小水电站生态流量泄放设施改造初探

余进忠

(江西省抚州市宜黄县水电局，江西 抚州 113009)

0 引 言

小水电是解决农村用电、促进边远山区扶贫开发和环境保护的清洁可再生能源，对促进地方经济发展与推动生态文明建设意义重大。然而，受经济技术水平与设计条件的制约，我国早期的水电开发建设注重经济效益，片面强调水能资源的充分利用，忽视了生态环境保护问题，许多小水电站未建设生态流量泄放设施，导致电站下游河段在平水期和枯水期减水甚至断流，极大地影响河段水生生物生长和河道排污能力，严重破坏流域生态系统。为此，越来越多的学者开始重视小水电的生态改造研究。彭文启等[1]从研究层面和实践层面对小水电河流生态环境问题进行探讨，提出了小水电河流生态复苏保障对策。刘方亮等[2]通过对美国、瑞士小水电发展情况的具体剖析，提出了我国小水电的发展应明确绿色小水电定位、健全小水电生态环境保护机制等多方面建议。王晓梅等[3]指出了长三角小水电发展现状，剖析存在问题，为我国其他地区的小水电建设发展提供参考和借鉴。

为解决小水电建设发展过程中积累和遗留下来的生态环境问题，降低小水电开发对局地生态系统的不利影响，小水电生态流量泄放设施的改造已经在部分省份开展。然而，由于缺少普遍适用的典型案例和相关技术研究，改造过程中标准不明确、规范不健全、方法不妥当的问题日益凸显[4_5]。同时，小水电的生态改造缺乏严格监管，管理体制尚不完善，电站管理粗放问题突出，生态流量的泄放受人为随意性的干扰极大，河段生态用水仍难以保障。对此，阮伏水[6]提出需要加强电站生态修复技术研究，开展下泄流量监控。曾波[7]认为需要加强小水电的监督管理，健全整个工程监督体系和完善监控设施。可见，如何做好小水电生态流量泄放监管工作、确保满足下游河段生态需水要求，也是亟待解决的关键问题。

1 生态流量泄放设施改造方案

为满足下游河道生态流量泄放要求，推进河流生态修复，小型水电站的生态流量泄放设施主要有以下6种：生态泄流孔(槽)、生态泄流阀、生态泄流闸、生态虹吸管、生态机组及生态鱼道。在小水电生态改造过程中，应当按照不同泄放设施的适用范围和优缺点，遵循因地制宜、安全可靠、技术合理、经济适用的原则，根据枢纽布置特点和电站开发方式进行方案比选，选择最合适的生态流量泄放设施。

1.1 生态泄流孔(槽)

生态泄流孔(槽)是设置在坝身或两岸等适宜部位设置的无节制过流通道，包括无压和有压两种型式，适用于泄流能力稳定、无用水调度要求的情况。坝顶易于开槽或引水渠渠首侧向易于开孔(槽)时，宜采用无压生态泄流孔；坝体或两岸岸坡易于开孔时，宜采用有压生态泄流孔。当在坝体埋设无节制泄放管泄放生态流量时，对于埋设深度较浅的生态泄流管，在不影响建筑物结构的条件下可采用直接开挖埋设；对于直接开挖难度大的情况，经方案比较后，可采用非开挖定向钻孔技术，在坝肩部位钻孔敷设泄放管进行生态流量泄放。

无节制泄放管结构简单，便于管理维护，能够最大程度地排除人为干扰，保障生态流量的长期泄放。但由于不能控制开度，泄放管无法进行流量精准控制，下泄水量难以兴利利用；另外，较长的泄水管道容易堵塞，泄水管贯穿坝体还可能对大坝的防渗、抗震安全产生影响。

1.2 生态泄流阀

生态泄流阀是设置在泄流孔或管道上的泄流节制设施，通过调节阀门开度控制下泄流量，适用于有下泄流量调节需求或用水调度要求的情况。生态泄流阀的流道可按有压生态泄流孔布置，阀门尺寸应当与作用水头及有压生态泄流孔尺寸相匹配，阀门宜布置在有压生态泄流孔末端等易于操作的部位。对已设有泄放阀的电站可采取部分开启阀门或增设旁通放水管的方式进行生态流量泄放；对设有锥形阀的电站大坝，可直接利用锥形阀进行生态泄放，并根据生态流量要求确定阀门开度。对于设有闸阀的电站大坝，可增设旁通放水管，其中水库库容较大的电站可在现有闸阀后新增阀门，在两阀门之间增设旁通放水管，保持原阀门长期开启，新增阀门关闭，以保证旁通放水管的生态流量泄放；水库库容较小的电站则可在现有闸阀前增设旁通放水管，并保持原阀门长期关闭。旁通放水管一般不设置节制装置，但若水库兼具供水、灌溉等功能，可考虑加装节制装置。

