天花板水电站水资源分析与研究

李正原

（中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京 100024）

0 引言

牛栏江位于云南省滇东北地区，是金沙江右岸一条较大的一级支流，发源于云南省昆明市嵩明县杨林镇，流向大体为由南向北。流经云南省的嵩明县、马龙县、寻甸县、沾益县、宣威市、会泽县、鲁甸县和巧家县昭阳区等9个县、市、区和贵州省威宁县，在昭通市的麻耗村附近汇入金沙江。流域呈南北向狭长形。牛栏江水量大、水质良好、水能丰富。上游段地形宽阔，人口密集，工农业生产发达，用水需求量大，并且是邻近城市的重要水源地。下游段河谷深切，水流湍急，两岸分水岭高出水面约1 750～2 500 m，山坡陡峭，河段落差分段集中，耕地稀少，间有较为开阔的山坡台地，多种植旱作物，没有灌溉、供水、防洪等综合利用要求，是较为理想的水电开发河段。

根据规划报告，干流从黄梨树至河口的下游段拟进行两库十级开发。天花板水电站位于云南昭通市鲁甸县，在流域中下游 “两库十级”的梯级开发方案中处于第7级。随着上游地区经济发展及调水工程的逐步兴建，下游水资源量将有明显变化，分析规划水平年的水资源变化情况，对电站开发具有重要意义。

1 工程概况及水资源利用情况

天花板水电站工程为三等中型工程，主要建筑物为3级，次要建筑物为4级。该电站属于不完全季调节水库，装机180 MW，2台机组，单机容量为90 MW，保证出力为41.7 MW，年利用小时数为4 649 h，年发电量为8.368亿kW·h，静态总投资为103 145万元。电站位于落差比较集中的河段，开发任务单一，以发电为主。

1.1 项目取水方案

天花板水电站于施工期的第4年3月初导流洞下闸封堵，3月下旬水库开始蓄水，蓄水起始水位不低于991 m，可直接蓄至1 050 m，需要蓄水量约3 000万m3，蓄水时间约需要8～9.5 d，可以满足第一台机组月底投产运行的要求。

在正常运行期间，电站一台机组发电流量为116.2 m3/s，所有机组满发时引水流量为232.4 m3/s，多年平均年发电引用流量约为35.9亿m3；但这部分水量仅是推动水轮机组发电，并不消耗水资源。

1.2 项目退水方案

天花板水电站的退水主要由施工期和运行期两部分组成：

（1）施工期生产废水主要是砂石料加工系统废水、混凝土系统废水、灌浆废水及基坑废水。施工废水经处理后重复使用；排放到河道的主要为基坑废水，经处理后满足排放标准的基坑废水可以就近排放到河道。生活污水在电站施工期以平均人数1 600人，高峰人数2 200人计。施工期生活用水总量为19.06万m3，高峰用水量为183 m3/d。生活污水经处理达标后，将用于农林浇灌及施工区洒水降尘，均不入河排放。

（2）天花板水电站运行期退水方案：进水口→引水隧洞→调压井及压力管道→水轮发电机组→尾水→牛栏江干流。该水电站建成后，退水总量约等于取水总量。建设项目为水力发电，是洁净能源，运行期不产生生产废水。电站投入运行后，将有101个人的定员编制，污水量按120 L/（人·d）计，年生活污水排放总量约为0.442万m3。生活污水经处理达标后回用于办公生活区的绿化浇灌，不排入河道。

2 项目所在区域的水资源状况以及开发利用现状

2.1 流域水资源状况

牛栏江流域面积为13 672 km2，干流全长440 km，总落差1 725 m，多年平均流量154 m3/s，多年平均径流量48.6亿m3。

天花板水电站坝址位于小河水文站上游，控制流域面积为12 711 km2，占小河站流域面积的96.8%。坝址多年平均流量约143 m3/s，多年平均径流量约45.1亿m3。径流主要以大气降水补给为主。流域的产水量从上游到下游随降水量逐渐增大，流量年内和年际分配都不均匀，来水主要集中在汛期内，丰枯比为4倍。

2.2 水资源开发利用现状

牛栏江流域内多年平均水资源总量449 786万m3（云南省部分），人均水资源量为2 396 m3。其中，上游段水资源总量227 298万m3，人均水资源量为2 244 m3；下游段水资源总量222 488万m3，人均水资源量2 574 m3。流域内水资源分布不均，山区人少、地少、水多，坝区人多、地多、水少。上游段开发利用程度为13.5% （嵩明大型灌区达到了55.5%），远高于云南省现状6.4%的开发程度。整个牛栏江流域内只有下游段的开发较少，低于全省平均水平。这是该地区没有各县的主要经济区，地形上是山高坡陡的高山峡谷区，农村经济普遍落后的真实反映。

