严重的生态化境破坏，亟待实施工程修复措施[1]。

2 生态修复的影响因素和生态流量计算

小孤山水电站下游脱水段的河道为典型的山区蜿蜒型河道，其中存在较多的深潭和灌木带，因此，具有较多的水面面积，对生态修复工作比较有利。研究中在丰水期选取脱水段的深潭—浅滩断面，度量河道宽度和水深数据，利用R2-CROSS法进行生态流量计算[2]，结果见表1。

表1 小孤山水电站下游脱水段生态流量计算结果

由计算结果可知，小孤山水电站下游脱水段生态流量的最大值为1.42m3/s，依据水电站上游的来水资料。对电站在P=20%、P=50%和P=80%三种不同保证率下的水量调度进行计算，结果见表2。由计算结果可知，在P=20%、P=50%和P=80%三种不同保证率下，电站的年发电量分别为2434.3kW·h、2108.7kW·h和1545.6kW·h，年发电量均值为2029.5kW·h。如果按照当前的0.3757元/(kW·h)的上网电价计算，年均发电效益约为762.48万元[2029.5万kW·h×0.3757元/(kW·h)≈762.48万元]。由于部分上游来水被用作生态流量，电站的发电效益有所降低。

表2 不同保证率下水量调度计算结果

3 修复方案的比选

如果采取工程措施对大坝下游脱水段进行生态修复，可以有效减少生态流量值，进而明显提升电站的发电效益[3]。目前，针对电站脱水段生态修复，常用的修复技术主要有滚水坝、生态流量泄放措施、阶梯-深潭系统、生态丁坝、河道纵向深槽、暗坝、生态护坡等[4]。鉴于小孤山水电站脱水段有近60m的落差，且脱水段的长度较长，认为滚水坝和生态丁坝两种方案最为合适。下面主要这两种方案进行进一步的比较，以获取最佳方案。

3.1 生态丁坝方案

传统丁坝的主要作用是调整流速和保护河岸，主要包括桩式、抛石和混凝土三种不同的丁坝类型[5]。生态丁坝指的是在传统丁坝的基础上，充分引入植物材料，利用植被的根系增加丁坝的强度，同时利用植株本身营造生态景观效果。在脱水段生态修复工程中，丁坝可以起到束窄河床，减少流量下泻，为生物提供良好栖息环境的作用[6]。研究中结合小孤山水电站脱水段的河道特征，设计了将水面宽度束窄为1.0m和2.0m两种工况，利用上节方法对生态流量和发电量进行计算，结果如表3和表4。

表3 不同水面宽度生态径流量计算结果

表4 不同水面宽度发电量计算结果

由计算结果可知，当利用生态丁坝将水面宽度束窄至1.0m时，在P=20%、P=50%和P=80%三种不同保证率下，电站的年发电量分别为3023.4kW·h、2556.8kW·h和1927.3kW·h，年发电量均值为2502.5kW·h。如果按照当前的0.3757元/(kW·h)的上网电价计算，年均发电效益约为940.19万元[2502.5万kW·h×0.3757元/(kW·h)≈940.19万元]。与仅依靠生态流量下泻措施相比，年发电效益可以增加177.71万元(940.19万元-762.48万元=177.71万元)。当利用生态丁坝将水面宽度束窄至2.0m时，在P=20%、P=50%和P=80%三种不同保证率下，电站的年发电量分别为2982.1kW·h、2504.9kW·h和1888.1kW·h，年发电量均值为2458.4kW·h。如果按照当前的0.3757元/(kW·h)的上网电价计算，年均发电效益约为923.62万元[2458.4万kW·h×0.3757元/(kW·h)≈923.62万元]。与仅依靠生态流量下泻措施相比，年发电效益可以增加161.14万元(923.62万元-762.48万元=161.14万元)。

由此可见，上述两种生态丁坝方案相比，将水面宽度束窄至1.0m虽然会多投入部分材料费和工费，但是可以增加16.57万元(177.71万元-161.14万元=16.57万元)的发电效益，因此将水面宽度束窄至1.0m的方案更优。