采用或改造现有阀门泄放生态流量方法简单，改造成本低，但长期高速泄流导致的空蚀现象对泄放管、泄放阀门十分不利，泄流产生的振动还易造成建筑物结构疲劳，导致安全隐患。

1.3 生态泄流闸

生态泄流闸是设置在泄流孔、槽上的泄流节制设施，通过调节闸门开度控制下泄流量。生态泄流闸包括常开状态的闸门、设置在拦河闸顶部的舌瓣闸门、设置最小开度限位装置的闸门和可锁定至预定开度的闸门，适用于有用水调度要求、需要闸门调节下泄流量的情况，可以通过改造已建闸门并采用闸门限位的方式泄放生态流量。对于设有冲沙闸的堰坝引水式电站和坝后引水渠道渠首设有闸门设施的引水式电站，可在闸门底部增设水泥墩来控制闸门泄放生态流量；对于电站大坝设有放空洞，且布置有允许动水中启闭的深水闸门时，可通过闸门行程控制器控制闸门开度泄放生态流量；对于电站大坝或引水系统设有泄放闸门或溢洪道闸门，但由于控制设备不完善通过调整闸门开度泄放流量存在安全风险的情况；或闸门尺寸较大、通过现有闸门无法准确泄放流量时，可在现有闸门上设置门中门或舌瓣门，增设启闭设施，泄放核定生态流量。

改造闸门进行生态流量泄放能够充分利用现有构筑物，不会因新增泄水设施而影响坝体结构，但闸门的启闭角度难以精确控制，闸门长期小角度泄流产生的振动也可能造成构筑物结构疲劳。

1.4 生态虹吸管

生态虹吸管由跨越坝体的一系列串联管道和辅助设施组成，利用虹吸原理将坝(闸)上游侧水体引流至坝(闸)下游侧的泄流设施，适用于坝体不宜开孔、最大虹吸高度不超过当地允许的最大真空度的情况。生态虹吸管进水口吸水高程不应高于发电引水建筑物进口底板高程，淹没深度按《水利水电工程进水口设计规范》(SL 285)确定；管道宜采用单一特性的圆形断面管道，使其便于与阀门连接，且转弯处应设置镇墩，将管道连接接头包纳在镇墩内，并在顶部“驼峰”处设置排气设施；管道出水口宜采用淹没出流的方式，保证最大虹吸高度不应超过当地允许的最大真空度。

虹吸管施放生态流量不破坏坝体结构，在施工方便的同时能够节省投资，但该设施受到坝顶及上游最低水位高程差限制，后期运行管理相对比较复杂。

1.5 生态机组

生态机组是以泄放生态流量为目的、装设在坝身、两岸或坝(闸)附近、在现有设施无法保障生态流量的时段能够连续运行的水轮发电机组，适用于库容较大的坝后式电站。通过生态机组进行小水电生态改造时，应确保不影响原建筑物的功能与安全。生态机组的引水系统应尽量利用现有设施改造，如施工放空隧洞、坝内灌溉管道、放空冲沙管、原发电引水管增加分支管等；对于无法利用现有设施进行改造的情况，也可采用非开挖定向钻孔技术、生态虹吸管技术新建引水系统。生态机组厂房应尽量利用原电站厂房，否则新建厂房机组尾水下泄要满足坝下游河床不裸露条件。生态机组设计水头可直接引用原电站特征水头，确保选择的生态机组额定水头在最优工况运行，复核最大、最小水头在生态机组允许运行范围内，并保证生态机组在最小水头下的最大过流量满足生态流量要求。生态机组容量按P=8Q*Hr确定(Q为核定生态流量，Hr为电站额定水头)，应不小于75 kW，一般安装1台或加装1台备用机组；为保证机组停机检修时生态流量连续下泄，应设置泄流措施，在机组入口和尾水间设置旁通管道和旁通阀。生态机组控制宜采用无人值守设计。

