何先進(jìn) 郜曉輝

(邯鄲市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北 邯鄲 056000)

本文定量分析小水電站在一個(gè)發(fā)電周期內(nèi)，因生態(tài)流量泄放損失的發(fā)電量，探索一定的補(bǔ)償和激勵(lì)措施，統(tǒng)籌好發(fā)電和生態(tài)關(guān)系，權(quán)衡利弊，降低小水電對(duì)水環(huán)境的不利影響，實(shí)現(xiàn)小水電綠色轉(zhuǎn)型可持續(xù)發(fā)展[4]。

1 工程概況

平山縣秘家會(huì)水電站為引水式電站，位于滹沱河中上游，滹沱河在此由南向北轉(zhuǎn)向，形成了一個(gè)C形，C形段全長(zhǎng)5.5km，而直線(xiàn)距離不超過(guò)500m，形成了一個(gè)集中落差修建電站的好地形。

秘家會(huì)水電站1977年開(kāi)始建設(shè)，1980年正式發(fā)電，原裝機(jī)容量為3×800kW，設(shè)計(jì)水頭24.9m，設(shè)計(jì)發(fā)電流量13.2m3/s，設(shè)計(jì)年利用小時(shí)數(shù)6000h，設(shè)計(jì)年發(fā)電量1440萬(wàn)kW·h。電站原有主要設(shè)備：水輪機(jī)型號(hào)HL240-WJ-84，發(fā)電機(jī)型號(hào)SFW800-14/1430，調(diào)速器型號(hào)XT-600。原秘家會(huì)水電站并網(wǎng)線(xiàn)路電壓為10kV，聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，發(fā)電機(jī)所發(fā)電能經(jīng)升壓變壓器升壓后，一路經(jīng)0.5km線(xiàn)路并入XJ110kV變電站10kV母線(xiàn)，另一路經(jīng)1km線(xiàn)路送入近區(qū)負(fù)荷硅鐵廠(chǎng)。

秘家會(huì)水電站增效擴(kuò)容改造內(nèi)容為：更換水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、更換濾水器、維修主閥、改造發(fā)電機(jī)、更換調(diào)速器、更換勵(lì)磁系統(tǒng)、更換高低壓設(shè)備及變壓器，新增計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。增效擴(kuò)容改造后裝機(jī)容量為3×900kW，設(shè)計(jì)水頭24.9m，設(shè)計(jì)發(fā)電流量12.87m3/s，設(shè)計(jì)年利用小時(shí)數(shù)5626h，設(shè)計(jì)年發(fā)電量1519.02萬(wàn)kW·h。

2 生態(tài)流量計(jì)算

生態(tài)流量計(jì)算包括生態(tài)基流及敏感生態(tài)需水計(jì)算兩部分，本次涉及河段均位于流域上游，引水口與退水口之間無(wú)人工取用水口，也無(wú)敏感生態(tài)需水，因此生態(tài)流量只需考慮河道內(nèi)基本生態(tài)需水量。生態(tài)流量計(jì)算方法較多，根據(jù)本次減脫水河段具體的環(huán)境影響、河流需水特點(diǎn)及下游生態(tài)需水的共性要求，并結(jié)合所掌握的水文資料情況，經(jīng)綜合分析決定本次分別采用QP法、Tennant法、7Q10法3種方法計(jì)算生態(tài)流量[3]。

2.1 生態(tài)流量計(jì)算方法

2.1.1QP法

QP法又稱(chēng)不同頻率最枯月平均值法，以河流控制斷面長(zhǎng)系列(n≥30年)月平均流量、月平均水位或徑流量為基礎(chǔ)，用每年的最枯月排頻，選擇不同頻率下的最枯月平均流量、月平均水位或徑流量作為河流控制斷面生態(tài)基流。頻率P根據(jù)流域水資源開(kāi)發(fā)利用程度、規(guī)模、來(lái)水情況等實(shí)際情況確定，宜取90%或95%。本次選取90%保證率設(shè)計(jì)值作為生態(tài)環(huán)境需水量。

2.1.2 Tennant法

Tennant法主要適用于在北溫帶較大的常年性河流，作為河流規(guī)劃目標(biāo)管理、戰(zhàn)略性管理方法。使用時(shí)，較枯較豐時(shí)段的劃分，可根據(jù)多年平均月徑流量排序確定；也可根據(jù)當(dāng)?shù)匮雌凇⒎茄雌跁r(shí)段劃分確定，汛期和非汛期時(shí)段應(yīng)根據(jù)南北方氣候調(diào)整。

基本生態(tài)環(huán)境需水量取值范圍應(yīng)符合下列要求：水資源短缺、用水緊張地區(qū)河流，可在《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范》(SL/T 712—2021)附錄A表A.0.5“良好”的分級(jí)之下，根據(jù)節(jié)點(diǎn)徑流特征和生態(tài)環(huán)境狀況，選擇合適的生態(tài)環(huán)境流量百分比值。水資源較豐沛地區(qū)河流，宜在“很好”的分級(jí)之下取值。

