杜河生态水电站的实施与应用

韩宪亮

（晋城市水利水电事务中心，山西 晋城 048000）

1 工程概况

水电是世界公认的绿色清洁能源，也是重要的民生水利基础设施。晋城市水电站的开发与建设，为解决晋城市山区无电缺电问题、农村经济社会发展和脱贫攻坚、低碳社会等方面做出了重要贡献。截至目前，晋城市小水电站总装机8万kW，年平均发电量1.4亿kW·h，每年节约标准煤6万t，减少碳粉尘排放4万t，减排二氧化碳1.5亿kg、二氧化硫450万kg、氮氧化物225万kg，在节能减排方面发挥着良好的社会效益。

杜河水电站是经国务院批准，实现晋城市泽州、阳城两县农村水电初级电气化县建设目标的骨干电源工程。拦河大坝位于晋城市泽州县李寨乡杜河村和阳城县金滩村交界的沁河干流上，电站厂房位于杜河村下游的沁河左岸，电站设计水头43.8m，设计引水流量34.00m3/s，装机容量为4×3200kW，多年平均发电量1700万kW·h。电站枢纽工程包括：拦河坝、引水隧洞、调压井、压力管道、主副厂房、变电站等建筑物。

2 生态流量的确定

根据水利部《农村水电增效扩容改造河流生态修复指导意见》（水电〔2016〕60号）和省水利厅《关于小水电站下泄生态流量有关事项的通知》（晋水农水便〔2020〕10号）文件要求，小水电站生态流量的确定，要满足地方群众生产、生活和生态需水的要求。

近几十年来，晋城市大部分河流的年均流量存在不同程度下降，还要满足大水网的用水需求，因此应采用尽可能多的计算方法，比较分析计算结果，选择符合河流实际情况的生态基流。

表1 生态基流计算方法

按照Tennant法、90%保证率法、近10年最枯月流量法三种不同的方法算出河道生态基流量，分别为QT，Q90和Q最枯，根据国家环保总局相关批复文件，杜河断面生态流量为1.5m3/s，结合实际情况对几种计算结果进行比较分析，确定生态流量。

表2 生态流量计算结果 单位：m3/s

对比四种生态基流结果可以看出，杜河断面生态基流为1.5～2.71m3/s，不同方法计算结果存在一定的差异。考虑到河道两岸的生产生活用水，为长期保障下游河道的水生态环境，选取2.71m3/s作为杜河大坝断面的生态流量。

3 杜河生态电站工程设计

3.1 工程等级及建筑物级别

杜河生态水电站为坝后式水电站，装机容量为500kW，为小（二）型水利工程，工程等别为V等，永久建筑物中主要建筑物电站厂房为5级建筑物，次要建筑物为5级建筑物。

3.2 洪水地震动标准

根据《防洪标准》（GB50201-2014），水电站厂房防洪标准采用20～30年一遇设计；50年一遇校核。

据《建筑抗震设计规范》附图、《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015），本区地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.45s，地震基本烈度为Ⅵ度。

3.3 厂址选定

杜河生态水电站，利用杜河水库大坝下泄生态流量发电。杜河大坝分为溢流段和非溢流段，溢流坝段位于大坝右侧，长122m，坝顶高程为462.0m，最大坝高38m；非溢流段长46m，坝顶高程471m，下泄生态流量2.71m3/s。

由于大坝溢流段位于枢纽右侧，泄流洪水时，对下游右岸河段形成较强冲刷，左岸冲刷较小；水电站压力管道位于大坝左岸，直径4.2m，在下游管道桩号0+046m处已预留河道生态补水口，开口直径0.9m。

将左岸原有生态补水管道作为取水口接生态电站压力管道，可避免新建引水管道破坏原电站引水隧洞，减少工程量。结合现场勘察，从地形、地质等方面综合考虑，厂房拟建于杜河大坝坝后左岸平台处。

3.4 总体布置

杜河生态水电站工程，由压力管道和电站厂房工程组成。将电站厂房布置于杜河大坝下游48m处，背靠杜河水电站引水隧洞，地势较为开阔，高程为439～449m；压力管道接原生态补水口，沿左岸已建平台布置，管径0.9m，管道总长33.6m。

3.5 防洪安全设计

根据水文计算，设计洪水静水深6.51m，水面高程443.67m；校核洪水静水深6.79m，水面高程443.98m。厂房设计为主副二层结构，一层为主厂房，室内地坪高程441.45m，主要布置水轮发电机组及调速器；二层为副厂房，高程447.45m，主要布置中控室及电气设备。

