整改类小水电生态流量泄放措施研究

李有富

(永嘉县水利局，浙江 永嘉 325100)

1 项目背景

永嘉县小水电整改工作是在深入贯彻习近平总书记生态文化和十九大精神，以及在国家环保督查等督查中发现的小型水电违规建设、影响生态环境等突出问题的背景下进行的。永嘉县共清理整改100座小水电站，大部份为引水式电站，减脱水段长度从0.1km至5km不等。其中退出类2座(枫林和西溪荆源)，总装机容量840kW，占比0.5%，年均发电量200.6万kW·h，占比0.5%；保留类1座(沙头)，总装机容量2900kW，占比1.8%，年均发电量1171万kW·h，占比3.1%；整改类97座，总装机容量162155kW，占比97.7%，年均发电量36470.1万kW·h，占比96.4%。

1.1 基本情况

永嘉县位于浙江省东南部，瓯江下游北岸，总面积2677.6km2。全县水能资源理论蕴藏量27.98万kW，现有投产运行水电站97座(原100座水电站已退出3座，现有97座)，总装机容量16.48万kW，开发量占比约59%。根据水利部等相关文件要求，永嘉县委、县政府高度重视，在上级部门的精心指导下，永嘉已对全县97座水电站开展生态流量泄放动态监督管理。其中，95座水电站采用实时流量和视频监控共同监测(寒坑二级、黄山2座水电站因现场无信号，数据由本地保存)，1座水电站采用视频监控监测(沙头水电站，利用鱼道、电站尾水、闸门调度互动放水方式泄放)，1座水电站(应坑水电站)利用上游尾水发电，生态流量监测数据采用上游下角水电站泄放数据。

(1)涉自然保护区及其他生态红线情况.均不涉及自然保护区及其他禁止开发区，涉及其他生态红线区4座，其中，涉及永嘉县生态公益林水源涵养生态保护红线3座(双溪口、金鸡、桥坑)，涉及永嘉县楠溪江风景名胜区生态保护红线1座(建洋)。

(2)合法合规性.审批手续不齐全，需完善有关手续的8座，其中，1座电站(岭头小陈轩溪)需补办立项审批手续，3座增效扩容电站(双溪口、毛竹、大岙坦)需补办环评和环保验收手续，4座电站(楠泉、金山、佳溪、乌牛溪一级)需补办环保验收手续。

(3)生态流量核定。7座已核定(双溪口、金溪一级、黄山溪一级、郑庄、沙头、大岙坦、乌牛溪二级)，93座尚未核定，其中应坑水电站利用下角水电站的尾水发电，未直接从河道引水，因此不需要核定生态流量。

(4)生态流量泄放设施。尚未设置的29座，其中应坑水电站利用下角水电站的尾水发电，未直接从河道引水，因此不需要泄放设施；已设置的71座，其中满足泄放要求的4座，不满足泄放要求的67座。

(5)生态流量监测。除沙头水电站外其余99座水电站均未安装生态流量监测设施，其中应坑水电站利用下角水电站的尾水发电，且不在县级以上河道上，因此不需要安装监测设施。涉及省市县三级河道上的水电站有28座(经综合评估，沙头水电站被列为保留类，其余27座水电站被列为整改类)，根据浙江省要求需于2020年底前实现在线监测，其他水电站逐步实现在线监测。

(6)生态环境影响。均不涉及珍稀濒危等国家及地方保护物种；除沙头水电站已按规定建设鱼道外，其他水电站均无鱼道建设要求和鱼类增殖放流要求；所有水电站植被恢复到位，不存在地表裸露情况，未发现存在漏油等污染水环境的现象。

(7)安全管理及运行状况。按规定应进行大坝安全鉴定的49座，未开展或尚未完成安全鉴定的13座。各站均已落实双主体责任。单站装机容量1000kW以内的72座，均已开展安全生产年检；单站装机容量1000kW及以上的28座，均已通过安全生产标准化评审。经专家组现场复核，现场安全管理及运行状况好的8座，较好的26座，一般的59座，较差的7座。

1.2 总体目标

按照四部委文件、省级实施方案和指导意见要求的时间和质量，对全县辖区内所有99座小型水电站编制“一站一策”工作方案，为永嘉县2020年底前完成小水电清理整改工作提供可靠的技术依据。根据综合评估分类结果，对于整改类电站，以合法合规性完善、生态流量核定、生态流量泄放设施增设或改造、生态流量监测与监管、安全隐患消除等方面为重点，逐站制定相应的整改措施；对于退出类电站，以工程拆除、生态保障与修复、风险防范与化解、后续处置、退出协议签订等为重点，制定合理退出措施。

