小型水電站生態泄流設施改造研究

肖 妮, 楊安玉, 周麗娜, 孟 克

(1.水利部農村電氣化研究所，杭州 310022; 2.水利部農村水電工程技術研究中心，杭州 310022)

0 引 言

水電是國際公認的清潔可再生能源，是推進節能減排，改善大氣環境，促進生態文明建設的有效舉措[1]。立足水電資源優勢，走生態之路，是新時代農村水電發展的必然選擇。我國早期建成的電站，由于當時的時代背景，沒有對電站提出生態方面的要求，大部分老電站沒有設置生態流量泄放設施[2]，不同程度出現了一些諸如河段減脫水等問題，給生態環境造成一定的不利影響。

小水電站帶來的河流生態環境問題正日益受到社會各界關注, 這已經成為影響我國水電開發和環境可持續發展的主要問題[3,4]。2018年5月23日，生態環境部發布《長江經濟帶小水電無序開發環境影響評價管理專項清理整頓工作方案》的通知((環辦環評函)〔2018〕325號)。2018年5月28日，水利部辦公廳發布《關于開展農村水電站生態環境保護情況排查的通知》((辦電移)〔2018〕73號)。一系列的通知公告督促小水電盡快整改。為推動綠色水電發展，有效落實河道生態流量，改善河道水生態環境，目前全國正逐步開展水電站生態泄流設施改造。

本文結合浙江、福建等地的小水電站生態改造經驗，介紹幾種常見的生態流量泄放設施，分析其適用條件及應用效果，并介紹幾個小水電生態設施改造典型案例，為老電站生態泄流設施改造提供參考。

1 現狀分析

目前，水電站生態流量控制管理工作已在全國范圍內逐步展開。部分省份已開展了小水電生態設施改造，但由于沒有較為統一的標準，改造方案各式各樣，并不都適合于電站生態設施改造。不少電站僅追求下泄流量，未綜合考慮改造方案對建筑物或設備設施造成的不利影響，生態改造后可能影響電站的正常運行，甚至造成新的安全隱患。筆者在調研過程中發現小水電生態設施改造仍然存在諸多問題。有的電站直接在鋼閘門或混凝土閘門上打孔，破壞了結構的整體性，易造成破壞；有的電站在壓力鋼管上打孔，存在安全隱患，可能影響電站正常運行；有的電站用放空閥直接泄放，長期半開狀態的閘閥極易造成損壞，并非長久之計。

如何使得小水電能夠長久的下泄生態流量，繼續發揮其清潔能源的功效，選擇合適的改造方案顯得尤為重要。劉元海[5]等介紹了一個電站的生態用水工程設計，蔡圃[6]等對老舊型水電站生態流量下泄方式進行了分析，結合省某一河段，提出了發電+堰流、堰閘泄流、小機組發電泄流和沖沙底孔泄流的四種方式。總的來說，關于小水電生態設施改造各地仍處于自行摸索的階段，缺少具有普遍適用性的典型案例和相關技術研究。

2 泄流設施改造方案研究

水電站生態改造設備設施的選擇應遵循因地制宜、安全可靠、技術合理、經濟適用的原則。根據電站不同開發方式及和樞紐布置特點，經技術經濟方案比較，選擇適合電站的泄流設備設施。生態流量泄放設施的改造或增設應符合國家有關設計、施工、運行相關標準。生態流量泄放設施應在壩(閘)處或盡量靠近壩(閘)處，其泄流能力應滿足核定的生態流量要求。

水利部農村電氣化研究所2018-2019年開展了浙江省多個縣市的生態評估調查工作，現場調研了1 000余座小水電站，收集、整理了大量電站生態泄放設施現狀。本文通過對大量調研電站生態設施改造的研究，分析幾種較為常見改造方案適用條件及應用效果。改造方案主要包括：泄流閘、泄流閥、泄流管(孔)、虹吸管及生態機組等。

