小水电站生态流量泄放对发电影响分析及补偿机制探讨

何先进 郜晓辉

(邯郸市水利水电勘测设计研究院，河北 邯郸 056000)

本文定量分析小水电站在一个发电周期内，因生态流量泄放损失的发电量，探索一定的补偿和激励措施，统筹好发电和生态关系，权衡利弊，降低小水电对水环境的不利影响，实现小水电绿色转型可持续发展[4]。

1 工程概况

平山县秘家会水电站为引水式电站，位于滹沱河中上游，滹沱河在此由南向北转向，形成了一个C形，C形段全长5.5km，而直线距离不超过500m，形成了一个集中落差修建电站的好地形。

秘家会水电站1977年开始建设，1980年正式发电，原装机容量为3×800kW，设计水头24.9m，设计发电流量13.2m3/s，设计年利用小时数6000h，设计年发电量1440万kW·h。电站原有主要设备：水轮机型号HL240-WJ-84，发电机型号SFW800-14/1430，调速器型号XT-600。原秘家会水电站并网线路电压为10kV，联网运行，发电机所发电能经升压变压器升压后，一路经0.5km线路并入XJ110kV变电站10kV母线，另一路经1km线路送入近区负荷硅铁厂。

秘家会水电站增效扩容改造内容为：更换水轮机转轮和导水机构、更换滤水器、维修主阀、改造发电机、更换调速器、更换励磁系统、更换高低压设备及变压器，新增计算机监控系统。增效扩容改造后装机容量为3×900kW，设计水头24.9m，设计发电流量12.87m3/s，设计年利用小时数5626h，设计年发电量1519.02万kW·h。

2 生态流量计算

生态流量计算包括生态基流及敏感生态需水计算两部分，本次涉及河段均位于流域上游，引水口与退水口之间无人工取用水口，也无敏感生态需水，因此生态流量只需考虑河道内基本生态需水量。生态流量计算方法较多，根据本次减脱水河段具体的环境影响、河流需水特点及下游生态需水的共性要求，并结合所掌握的水文资料情况，经综合分析决定本次分别采用QP法、Tennant法、7Q10法3种方法计算生态流量[3]。

2.1 生态流量计算方法

2.1.1QP法

QP法又称不同频率最枯月平均值法，以河流控制断面长系列(n≥30年)月平均流量、月平均水位或径流量为基础，用每年的最枯月排频，选择不同频率下的最枯月平均流量、月平均水位或径流量作为河流控制断面生态基流。频率P根据流域水资源开发利用程度、规模、来水情况等实际情况确定，宜取90%或95%。本次选取90%保证率设计值作为生态环境需水量。

2.1.2 Tennant法

Tennant法主要适用于在北温带较大的常年性河流，作为河流规划目标管理、战略性管理方法。使用时，较枯较丰时段的划分，可根据多年平均月径流量排序确定；也可根据当地汛期、非汛期时段划分确定，汛期和非汛期时段应根据南北方气候调整。

基本生态环境需水量取值范围应符合下列要求：水资源短缺、用水紧张地区河流，可在《河湖生态环境需水计算规范》(SL/T 712—2021)附录A表A.0.5“良好”的分级之下，根据节点径流特征和生态环境状况，选择合适的生态环境流量百分比值。水资源较丰沛地区河流，宜在“很好”的分级之下取值。

结合涉及河流水系的实际情况，本次非汛期10—次年5月采用同时段多年平均径流的10%，汛期6—9月采用同时段多年平均径流的10%进行计算。

2.1.3 7Q10法

7Q10法又称“最小流量法”，通常选取90%～95%保证率下年内连续7天最枯流量值的平均值作为基本生态环境需水量的最小值。也可采用一年364天都能保证的流量。该方法适用于水量较小，且开发利用程度已经较高的河流。使用时应有长系列水文资料。本次选取与90%保证率设计值相近的年份作为典型年，取典型年实测逐日平均流量中最枯连续7天的平均流量的均值作为生态流量。

依据水文站径流系列，经过频率分析计算，得到90%保证率设计径流量，选取90%保证率的典型年。选取2年进行对比分析，选取原则为选择与90%保证率设计径流量相近的实测年份，并且年内分配不均匀符合当地径流特点的作为该保证率的典型年，水文站典型年选取2001年、2015年。

根据典型年数据分析，如果选取径流量较小的年份则造成下游生态流量较小，对生态极为不利，可能会造成河道断流的现象，因此典型年宜选取枯水月径流量较大的年份，由此选取的典型年为2001年。

