余進忠

(江西省撫州市宜黃縣水電局，江西 撫州 113009)

0 引 言

小水電是解決農(nóng)村用電、促進邊遠山區(qū)扶貧開發(fā)和環(huán)境保護的清潔可再生能源，對促進地方經(jīng)濟發(fā)展與推動生態(tài)文明建設意義重大。然而，受經(jīng)濟技術水平與設計條件的制約，我國早期的水電開發(fā)建設注重經(jīng)濟效益，片面強調(diào)水能資源的充分利用，忽視了生態(tài)環(huán)境保護問題，許多小水電站未建設生態(tài)流量泄放設施，導致電站下游河段在平水期和枯水期減水甚至斷流，極大地影響河段水生生物生長和河道排污能力，嚴重破壞流域生態(tài)系統(tǒng)。為此，越來越多的學者開始重視小水電的生態(tài)改造研究。彭文啟等[1]從研究層面和實踐層面對小水電河流生態(tài)環(huán)境問題進行探討，提出了小水電河流生態(tài)復蘇保障對策。劉方亮等[2]通過對美國、瑞士小水電發(fā)展情況的具體剖析，提出了我國小水電的發(fā)展應明確綠色小水電定位、健全小水電生態(tài)環(huán)境保護機制等多方面建議。王曉梅等[3]指出了長三角小水電發(fā)展現(xiàn)狀，剖析存在問題，為我國其他地區(qū)的小水電建設發(fā)展提供參考和借鑒。

為解決小水電建設發(fā)展過程中積累和遺留下來的生態(tài)環(huán)境問題，降低小水電開發(fā)對局地生態(tài)系統(tǒng)的不利影響，小水電生態(tài)流量泄放設施的改造已經(jīng)在部分省份開展。然而，由于缺少普遍適用的典型案例和相關技術研究，改造過程中標準不明確、規(guī)范不健全、方法不妥當?shù)膯栴}日益凸顯[4_5]。同時，小水電的生態(tài)改造缺乏嚴格監(jiān)管，管理體制尚不完善，電站管理粗放問題突出，生態(tài)流量的泄放受人為隨意性的干擾極大，河段生態(tài)用水仍難以保障。對此，阮伏水[6]提出需要加強電站生態(tài)修復技術研究，開展下泄流量監(jiān)控。曾波[7]認為需要加強小水電的監(jiān)督管理，健全整個工程監(jiān)督體系和完善監(jiān)控設施。可見，如何做好小水電生態(tài)流量泄放監(jiān)管工作、確保滿足下游河段生態(tài)需水要求，也是亟待解決的關鍵問題。

1 生態(tài)流量泄放設施改造方案

為滿足下游河道生態(tài)流量泄放要求，推進河流生態(tài)修復，小型水電站的生態(tài)流量泄放設施主要有以下6種：生態(tài)泄流孔(槽)、生態(tài)泄流閥、生態(tài)泄流閘、生態(tài)虹吸管、生態(tài)機組及生態(tài)魚道。在小水電生態(tài)改造過程中，應當按照不同泄放設施的適用范圍和優(yōu)缺點，遵循因地制宜、安全可靠、技術合理、經(jīng)濟適用的原則，根據(jù)樞紐布置特點和電站開發(fā)方式進行方案比選，選擇最合適的生態(tài)流量泄放設施。

1.1 生態(tài)泄流孔(槽)

生態(tài)泄流孔(槽)是設置在壩身或兩岸等適宜部位設置的無節(jié)制過流通道，包括無壓和有壓兩種型式，適用于泄流能力穩(wěn)定、無用水調(diào)度要求的情況。壩頂易于開槽或引水渠渠首側向易于開孔(槽)時，宜采用無壓生態(tài)泄流孔；壩體或兩岸岸坡易于開孔時，宜采用有壓生態(tài)泄流孔。當在壩體埋設無節(jié)制泄放管泄放生態(tài)流量時，對于埋設深度較淺的生態(tài)泄流管，在不影響建筑物結構的條件下可采用直接開挖埋設；對于直接開挖難度大的情況，經(jīng)方案比較后，可采用非開挖定向鉆孔技術，在壩肩部位鉆孔敷設泄放管進行生態(tài)流量泄放。

