生態小水電增效擴容改造方案探討

譚時勇，唐 薇

(寧波天成水利水電設計有限公司，浙江 寧波 315100)

1 概況

1.1 電站基本情況

龍洞口水電站是通過攔水堰壩、引水隧洞、引水閘、輸水隧洞、壓力管道等設施引河道來水發電的引水式電站。龍洞口水電站坐落于石梁鎮慈圣村，屬于臺州市天臺縣慈圣溪支流泄下溪，它于1998年開工興建，1998年投產運行，所有制性質為個人所有。年平均發電量約152萬kW·h，總裝機容量為1000 kW，裝有2個發電機組，至石梁供電所并網。

龍洞口水電站增效改造工程為引水式電站，根據中華人民共和國《防洪標準》(GB 50201-2014)第6.1.1條界定，其工程等別為Ⅴ等工程，引水建筑、取水樞紐、電站廠房等建筑物級別為5級。根據工程等級，相應洪水標準為：設計標準20 a一遇；廠房及升壓站的洪水標準等同取水壩的洪水標準，也采用20 a一遇設計標準[1]。

1.2 水文、氣象基本概況

天臺屬中亞熱帶季風氣候區，四季分明，降水豐沛，熱量充足。天臺年平均氣溫17.0℃，極端最高氣溫41.7℃，極端最低氣溫-9.1℃。年降水量平均值為1411.7 mm；年平均日照總時數1756.3 h。天臺地表徑流量為12.90億m3，其中始豐溪南岸區為3.53億m3，始豐溪北岸區為5.79億m3。

龍洞口電站位于天臺縣石梁鎮慈圣村境內，坐落于慈圣溪支流泄上溪上游，屬于新昌江流域，距離天臺縣城約35 km，壩址以上集雨面積18.0 km2。泄上溪發源于新昌縣芹塘村以北雪里坑，出芹塘村后，至里泄上村，流至慈圣村匯流慈圣溪。電站上游河道主流長度5.8 km，匯水面積10.50 km2。電站引水跡溪之水，跡溪發源于新昌縣華頂山，出跡溪村后，經過石滑頭流至慈圣村匯流慈圣溪。跡溪河長4.6 km，集雨面積7.50 km2。

1.3 徑流

慈圣溪是新昌江上游的一條支流，屬山溪性河流，徑流主要是由降雨形成，徑流與降水的年際、年內變化基本同步。因設計流域內沒有實測的徑流相關資料，本設計以新昌水文測站作為參考站，采用水文比擬法計算徑流[2]，流域的年徑流量由各分區面積之比、并考慮設計流域與參考流域降水量的差異修正縮放而得。縮放系數按下式計算：

式中：K為徑流縮放系數；F設、F參分別為設計和參證流域的集雨面積，km2；P設、P參分別為設計和參證流域的降雨量，mm[3]。

計算結果見表1。

表1 天然徑流計算成果表

由上述計算方法求得，龍洞口水電站多年平均流量為0.715 m3/s，年徑流系數0.705。

2 現狀主要存在問題

2.1 設備老舊，運行效率較低

龍洞口電站的機電設備基本都是20世紀90年代末的機型，經過近20多年生產運行，機組設備逐漸老化，事故頻繁，經常需要維修。

2.2 水資源綜合利用不夠全面充分

機組裝機較小，豐水期時棄水較多，造成水資源白白浪費。電站輸水隧洞較大，運行良好，有進行增效擴容改造的條件，但由于資金困難，對電站改造遲遲沒有實施。水資源綜合利用不充分。

2.3 河道生態環境有所破壞

工程泄上溪攔水堰壩與廠址區間為1.04 km，為脫水河段，集水面積0.37 km2，自然落差達83 m，區間沒有較大的支流補水，影響了河道的生態環境。

3 電站改造方案

3.1 增效擴容

3.1.1 水能計算

龍洞口水電站建立在慈圣溪上，取水堰壩以上集雨面積18.00 km2，所在流域植被茂密，雨水較多，據統計多年平均降雨量1776.4 mm。該電站上游沒有水庫和電站。

(1)龍洞口水電站發電水量

龍洞口多年平均來水量W0=18×125.27=2254.86×104m3。根據《浙江省引水式水電站多年平均引水模數與年引水率關系表》查得，并考慮引水流量和2萬m3蓄水池的調節，電站發電引水率取γ=58%[4]；