牛栏江流域内现有水库工程1 001处。其中，中型水库7座，小 （一）型水库58座，小 （二）型水库及坝塘936处，95%的已建水库工程都集中在上游。根据牛栏江流域及相关地区各地的水资源情况、建库条件，结合需水预测，以现状水资源开发利用状况为基础，以当地水资源可利用量为控制上限，并考虑各水源点供水对象对水质的要求，经规划牛栏江流域拟新建、扩建中型以上水库5座，分别为苏斗河、阿浪、罩子河水库和下官山水库。

牛栏江水资源综合利用规划除要满足本流域各部门用水要求外，为支持曲靖、宣威以及昆明地区的经济发展，缓解当地的用水矛盾，还要向这三地调水。

2008年12月，云南省人民政府批准了云南省水利水电勘测设计研究院编制的 《牛栏江流域 （云南省部分）水资源综合利用规划修编报告》，水电开发仍采用原规划报告中牛栏江干流段黄梨树以下“两库十级”的梯级开发方案。

天花板水电站是牛栏江中下游梯级开发规划的第7级，是牛栏江下游梯级中开发条件较好的一个梯级。

2.3 水质现状

水质现状评价结果显示，天花板水电站坝址断面和天花板水电站库尾断面的水质均不能满足GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅱ类水质标准的要求。其所反映的指标主要为总磷和总氮超标，溶解氧低于标准值。另外，饮用水指标中的总锰超标。

3 区域水资源开发利用存在的主要问题

（1）水资源开发利用的地区差异性。水资源利用不均衡，山区用水少的地方人均占有水资源量大，坝区需要大量用水的地方人均占有水资源量却相对较低。

（2）工程性缺水和资源性缺水共存，主要经济区以资源性缺水为主。目前，流域内的中型及以上水库主要集中在七星桥以上流域，缺乏调度和调节能力强的水库，也未形成梯级联动开发，水资源开发利用程度较低。缺水程度与各地的经济结构、供水组成、用水水平、水资源开发程度等有关，经济较为发达的南盘江曲靖坝区、牛栏江源头段的嵩明坝两个片区，水源工程是以中小型水库和塘坝为主，调节控制径流的能力强，水资源开发程度高，为资源性缺水。其余的牛栏江下段还是以引水供水为主，开发程度低，水资源有待进一步开发利用，为工程性缺水区域。

（3）主要经济区水资源开发程度超限。牛栏江源头段的嵩明坝、滇池流域和南盘江曲陆坝区三片的开发程度超过了合理上限，并随之产生了部分水环境恶化，其余牛栏江下游段的开发程度在7%～8%左右，水资源开发的潜力和余地较大。滇池流域、南盘江曲陆坝区及牛栏江上段昆明境内等地区的缺水形势将会在未来逐渐加剧，资源性缺水只能依靠外流域调水工程解决。

（4）主要河流湖泊水质恶化。区域内水质状况不容乐观，上游区开发利用程度高，废污水未达标排放、排放总量逐渐增大，导致水环境状况恶化。根据2005年的 《云南省水资源公报》，牛栏江流域及相关地区内的主要河流盘龙江的溶解氧、氨氮、BOD5含量达到Ⅴ类或劣Ⅴ类水质标准。

4 来水量分析

天花板水电站上游有在建的洪石岩水电站，该水电站规模较小，库容不大，为径流式电站，对径流时空分配基本无影响。上游规划梯级象鼻岭水电站正常蓄水位1 405 m，调节能力较强，为年调节水库，总库容2.75亿m3。规划水平年来水量，将考虑象鼻岭水电站的调蓄影响。

（1）现状水平年来水量分析。天花板水电站位于小河水文站上游，控制流域面积为12 711 km2，比小河站流域面积小419 km2，占电站流域面积的3.2%。可以将小河站设计年径流成果按面积比转换到电站坝址处。该电站各典型年的径流年内分配见表1。在最枯期的2月，保证率P=90%的流量为44.2 m3/s，月来水总量为13.9亿m3。电站在汛期水量丰沛时，机组可以满负荷发电；在枯期时，电站将根据电网情况和来水量情况进行调度和发电。总体说来，天花板水电站的来水量较为丰富，电站正常生产和运行的水量可以得到保证。

（2）规划水平年来水量分析。根据牛栏江流域的水资源开发规划，牛栏江将承担向曲靖、宣威以及昆明滇池调水的任务。大部分调水工程将于2020年完成，部分工程于2030年完成。上游调水后将使下游梯级电站发电水量减少：2020水平年调水量约为9.92亿m3，坝址水量减少约22%。考虑上游象鼻岭等水库调蓄和调水影响后，各典型年的径流年内分配见表1。