無節(jié)制泄放管結構簡單，便于管理維護，能夠最大程度地排除人為干擾，保障生態(tài)流量的長期泄放。但由于不能控制開度，泄放管無法進行流量精準控制，下泄水量難以興利利用；另外，較長的泄水管道容易堵塞，泄水管貫穿壩體還可能對大壩的防滲、抗震安全產(chǎn)生影響。

1.2 生態(tài)泄流閥

生態(tài)泄流閥是設置在泄流孔或管道上的泄流節(jié)制設施，通過調(diào)節(jié)閥門開度控制下泄流量，適用于有下泄流量調(diào)節(jié)需求或用水調(diào)度要求的情況。生態(tài)泄流閥的流道可按有壓生態(tài)泄流孔布置，閥門尺寸應當與作用水頭及有壓生態(tài)泄流孔尺寸相匹配，閥門宜布置在有壓生態(tài)泄流孔末端等易于操作的部位。對已設有泄放閥的電站可采取部分開啟閥門或增設旁通放水管的方式進行生態(tài)流量泄放；對設有錐形閥的電站大壩，可直接利用錐形閥進行生態(tài)泄放，并根據(jù)生態(tài)流量要求確定閥門開度。對于設有閘閥的電站大壩，可增設旁通放水管，其中水庫庫容較大的電站可在現(xiàn)有閘閥后新增閥門，在兩閥門之間增設旁通放水管，保持原閥門長期開啟，新增閥門關閉，以保證旁通放水管的生態(tài)流量泄放；水庫庫容較小的電站則可在現(xiàn)有閘閥前增設旁通放水管，并保持原閥門長期關閉。旁通放水管一般不設置節(jié)制裝置，但若水庫兼具供水、灌溉等功能，可考慮加裝節(jié)制裝置。

采用或改造現(xiàn)有閥門泄放生態(tài)流量方法簡單，改造成本低，但長期高速泄流導致的空蝕現(xiàn)象對泄放管、泄放閥門十分不利，泄流產(chǎn)生的振動還易造成建筑物結構疲勞，導致安全隱患。

1.3 生態(tài)泄流閘

生態(tài)泄流閘是設置在泄流孔、槽上的泄流節(jié)制設施，通過調(diào)節(jié)閘門開度控制下泄流量。生態(tài)泄流閘包括常開狀態(tài)的閘門、設置在攔河閘頂部的舌瓣閘門、設置最小開度限位裝置的閘門和可鎖定至預定開度的閘門，適用于有用水調(diào)度要求、需要閘門調(diào)節(jié)下泄流量的情況，可以通過改造已建閘門并采用閘門限位的方式泄放生態(tài)流量。對于設有沖沙閘的堰壩引水式電站和壩后引水渠道渠首設有閘門設施的引水式電站，可在閘門底部增設水泥墩來控制閘門泄放生態(tài)流量；對于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時，可通過閘門行程控制器控制閘門開度泄放生態(tài)流量；對于電站大壩或引水系統(tǒng)設有泄放閘門或溢洪道閘門，但由于控制設備不完善通過調(diào)整閘門開度泄放流量存在安全風險的情況；或閘門尺寸較大、通過現(xiàn)有閘門無法準確泄放流量時，可在現(xiàn)有閘門上設置門中門或舌瓣門，增設啟閉設施，泄放核定生態(tài)流量。

改造閘門進行生態(tài)流量泄放能夠充分利用現(xiàn)有構筑物，不會因新增泄水設施而影響壩體結構，但閘門的啟閉角度難以精確控制，閘門長期小角度泄流產(chǎn)生的振動也可能造成構筑物結構疲勞。

1.4 生態(tài)虹吸管

生態(tài)虹吸管由跨越壩體的一系列串聯(lián)管道和輔助設施組成，利用虹吸原理將壩(閘)上游側水體引流至壩(閘)下游側的泄流設施，適用于壩體不宜開孔、最大虹吸高度不超過當?shù)卦试S的最大真空度的情況。生態(tài)虹吸管進水口吸水高程不應高于發(fā)電引水建筑物進口底板高程，淹沒深度按《水利水電工程進水口設計規(guī)范》(SL 285)確定；管道宜采用單一特性的圓形斷面管道，使其便于與閥門連接，且轉彎處應設置鎮(zhèn)墩，將管道連接接頭包納在鎮(zhèn)墩內(nèi)，并在頂部“駝峰”處設置排氣設施；管道出水口宜采用淹沒出流的方式，保證最大虹吸高度不應超過當?shù)卦试S的最大真空度。

