李小強(qiáng)，劉建新

(1.江西省農(nóng)村水電電氣化發(fā)展局，江西 南昌 330009；2.江西省水文局，江西 南昌 330002)

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農(nóng)村水電站最小下泄流量研究探討

李小強(qiáng)1，劉建新2

(1.江西省農(nóng)村水電電氣化發(fā)展局，江西 南昌 330009；2.江西省水文局，江西 南昌 330002)

為提高水能資源管理的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化水平，江西省開展了農(nóng)村水電站最小下泄流量監(jiān)測(cè)研究工作，提出了分析計(jì)算最小下泄流量的合理方法，建立了最小下泄流量的推算模型，以期為“綠色水電”建設(shè)提供實(shí)證數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

農(nóng)村水電站；下泄流量；研究；探討；江西省

1 問(wèn)題的提出

1.1 主要生態(tài)問(wèn)題

江西省水能資源較為豐富，理論蘊(yùn)藏量685萬(wàn)kW，技術(shù)可開發(fā)量633萬(wàn)kW，其中農(nóng)村水電技術(shù)可開發(fā)量423萬(wàn)kW。截至2014年底，已建成農(nóng)村水電站3 889座，裝機(jī)容量310.4萬(wàn)kW，占農(nóng)村水電技術(shù)可開發(fā)量的73.4%，已經(jīng)達(dá)到較高的開發(fā)程度。在新的發(fā)展時(shí)期，要適應(yīng)由建設(shè)到管理的工作重心轉(zhuǎn)變，厘清存量電站的主要問(wèn)題，探索水能資源管理新途徑。

隨著一些河流功能的變化以及水能資源開發(fā)理念的轉(zhuǎn)變，許多早期建設(shè)的農(nóng)村水電站面臨著一些新情況、新挑戰(zhàn)。由于建設(shè)時(shí)期、建設(shè)目標(biāo)和建設(shè)主體不同等方面的原因，一些水電站因下泄流量不足而造成部分河段在部分時(shí)段內(nèi)河道生態(tài)流量不足、脫水甚至干涸，在一定程度上影響了河道的正常生態(tài)功能。加之由于農(nóng)村水電站所涉及的河流與當(dāng)?shù)卮彐?zhèn)有著密切的聯(lián)系，河道的減水給當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活帶來(lái)了一定的影響。

1.2 關(guān)于最小下泄流量

農(nóng)村水電站最小下泄流量應(yīng)該滿足下游減(脫)水河段基本生態(tài)環(huán)境功能、水功能區(qū)納污能力和居民基本生產(chǎn)生活用水等需求，是水電站在運(yùn)行中必須保證下泄的最小流量。當(dāng)前，對(duì)農(nóng)村水電站最小下泄流量主要按照生態(tài)基流(或生態(tài)需水)進(jìn)行考慮，如《江河流域規(guī)劃環(huán)境影響評(píng)價(jià)規(guī)范》《河湖生態(tài)需水評(píng)估導(dǎo)則(試行)》等均給出了生態(tài)需水量的計(jì)算方法；《建設(shè)項(xiàng)目水資源論證導(dǎo)則(試行)》對(duì)于生態(tài)需水量原則上按多年平均流量的10%～20%確定；《水利水電建設(shè)項(xiàng)目水資源論證導(dǎo)則》提出了最小下泄流量要求，但未給出最小下泄流量確定的方法。實(shí)踐表明，以多年平均流量的10%～20%作為生態(tài)流量往往不現(xiàn)實(shí)，即使多數(shù)地方在實(shí)際操作中以不小于河道控制斷面多年平均流量的10%確定最小生態(tài)流量，但在江西仍然覺(jué)得偏大。同時(shí)，所確定的量也僅為河道內(nèi)的生態(tài)需水，沒(méi)有考慮下游諸如生產(chǎn)生活用水等河道外取水。也就是說(shuō)，目前關(guān)于農(nóng)村水電站最小下泄流量的取值和確定方法仍不明確。

作為加強(qiáng)農(nóng)村水電站最小下泄流量管理的前提，必須加強(qiáng)其基礎(chǔ)性、規(guī)律性問(wèn)題的研究和探索。為此，江西省水利廳委托水文部門自2013年起就開展了農(nóng)村水電站最小下泄流量的監(jiān)測(cè)研究工作，合理確定試點(diǎn)對(duì)象的最小下泄流量，提出類似水電站最小下泄流量的確定和監(jiān)測(cè)方法及其保障措施。

2 試點(diǎn)對(duì)象的選擇

通過(guò)實(shí)地查勘，選取了贛南的留金壩水電站和贛東北的金雞口水電站作為試點(diǎn)研究對(duì)象，分別代表了不同地域、不同集水面積、不同裝機(jī)大小、不同引水方式、不同調(diào)節(jié)能力、不同河床型式與河床組成、不同影響程度、有無(wú)水文資料的水電站。

