冉渡灘水庫下放生態流量及生態機組優化分析

蔡 平,皮永樺,楊 剛

(遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義 563002)

1 工程概況

冉渡灘水庫為洪渡河干流規劃水資源利用開發的第三級，壩址以上流域面積997 km2，多年平均徑流量7.03億m3，多年平均流量22.3 m3/s。工程主要任務以供水(城鎮供水、工業園區供水、農村人畜飲水)和灌溉用水，兼顧水力發電和下游洪渡河漂流[1]，工程由水庫樞紐(含水電站)、城鎮和工業園區及灌溉輸水系統組成，解決務川縣城中心城區18萬人和南部片區5個鄉鎮0.92萬農村人口及16.4萬頭牲畜飲水、0.36萬hm2耕地灌溉以及大坪、鎮南兩個工業園區共15.62 km2工業供水，年供水量為9120萬m3/a；電站裝機(2×8+4) MW，多年平均發電量6880萬kW·h，保證出力2320 kW，年利用小時3490 h。

2 優化分析

2.1 生態流量及再利用

冉渡灘水庫工程供水部分規模及任務是按《務川縣城總體規劃(2011—2030)》和《務正道煤電鋁循環經濟工業園總體規劃(2009—2030年)》及《務川縣大坪工業園區產業發展規劃(2011—2030年)》的遠期水平年2030年設計考慮的。至遠期2030年設計供水能力9120萬m3/a。其中，P=95%務川縣城中心城區供水量1240萬m3/a、工業園區供水6470萬m3/a，P=95%農村人畜飲水供水 350萬m3/a，P=80%農灌供水1060萬m3/a，水量利用率僅為12.8%(不含發電水量)；而河道內水力發電用水4.70億m3/a，電站總裝機選擇為(2×8+1) MW(其中1 MW是生態機組發電)。

(1)下游河道生態環境及夏季洪渡河漂流需水。由于洪渡河漂流項目起漂點位于冉渡灘水庫發電廠房下游約1.1 km處，漂流河段長約5.5 km，根據與漂流公司協議，漂流活動在每年6—10月，開漂最小流量為5.00～6.00 m3/s；另依據貴州省水利廳關于《冉渡灘水庫工程水資源論證報告書》的審批水庫下放生態流量為2.26 m3/s。故為了確保下游河道生態環境及夏季洪渡河漂流運營需水要求，應在夏季洪渡河漂流運營時段下放最小流量為5.00 m3/s，其余時段需下放最小生態需水量為2.26 m3/s。

(2)生態流量再利用。冉渡灘水庫為不完全年調節，調節能力有限，而水庫工程建設的主要任務是供水和灌溉用水，經水庫徑流調節分析計算，為了保障務川縣城、工業園區供水及農業灌溉用水，確定當庫水位低于730.00 m時或遭遇特枯來水年份時，需限制水力發電。因此除了豐水期可連續發電外，枯水期的大多時間內電站處于停機狀態，但在此期間必須向下游河道下放最小生態流量，結合水庫樞紐建筑物及電站(壩后式)的布置情況，為了充分利用下放生態流量的水能資源[2]，經不同裝機容量組合從水資源利用較充分、技術經濟指標較優且與上、下游規劃電站發電流量基本匹配等多方面考慮后，擬定冉渡灘水庫電站裝機容量為(2×8+1) MW，其中1 MW是利用生態流量發電機組。

2.2 優化調整水庫運行初期下放生態流量及電站生態機組

(1)優化調整緣由。鑒于冉渡灘水庫工程總體投資較大，結合大坪工業園區、鎮南工業園區發展規劃及建設情況，建設采取分期實施方案，而最大工業用水的鎮南“務正道煤電鋁工業園”屬二期實施項目，仍在同期進行基礎建設，待工業園區建成投入生產運營仍有一定時期，為了充分利用水庫蓄水后的水能資源，在滿足供水及灌溉的前提下，將水庫運行初期剩余水量用來作水力發電，提高水能資源再利用[3]，發揮工程項目最大效益，合理優化和調整下放生態流量及電站生態裝機容量是非常必要的[4]。

(2)優化調整水庫運行初期下放生態流量及電站生態機組方案論證分析與比較。為了充分利用水庫蓄水后的水能資源用來發電，依據下游河道生態環境用水及夏季洪渡河漂流運營需水要求，結合電站布置及結構設計，在滿足供水及灌溉的前提下，將水庫運行初期適度增大下放生態流量及電站生態機組裝機容量，提升了電站發電效益。

冉渡灘水庫工程電站設計保證率為80%，經優化調整生態機組裝機容量為4 MW后與原審批裝機容量為1 MW作水利調節復核計算和經濟技術方案綜合分析比較，具體分析成果和比較如表1。

表1 電站生態機組優化調整方案水能及投資指標成果比較情況

經投資和效益綜合比選后，生態機組裝機由1 MW調整至4 MW時，雖然電站投資增加392.16萬元，但電站多年平均發電量增加了 830萬kW·h，年平均效益增加了228.25萬元。從水資源利用較充分、技術經濟指標較優且與上、下游規劃電站發電流量基本匹配等多方面綜合考慮，確定將冉渡灘水電站生態機組裝機容量可增至4 MW是可行的。