2 生态流量核定

永嘉县97座整改类水电站中，除双溪口、金溪一级、黄山溪一级、郑庄、大岙坦和乌牛溪二级6座水电站已核定生态流量，应坑水电站利用下角水电站尾水发电，未直接从河道引水，不存在生态流量相关问题外，其余90座均需核定生态流量。生态流量的计算主要分为生态基流和敏感生态需水计算两方面。对于南方河流，生态基流宜采用“不小于90%保证率最枯月平均流量和多年平均天然径流量的10%两者之间的大值”进行计算，从已批复的电站生态流量情况和部分电站计算结果比对看，采用“多年平均天然径流量的10%”计算所得数值均大于采用“不小于90%保证率最枯月平均流量”计算所得数值。同时由于永嘉县100座电站均不涉及国家重要湿地名录、《全国重要江河湖泊水功能区划》的重要敏感区水域，以及《全国主体功能区规划》中明确的国家级或省级自然保护区、国家级水产种质资源保护区等涉水的重要敏感区水域，因此不需要计算敏感生态需水量。永嘉县境内未核定生态流量的水电站的生态流量均按“多年平均天然径流量的10%”进行计算，最终由县级水行政主管部门会同生态环境部门核定。

3 生态流量泄放设施的布置原则

泄放设施应该布置在水电站坝址附近或尽可能的靠近坝址，其泄流能力应满足在水库最低水位时仍不小于核定的最小下泄生态流量。有效解决因水电开发而导致的河道减水脱流问题，保障水电站拦河坝下游河道生态需水，为河流生态功能修复创造条件。

4 生态流量泄放设施方案

生态流量泄放设施的选用应根据水电站开发类型，结合工程实际条件，在确保安全可靠的基础上，遵循技术合理、经济适用的原则。一般情况下，生态流量泄放设施方案主要有：

4.1 利用引水建筑物改造泄流

对于通过渠道引水的水电站，可以在坝尾侧壁适当的地方设置侧堰或设置排水管，以排出生态流量；对经隧道引水的水电站，可以采用现有的支洞进行改建或新建泄流洞，设置排水管，以保证生态流量；对直接通过压力钢管引水的水电站，可在机组进水控制阀旁通管上开孔并增设控制阀下泄生态流量。

4.2 利用拦河闸坝的工作闸门小开度泄流

对拦河坝为闸坝的水电站，可一孔或多孔闸门不完全关闭，控制一定开度下泄生态流量。闸门开度可通过闸门行程控制仪或在闸底板位置设置限位墩(水泥墩)等方式控制。

4.3 利用大坝原有的底孔设施改造泄流

对大坝原有的底孔设施(如导流底孔、排沙孔、水库放空孔等)进行技术改造，开设泄流孔，并增设控制阀，调节阀门开度下泄生态流量。

4.4 安装生态虹吸管

若水电站存在无法利用引水建筑物进行改造泄流、拦河闸坝小开度泄流、或大坝无底孔设施等情况，对于上游最低运行水位至坝顶跨越高度较小的水电站，特别是坝体不宜开孔的大坝，可在坝体合适位置安装生态虹吸管下泄生态流量。

4.5 增设大坝放水设施

在上述4种方案均不可行的情况下，可在坝体或两岸岸坡开凿泄流孔等设施，不间断地从水库取水泄放至大坝下游河道。

4.6 设置生态基荷或采用反调节调度泄流

对于大坝型水电站，在利用机组发电的情况下，可以不设专门的泄流设施，并依据上游来水情况、库容、发电机组特点，优化水库的调度，确保电站至少有1台机组不停地工作，利用基荷或反调节方式调节下泄生态流量，并尽可能降低下游河道流量日内变化。在特殊时段应利用底孔、放空洞等设施泄流。

4.7 安装生态机组

经论证技术经济可行的，可在靠近大坝下游的适当位置建造能长期单独运行、承担生态下泄流量的生态机组。

5 增设泄放设施参数计算方法

5.1 渠道侧墙上埋设放水管(泄流孔)