表1 天花板电站典型年径流年内分配 m3/s

5 用水量及可供水量分析

5.1 电站现状水平年用水量

牛栏江流域在七星桥以上，有农业灌溉和水库蓄水等人类活动影响，用水以城镇生活及农业灌溉等河道外用水为主；七星桥以下流域仅少量的农业灌溉和农村生活用水都是分散自备水源解决，水资源开发主要是河道内的水力发电。因此主要考虑七星桥以上的人类活动情况，七星桥水文站年还原水量在3 000万～13 000万m3之间，丰水年还原水量小，枯水年还原水量大，还原量的大小与河流情势相符合。但由于牛栏江流域引用水量主要是农业灌溉，因此灌溉用水回归后至下游小河站还原后的多年平均流量为148 m3/s、年来水量为46.7亿m3，与实测多年平均流量145 m3/s、年来水量45.7亿m3相差不大 （约2%左右）。所以，天花板水电站现状水平年在进行水资源配置计算中，不考虑水量的还原，采用实测成果计算。

根据依据水文站计算的坝址丰、平、枯各典型年径流过程，经径流调节计算，得到天花板水电站现状水平年各典型年水资源配置见表2。

5.2 流域规划水平年用水量

（1）社会经济发展情况预测。牛栏江流域2005年总人口187.7万人，城镇人口20.9万人，城镇化率11.1%；预测2020年流域内总人口269.3万人，其中城镇人口126.4万人，城镇化率46.9%。该流域2005年GDP总量65.1亿元，预测2020年GDP总量为286.5亿元，年均递增10.4%。流域现状耕地面积27.273万hm2，占全省耕地面积的4.8%。人均占有耕地0.156 hm2，比全省平均水平高0.02 hm2。根据流域内各县土地利用总体规划，预测2020年流域耕地净减少量为1.24万hm2，则2020年流域内总耕地面积为27.37万hm2。

（2）需水量预测。分生活 （城镇生活、农村生活）、生产 （农业、工业、建筑业及第三产业）、生态 （城镇生态环境）用水对牛栏江流域进行需水量预测，昆明航空城按总体规模计算需水量。分析结果：2005年牛栏江流域多年平均需水量为73 342万m3，2020年需水量为97 914万m3，增加了24 572万m3，到2030年需水量为104 624万m3，又增加了6 710万m3。由此可看出，增加的幅度不大，并且增加的用水量也主要用于农业灌溉，考虑灌溉用水回归后至下游小河站的还原水量也较小。因此，天花板水电站规划水平年水资源配置计算中不考虑引用水量增加的这部分。

表2 天花板水电站各典型年发电用水过程及弃水线m3/s

5.3 电站规划水平年用水量

天花板水电站的主要任务就是发电，无工业用水和农业灌溉等其他任务。到了2020规划水平年，由于上游调水工程的兴建，牛栏江流域水量比现状减少约9.92亿m3，坝址水量减少约22%。在考虑上游象鼻岭等水库调蓄和调水影响后，2020年凉风台电站水资源配置见表3。

5.4 可供水量分析

在牛栏江七星桥以上流域，有农业灌溉和水库蓄水等人类活动影响，用水以城镇生活及农业灌溉等河道外用水为主。考虑七星桥以上的人类活动情况，七星桥水文站年还原水量在3 000万～13 000万m3，丰水年还原水量小，枯水年还原水量大。小河站还原后的多年平均流量为148 m3/s，年来水量为46.7亿m3，与实测多年平均流量145 m3/s，年来水量45.7亿m3相差不大。

天花板水电站为季调节水库，运行过程中蒸发、渗漏损失较小，基本无水资源消耗。水电站仅对季内来水过程进行重新分配，将水能转化为电能，不存在耗水。因此电站实际来水量即为项目的可用水量。

表3 凉风台水电站各典型年发电用水过程及弃水线 m3/s

6 结语

牛栏江域现状水资源开发利用程度7.0%，到了2020年规划水平年，由于上游调水工程的兴建，牛栏江流域约减少9.92亿m3的水量。随着上游水资源开发利用程度的提高，在2020年以前调水对下游梯级电站的影响较小，到2030年影响逐渐加大；直至电站运行后期，总体影响不大。

经初步测算，牛栏江上游调水后，天花板水电站2020水平年的多年平均发电量为7.627亿kW·h（联调），减少8.05%； 2030水平年的多年平均发电量为6.443亿kW·h（联调），减少22.33%。

天花板水电站工程建设符合国家的产业政策和当地的水资源配置要求。水电站是一种无水资源消耗的清洁能源，工程的兴建对下游用水户基本没有影响。从该地区水资源方面分析，在取水和退水环节均不会对周围产生大的不利影响。建设期和运行期应加强水质监测及生态环境保护工作，严格执行 《云南省水功能区划》，加强对水功能区的管理工作，使得环境保护措施得以实施，保护水资源质量。