2.1 留金壩水電站

贛江上游支流梅江流域中型水庫(kù)留金壩水電站是江西省南部的具有集水面積大、裝機(jī)容量較大、河床式、調(diào)節(jié)周期短、大江大河寬淺河道、水生生物較豐富、減(脫)水河段較長(zhǎng)且沿途取用水較多、有水文監(jiān)測(cè)資料的典型代表站。留金壩水電站位于瑞金市瑞林鎮(zhèn)安全村，系贛江上游支流梅江流域。大壩控制集水面積5 790 km2，水庫(kù)庫(kù)容6 120×104m3，年發(fā)電量5 021萬(wàn)kW·h，系河道型日調(diào)節(jié)水庫(kù)；河床式發(fā)電廠房位于壩段后，發(fā)電下泄水量直接排入河道，至于都縣貢江鎮(zhèn)龍舌咀注入貢水，區(qū)間集水面積1 331 km2。沿途取用水較多，水生生物豐富多樣，擬將大壩至梅江與貢水匯合口的河道作為減(脫)水河段分析范圍，減(脫)水河段總長(zhǎng)62 km。大壩下游18 km(河道長(zhǎng)度)建有汾坑水文站，低枯水水位與流量過(guò)程呈鋸齒狀，河道寬淺。

2.2 金雞口水電站

信江支流豐溪河花廳水流域小型梯級(jí)電站金雞口水電站是江西省東北部小流域、裝機(jī)容量較小、引水式、無(wú)調(diào)節(jié)周期、山區(qū)性河道、水生生物較少、減(脫)水河段較短且沿途無(wú)取用水、無(wú)水文監(jiān)測(cè)資料的眾多農(nóng)村小水電站典型代表站。金雞口水電站位于上饒縣花廳鎮(zhèn)湖邊自然村，是信江一級(jí)支流豐溪河花廳水下會(huì)坑水庫(kù)下游梯級(jí)電站之一，下會(huì)坑水庫(kù)控制集水面積107 km2，庫(kù)容3 505×104m3。金雞口水電站控制集水面積145 km2，水電站年發(fā)電量222萬(wàn)kW·h，按來(lái)水和供電要求進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。電站廠房上游2 km處建有攔河壩，引水式發(fā)電導(dǎo)致攔河壩下游出現(xiàn)約2 km長(zhǎng)的減水甚至脫水現(xiàn)象。減(脫)水河段系山區(qū)性河道，減脫水河段較短、水生生物較少，未設(shè)立水文監(jiān)測(cè)設(shè)施。

3 研究?jī)?nèi)容與方法

3.1 研究目標(biāo)

通過(guò)對(duì)留金壩水電站所在的梅江，金雞口水電站所在的豐溪河花廳水的部分河段，尤其是水電站下游減(脫)水河段開展監(jiān)測(cè)、調(diào)查與分析，合理確定水電站的最小下泄流量，提出類似水電站最小下泄流量的確定和監(jiān)測(cè)方法，從工程和非工程角度提出保障最小下泄流量的措施。

3.2 技術(shù)路線

通過(guò)搜集電站所在流域的水文、生態(tài)、地質(zhì)等資料，確立減(脫)水河段影響范圍和分析斷面，實(shí)測(cè)水電站壩(閘)下水位、流量、水質(zhì)等數(shù)據(jù)，調(diào)查減(脫)水河段斷面間經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)等需水量以及區(qū)間來(lái)水量，分析確定水電站最小下泄流量，建立水電站最小下泄流量推算模型，研究分析水電站壩(閘)下最小下泄流量滿足程度。

3.3 主要內(nèi)容

(1)調(diào)查試點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象所在流域的水文、氣象、水質(zhì)、地質(zhì)、水生態(tài)環(huán)境及經(jīng)濟(jì)社會(huì)等有關(guān)資料。

(2)調(diào)查試點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象的水電站或水庫(kù)的建設(shè)規(guī)模、調(diào)度運(yùn)行方式及下游減(脫)水河段取用水量情況。

(3)選擇合適測(cè)驗(yàn)河段，布設(shè)監(jiān)測(cè)斷面，建設(shè)水文監(jiān)測(cè)設(shè)施設(shè)備，根據(jù)項(xiàng)目需求和水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范規(guī)定，確立水位、流量、水質(zhì)等監(jiān)測(cè)方案。

(4)開展水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)，收集相關(guān)水質(zhì)水量資料，對(duì)資料成果進(jìn)行合理性分析與研究。