結(jié)合涉及河流水系的實(shí)際情況，本次非汛期10—次年5月采用同時(shí)段多年平均徑流的10%，汛期6—9月采用同時(shí)段多年平均徑流的10%進(jìn)行計(jì)算。

2.1.3 7Q10法

7Q10法又稱(chēng)“最小流量法”，通常選取90%～95%保證率下年內(nèi)連續(xù)7天最枯流量值的平均值作為基本生態(tài)環(huán)境需水量的最小值。也可采用一年364天都能保證的流量。該方法適用于水量較小，且開(kāi)發(fā)利用程度已經(jīng)較高的河流。使用時(shí)應(yīng)有長(zhǎng)系列水文資料。本次選取與90%保證率設(shè)計(jì)值相近的年份作為典型年，取典型年實(shí)測(cè)逐日平均流量中最枯連續(xù)7天的平均流量的均值作為生態(tài)流量。

依據(jù)水文站徑流系列，經(jīng)過(guò)頻率分析計(jì)算，得到90%保證率設(shè)計(jì)徑流量，選取90%保證率的典型年。選取2年進(jìn)行對(duì)比分析，選取原則為選擇與90%保證率設(shè)計(jì)徑流量相近的實(shí)測(cè)年份，并且年內(nèi)分配不均勻符合當(dāng)?shù)貜搅魈攸c(diǎn)的作為該保證率的典型年，水文站典型年選取2001年、2015年。

根據(jù)典型年數(shù)據(jù)分析，如果選取徑流量較小的年份則造成下游生態(tài)流量較小，對(duì)生態(tài)極為不利，可能會(huì)造成河道斷流的現(xiàn)象，因此典型年宜選取枯水月徑流量較大的年份，由此選取的典型年為2001年。

2.2 計(jì)算結(jié)果及成果合理性分析

依據(jù)《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范》(SL/Z 712—2014)，結(jié)合所掌握的水文資料情況，按照以上3種方法分別計(jì)算出兩電站所在河段生態(tài)基流量(見(jiàn)表1)。

表1 秘家會(huì)電站生態(tài)流量分析計(jì)算成果比較

由以上計(jì)算成果可知，3種方法均采用了長(zhǎng)系列水文資料，其中QP法是采用最枯月徑流量90%保證率設(shè)計(jì)值，該方法僅考慮了低保證率時(shí)非零的枯水月份，又因?yàn)橹鹪沦Y料與逐年資料系列年份不一致，造成成果不穩(wěn)定；Tennant法是采用汛期、非汛期對(duì)應(yīng)時(shí)段多年平均徑流量的10%，考慮了汛期、非汛期流量差異情況；7Q10法是采用了與90%保證率設(shè)計(jì)值相近的年份中實(shí)測(cè)最枯連續(xù)七天平均流量，鑒于選取的是與90%設(shè)計(jì)值相近的年份，使得計(jì)算結(jié)果僅照顧到枯水年的最小值，代表性不足，此次不推薦采用此種方法。對(duì)3種方法成果進(jìn)行比較后，本次電站取水口斷面生態(tài)流量推薦采用Tennant法計(jì)算成果。

2.3 徑流分析

根據(jù)小覺(jué)水文站1955—2018年實(shí)測(cè)資料，據(jù)調(diào)查1980年以后上游的水利工程大多已建成，下墊面條件沒(méi)有再發(fā)生明顯變化，兩岸各年引用水情況已相對(duì)穩(wěn)定，故本次直接采用1980—2018年實(shí)測(cè)徑流資料進(jìn)行分析計(jì)算，多年平均實(shí)測(cè)徑流量為28444.31萬(wàn)m3。

秘家會(huì)水電站引水口控制流域面積與水文站控制流域面積一致，因此電站引水口徑流量直接采用水文站成果，即多年平均徑流量為28444.31萬(wàn)m3。

滹沱河上游河道來(lái)水量，可用上游水文站1955—2018年實(shí)測(cè)資料，據(jù)調(diào)查1980年以后上游的水利工程大多已建成，下墊面條件沒(méi)有再發(fā)生明顯變化，兩岸各年引用水情況已相對(duì)穩(wěn)定，故本次采用水文站1980—2018年實(shí)測(cè)徑流資料進(jìn)行分析計(jì)算(見(jiàn)表2)。

表2 小覺(jué)水文站徑流量系列統(tǒng)計(jì)成果

根據(jù)典型年選取原則，最終選取1989年、2000年、2006年作為25%、50%、75%保證率典型年，將這幾年與其他年份比較發(fā)現(xiàn)其年內(nèi)徑流分配過(guò)程較為不均勻且具有代表性，從偏不利考慮選為典型年。

秘家會(huì)電站處的三個(gè)保證率的設(shè)計(jì)年徑流分別為36737.78m3、18206.54萬(wàn)m3、9358.96萬(wàn)m3，現(xiàn)狀基準(zhǔn)年為2011年，徑流系列為實(shí)測(cè)系列，計(jì)算不再扣除現(xiàn)狀年用水量。通過(guò)選取的典型年年內(nèi)分配比例，對(duì)設(shè)計(jì)年徑流進(jìn)行分配，得到可利用逐日平均流量成果。