生态机组不仅能够持续运行来保障下游河道生态，又能充分利用下泄流量发电，经济效益明显；但生态机组投资大、维护复杂，且不间断地运行会导致机组水头变幅较大，长期下来还可能引发水轮机组振动、转轮叶片裂纹、厂房与相邻建筑物共振等问题。

1.6 生态鱼道

生态鱼道是承担过鱼任务并兼顾生态流量泄放的过鱼通道，适用于有过鱼要求且符合鱼道建设条件的情况。生态鱼道的建设应符合《水利水电工程鱼道设计导则》(SL 609)的有关规定，流量计算采用宽顶堰过流量公式进行计算，流量泄放标准应满足最小生态流量兼顾过鱼需要的最小流量要求，确保常年过流，且检修时应有泄流措施。生态鱼道的下游出口应在坝(闸)下游附近，回水可达坝址。

生态鱼道对于洄游类鱼的繁衍具有重要的意义，同时结构本身具有一定的景观价值，但是结构设计较为困难，运行维护复杂。

2 生态流量监管平台建设

节制类生态泄流设施受人为随意性的干预影响较大，为加强小水电建设的监督和管理，强化技术设备监督手段，建立健全小水电生态流量监管系统也显得尤为必要。

2.1 生态流量监管平台

小水电生态流量监管应结合水利部信息化“九大需求”中农村水电生态流量监管要求和顶层设计，以水利部“小水电清理整改工作管理平台”为基础，建立省市县级小水电生态流量监管信息平台，为各级水电行政管理部门开展小水电生态流量确定与管控、生态流量监测预警机制和保障生态流量下泄等工作提供一套完整的可视化信息系统解决方案(见图1)。

图1中的监测平台应由省级生态流量主管部门统一建立，覆盖省市县三级和各级水电站企业，兼具农村水电信息管理及生态流量的在线监测等功能。监测设备主要由遥测终端机、流量计(流速计、水位计)、工业照相机等组成，并采取一杆式安装、太阳能供电，或架设220 V线路作为辅助电源，以保证阴雨天监测设备的可靠供电。监测设备主要负责完成现场水位、流速、流量及视频监控等实时数据的采集及传输等任务。对于无信号区域，可通过无线网桥介入附近公网以实现网络通信，也可在监测现场架设光缆，确保信息的及时传输。

图1 生态流量监测设备及监测平台示意图

2.2 生态流量监测类型

水电站生态流量泄放监测采用动态与静态、定性与定量、实时与抽检相结合的方式，主要分为动态视频监测、静态图像监测、实时流量+动态视频(静态图像)监测3种监测手段。对于网络条件好、采用无节制生态泄流设施的电站，可采取动态视频或静态图像监测方式，确保监测站具备生态流量泄放视频/图像监测、保存、自动上传省级平台系统等功能(见表1)；对于网络条件差，无法通过无线网桥接入附近公网实现网络通信的电站，则可采取静态图像监测方式，并采取人工定期读取数据上传和上级不定期抽查方式实现监测(见表1)；对于生态泄流设施为有节制方式或者处于生态环境敏感区(如重要湿地公园、重要资源保护区、饮用水源保护区等)，应采取实时流量+动态视频监测方式，通过安装流量计或采用标准断面+水位/流速计量装置记录生态流量泄放量(安装水位/流速计量装置的电站应建立标准断面的水位流量关系)，并安装摄像头实现全天候动态视频/图像监测，确保测站将实时流量和视频监测数据保存并上传省级平台(见表2)。对于无网络或网络条件较差的站点，可通过无线网桥接入附近公网改善通信；无法实现网络通讯的站点可将视频监测改为图像监测，采取人工定期读取数据上传和上级不定期抽查方式实现监测。

表1 生态泄流动态视频/静态图像监测方式典型设备配置清单

表2 实时流量+动态视频(静态图像)监测方式典型设备配置清单

3 改造实例

3.1 实例1

工程概况：某中型水库的电站大坝为浆砌石双曲拱坝，最大坝高63.1 m，拟采用冲沙放空洞泄放生态流量。放空洞位于大坝左侧坝体内，进口设置平面钢闸门检修门，出口设置潜孔式弧形钢闸门工作门，采用液压式启闭机启闭。经原设计单位复核，放空洞出口潜孔式弧形钢闸门工作门不适合长期小流量泄流。