(5)利用水文資料(無(wú)資料可采用參照站修正移用)和調(diào)查成果，分析水電站最小生態(tài)流量；分析建庫(kù)前后天然來(lái)水影響狀況；分析水電站減脫水河段水功能區(qū)納污能力最小流量；分析減脫水河段現(xiàn)狀年和規(guī)劃年生產(chǎn)生活用水量；合理確定水電站現(xiàn)狀年和規(guī)劃年最小下泄流量；通過(guò)對(duì)典型對(duì)象的分析比較，建立水電站最小下泄流量推算模型，分析水電站最小下泄流量滿足度要求。

(6)提出類似水電站最小下泄流量模型應(yīng)用方法和最小下泄流量分析、監(jiān)測(cè)方法等建議。

(7)從水電站建設(shè)，調(diào)度運(yùn)行、水功能區(qū)水質(zhì)管理目標(biāo)、取用水量等方面，提出確保最小下泄流量的技術(shù)措施。

4 主要成果與結(jié)論

4.1 水位、流量監(jiān)測(cè)

留金壩水電站下游18 km處減(脫)水河段內(nèi)建有汾坑水文站，通過(guò)對(duì)汾坑站進(jìn)行水位、流量監(jiān)測(cè)，建立了汾坑站水位流量關(guān)系、留金壩和汾坑站流量相關(guān)關(guān)系，推求了留金壩下泄流量變化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了留金壩水電站下泄流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

金雞口水電站減(脫)水河段內(nèi)無(wú)水文站，在金雞口減(脫)水河段內(nèi)選擇了合適測(cè)驗(yàn)河段，建設(shè)水尺觀測(cè)碼頭、雷達(dá)水位計(jì)，水位數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS公網(wǎng)傳輸至上饒市水文局水情科數(shù)據(jù)接收平臺(tái)。通過(guò)對(duì)金雞口水電站減(脫)水河段進(jìn)行水位、流量監(jiān)測(cè)和引水渠道流量監(jiān)測(cè)，建立了金雞口站減(脫)水河段水位流量關(guān)系、發(fā)電功率與引水渠道流量關(guān)系，推求了減(脫)水河段流量變化過(guò)程、發(fā)電引水流量過(guò)程，進(jìn)行了流量合成，實(shí)現(xiàn)了金雞口水電站下泄流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)與分析評(píng)價(jià)

經(jīng)對(duì)留金壩水電站上下游布設(shè)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)分析，該水電站上下游河段水質(zhì)均達(dá)到Ⅱ類和Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，滿足水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)要求；水庫(kù)蓄水運(yùn)行后，庫(kù)區(qū)河段的水文情勢(shì)發(fā)生變化，水流減緩，從而影響庫(kù)區(qū)水體中污染物的稀釋、擴(kuò)散及降解，對(duì)庫(kù)區(qū)水質(zhì)產(chǎn)生一定影響，水庫(kù)大壩下游減(脫)水河段的水質(zhì)狀況沒(méi)有沿河呈現(xiàn)明顯變化趨勢(shì)。

（4）鉆井液性能控制的精準(zhǔn)化。不同的地層要求鉆井液有不同的性能，為此制定分井段的鉆井液性能規(guī)范，如密度、黏度、失水、動(dòng)塑比等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，明確分段藥品加量，提前進(jìn)行鉆井液處理，以達(dá)到性能要求，充分滿足鉆井需求。

經(jīng)對(duì)金雞口電站上下游布設(shè)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)分析，該水電站上下游河段水質(zhì)均達(dá)到Ⅱ類和Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，滿足水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)要求；引水渠引水對(duì)攔河壩下游減(脫)水河段水質(zhì)有一定的影響，對(duì)尾水匯合后的河道水質(zhì)未產(chǎn)生明顯影響。

4.3 最小生態(tài)流量分析

對(duì)采用的水文資料進(jìn)行了代表性、可靠性和一致性分析，采用目前簡(jiǎn)單易用的三種主要水文學(xué)方法，即7Q10法、Tennant法、最小月(最小連續(xù)30天)平均實(shí)測(cè)徑流量法，分別推求了梅川留金壩水電站下游的汾坑水文站、花廳水金雞口水電站減(脫)水河段的最小生態(tài)流量。

根據(jù)歷史資料和實(shí)測(cè)資料，對(duì)3種常用的方法推求的最小生態(tài)流量結(jié)果進(jìn)行比較，最小連續(xù)30 d平均流量法的計(jì)算值存在受前期降雨和地表產(chǎn)匯流影響，代表該站基流會(huì)偏大；7Q10法計(jì)算值基本不受前期降雨和地表產(chǎn)匯流影響，能較好代表該站基流，因此確定7Q10法計(jì)算值作為最小生態(tài)流量最小閾值。