2.1 泄流閘

泄流閘泄放生態流量指通過對現有閘門進行限位，或在已有的泄流孔(洞)等設施前端或末端安裝控制閘門，利用閘門不完全關閉泄放生態流量。

適用條件：①攔水壩為設有沖沙閘的堰壩引水式電站；②壩后引水渠道渠首設有閘門設施的引水式電站； ③電站大壩設有放空洞，且布置有允許動水中啟閉的深水閘門。

應用效果：不會因新增泄水建筑物而影響壩體結構，改造技術簡單，投資小；但壩前水位變化較大時，泄放流量也變化較大，且閘門長期小開度泄流產生的振動可能使構筑物結構疲勞，可能造成一定的破壞。

泄流閘泄放生態流量示意圖如圖1所示。

圖1 泄流閘泄放示意圖

2.2 泄流閥

針對現狀設有放空閥的電站，可采取部分開啟閥門或增設旁通放水管方式進行生態流量泄放，如果出口流量大流速高，需要加裝消能閥(錐形閥)。

適用條件：①現狀設有放空閥的電站大壩；②電站利用發電引水洞設置放空支洞，支洞出口設悶頭或閥門的；③利用導流隧洞作為放空洞，并在出口設閥門的。

應用效果：方法簡單，改造成本低，不破壞水工建筑物，具有較好的經濟性；若不加裝錐形閥，泄放流量較大，長期高速水流導致的空蝕現象對于泄放管、泄放閥門存在一定危害；泄流產生的振動也易引起構筑物的結構疲勞。

利用現有閥門泄放生態流量示意圖如圖2所示。

圖2 錐形閥出流示意圖

2.3 泄流管(孔)

泄流管(孔)泄放方式指在壩體或渠道埋設泄放管或鉆孔，通過生態泄放管(孔)泄放生態流量。

適用條件：①電站大壩為低水頭堰壩、翻板壩，可在堰壩壩身、翻板壩基礎等部位鉆孔埋設泄放管；②采用渠道引水的引水式電站，開孔位置應盡量靠近取水口；③大壩較高、無法適用虹吸管設施時，可采用壩肩鉆孔敷設泄放管泄放生態流量。

應用效果：泄放管結構簡單便于管理、易維護；但無法進行流量精準控制；大壩厚時施工較為麻煩，費用高；泄水管道較長時，容易堵塞，且泄水管貫穿壩體可能對大壩的防滲、抗震安全產生影響。

利用泄流管(孔)泄放生態流量示意圖如圖3所示。

圖3 泄流管(孔)出流示意圖

2.4 虹吸管

虹吸管指壩體某處設置虹吸裝置，利用虹吸作用，從壩前水庫吸水泄放入壩后河道。

適用條件：①電站大壩為無泄流設施的中低土石壩、重力壩，且地質條件不適宜壩肩或引水隧洞鉆孔，或其余方式投資過大等情況，可增設虹吸管泄放生態流量；②虹吸管的管道最高點與庫水位落差通常不超過7 m。

應用效果：虹吸管對大壩擾動小，不破壞原有設備設施，無額外工程安全風險；但受最大真空度限制，一般虹吸管真空值不超過7 m，同時啟閉較復雜，管理較麻煩，設備易損壞。

虹吸管泄流示意圖如圖4所示。

圖4 虹吸管泄流示意圖

2.5 生態機組

生態機組指以泄放生態流量為目的的發電機組。

適用條件：具有高壩的電站或河床式電站，生態機組檢修或故障停機時應有替代的泄放設施。當采用箱式機組時發電水頭不宜小于40 m，發電流量宜在0.05～0.60 m3/s之間。

應用效果：既能不間斷下泄流量，又能充分利用下泄流量發電；但適用范圍較小，投資大，具有運維要求。

3 典型案例

3.1 泄流閘

浙江省慶元縣濛橋電站，接上一級電站尾水發電。電站利用集水面積105 km2，堰頂溢流，最大堰高2 m，堰軸線長43 m。攔水堰左岸設置泄流閘。目前電站通過左岸泄流閘限位，向河道泄放生態流量(見圖5)。

圖5 濛橋電站攔水堰及泄流閘

此改造方法簡單、易行，無土建工程量，僅在原有泄流閘螺旋控制盤的下方增設一定厚度鐵片，限制閘門完全關閉，使之達到泄流目的。目前泄流設施運行良好，在枯水期，水位較低，屬于無壓泄流，不會對閘門造成影響。當河道水位較高時，未發現有振動情況，但水位高，會使下泄生態流量大于核定的生態流量值，影響電站發電效益。