2.3 水利調節復核計算

根據初步設計審批確定的水庫特征水位及庫容(正常蓄水位738.00 m，發電限制水位730.00 m，死水位724.00 m，正常蓄水位庫容4490萬m3，死庫容1660萬m3，興利庫容2830萬m3)進行水利調節復核計算。考慮到本水庫庫容系數4.03%較小，屬不完全年調節水庫，采用典型年法進行調節計算，計算時段為旬。入庫水量為初設階段審批確定的冉渡灘水庫歷年逐月(旬)設計入庫徑流過程和各典型年成果表。由于最大工業用水的鎮南“務正道煤電鋁工業園”屬二期實施項目，仍在同期進行基礎建設，待務正道煤電鋁工業園建成投產前，冉渡灘水庫供水量按4850萬m3/a考慮，其中：P=95%務川縣城中心城區供水量 1240萬m3/a、工業園區供水2200萬m3/a(主要向大坪工業園區供水)，P=95%農村人畜飲水供水350萬m3/a，P=80%農灌供水1060萬m3/a。

農田灌溉用水根據灌溉需水量確定，當保證率小于等于P=80%時，用水量等于需水量；而當保證率大于P=80%，用水量按當年來水量除以P=80%來水量再乘以P=80%需水量計算。水庫蒸發、滲漏損失按正常蓄水位庫容的10%計并平均分配至月，共計449萬m3/a。根據《遵義市冉渡灘水庫水資源論證報告》及其批復《省水利廳關于冉渡灘水庫工程水資源論證報告書的批復》，明確的水資源保護措施中下放生態流量為2.26 m3/s；另根據與漂流公司協議，漂流活動在每年6—10月，開漂最小流量為5～6 m3/s。

由于電站為壩后式水電站，考慮將生態機組裝機優化調整為4 MW后，電站總裝機主(2×8+4) MW，發電流量變幅范圍8.49～33.30 m3/s。汛期(5—10月)為保證下游洪渡河漂流運營及生態用水，在電站主機停機檢修期間，需利用生態機組下放最小流量為5.0 m3/s；在枯季(11月—次年4月)電站主機停機及檢修時段，需利用生態機組下放最小生態水量為2.26 m3/s。根據冉渡灘水庫征水位及庫容和各典型年月(旬)過程作水利動能調節[5]計算，調節計算成果如表2。

表2 冉渡灘水庫運行初期水利調節計算成果

在水庫初期運行時，務正道煤電鋁工業園供水(屬二期實施項目)未完成投產之前，經水利調節復核計算，多年平均供水量為4720萬m3，較“初設”供水成果8990萬m3少4270萬m3，為了充分利用向務正道煤電鋁工業園的供水水量發電，將生態機組裝機調整為4 MW后，電站總裝機容量為(2×8+4) MW，多年平均發電6880萬kW·h，較“初設”設計發電量6050萬kW·h增加發電量830萬kW·h。

2.4 生態放水措施

根據水庫樞紐及電站布置情況，由于電站為壩后式，為了確保生態流量的下放，將生態機組采取獨立單根引水，并在廠房內增設生態機組發電，發電尾水經尾水渠排入洪渡河，解決下游生態環境用水及洪渡河漂流。

(1)引水系統。生態機組發電引水建筑物布置于大壩右岸，采取壩前塔式取水、壩內穿管、再沿岸坡引至下游發電廠房。生態機組最大引水流量8.49 m3/s，引水系統由取水口、壓力管道組成，總長125.774 m，其中取水口段長11.700 m，分別設1道1.8 m×9.5 m攔污柵和1道1.8 m×1.8 m事故檢修閘門及啟閉設備；壓力管道長114.074 m，為DN1750鋼管(鋼材采用Q345R，壁厚為14 mm)，鋼管采用0.60 m厚C20混凝土外包襯砌，并轉彎處設C20鋼筋混凝土鎮墩。

(2)發電廠房布置。發電廠房位于大壩右壩段下游，為壩后地面式廠房。主廠房垂直壓力管線及河床布置，副廠房靠主廠房后平行布置，升壓站緊靠副廠房布置于主廠房安裝間后側。

主廠房為鋼筋混凝土排架結構，發電機層地面高程683.18 m(立式機組)，安裝間高程 699.70 m，水輪機層高程678.00 m(水輪機安裝均為676.00 m)。主廠房平面尺寸(長×寬)42.65 m×14.00 m，主廠房內安裝2臺8 MW的立式水輪發電機組和1臺4 MW立式水輪發電機(生態機組布置在左側靠近河床端)，機組間距分別為8.5 m和8.0 m、行車軌距12 m；副廠房緊靠主廠房后側布置，為四層框混結構，副廠房平面尺寸(長×寬)為28.87 m×6.74 m。升壓站布置在主廠房上游、副廠房的右側，為2層框架結構，升壓站平面尺寸長×寬為12.06 m×8.50 m。地面高程為699.70 m。

3 結 論

經水庫建成后運行初期水利調節復核計算，將電站生態機組裝機由初設審批裝機1 MW優化調整為4 MW時，雖然電站一次性投資增加392.16萬元，但電站年平均發電量增加了830萬kW·h，年平均效益增加了228.25萬元，生態機組運行2～3 a即可收回成本。從水資源利用較充分、技術經濟指標較優且與上、下游規劃電站發電流量基本匹配等多方面綜合考慮，冉渡灘水庫電站生態機組裝機容量增至4 MW是可行的。待本工程二期項目鎮南“務正道煤電鋁”工業園區建成投入運營后，就按原審批工程任務及規模進行供水和水庫運行調度。