图2 实例1改造示意图

改造方案：通过技术比较，对弧形钢闸门进行改造，在门中央对称开2个孔，经短管引出，出口安装可调式减压阀泄放生态流量。该方案结构简洁，安全可靠且成本较低，在节省投资的同时，确保短管和阀门安装不影响弧形门启闭及结构强度(见图2)。

3.2 实例2

工程概况：某小型电站为引水式电站，在拦水坝设有铸铁冲沙放空闸门，闸门内空尺寸为2 m×2 m，设有10 t螺杆式启闭机。经核定，电站需要泄放0.03 m3/s生态流量。

改造方案：初选方案考虑通过闸门底部增设水泥墩控制闸门泄放生态流量，方案改造技术简单，投资小；但由于泄放生态流量较小，闸门开度不易控制，最终方案采用在闸门上开孔、焊接无节制生态流量管的方式，保证生态流量可靠泄放。电站闸门具体改造如下所示(见图3、图4)，改造中的闸门开度或流量管直径的确定可参照水利部《小型水电站下游河道减脱水防治技术导则》(SL/T 796—2020)进行计算。

图3 实例2改造平面布置示意图

图4 实例2改造剖面示意图

3.3 实例3

工程概况：某水库坝址以上控制流域面积166 km2，是1座以防洪、发电、灌溉、养殖等综合利用的中型水库。水库电站为坝后式厂房，核定最小生态流量泄放值为1.11 m3/s，电站多年平均流量5.53 m3/s，生态流量占年平均流量的20%。

目前电站机组型号为HL123—LJ—120，配TSL260/35—20发电机，电站额定水头23.1 m，最大水头30.2 m，最小水头17.0 m，机组单机额定流量为8.5 m3/s，机组达到额定转速时需要的空载流量约为1.53 m3/s。如果长期通过机组空转泄放生态流量，既不利于机组安全运行，也不利于电站经济运行，经技术经济比较，拟通过水库放空隧洞泄放生态流量。放空隧洞为水库除险加固施工时水库放空所建，由进水口、洞身段及出口段组成，进水口为塔式进水口，分别安装1块检修和工作平面钢闸门，洞身段为长181 m、直径1.8 m的圆形断面，采用钢筋混凝土全断面衬砌，出口通过消力池与下游河道相接。如果采用进口工作闸门泄放生态流量，闸门开度小易造成闸门振动；另外，电站年利用小时数低，机组停机时需要开启闸门泄放生态流量，机组运行时需要关闭闸门，如此往复造成闸门频繁启闭，容易导致闸门止水橡皮磨损。因此，放空隧洞不能满足长期泄放生态流量需求，需进行改造。

改造方案：将放空隧洞改造为引水管道，管道出口一分为二，其中一个分支装设放空洞控制闸，维持隧洞水库放空功能，兼顾机组检修时生态流量泄放；另一个分支依据1.11 m3/s的生态流量新建装机生态机组。具体改造措施如下：

在距离隧洞出口20 m处采用钢管进行引流，钢管直径1.7 m，钢管和隧洞间填充C25钢筋混凝土。钢管出口采用“卜”字形分支，主管直径1.7 m，出口建设启闭平台，安装钢闸门，作为放空洞放空控制闸；分支干管作为发电引水管，末端出口安装1台1×250 kW卧式水轮机组作为生态机组，尾水并入电站尾水渠，升压站布置在电站35 kV升压站内，利用原近区变并网发电，生态机组采用无人值守设计。改造结束后，工程既满足了工程长期泄放生态流量的要求，又可增加106.9万kW·h的年发电量(见图5)。

图5 改造平面布置示意图

4 结 语

为贯彻新时代农村水电绿色发展要求，小水电开发建设应当以绿色发展为导向、以生态保护为原则、兼顾统筹社会经济和生态环境综合效益。在全国大力开展小水电生态流量泄放设施改造之际，本文结合实际工程改造案例，对生态流量泄放设施改造方案的适用范围和优缺点进行了总结说明，并针对生态流量监管平台的建设提出了切实可行的方案，以确保满足下游生态环境需水要求，实现良好的生态效应，推动绿色水电发展。