水电站下泄流量的测算方法选择研究

欧传奇 赵 越 楚士冀

(国际小水电中心， 浙江 杭州 310002)

随着社会发展和人民生活水平的提高，水电站下河道减脱水现象越来越受关注[1]。长江经济带、黄河流域等区域小水电清理整改，也将保障水电站生态流量泄放作为重要内容。水电站按规定下泄流量是预防水电站下游河道减脱水的主要手段和先决条件。《中华人民共和国环境影响评价法》(2003年9月1日)颁布施行后，虽多数水电站陆续明确了生态流量泄放要求，但因未强制要求安装下泄流量监测设施，无法判断下泄流量的实际执行情况。由于下泄流量会对水电站(特别是引水式和混合式水电站)经济效益产生直接影响[2-4]，水电站业主实际执行不到位的现象比较普遍。如何在尽可能减少投入的前提下，通过科学的测算方法获取水电站下泄流量，以此判断其下泄流量是否满足要求，为行业生态流量监管做好技术支撑成为亟待解决的问题。

水电站下泄流量测算方法，部分学者[5-9]作了相关研究，但这些成果或局限于具体站点，或局限于特定的开发方式，或对资料的可获取性及计算误差未做分析，没有全面考虑到各种可能的情况，缺乏系统性。本文基于水量平衡原理，根据资料可获取性、计算精度要求等，提出不同开发方式水电站下泄流量测算方法建议。其中水电站下泄流量系指水电站下泄至河道内的流量，只要该处流量泄放满足要求，则在下游区间不增加河道外需水要求时，其余影响河段的需水要求也能够满足。

1 坝式水电站下泄流量测算方法

1.1 下泄流量测算方法

坝式水电站通常可分为坝后式和河床式，其取水与退水关系见图1。忽略渗流与蒸发影响，可确定如下测算方法：

a.测算方法Ⅰ。当上游水库入库流量(上游有水文测站)和瞬时水库水位(对水库水位实施准确的实时监测)可测量时，水电站下泄流量可按下式计算：

Q2=Q1-QV

(1)

其中

(2)

式中Q2——水电站下泄流量，m3/s；

Q1——上游水库入库流量，m3/s；

QV——水库瞬时调节流量，即单位时长水库库容增加量，m3/s；

S——上游水库相应瞬时水位下水面面积，即库容对水位的变化率，可通过水库库容曲线获取，m2；

Z——上游水库瞬时水位，m；

t——时间，s。

对于国内数量占97%以上的小型水电站而言，多数几乎没有调节库容，水库瞬时调节流量为零，此时式(1)可简化为

Q2=Q1

(3)

该式体现了无调节坝式水电站来多少泄多少的发电泄流特性，此时无须实施生态流量监测。

b.测算方法Ⅱ。当发电尾水口下游附近有水文站测流数据时，水电站下泄流量可按下式计算：

Q2=Q4-Q3

(4)

式中Q4——电站发电尾水口下游侧经支流汇流后的流量，m3/s；

Q3——电站发电尾水口下游侧区间汇流和侧向补给的流量，m3/s；

其他符号意义同前。

若发电尾水出口至下游侧水文站无区间汇流和侧向补给，式(4)可简化为

Q2=Q4

(5)

此时，电站泄流数据可直接取对应水文站测流数据。

c.测算方法Ⅲ。当上下游均无测流数据时，水电站下泄流量可根据发电量资料及其他泄流设施实测流量资料，按下式计算：

Q2=QT+QD

(6)

式中QT——水电站发电流量，m3/s；

QD——通过溢流坝或坝址处其他泄流设施下泄的流量；

其他符号意义同前。

通常，坝式水电站不设专用泄流设施，在下游河道容易减水的枯水期时段，通过溢流坝等设施下泄的流量为零，水电站下泄流量等于其发电流量，即

Q2=QT

(7)

该式表明，坝式水电站的下泄流量与发电流量为正关联，且直接相关。只要水电站能够持续稳定发电(例如设置有基荷机组)，下游河道需水要求即可得到保障。

1.2 测算方法的比选

1.2.1 资料的可获取性

测算方法Ⅰ与测算方法Ⅱ均需水文站测流资料，适用于上游或下游有合适水文站并有准确测量数据的情况，且测算方法Ⅰ对于有调节水库的电站，还涉及实时水位数据和水库库容曲线，测算方法Ⅱ对于有侧向补给的，还涉及侧向补给的测流数据。小水电站绝大多数位于山区中小河流上，水文测站较少，数据获取难度较大。两种方法的优劣需根据水文测站的位置、有无调节水库、下游测站前有无汇流来定。对于测算方法Ⅲ，在未设置专用泄流设施情况下，对于溢流坝存在溢流的丰水期，下游包括生态流量在内的需水量一般容易满足，而在容易造成下游河道减脱水的枯水季节，通过溢流坝等设施下泄的流量通常为零，水电站下泄流量等于发电流量，计算只需发电量数据和机组工作参数，数据获取几乎没有障碍；若设置专用泄流设施，则根据滤定后的设施流量特性，其泄流数据也容易准确获取。由此可见，从资料可获取的角度考虑，测算方法Ⅲ是最优方案。