3.2 滚水坝方案

滚水坝也被称为低水头溢流堰，可以通过造成的河道雍水。提高河道水位[7]。按照材料划分，滚水坝主要有橡胶坝、浆砌石坝、混凝土重力坝等[8]。由于寒区河道脱水段修复并没有景观方面的特殊需求，因此浆砌石坝为最佳选择。鉴于修复的主要考虑因素是水深，而平均水深30cm即可满足当地各种鱼类的生存需要。结合当地的高程数据，确定在河道上的7个突出点部位修建滚水坝，其平面位置如图1。

图1 滚水坝布置地点示意图

布置滚水坝之后，河道的水文、物理性质将发生较大变化。与生态丁坝相比，该方案仅需要进行周期性生态流量调节，按照生态丁坝水面宽度束窄为1.0m的生态流量计算(计算结果见表5)。由表中的计算结果可知，在P=20%、P=50%和P=80%三种不同保证率下，电站的年发电量分别为3053.3kW·h、2577.6kW·h和1952.8 kW·h，年发电量均值为2527.9kW·h。如果按照当前的0.3757元/(kW·h)的上网电价计算，年均发电效益约为949.73万元。与仅依靠生态流量下泻措施相比，年发电效益可以增加187.25万元[2527.9万kW·h×0.3757元/(kW·h)-762.48万元≈187.25万元]。与生态丁坝中的最优方案相比，年发电效益可增加9.54万元(187.25万元-177.71万元=9.54万元)。因此，与生态丁坝方案相比，滚水坝方案虽然需要相对较大的工程成本投入，且需要对生态流量进行周期性泄放调控，但是从可持续发展的角度看，无疑滚水坝生态修复方案最优。同时，小孤山水电站地处偏远，当地电力需求较大，但来水量相对比较缺乏，且脱水段的距离较长，因此，滚水坝方案最为适合。

表5 滚水坝方案水量调度计算结果

4 工程方案设计

由于本文的修复区并不在风景区内，并没有景观方面的特定要求。但是电站位于辽宁东部长白山区，属于北方寒区，冬季气温较低，因此，对雍水堰的耐久性有一定的要求。此外，修复区地处山区，交通不便，应尽量就地取材。因此，建设中拟充分利用河道中现有的部分巨石，在石块中间的孔隙部位修建C25混凝土防渗面，在其基础面采用长度1.0m，直径20mm的钢筋进行锚固，锚固筋的横向间距为0.4m，锚固砂浆为M10水泥砂浆。防渗面的迎水面和背水面均采用块石堆砌，并用M7.5砂浆固结。具体设计见图2。

5 修复效果

工程修建完后，实现了对降雨和山间径流的充分利用，形成了有效的堰前雍水，在河道中出现了众多深度不一的水潭，其深度较浅处为15～18cm，深度可达50cm以上，为河道生物营造了良好的生存环境。通过现场水样采集和检测，结果显示水质情况良好，水体含盐量低，pH值在6.7～7.3之间，为典型的中性水，各种污染物的含量较低，均满足Ⅰ类水质标准，生态修复效果良好。

图2 工程方案设计示意图

6 结 语

小型引水式水电站建设往往会造成大坝下游脱水段，对河道生态环境造成不利影响，需要采取必要的工程措施进行生态修复。本文以辽宁丹东小孤山水电站脱水段为例，进行脱水段生态修复研究。结合电站脱水段的实际情况，选择生态丁坝和滚水坝两种设计方案进行比选，最终确定滚水坝方案为最优方案。本文的研究结论和方法对类似工程脱水段的生态修复研究具有方法和实践层面的借鉴价值。当然，生态修复是一项涉及多领域的复杂课题，应该以自然修复为主，工程技术措施为辅的原则，研究和选择最合适的修复方案，使河道生态环境能够最大限度恢复到最初状态。