4.4 最小下泄流量分析

4.5 最小下泄流量模型

綜合留金壩水電站和金雞口水電站最小下泄流量分析方法和結(jié)果，建立了農(nóng)村水電站最小下泄流量的推算模型。當(dāng)減(脫)水河段較長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)減(脫)水河段的河道外取用水量、河道內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)需水量、排污分布和區(qū)間入流等情況，將減(脫)水河段劃分若干斷面，分別確定各斷面所需水電站下泄最小流量，再取各斷面所需下泄最小流量的最大值作為該農(nóng)村水電站下泄最小流量。

Q泄=Q外+MAX(Q生,Q經(jīng))-Q區(qū)

式中，Q泄為水電站必須保證的最小下泄流量(m3/s)；Q外為減(脫)水河段河道外需水量(m3/s)；Q生為減(脫)水河段河道內(nèi)最小生態(tài)流量(m3/s)；Q經(jīng)為減(脫)水河段河道內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)需水量(m3/s)；Q區(qū)為減(脫)水河段區(qū)間來(lái)水量(m3/s)。

4.6 最小下泄流量滿足度分析

最小下泄流量滿足度是指壩(閘)日均下泄流量不小于最小下泄流量的天數(shù)占評(píng)價(jià)期總天數(shù)的百分比(當(dāng)入庫(kù)流量小于最小下泄流量時(shí)，入庫(kù)流量就作為最小下泄流量)。按照下泄流量模型推求留金壩和金雞口水電站最小下泄流量，結(jié)合水庫(kù)的實(shí)際下泄流量計(jì)算農(nóng)村水電站最小下泄流量滿足度。經(jīng)計(jì)算，留金壩水電站最小下泄流量日滿足度達(dá)99.8%，小時(shí)滿足度達(dá)90.4%。該水電站減(脫)水河段較長(zhǎng)、取用水較多、河道水生生物相對(duì)豐富，水電站最小下泄流量對(duì)其影響較大，為保障減(脫)水河段用水需求和生態(tài)需水，滿足度范圍宜相對(duì)較高，建議類似留金壩水電站的最小下泄流量滿足度為80%～90%。經(jīng)計(jì)算，金雞口水電站日滿足度為52.1%，小時(shí)滿足度為52.1%，該水電站減脫水河段較短、無(wú)取用水需求，河道內(nèi)水生生物較少、無(wú)水生生物保護(hù)需求，在盡量減少對(duì)水電站效益影響的前提下，建議采用工程或非工程措施，適當(dāng)提高該水電站最小下泄流量滿足度至70%～80%。

4.7 最小下泄流量保障措施

因留金壩水電站新增泄水建筑物會(huì)影響壩體結(jié)構(gòu)，不宜采取工程保障措施，且該站調(diào)度運(yùn)行方案能滿足最小下泄流量需求，建議加強(qiáng)監(jiān)管，合理調(diào)度運(yùn)行，控制閘門的啟閉高度可保障最小下泄流量正常下泄。

建議金雞口水電站在攔河壩壩體內(nèi)靠引水渠一側(cè)埋設(shè)鋼管，鋼管進(jìn)口底高程為158 m，孔徑可采用0.5 m，出口設(shè)錐閥進(jìn)行流量控制及消能。

5 有關(guān)建議

最小下泄流量監(jiān)測(cè)試點(diǎn)研究所選擇站點(diǎn)雖具有一定的代表性，但因各地的自然地理、下墊面、暴雨洪水成因和組合等因素較為復(fù)雜，所提出的最小下泄流量推算模型還有待進(jìn)一步的實(shí)踐檢驗(yàn)，并修正已有的研究成果，才能指導(dǎo)全省農(nóng)村水電站的最小下泄流量監(jiān)測(cè)和管理工作。新建電站可依據(jù)所建立推算模型進(jìn)行最小下泄流量設(shè)計(jì)，符合要求的已建電站以推算模型確定最小下泄流量并實(shí)行定量監(jiān)測(cè)管理，不符合要求的通過(guò)相應(yīng)的工程措施和調(diào)度手段實(shí)現(xiàn)最小下泄流量管理要求。

關(guān)于最小下泄流量非工程保障措施，一是要完善水電站調(diào)度方案，合理調(diào)度發(fā)電運(yùn)行；二是要加強(qiáng)最小下泄流量監(jiān)督管理，開展水電站水資源論證，完善監(jiān)測(cè)設(shè)施，加強(qiáng)河道巡查；三是要控制流域內(nèi)污染排放；四是要建立健全最小下泄流量監(jiān)督管理長(zhǎng)效機(jī)制、激勵(lì)機(jī)制和補(bǔ)償機(jī)制。

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責(zé)任編輯 吳 昊

2015-06-11

李小強(qiáng)(1973-)，男，高級(jí)工程師，主要從事農(nóng)村水電管理工作。E_mail：lixiaoqiang8384@163.com