通过在渠道侧墙上埋设放水管泄流，流态一般为自由出流，泄流示意如图1所示。

图1 渠道侧墙埋设放水管泄流示意图

根据管道自由出流公式，泄流管的泄流量为：

(1)

(2)

式中，μC—管道系统流量系数；A—管道截面积，m2，对圆管A=πD2/4；H—不包括行进流速水头的作用水头，m；λ—管道沿程阻力系数；L—管道长度，m；D—管道内径，m；∑ξi—各局部水头损失系数之和。

假定泄流管进水口布置在渠道底部，渠道内最低运行水位为泄流管内径的1.5倍，以尽可能地减少自由水面的旋转以及避免掺气漏斗等有害影响，降低泄流能力，则有H=D，代入公式(1)—(2)，经过试算可得出泄流管内径D。

5.2 压力钢管上开孔泄流(泄流孔)

压力钢管上开孔泄流的示意如图2所示，其过流能力也可按管道自由出流公式(1)—(2)进行计算，但作用水头H需根据水库内最低水位与压力钢管中心线高程之间的水头差确定。

图2 压力钢管上开孔泄流示意图

5.3 大坝原有底孔设施改造，增设控制阀(泄流阀)

可按有压管道自由出流公式(1)—(2)进行计算。

5.4 生态虹吸管

如图2所示，生态虹吸管过流能力可根据淹没出流公式计算。

图3 生态虹吸管布置示意图

(3)

(4)

式中，∑Li—虹吸管的总长度，m；∑ξi—计算段内各局部水头损失系数之和，包括管道出口水头损失系数。

生态虹吸管的最大安装高度不得超过最大允许真空度hυ(通常规定hυ不超过7m水柱高度)，即需满足公式(5)要求：

(5)

式中，ZB—最高位置点B的高程，m；AB—上游水库管道起始处点A与最高位置点B之间。

6 生态流量监测与监管

农村水电站生态流量监测分为实时流量监测、动态视频监测和静态图像监测3种，监测方式包括在线监测和离线监测两种。根据浙江省实施方案和温州市有关规定，省市县三级水电站和县级以上人民政府确定需要在线监测的水电站，在2020年底前实现实时流量在线监测，条件允许的可同时实现在线实时动态视频监测；其他水电站采用静态图像监测，在条件允许的情况下，还可以实现实时流量或动态视频监测，并逐步实现在线监测。温州市统一建立各小水电生态流量监管信息平台，面向县级有关主管部门开放，接收各个站点监测信息，并将相关数据公开给上一级的平台。永嘉县水利局负责所有站点终端监测设施的建设工作。永嘉县97座整改类水电站中，除应坑水电站利用下角水电站尾水发电，未直接从河道引水，不存在生态流量相关问题外，其余96座均需开展生态流量监测，其中27座电站位于县级以上河道，需实现实时流量在线监测，有条件的可一并实现在线实时动态视频监测；其余69座电站可采用静态图像的方法进行监测，有条件的也可实现实时流量或动态视频监测，并逐步实现在线监测。

7 生态流量泄放管理措施

加强对小水电流域水资源的科学论证，确保其最低泄洪流量满足其最基本的生态流量要求；加强对小水电最低泄放流量的监测，加强对最低泄放流量的监测，加强对河道的监测；要对相关泄放设备的操作和维修进行监测，并对最低泄放流量进行监测。要根据小水电的实际情况，制定合理的调度方案，确保小水电的最低泄放流量。针对多个小型水利设施，必须进行统筹调度，并根据不同的控制功能，进行水资源统筹调配、系统管理，合理地使用库容，协调保证泄流满足最低泄放流量要求。加强与电力部门的协调，合理安排枯水期的发电运营，适当减少小水电参与电网调峰的机动工作。小水电工程的调度，应根据河道的自然来流量进行泄放，以确保满足最低泄洪需求，防止人为因素影响流域水环境状况。

8 结语

小水电为永嘉县的农村经济发展、优化农村能源结构作出了重大的贡献，但随着环保的日益严格，小水电的拦河筑坝导致下游河道的减脱水现象也受到社会各界的关注，导致了很多人对小水电的妖魔化，想要尽快铲除。然而，小水电是一种可再生的清洁能源，对我县的经济发展有很大的促进作用。当前，只要对小水电进行合理科学的生态流量泄放和监测，确保下游的生态用水需求，以及人与自然的和谐共存，小水电的发展前景还是很广阔的。