从节约投资考虑，结合防洪要求，厂房采用全封闭式钢筋混凝土结构，墙体采用60cm厚C25钢筋混凝土结构，房顶高程为447.45m，且主要电气设备均布置在二层副厂房，满足防洪要求。厂房内采用排水沟汇集渗漏水，通过排水沟排入厂外河道，厂区沿建筑物四周均布置排水沟。

4 水力计算及机组选择

4.1 生态流量复核

杜河水电站压力管道主管直径4.2m，在下游46m处通过生态补水口接生态水电站压力钢管，直径0.9m。按照优先泄放生态流量，剩余水量再进行发电的原则，通过简单管道水力计算公式对其过流能力进行复核（不考虑行进流速水头），管中流量计算公式如下：

式中：Q——管中流量，m3/s；

H——管道水头；

A——管道中的过水断面面积;

uc——流量系数。

流量系数uc计算公式如下：

式中：λ——沿程阻力系数；

l——管道长度，m；

d——管道直径，m；

∑ζ——管路中各局部水头损失系数总和，m。

当河道水量充沛，考虑生态水电站和已建电站共同运营时，按照分叉管道计算公式对其进行复核：

式中：Q、Q1、Q2——主管、生态管、原电站管中流量，m3/s；

H1、H2——生态水电站水头、原电站水头，m；

l、l1、l2——主管、生态管、原电站管长度，m；

K、K1、K2——主管、生态管、原电站管流量模数，m3/s。

经计算复核，在优先泄放生态流量的情况下，生态水电站压力管过流量可达6.5m3/s，可满足生态流量2.71m3/s的要求；当生态水电站和已建电站共同运营时，按照已建电站多年运营实际情况，考虑两台3200kW机组和生态水电站共同运营，经分叉管道计算公式试算复核后，已建电站引水流量17m3/s，生态水电站引水流量满足2.71m3/s，满足生态流量泄放要求。

4.2 水头损失计算

杜河水电站压力管道进口处至生态取水口长46m，生态水电站压力管道总长33.6m，生态水电站单机过水流量为2.71m3/s。由此进行水头损失计算。

沿程水头损失计算公式如下：

式中:hf——管道沿程水头损失，m；

λ——沿程阻力系数；

d——管道直径，m；

l——管道长度，m；

v——管道中水流断面平均流速，m/s。

经计算，包含原电站主管和生态水电站管道，沿程损失为0.77m。

局部水头损失计算：

式中:hj——管道局部水头损失，m；

ζ——局部水头损失系数，包括压力管道的进出水口、蝶阀、折管段、弯管段和伸缩节处的水头损失系数。

经计算，局部损失为1.42m。

压力管道总的水头损失为两者之和，即2.19m。

4.3 设计水头确定

设计水头采用下列公式计算：

式中：H设——电站设计水头，m；

H毛——电站毛水头，23m；

h沿——水头沿程损失，0.77m；

h局——水头局部损失，1.42m。

生态电站毛水头取杜河大坝正常水位与正常尾水位之差23m。经计算，生态水电站设计水头为20.81m。

4.4 水轮发电机组设备选择

生态水电站设计流量2.71m3/s，设计水头为20.81m，根据水轮机适用范围，机组拟选用混流式水轮机，适应本电站参数范围的水轮机机转轮型号为HLA551-WJ-71，装机容量500kW。参考水轮机模型特性曲线，水轮发电机具体参数见表1。

表1 水轮机及发电机选型及参数表

5 投资与工程效益分析

工程概算总投资440.16万元。其中：建筑工程162.21万元，机电设备及安装工程133.97万元，金属结构及安装工程19.01万元，施工临时工程34.89万元，独立费用69.11万元，预备费20.96万元。工程效益主要体现在经济效益和生态效益。

经济效益：工程建成后年发电量可达399.4万kW·h，扣除1%的电站用电及2%的电量损失，则实际年售电量为391.4万kW·h，上网售电价为0.27元/kW·h，年平均售电收益为105.68万元。

生态效益，通过发电后泄放生态流量，保证了下游减脱水河段水面的连续性，改善了河道水生态环境；以生态电站年发电量399.4万度粗略估算，每年共节约标煤0.16万t，减排碳粉尘0.11万t、二氧化碳0.390万t、二氧化硫0.012万t、氮氧化物0.006万t，在低碳、节能、减排方面效益显著。