采用Tennant法計(jì)算生態(tài)流量，經(jīng)計(jì)算，電站引水口處河道應(yīng)泄放的生態(tài)流量汛期(6—9月)為1.633m3/s(水量1721萬(wàn)m3)，非汛期(10—5月)為0.535m3/s(水量1123萬(wàn)m3)。計(jì)算扣除下游生態(tài)流量后引水口可利用逐日平均流量。

計(jì)算的逐日平均流量為引水口處河道內(nèi)可利用流量，由電站設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可知，秘家會(huì)電站設(shè)計(jì)流量12.87m3/s，可利用流量大于電站設(shè)計(jì)流量部分從河道直接下泄，電站無(wú)法引用，故實(shí)際可引水流量不大于該流量。

3 生態(tài)流量泄放對(duì)發(fā)電影響分析

3.1 秘家會(huì)電站水能計(jì)算

本次水能計(jì)算從兩方面考慮：一是對(duì)扣除生態(tài)流量的多年平均發(fā)電量進(jìn)行計(jì)算；二是對(duì)未扣除生態(tài)流量的多年平均發(fā)電量進(jìn)行計(jì)算。多年平均年發(fā)電量以水文計(jì)算成果為基礎(chǔ)，按典型年法計(jì)算，按照不同保證率年調(diào)節(jié)流量計(jì)算水電站日平均出力和電能，計(jì)算公式如下：

N=kQH

(1)

E=Nt

(2)

式中N——出力，kW；

E——發(fā)電量，萬(wàn)kW·h；

k——出力系數(shù)，取為7.8；

Q——日平均發(fā)電流量，m3/s；

H——發(fā)電水頭，24.9m；

t——時(shí)間，h。

秘家會(huì)水電站三個(gè)典型年在扣除生態(tài)流量以及未扣除生態(tài)流量?jī)煞N情況下水能計(jì)算成果見(jiàn)圖1。從圖中可以看到，在25%保證率時(shí)，扣除生態(tài)流量以及未扣除生態(tài)流量?jī)煞N情況計(jì)算的發(fā)電量差距要比50%、75%保證率發(fā)電量差距小，50%、75%保證率典型年生態(tài)流量對(duì)于小水電站的發(fā)電量影響更大一些。

圖1 秘家會(huì)水電站三個(gè)典型年年發(fā)電量比較

3.2 生態(tài)流量泄放對(duì)發(fā)電影響分析

根據(jù)秘家會(huì)水電站水文調(diào)節(jié)成果、日平均流量及水能計(jì)算成果，進(jìn)行了逐日不同裝機(jī)容量下的年平均出力、發(fā)電量計(jì)算。電站增效擴(kuò)容改造后裝機(jī)容量為3×900kW，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)并計(jì)算出扣除生態(tài)流量多年平均發(fā)電量為867.15萬(wàn)kW·h，年利用小時(shí)數(shù)為3212h；未扣除生態(tài)流量多年平均發(fā)電量為1007.25萬(wàn)kW·h，年利用小時(shí)數(shù)為3731h。經(jīng)計(jì)算，因?yàn)樾狗派鷳B(tài)流量損失的發(fā)電量為140.10萬(wàn)kW·h，上網(wǎng)電價(jià)采用0.42元/(kW·h)，由此電站每年發(fā)電收益減少58.8萬(wàn)元。

3.3 補(bǔ)償和激勵(lì)措施

對(duì)于泄放生態(tài)流量損失的發(fā)電量，為了激發(fā)水電站改造的積極性，采取一定的補(bǔ)償和激勵(lì)措施，從生態(tài)補(bǔ)償電價(jià)和年度定額資金生態(tài)發(fā)電獎(jiǎng)勵(lì)兩方面考慮，促進(jìn)電站可持續(xù)綠色發(fā)展。

根據(jù)秘家會(huì)電站生態(tài)流量泄放對(duì)發(fā)電影響分析結(jié)果，為補(bǔ)償下泄生態(tài)流量而造成的發(fā)電量損失，生態(tài)補(bǔ)償電價(jià)可調(diào)至上網(wǎng)電價(jià)的16.7%，對(duì)年度定額資金生態(tài)發(fā)電獎(jiǎng)勵(lì)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，電站每年發(fā)電收益可不受生態(tài)流量泄放的影響，從而進(jìn)一步激發(fā)小水電業(yè)主創(chuàng)建綠色水電的積極性，引導(dǎo)小水電綠色發(fā)展。

4 結(jié) 語(yǔ)

小水電生態(tài)流量泄放是小水電綠色生態(tài)化發(fā)展的根本，按照“誰(shuí)開(kāi)發(fā)誰(shuí)保護(hù)、誰(shuí)受益誰(shuí)補(bǔ)償”的原則，建立電價(jià)的生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，確保小水電生態(tài)流量泄放是小水電綠色生態(tài)化發(fā)展的根本，只有保障生態(tài)效益，才能發(fā)揮小水電經(jīng)濟(jì)效益，確保小水電可持續(xù)綠色發(fā)展。