1.2.2 测算误差考量

测算误差取决于原始参数测量误差与算法误差，原始参数测量误差受制于仪器设备，而算法误差则取决于算法的优劣。影响算法精度的因素很多[10]，按照误差传递理论[11]并记长度l测量的绝对误差为ε(l)，相对误差为εr(l)，εr(l)=ε(l)/l，则水位测量相对误差为εr(l)，水位变幅、水域面积、流速测量相对误差为2εr(l)，水量测量相对误差为3εr(l)，流量测量(流速×过流面积)相对误差为4εr(l)，则式(2)相应误差计算式为

(8)

该式表明，水库瞬时调节流量相对误差为水域面积、水位变幅的测量相对误差之和。则测算方法Ⅰ中式(1)、式(3)的误差计算式分别为

(9)

εr(Q2)=εr(Q1)=4εr(l)

(10)

测算方法Ⅱ中式(4)、式(5)的误差计算式分别为

(11)

εr(Q2)=4εr(l)

(12)

测算方法Ⅲ中式(6)、式(7)的误差计算式分别为

(13)

εr(Q2)=εr(QT)

(14)

若发电流量采用发电量计算(文献[1] 修订前版本：SL 752—2017)，则计算误差与机组类型种数、机组台数及其额定参数等因素有关，可大致按下式估算：

(15)

式中Wd——电站逐日发电量统计值，kW·h；

H——机组发电水头，m；

ηm——机组综合效率；

k——估算系数，直接仪器测流(含水位测量计算的)，k=1，其余情况k>1。

若发电流量采用常规流量测算方法，则

(16)

忽略同类物理量测量相对误差差异(采用相同方法和仪器)，可估算各相关测算方法误差(见表1)。

a.对于相关数据(水位或流量)均通过水文站等直接测量(包括涉及的机组流量)，测量数据与下泄流量之间没有调节水库和区间汇流影响的，下泄流量测量相对误差稳定，测量结果可信。

b.直接测量的数据有调节水库干扰的，水库调节流量越大，相对误差越大。计水库调节流量与下泄流量比值为r1，则相对误差同比将增加2r1。

c.直接测量的数据有区间汇流影响的，区间汇流流量越大，相对误差越大。计区间汇流流量与下泄流量比值为r2，则相对误差同比将增加2r2。通常区间汇流一般缺少水文站测流资料，多是根据同一流域及邻近区域水文气象的相似性[12]，按集雨面积来换算，误差难以控制。

d.通过机组发电量测算下泄流量的，相对误差与电站逐日发电量统计值、机组发电水头、机组综合效率等参数测量精度有关，当存在其他形式补充泄流时，还与机组发电流量占比有关，相对误差随机组发电流量占比增加而增加，总体上相对误差要远高于采用直接测量的方法，为此修订后《绿色小水电评价标准》[1]不再采信机组发电量测算下泄流量。鉴于水电站可能存在机组特性差异、发电出力变化及过程间断等情况，在条件允许的情况下，宜进行测流以提高数据精度。常见的测流方法包括流速仪法、超声波法和蜗壳压差法[8]。测流方法及技术要求可参照现行技术标准[13]。

综上分析，坝式水电站测流方法精度及难易程度与关联水库调节性能、可利用测流水文站的位置、支流汇入情况等因素有关。无调节水库或上游有测流水文站的，宜采用测算方法Ⅰ中式(3)进行测算；下游有测流水文站，且测流断面前无支流汇入时，宜采用测算方法Ⅱ中式(5)进行测算；当缺水文站测流数据时，需采用测算方法Ⅲ中式(6)、式(7)结合直接测流的方法进行流量测算，或直接就关注的坝(闸)下断面进行测流。其余测算误差不稳定或较大的，仅适宜作为估算方法。