2.2 计算结果及成果合理性分析

依据《河湖生态环境需水计算规范》(SL/Z 712—2014)，结合所掌握的水文资料情况，按照以上3种方法分别计算出两电站所在河段生态基流量(见表1)。

表1 秘家会电站生态流量分析计算成果比较

由以上计算成果可知，3种方法均采用了长系列水文资料，其中QP法是采用最枯月径流量90%保证率设计值，该方法仅考虑了低保证率时非零的枯水月份，又因为逐月资料与逐年资料系列年份不一致，造成成果不稳定；Tennant法是采用汛期、非汛期对应时段多年平均径流量的10%，考虑了汛期、非汛期流量差异情况；7Q10法是采用了与90%保证率设计值相近的年份中实测最枯连续七天平均流量，鉴于选取的是与90%设计值相近的年份，使得计算结果仅照顾到枯水年的最小值，代表性不足，此次不推荐采用此种方法。对3种方法成果进行比较后，本次电站取水口断面生态流量推荐采用Tennant法计算成果。

2.3 径流分析

根据小觉水文站1955—2018年实测资料，据调查1980年以后上游的水利工程大多已建成，下垫面条件没有再发生明显变化，两岸各年引用水情况已相对稳定，故本次直接采用1980—2018年实测径流资料进行分析计算，多年平均实测径流量为28444.31万m3。

秘家会水电站引水口控制流域面积与水文站控制流域面积一致，因此电站引水口径流量直接采用水文站成果，即多年平均径流量为28444.31万m3。

滹沱河上游河道来水量，可用上游水文站1955—2018年实测资料，据调查1980年以后上游的水利工程大多已建成，下垫面条件没有再发生明显变化，两岸各年引用水情况已相对稳定，故本次采用水文站1980—2018年实测径流资料进行分析计算(见表2)。

表2 小觉水文站径流量系列统计成果

根据典型年选取原则，最终选取1989年、2000年、2006年作为25%、50%、75%保证率典型年，将这几年与其他年份比较发现其年内径流分配过程较为不均匀且具有代表性，从偏不利考虑选为典型年。

秘家会电站处的三个保证率的设计年径流分别为36737.78m3、18206.54万m3、9358.96万m3，现状基准年为2011年，径流系列为实测系列，计算不再扣除现状年用水量。通过选取的典型年年内分配比例，对设计年径流进行分配，得到可利用逐日平均流量成果。

采用Tennant法计算生态流量，经计算，电站引水口处河道应泄放的生态流量汛期(6—9月)为1.633m3/s(水量1721万m3)，非汛期(10—5月)为0.535m3/s(水量1123万m3)。计算扣除下游生态流量后引水口可利用逐日平均流量。

计算的逐日平均流量为引水口处河道内可利用流量，由电站设计数据可知，秘家会电站设计流量12.87m3/s，可利用流量大于电站设计流量部分从河道直接下泄，电站无法引用，故实际可引水流量不大于该流量。

3 生态流量泄放对发电影响分析

3.1 秘家会电站水能计算

本次水能计算从两方面考虑：一是对扣除生态流量的多年平均发电量进行计算；二是对未扣除生态流量的多年平均发电量进行计算。多年平均年发电量以水文计算成果为基础，按典型年法计算，按照不同保证率年调节流量计算水电站日平均出力和电能，计算公式如下：

N=kQH

(1)

E=Nt

(2)

式中N——出力，kW；

E——发电量，万kW·h；

k——出力系数，取为7.8；

Q——日平均发电流量，m3/s；

H——发电水头，24.9m；

t——时间，h。

秘家会水电站三个典型年在扣除生态流量以及未扣除生态流量两种情况下水能计算成果见图1。从图中可以看到，在25%保证率时，扣除生态流量以及未扣除生态流量两种情况计算的发电量差距要比50%、75%保证率发电量差距小，50%、75%保证率典型年生态流量对于小水电站的发电量影响更大一些。

图1 秘家会水电站三个典型年年发电量比较

3.2 生态流量泄放对发电影响分析

根据秘家会水电站水文调节成果、日平均流量及水能计算成果，进行了逐日不同装机容量下的年平均出力、发电量计算。电站增效扩容改造后装机容量为3×900kW，进而统计并计算出扣除生态流量多年平均发电量为867.15万kW·h，年利用小时数为3212h；未扣除生态流量多年平均发电量为1007.25万kW·h，年利用小时数为3731h。经计算，因为泄放生态流量损失的发电量为140.10万kW·h，上网电价采用0.42元/(kW·h)，由此电站每年发电收益减少58.8万元。

3.3 补偿和激励措施

对于泄放生态流量损失的发电量，为了激发水电站改造的积极性，采取一定的补偿和激励措施，从生态补偿电价和年度定额资金生态发电奖励两方面考虑，促进电站可持续绿色发展。

根据秘家会电站生态流量泄放对发电影响分析结果，为补偿下泄生态流量而造成的发电量损失，生态补偿电价可调至上网电价的16.7%，对年度定额资金生态发电奖励进行适当调整，电站每年发电收益可不受生态流量泄放的影响，从而进一步激发小水电业主创建绿色水电的积极性，引导小水电绿色发展。

4 结 语

小水电生态流量泄放是小水电绿色生态化发展的根本，按照“谁开发谁保护、谁受益谁补偿”的原则，建立电价的生态补偿机制，确保小水电生态流量泄放是小水电绿色生态化发展的根本，只有保障生态效益，才能发挥小水电经济效益，确保小水电可持续绿色发展。