余傳萍

(奉新縣水利局，江西 奉新 330700)

1 概 述

由于國家或地方重大項目的建設(shè)，需要征收已經(jīng)建成發(fā)電的小水電站，征收分為全部征收和部分征收。全部征收不言而喻，已經(jīng)沒有保留價值，必須全部拆除；部分征收就是還有利用價值，只是規(guī)模和效益有所下降，通過改建設(shè)施或更換設(shè)備可保留下來。部分征收主要存在以下兩種情況:一是在其壩頭上游修建截流壩截留水流而使電站損失部分集水面積，截留面積比例過大須更換機組。二是要求廠房上移而損失部分發(fā)電水頭，通過重建廠房等設(shè)施可繼續(xù)運行，上移較多也須更換機組。

對于被征收的小水電站，必須進行合理的經(jīng)濟補償。首先進行補償單價的第三方評估，即確定單位水能(即出力或電量)損失的征收補償價格；然后推算被征收電站的水能損失。雙方認可后按損失總價值進行補償。

全部征收簡單明了，在此不予論述。

部分征收中被截水頭的電站也好處理，按水頭損失比例確定水能損失比例進行補償，各方均無異議。但對被截水流的電站損失比例(量)如何計算，各家算法不一，大多對電站截流后多年徑流進行繁雜的數(shù)理統(tǒng)計計算，然后與截流前電站歷年實際發(fā)電量進行對比，使得簡單問題復雜化，且參照點不同得出的結(jié)果差異較大。

另外，部分征收中還存在一些問題，如豐水期被截水流電站發(fā)電“溢出”，全年機組效率下降，兩者對電站損失比例影響如何？電站規(guī)?？s小后單位運行成本上升是否需要額外補償？如何補償？這些問題不僅涉及公平公正，處理不好勢必影響補償進度，甚至給社會穩(wěn)定留下隱患。

如何科學合理推算部分征收電站的水能損失，這是作為征收補償?shù)幕疽罁?jù)。對以上問題如何統(tǒng)一認識，是解決補償爭議的前提?，F(xiàn)就工作中遇到的這些情況，淺談一下推算方式及對這些問題的處理辦法。

2 實例分析

2.1 上游截流使得電站引用流量減少，造成水能損失的比例分析

我國地大物博，河流眾多，適宜開發(fā)并建成小水電站的中小河流更是不計其數(shù)。而每條河流的降雨、蒸發(fā)及地表徑流等自然屬性與其所在的地理位置、流域內(nèi)的植被覆蓋等因素密切相關(guān)；且隨著一年四季的變換，其地表徑流亦呈現(xiàn)出明顯的時段特性。為了研究某條河流的這些特性，特別是地表徑流特性，引入了徑流模數(shù)這一概念。

2.1.1 徑流模數(shù)

對一條穩(wěn)定的河流來說，在一定長的時段內(nèi)，徑流模數(shù)是一個恒定值。當然，這條河流的上、中、下游由于植被、氣候的差異，其各斷面以上流域的徑流模數(shù)亦稍有變化，對中小河流而言，差值不大。

2.1.2 斷面過流量

河流某一斷面的流量，引入了徑流模數(shù)這一概念，其計算公式為：

Q=M×S

(1)

式中，Q為斷面(電站引用)流量(m3/s)；M為徑流模數(shù)(m3/s×km2)；S為斷面(電站壩頭)以上集水面積(km2)。

2.1.3 截流部分集水面積后水電站發(fā)電引用流量的變化

小水電站大多為徑流式(無調(diào)節(jié))水電站，如果在其壩頭上游修建攔截壩分流一部分水量，則剩余集水面積成為該電站的發(fā)電來水：

ΔQ=Q1-Q2=M1×S1-M2×S2

(2)

式中，Q1為電站未截流的引用流量；Q2為截流損失的流量；ΔQ為電站上游截流后剩余的引用流量；M1為電站壩頭以上集水范圍(包括截流壩以上)的徑流模數(shù)；M2為截流壩以上集水范圍的徑流模數(shù)；S1為電站壩頭以上(包括截流壩以上)集水面積；S2為截流壩以上集水面積。

由于所截河段位于發(fā)電河段上游，氣候基本一致，植被變化不大，屬中小河流，故徑流模數(shù)基本相等，即M1=M2=M，則公式(2)變更為：

ΔQ=Q1-Q2=M1×S1-M2×S2=M×(S1-S2)

=M×ΔS

(3)