2 引水式水电站下泄流量测算方法

2.1 下泄流量测算方法

引水式水电站有无水库的纯引水式和有水库的筑坝引水式(混合式)两种，其取水退水关系见图2。忽略渗流蒸发影响，可确定如下测算方法：

图2 引水式水电站下泄流量计算示意图

a.测算方法Ⅳ。当已知上游水库入库流量(上游有水文测站)和瞬时水库水位(对水库水位有实时监测)时，水电站下泄流量可按下式计算：

Q2=Q1-QV-Q4-Q6

(17)

式中Q4——水电站发电流量，m3/s；

Q6——侧向溢流或区间取水的流量(例如按照我国有关法律规定应首先满足的城乡居民生活用水等)，m3/s；

其他符号意义同前。

通常，在容易造成下游河道减水的时段，侧向溢流为零，且可不考虑区间取水流量(依法优先保障河道外用水后造成的下泄流量不足一般不纳入正常考核)，此时式(17)可简化为

Q2=Q1-QV-Q4

(18)

当水电站几乎没有调节库容时(纯引水式)，水库瞬时调节流量为零，式(18)可进一步简化为

Q2=Q1-Q4

(19)

该式表明，引水式水电站其下泄流量与发电流量线性负关联，与坝式水电站相反。因此，引水式水电站发电越多，厂坝间河段的流量保障越弱，减脱水可能性越大。

b.测算方法Ⅴ。当发电尾水口下游附近有水文站测流数据时，水电站下泄流量可按下式计算：

Q2=Q5-Q4-Q3

(20)

式中Q3——电站厂坝间汇流和侧向补给的流量，m3/s。

Q5——电站尾水出口下游侧与厂坝间河道汇流后的河道断面流量，m3/s；

其他符号意义同前。

若电站厂坝间无汇流和侧向补给时，式(19)可简写为

Q2=Q5-Q4

(21)

2.2 测算方法的比选

从资料可获取的角度看：除均需获取发电流量数据外，与坝式类似，测算方法Ⅳ与测算方法Ⅴ均需水文站测流资料，适用于上游或下游有合适水文站并有准确测量数据的情况，且测算方法Ⅳ对于有调节水库的电站，还涉及实时水位数据和水库库容曲线，测算方法Ⅴ对于有侧向补给的，还涉及侧向补给的测流数据，数据获取难度较大。两种方法的优劣需根据水文站测站的位置、有无调节水库、下游测站前有无汇流来定。

从计算精度来看，测算方法Ⅳ中式(16)～式(18)的误差计算式分别为

(22)

(23)

(24)

则测算方法Ⅴ中式(19)～式(20)的误差计算式分别为

(25)

(26)

类似地，忽略同类物理量测量相对误差差异(采用相同方法和仪器)，则可估算各相关测算方法误差(见表2)。由此可见：

表2 引水式水电站下泄流量测算方法误差分析

a.引水式水电站测流可能受调节水库、机组流量、侧向溢流或区间取水等多种因素影响，这些流量值占比越大，相对误差就越大。

b.各种测流方法均与机组发电流量有关，下泄流量相对误差取决于机组流量获取方式。采用发电量推算时，受此影响相对误差较大；采用仪器直接测流的方式时，相对误差稳定。

综上分析，与坝式水电站类似，引水式水电站测流方法精度及难易程度仍主要受关联水库调节性能、可利用测流水文站的位置、支流汇入、区间取水等因素影响。当上游有测流水文站时，有调节的宜采用测算方法Ⅳ中式(18)进行测算，无调节的宜采用测算方法Ⅳ中式(19)进行测算；当下游有测流水文站时，测流断面前有支流汇入的宜采用测算方法Ⅴ中式(19)进行测算，测流断面前无支流汇入时，宜采用测算方法Ⅴ中式(20)进行测算。为保障测算精度，发电流量宜采用仪器直接测量，否则应直接就关注的坝(闸)下断面进行测流。

3 结 论

本文基于水量平衡原理，对广为关注的水电站下泄流量的测算方法进行研究。研究表明,在直接测流不便的情况下，需要综合水电站开发方式、上下游水文站测流数据可获取性，以及不同测算方法的误差控制要求来确定最佳算法。间接计算方法中，涉及水库调节、支流汇入、侧向溢流、区间取水、机组发电流量的，均会不同程度地影响计算精度，需要根据文中推荐公式进行比较计算，因地制宜，选择测量难度小、经济性好、误差较小的方案。当前，国家正大力推进绿色小水电建设，文中相关算法比选结论及建议，可为数量占97%以上、基础资料缺乏的小型水电站提供更多选择，为已知目标测流精度要求的生态流量监测方案选择分析提供借鉴。