虹吸管施放生態(tài)流量不破壞壩體結構，在施工方便的同時能夠節(jié)省投資，但該設施受到壩頂及上游最低水位高程差限制，后期運行管理相對比較復雜。

1.5 生態(tài)機組

生態(tài)機組是以泄放生態(tài)流量為目的、裝設在壩身、兩岸或壩(閘)附近、在現(xiàn)有設施無法保障生態(tài)流量的時段能夠連續(xù)運行的水輪發(fā)電機組，適用于庫容較大的壩后式電站。通過生態(tài)機組進行小水電生態(tài)改造時，應確保不影響原建筑物的功能與安全。生態(tài)機組的引水系統(tǒng)應盡量利用現(xiàn)有設施改造，如施工放空隧洞、壩內(nèi)灌溉管道、放空沖沙管、原發(fā)電引水管增加分支管等；對于無法利用現(xiàn)有設施進行改造的情況，也可采用非開挖定向鉆孔技術、生態(tài)虹吸管技術新建引水系統(tǒng)。生態(tài)機組廠房應盡量利用原電站廠房，否則新建廠房機組尾水下泄要滿足壩下游河床不裸露條件。生態(tài)機組設計水頭可直接引用原電站特征水頭，確保選擇的生態(tài)機組額定水頭在最優(yōu)工況運行，復核最大、最小水頭在生態(tài)機組允許運行范圍內(nèi)，并保證生態(tài)機組在最小水頭下的最大過流量滿足生態(tài)流量要求。生態(tài)機組容量按P=8Q*Hr確定(Q為核定生態(tài)流量，Hr為電站額定水頭)，應不小于75 kW，一般安裝1臺或加裝1臺備用機組；為保證機組停機檢修時生態(tài)流量連續(xù)下泄，應設置泄流措施，在機組入口和尾水間設置旁通管道和旁通閥。生態(tài)機組控制宜采用無人值守設計。

生態(tài)機組不僅能夠持續(xù)運行來保障下游河道生態(tài)，又能充分利用下泄流量發(fā)電，經(jīng)濟效益明顯；但生態(tài)機組投資大、維護復雜，且不間斷地運行會導致機組水頭變幅較大，長期下來還可能引發(fā)水輪機組振動、轉輪葉片裂紋、廠房與相鄰建筑物共振等問題。

1.6 生態(tài)魚道

生態(tài)魚道是承擔過魚任務并兼顧生態(tài)流量泄放的過魚通道，適用于有過魚要求且符合魚道建設條件的情況。生態(tài)魚道的建設應符合《水利水電工程魚道設計導則》(SL 609)的有關規(guī)定，流量計算采用寬頂堰過流量公式進行計算，流量泄放標準應滿足最小生態(tài)流量兼顧過魚需要的最小流量要求，確保常年過流，且檢修時應有泄流措施。生態(tài)魚道的下游出口應在壩(閘)下游附近，回水可達壩址。

生態(tài)魚道對于洄游類魚的繁衍具有重要的意義，同時結構本身具有一定的景觀價值，但是結構設計較為困難，運行維護復雜。

2 生態(tài)流量監(jiān)管平臺建設

節(jié)制類生態(tài)泄流設施受人為隨意性的干預影響較大，為加強小水電建設的監(jiān)督和管理，強化技術設備監(jiān)督手段，建立健全小水電生態(tài)流量監(jiān)管系統(tǒng)也顯得尤為必要。

2.1 生態(tài)流量監(jiān)管平臺

小水電生態(tài)流量監(jiān)管應結合水利部信息化“九大需求”中農(nóng)村水電生態(tài)流量監(jiān)管要求和頂層設計，以水利部“小水電清理整改工作管理平臺”為基礎，建立省市縣級小水電生態(tài)流量監(jiān)管信息平臺，為各級水電行政管理部門開展小水電生態(tài)流量確定與管控、生態(tài)流量監(jiān)測預警機制和保障生態(tài)流量下泄等工作提供一套完整的可視化信息系統(tǒng)解決方案(見圖1)。