式中，ΔS為電站上游截流后剩余的集水面積。

由此可以看出，電站發(fā)電引用流量的變化與其集水面積的變化是成正比例相關(guān)的；即發(fā)電流量損失比例與截流面積比例是正比例相關(guān)的。

2.1.4 電站水能損失比例與截流面積比例是正比例相關(guān)的

電站出力(裝機容量)：

N=η×Q×H

(4)

式中:N為出力或裝機容量(kW)；η為電站效率(%)；H為工作水頭(m)。

截流后電站出力：

ΔN=N1-N2=η1×Q1×H1-η2×Q2×H2

(5)

式中，N1、η1、Q1、H1分別為未截流的電站出力、效率、引用流量和工作水頭；N2、η2、Q2、H2分別為截流損失面積對應的電站出力、效率、引用流量和工作水頭。

對于某一已建電站，其水頭已定即H1=H2=H，設(shè)備已運行，機組效率已定，即η1=η2=η；故截流后的電站出力：

ΔN=η1×Q1×H1-η2×Q2×H2

=η×H×(Q1-Q2)

=η×H×ΔQ

(6)

式中，η×H為常數(shù)，則電站出力的變化與其引用流量的變化成正比例關(guān)系。

而前已論述，電站引用流量的變化與其集水面積的變化是成正比例相關(guān)的，即ΔQ=M×ΔS，則公式(6)變更為：

ΔN=η×H×M×ΔS

(7)

式中，η×H×M亦為常數(shù)，則電站出力的變化與其集水面積的變化亦成正比例相關(guān)；即電站出力損失比例與截流面積比例是正比例相關(guān)的。

同理，電站發(fā)電量是電站出力的時間累積，故電站發(fā)電量的變化與集水面積的變化亦成正比例相關(guān)；即截流后電站發(fā)電量的損失比例與截流面積比例也是正比例相關(guān)的。

2.2 截流面積后電站豐水期發(fā)電量“溢出”和全年機組效率下降的對比分析

電站上游截流后，一般情況需要更換更小的機組，選擇匹配的型號，用于滿足新工況。如果不更換，雖然節(jié)省了投資，而且看起來“擴機”增加豐水期電量了，但機組運行偏離了最優(yōu)工況區(qū)，效率明顯下降。

為了形象直觀地分析截流后電站不更換機組對過流量及發(fā)電的影響，根據(jù)當?shù)厮奶卣?，用簡單?shù)字即1、2、3、4、3、2(模擬演算特征值，簡稱特征值或省略)代表全年(水文年度)中12～1月份、2～3月份、4～5月份、6～7月份、8～9月份、10～11月份的平均流量，在電站保守裝機(按保證出力裝機—現(xiàn)俗稱保守裝機)和正常裝機(按3～5倍保證出力裝機)兩種情況下，分壩頭被截流30%集水面積和截流70%集水面積兩種狀況進行分析演算(不影響事實結(jié)果，用流量歷時曲線圖分析亦如此)。

電站保守裝機時，機組最大過流量1(特征值)，未截流時Q1=Q0≤1；截流30%時，Q2=0.7Q0≤1；截流70%時，Q3=0.3Q0≤1。電站正常裝機時，機組最大過流量2.5(特征值)，未截流時Q1=Q0≤2.5；截流30%時，Q2=0.7Q0≤2.5；截流70%時，Q3=0.3Q0≤2.5。以下兩表列有各時段的河川天然流量Q0和對應的機組過流量Q1、Q2、Q3(見表1、表2)。

電站發(fā)電效率就是機組出力效率，與水輪機的效率密切正相關(guān)。從4種水輪機的效率特性曲線可以看出：以混流式(比轉(zhuǎn)速ns=300)為代表，出力80%～100%效率最高為92～93%；當出力80%下降至60%，機組效率由92%下降到86%，下降6%；當出力60%下降至40%，機組效率由86%下降到76%，下降10%；當出力40%下降至20%，機組效率由76%下降至57%，下降19%；呈加速下滑趨勢，沖擊式機組稍好，軸流式更嚴重。以下兩表根據(jù)各時段的機組過流量分別列出對應的機組效率η1、η2、η3及與未截流相比效率下降值 Δη2、Δη3(見表1、表2)。