3.2 泄流閥

浙江省龍泉市巖樟溪一級水電站是巖樟溪干流的第一級水電站，壩址以上集水面積53.61 km2，水庫總庫容1 143 萬m3，電站裝機容量2×10 MW。攔河大壩為雙曲拱壩，最大壩高81.75 m。大壩設內徑0.8 m的放空管，出口設檢修蝶閥和工作錐閥，用錐形閥泄放生態流量(見圖6)。

圖6 巖樟溪一級錐形閥泄流

巖樟溪一級水電站屬于利用現有設備泄放生態流量，無需進行改造，無額外改造費用。通過控制錐形閥開度控制流量，方法簡單易行，泄放效果良好，且不會對現有建筑物及設備設施造成影響。

3.3 泄流管(孔)

浙江省龍泉市住龍水電站攔水壩位于住溪干流，在住龍鎮彎潭尾村上游村旁。壩址以上集水面積149.5 km2，電站2009年5月投產發電，總裝機容量4×800 kW。電站樞紐按引水式布置，攔河壩為水力自控翻板門重力壩，最大壩高為11.8 m。攔河壩左岸壩側壩肩設置了一根泄流管，無節制泄放流量，滿足下游灌溉及生態用水。

住龍電站生態流量無節制泄放，便于管理，僅需每隔一段時間清除下管道前側的雜物，保障水流通暢。目前泄流管運行良好，全天候不間斷泄流，保障了壩下游潺潺流水，改善了壩下4 km減水河段的生態環境(見圖7)。

圖7 住龍電站生態泄流管

3.4 虹吸管

浙江省縉云縣盤溪五級電站(插花墩電站)位于舒洪鎮西塔坑村自然村，壩址以上集水面積76 km2，水庫正常庫容105 萬m3。電站建于1972年4月，于2011年3月重建，現裝機容量3×400 kW。電站大壩2018年10月安裝了虹吸式生態泄流管，采用DN160的PE管道，跨過溢洪道，并固定在溢洪道的一側(見圖8)。

圖8 盤溪五級電站虹吸式生態泄流管

盤溪五級電站生態虹吸管自安裝至今運行良好，經歷了2019年8月的超強臺風“利奇馬”，水庫高水位泄洪，虹吸管未受到損壞。虹吸管最高點至水庫最低運行水位的高差4.5 m，小于虹吸的限制條件，且造價不大，整套設備花費約3 萬元左右。

3.5 生態機組

浙江省金華市九峰電站是全國第一批“綠色小水電站”，水庫工程位于錢塘江上游衢江的支流厚大溪上，工程以防洪、灌溉為主，結合供水、發電等綜合利用的中型水利工程。電站為壩式水電站，裝機容量為2×3 200 kW+400 kW，廠內安裝了裝機容量為400 kW的生態小機組，生態機組全天24 h運行，保證下游生態、生活用水。

九峰電站生態機組目前運行良好，發電的同時向下游下泄生態流量。九峰電站生態機組與常規同在一廠房內，減少了土建工程量，并且統一管理，減少了運維方面的支出。

4 結 語

立足水電資源優勢，走生態之路，是新時代農村水電發展的必然選擇。為推動綠色水電發展，有效落實河道生態流量，改善河道水生態環境，全國正逐步開展水電站生態泄流設施改造，目前各地仍處于自行摸索的階段，缺少具有普遍適用性的典型案例和相關技術研究。本文通過對小水電生態流量泄放設施的研究，提出幾種適用的生態泄放設施改造方案，并分析其適用性，為小水電生態整改提供技術支撐。不同類型的電站取水口有不同的改造方式，文中介紹幾種常用的類型，未囊括所有，如底欄柵式取水口改造成泄流槽，有魚類洄游的小型河道結合魚道考慮，無法通過其他改造方式的利用水泵抽水放流[7]等。另外，生態泄流設施改造宜結合河道修復措施，如生態堰壩、生態護坡等，生態改造效果將更加明顯。

對老電站的生態改造，將使農村水電實現水電綠色發展，走上和經濟社會、環境保護相協調的可持續綠色發展之路。

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