可利用的發電水量W=γ×W0=0.58×2254.86×104=1307.82×104m3

(2)多年平均發電量計算

E=0.0021WH=0.0021×1315.61×104×80=221.02萬kW·h

(3)發電保證出力

QP=0.25×18/100=0.045 m3/s

80%的保證出力n=9.81×0.92×0.93×0.045×80=30.22 kW

(4)發電機裝機容量及機型選擇

N=9.81×2.25×80×0.92×0.93=1510 kW

選取SFW630-6和SFW800-6型水輪機各1臺，總裝機1430 kW。

(5)裝機年利用小時

h=221.02×104/1430=1545 h

3.1.2 電站規模復核

電站發電流量：本次改造后設計流量：機組1的設計流量為0.99 m3/s，機組2的設計流量為1.26 m3/s，共2臺機組，總流量2.25 m3/s。

電站裝機規模復核：根據電站用水規模和水輪機裝機選型確定，選擇綜合效率較好的機組組合：電站裝機容量1臺630 kW+1臺800 kW，總裝機為1430 kW。

3.1.3 機組選型

水電站增效改造工程裝機1430 kW的機組，水輪機組主要參數見表2、表3。

表2 水輪機參數表

表3 發電機參數表

3.2 基礎設施改造

本次龍洞口水電站增效改造工程土建部分涉及攔水堰壩、水輪機基礎、發電機基礎、電站廠房維修、變壓器基礎加固、變壓器圍墻等。

3.2.1 引水隧洞和輸水隧洞流量復核

電站引水隧洞長度1070 m，進口高程339.1 m，出口高程338.0 m，隧洞縱坡0.001，寬2.0 m，高1.8 m，采用城門洞型，局部有襯砌，輸水隧洞正常運行時引用跡溪徑流量0.25 m3/s，洪水期時進口閘門關閉不引水，泄上溪自身洪水發電也用不完。

電站輸水隧洞總長度550 m，分為平洞段和斜洞段，進口高程331.5 m，出口高程263 m，隧洞縱坡0.125，寬2.0 m，高2.0 m，采用城門洞型，局部有襯砌，襯砌斷面最小為1.5 m寬，高1.75 m。隧洞進口閘門為直徑1.0 m的圓型閘門，輸水隧洞正常運行過流能力1.5 m3/s～4.0 m3/s，電站改造前設計流量1.91 m3/s，改造后設計流量2.25 m3/s，隧洞過流能力完全滿足要求。隧洞目前運行良好，不需要進行維修加固。

3.2.2 攔水堰壩

電站上游攔水堰壩原河床底部高程320.0 m，原設計堰頂高程339.5 m，堰寬36 m，設計調節庫容4.5萬m3，右岸設排砂孔直徑2孔×2 m，作為河道灌溉和生態用水閘門，由于政策處理問題，堰頂高程只修建到336.0 m，堰頂寬度1 m左右，本次為了安全考慮對堰壩進行加固，采用C25砼灌砌石進行拼寬到5 m，堰頂高程不變。

3.2.3 廠房建筑物、升壓站建筑物

電站廠房地面式，墻體為磚混結構，電站廠房高為6.3 m，屋頂采用鋼筋砼現澆板，發電機層平面尺寸分別為16.7 m×7.2 m，地面高程為258.8 m。現拆除廠房內機組設備基礎，按新機組設備尺寸重建基礎，廠房尺寸滿足要求，保持不動。現有升壓站不能夠滿足要求，需改建，需更換變壓器兩臺。

3.3 生態小水電設施改造

3.3.1 生態流量

泄上溪攔水堰壩與廠址區間為1.04 km脫水段，區間匯水面積0.37 km2，落差較大有83 m，區間無較大支流匯入。

根據水利部《農村水電生態水電改造河流生態修復指導意見》，根據龍洞口電站所在流域附近的水文資料計算多年平均流量為0.715 m3/s，該項目生態流量計算采用Tennant法計算為0.1 m3/s[5]。

3.3.2 生態泄放方案

泄上溪攔水堰壩右岸，建有放水和排沙閘門，共計2孔×2 m，閘門板高3.0 m，閘門設有啟閉機房，該閘門可兼做生態流量泄放措施，不再新增放水設施。放水量可滿足生態流量要求。

跡溪攔水堰壩右岸，建有排沙閘，共計1孔×1 m，閘門板高2.0 m，閘門設有啟閉機房，該閘門可兼做生態流量泄放措施，不再新增放水設施。放水量完全可以滿足生態流量要求。

為了保證兩條河道脫水段的生態修復，正常運行發電時，兩座閘門均應開啟0.1 m高度進行放水，底部澆筑0.1 m高齒墻，不得緊閉，并安裝生態流量監測設施。

4 結語

通過龍洞口水電站增效擴容生態改造工程方案實例的研究，從資料收集、現場調查到水文資料分析、水資源水能計算最后與廠家進行機械設備選型來對電站增效擴容。同時通過生態流量計算和現場條件分析，合理選擇生態泄放措施，并增加監測設施以恢復下游河道生態環境，一舉多得。對小水電增效擴容和生態建設有著重要的參考意義。