表1 電站保守裝機(1倍保證出力，機組最大過流量1)下豐水期發(fā)電量“溢出”和全年機組效率下降的對比分析

從表1數(shù)據(jù)可以看出，在保守裝機情況下，當電站被截流30%后，機組全年過流量ΣQ2=5.7占未截流ΣQ2=6的95%，溢出效益95%-70%=25%，出力與過流量是正相關(guān)的。從12～1月機組過流量相比未截流流量下降(1-0.7)/1=30%而造成效率降低Δη2=η2-η1=4%；其他月份由于過流量一致效率η2=η1未有影響；全年效率平均下降0.67%，少于出力溢出25%。

以此類推，當電站被截流70%后，全年效率平均下降6.17%，少于出力溢出41.7%。

因此，電站保守裝機下，發(fā)電“溢出”效益大大高于機組效率下降。但這種情況基本不復存在，因為只有在建國初期，滿足農(nóng)村照明和農(nóng)副產(chǎn)品加工才按保證出力裝機，且現(xiàn)在電站業(yè)主都已按3～5倍保證出力進行了擴建；如果有，則特殊處理(見表2)。

從表2可以看出，電站按正常裝機情況下，當電站被截流30%后，機組全年過流量ΣQ2=10.2占未截流ΣQ1=12.5的81.6%，溢出效益81.6%-70%=11.6%，出力與過流量是正相關(guān)的。從6～7月份由于過流量一致效率η2=η1未有影響；4～5月、8～9月機組過流量相比未截流流量下降(2.5-2.1)/2.5=16%而造成效率降低Δη2=η2-η1=1%；2～3月、10～11月機組過流量相比未截流流量下降(2-1.4)/2=30%效率降低擴大至Δη2=η2-η1=8%；12～1月機組過流量相比未截流流量下降(1-0.7)/1=30%效率降低擴大至Δη2=η2-η1=11%。全年效率平均下降4.8%，少于出力溢出11.6%，總體有所“溢出”。

表2 電站正常裝機(3～5倍保證出力，機組最大過流量2.5)下豐水期發(fā)電量“溢出”和全年機組效率下降的對比分析

以此類推，當電站被截流70%后，全年效率平均下降25%，多于出力溢出6%；總體呈現(xiàn)“虧空”，數(shù)額略多于前者。

因此，電站正常裝機下，截流比例小，總體呈現(xiàn)“溢出”；截流比例大，總體呈現(xiàn)“虧空”；但數(shù)額不大。為征收補償工作的簡便易行，這2個因素皆不予考慮。

建議截流比例較大(筆者建議30%以上)的電站更換新機組以適應新工況，彌補總體“虧空”。此外部分征收中，廠房上移較多，水頭損失較大(建議30%以上)時，為減少效率下降的影響，也必須更換新機組以適應新工況。

2.3 電站規(guī)模縮小后造成單位運行成本上升的一次性經(jīng)濟補償辦法

當?shù)?00～1 000 kW量級的小水電站眾多，部分征收這類電站(即截去部分流量或水頭)會使電站出力和發(fā)電量相應減少；而且此類電站一般為夫妻兩人負責日常運行，電站出力和發(fā)電量減少了，考慮安全等因素，運行人員不能再減少了，單位運行成本相應上升。為照顧到電站業(yè)主這方面訴求，建設(shè)單位可按以下方式給與適度補償，即：

p1=n×p0

(8)

式中，p1為由于規(guī)?？s小造成運行成本上升的一次性補償資金；n為補償系數(shù)；當截流或截去水頭0～25%時，n取0.05；25%～50%時，n取0.1；50～75%時，n取0.15；75%～100%時，n取0.2；以上n的取值為筆者建議，可參照修改；p0為部分征收電站原定補償資金。

當然，電站運行人員有定編標準，對這方面的補償國家沒有強制要求。

部分征收電站補償資金總額：

p=p0+p1

(9)

3 結(jié) 語

從以上對小水電站部分征收的水能損失比例推算，以及豐水期發(fā)電“溢出”和全年機組效率下降的對比分析，可以得出如下結(jié)論:

(1)被征收電站的水能損失比例與其被截流的面積比例或水頭損失比例是一致的，征收補償可據(jù)此進行。

(2)至于被截水流電站豐水期發(fā)電量“溢出”已經(jīng)和機組效率下降基本相抵甚至總體有所“虧空”，不存在損失比例減少的情況。為簡便易行，在征收時這2個因素不予考慮。對于截流面積比例較大或被截水頭比例較大的電站，建議更換新機組以適應新工況，彌補“虧空”。

(3)由于部分征收造成小水電站運行成本升高，征收單位可酌情給予一次性補償或不予補償。