圖1中的監(jiān)測平臺應由省級生態(tài)流量主管部門統(tǒng)一建立，覆蓋省市縣三級和各級水電站企業(yè)，兼具農(nóng)村水電信息管理及生態(tài)流量的在線監(jiān)測等功能。監(jiān)測設備主要由遙測終端機、流量計(流速計、水位計)、工業(yè)照相機等組成，并采取一桿式安裝、太陽能供電，或架設220 V線路作為輔助電源，以保證陰雨天監(jiān)測設備的可靠供電。監(jiān)測設備主要負責完成現(xiàn)場水位、流速、流量及視頻監(jiān)控等實時數(shù)據(jù)的采集及傳輸?shù)热蝿?。對于無信號區(qū)域，可通過無線網(wǎng)橋介入附近公網(wǎng)以實現(xiàn)網(wǎng)絡通信，也可在監(jiān)測現(xiàn)場架設光纜，確保信息的及時傳輸。

圖1 生態(tài)流量監(jiān)測設備及監(jiān)測平臺示意圖

2.2 生態(tài)流量監(jiān)測類型

水電站生態(tài)流量泄放監(jiān)測采用動態(tài)與靜態(tài)、定性與定量、實時與抽檢相結合的方式，主要分為動態(tài)視頻監(jiān)測、靜態(tài)圖像監(jiān)測、實時流量+動態(tài)視頻(靜態(tài)圖像)監(jiān)測3種監(jiān)測手段。對于網(wǎng)絡條件好、采用無節(jié)制生態(tài)泄流設施的電站，可采取動態(tài)視頻或靜態(tài)圖像監(jiān)測方式，確保監(jiān)測站具備生態(tài)流量泄放視頻/圖像監(jiān)測、保存、自動上傳省級平臺系統(tǒng)等功能(見表1)；對于網(wǎng)絡條件差，無法通過無線網(wǎng)橋接入附近公網(wǎng)實現(xiàn)網(wǎng)絡通信的電站，則可采取靜態(tài)圖像監(jiān)測方式，并采取人工定期讀取數(shù)據(jù)上傳和上級不定期抽查方式實現(xiàn)監(jiān)測(見表1)；對于生態(tài)泄流設施為有節(jié)制方式或者處于生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)(如重要濕地公園、重要資源保護區(qū)、飲用水源保護區(qū)等)，應采取實時流量+動態(tài)視頻監(jiān)測方式，通過安裝流量計或采用標準斷面+水位/流速計量裝置記錄生態(tài)流量泄放量(安裝水位/流速計量裝置的電站應建立標準斷面的水位流量關系)，并安裝攝像頭實現(xiàn)全天候動態(tài)視頻/圖像監(jiān)測，確保測站將實時流量和視頻監(jiān)測數(shù)據(jù)保存并上傳省級平臺(見表2)。對于無網(wǎng)絡或網(wǎng)絡條件較差的站點，可通過無線網(wǎng)橋接入附近公網(wǎng)改善通信；無法實現(xiàn)網(wǎng)絡通訊的站點可將視頻監(jiān)測改為圖像監(jiān)測，采取人工定期讀取數(shù)據(jù)上傳和上級不定期抽查方式實現(xiàn)監(jiān)測。

表1 生態(tài)泄流動態(tài)視頻/靜態(tài)圖像監(jiān)測方式典型設備配置清單

表2 實時流量+動態(tài)視頻(靜態(tài)圖像)監(jiān)測方式典型設備配置清單

3 改造實例

3.1 實例1

工程概況：某中型水庫的電站大壩為漿砌石雙曲拱壩，最大壩高63.1 m，擬采用沖沙放空洞泄放生態(tài)流量。放空洞位于大壩左側壩體內(nèi)，進口設置平面鋼閘門檢修門，出口設置潛孔式弧形鋼閘門工作門，采用液壓式啟閉機啟閉。經(jīng)原設計單位復核，放空洞出口潛孔式弧形鋼閘門工作門不適合長期小流量泄流。

圖2 實例1改造示意圖

改造方案：通過技術比較，對弧形鋼閘門進行改造，在門中央對稱開2個孔，經(jīng)短管引出，出口安裝可調(diào)式減壓閥泄放生態(tài)流量。該方案結構簡潔，安全可靠且成本較低，在節(jié)省投資的同時，確保短管和閥門安裝不影響弧形門啟閉及結構強度(見圖2)。

3.2 實例2

工程概況：某小型電站為引水式電站，在攔水壩設有鑄鐵沖沙放空閘門，閘門內(nèi)空尺寸為2 m×2 m，設有10 t螺桿式啟閉機。經(jīng)核定，電站需要泄放0.03 m3/s生態(tài)流量。

改造方案：初選方案考慮通過閘門底部增設水泥墩控制閘門泄放生態(tài)流量，方案改造技術簡單，投資??；但由于泄放生態(tài)流量較小，閘門開度不易控制，最終方案采用在閘門上開孔、焊接無節(jié)制生態(tài)流量管的方式，保證生態(tài)流量可靠泄放。電站閘門具體改造如下所示(見圖3、圖4)，改造中的閘門開度或流量管直徑的確定可參照水利部《小型水電站下游河道減脫水防治技術導則》(SL/T 796—2020)進行計算。

圖3 實例2改造平面布置示意圖

圖4 實例2改造剖面示意圖

3.3 實例3

工程概況：某水庫壩址以上控制流域面積166 km2，是1座以防洪、發(fā)電、灌溉、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫。水庫電站為壩后式廠房，核定最小生態(tài)流量泄放值為1.11 m3/s，電站多年平均流量5.53 m3/s，生態(tài)流量占年平均流量的20%。

目前電站機組型號為HL123—LJ—120，配TSL260/35—20發(fā)電機，電站額定水頭23.1 m，最大水頭30.2 m，最小水頭17.0 m，機組單機額定流量為8.5 m3/s，機組達到額定轉速時需要的空載流量約為1.53 m3/s。如果長期通過機組空轉泄放生態(tài)流量，既不利于機組安全運行，也不利于電站經(jīng)濟運行，經(jīng)技術經(jīng)濟比較，擬通過水庫放空隧洞泄放生態(tài)流量。放空隧洞為水庫除險加固施工時水庫放空所建，由進水口、洞身段及出口段組成，進水口為塔式進水口，分別安裝1塊檢修和工作平面鋼閘門，洞身段為長181 m、直徑1.8 m的圓形斷面，采用鋼筋混凝土全斷面襯砌，出口通過消力池與下游河道相接。如果采用進口工作閘門泄放生態(tài)流量，閘門開度小易造成閘門振動；另外，電站年利用小時數(shù)低，機組停機時需要開啟閘門泄放生態(tài)流量，機組運行時需要關閉閘門，如此往復造成閘門頻繁啟閉，容易導致閘門止水橡皮磨損。因此，放空隧洞不能滿足長期泄放生態(tài)流量需求，需進行改造。

改造方案：將放空隧洞改造為引水管道，管道出口一分為二，其中一個分支裝設放空洞控制閘，維持隧洞水庫放空功能，兼顧機組檢修時生態(tài)流量泄放；另一個分支依據(jù)1.11 m3/s的生態(tài)流量新建裝機生態(tài)機組。具體改造措施如下：

在距離隧洞出口20 m處采用鋼管進行引流，鋼管直徑1.7 m，鋼管和隧洞間填充C25鋼筋混凝土。鋼管出口采用“卜”字形分支，主管直徑1.7 m，出口建設啟閉平臺，安裝鋼閘門，作為放空洞放空控制閘；分支干管作為發(fā)電引水管，末端出口安裝1臺1×250 kW臥式水輪機組作為生態(tài)機組，尾水并入電站尾水渠，升壓站布置在電站35 kV升壓站內(nèi)，利用原近區(qū)變并網(wǎng)發(fā)電，生態(tài)機組采用無人值守設計。改造結束后，工程既滿足了工程長期泄放生態(tài)流量的要求，又可增加106.9萬kW·h的年發(fā)電量(見圖5)。

圖5 改造平面布置示意圖

4 結 語

為貫徹新時代農(nóng)村水電綠色發(fā)展要求，小水電開發(fā)建設應當以綠色發(fā)展為導向、以生態(tài)保護為原則、兼顧統(tǒng)籌社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境綜合效益。在全國大力開展小水電生態(tài)流量泄放設施改造之際，本文結合實際工程改造案例，對生態(tài)流量泄放設施改造方案的適用范圍和優(yōu)缺點進行了總結說明，并針對生態(tài)流量監(jiān)管平臺的建設提出了切實可行的方案，以確保滿足下游生態(tài)環(huán)境需水要求，實現(xiàn)良好的生態(tài)效應，推動綠色水電發(fā)展。