基于水资源平衡的二龙山水电站增容取水影响分析

刘 波

(商洛市水电勘测设计院，陕西？商洛？726000)

1 概 述

二龙山水库是陕西省商洛市最大水库，肩负着城市供水、生态用水、农业灌溉、防洪、发电等任务。为提升效益，增加发电量，二龙山水电站2012年实施了增容改造，装机容量由3 750 kW扩升为4 500 kW。目前取水许可已经到期，为了确保增容的水电站取水顺利及正常发电，根据取水许可要求，需对电站增容改造发电取水影响进行分析。

二龙山水库位于商洛市商州区西北6 km处的丹江干流，水库流域面积965 km2，库容8 100万m3。左岸设发电引水隧洞，长152 m，下接坝后二龙山水电站[1]。二龙山水电站平面布置如图1所示，电站工程由压力隧洞、钢管道、主副厂房、变电站等组成。原电站水轮发电机为3台立式机组，引水流量5.8～13.8 m3/s，装机容量3 750(3×1 250)kW，多年平均发电量868.16万kW·h。增效扩容改造后的二龙山水电站主要由水轮发电机组和电气设备组成，总装机容量4 500(3×1 500)kW，设计年发电量1 654万kW·h，电站尾水入大坝下游河道和东干渠渠道。

图1 二龙山水库水电站平面布置图

2 区域水资源开发利用情况分析

2.1 分析范围

根据项目所在区域水资源时空分布特征和开发利用现状，以建设项目取用水有直接关系的区域为基准，统筹考虑流域与行政区域，确定水资源论证分析范围为商州区行政区范围，面积2 672 km2。电站取水水源论证范围为坝址以上的径流区，径流面积为965 km2；取水影响范围为二龙山水库拦河坝回水末端至二龙山水库坝址处河段，约3.295 km2，以及水库下游供水范围约32.14 km2，总面积为35.435 km2。

2.2 水资源开发利用分析

商州区年降水量为17.81亿m3，地表水资源量为4.04亿m3。截至2018年底，商州区共有蓄水工程96座，其中中型水库1座、小型水库12座、塘坝83座，总库容10 124.2万m3，年设计供水能力10 245万m3。根据陕西省人民政府办公厅《关于实行最严格水资源管理制度考核办法的通知》，商州区2018年用水量控制在6 785万m3以内，万元工业增加值用水量36.8 m3/万元，农田灌溉水亩均用水量317.8 m3/亩(1 hm2=15亩)，万元GDP用水量41.6m3/万元；重要水功能区水质及水源地水质均达到控制目标要求，各项指标均满足“三条红线”要求。二龙山水库为“商州源头水保护区”，水质为Ⅱ类。商州区范围内丹江干流上只有二龙山水电站，无其他水源开发利用项目。由于二龙山水电站发电不耗水，此项目对商州区的水资源用水总量红线无影响。

3 可供水量分析

3.1 来水量分析

二龙山水库有效库容为3 800万m3，总库容为8 100万m3；水库坝址处年平均流量6.71 m3/s，径流总量2.119亿m3。二龙山水电站典型年选择根据年径流频率计算，结合枯季径流频率计算，按照对发电不利的原则进行选取。

3.2 可供水量计算

根据二龙山水库目前的功能特性，水库先保证城市供水、生态用水、农业灌溉供水，然后在满足防洪安全的前提下利用多余水量发电。

可供水量=坝址来水量-水库损失水量-生态流量-城市供水水量-灌溉供水量。

(1)坝址处来水量

经实测资料分析计算，丰、平、枯水年月平均来水过程如表1所示。

表1 坝址处丰、平、枯水年月平均来水过程表

(2)水库损失水量

依据水库实测资料，水库损失量水主要是库区蒸发水量、渗漏水量，计算结果如表2所示。

表2 水库损失水量

(3)河道生态用水量

二龙山水库大坝右岸已经设置有生态用水阀门，流量为0.8 m3/s；发电尾水池设有生态补水阀门，流量为0.3 m3/s；因此生态流量总计为1.1 m3/s。

(4)城市供水和灌溉用水量

据调查，目前二龙山水库给城市日供水量为2.5～4万m3，月供水量最大约为124万m3。据了解，库区目前灌溉面积约5 670亩，按照商洛市灌溉定额317 m3/亩，年灌溉用水量约180万m3。

(5)可供电站发电水量

根据丰、平、枯水年来水量，扣除生态用水、城市供水和灌溉用水量，可供电站发电量计算结果如表3所示。

表3 可供电站发电水量

经计算，在保证率75%的情况下，水库来水量在扣除城市供水、生态用水、灌溉供水水量后剩余水量(8 901万m3)大于电站发电需水量(7 776万m3)，因此水库来水可满足电站发电。

4 用水量分析

4.1 用水工艺分析

二龙山水电站为引水式开发，取水水源为二龙山水库蓄水，其用水工艺为：在水库进行取水，水库至水轮机采用压力隧洞和压力钢管连接，水通过压力钢管道进入水轮机发电。

电站装机3台，单机设计引用流量5 m3/s(3台机组最大合计15 m3/s)。电站的发电流量采用5、10、15 m3/s流量进行调节计算。当水库蓄水位较低、来水量较小时电站不发电；当水库水位在正常蓄水位附近且来水量接近月平均值时电站开1台或者2台发电机运行；当水库水位较高、来水量较大时电站3台发电机同时运行。

二龙山水电站工程属非耗水项目，水电站取水量基本等于水电站尾水量，因此节水潜力不大，只能依靠水库和电网的合理调度少产生弃水。

4.2 用水水平评价

二龙山水电站增容前，单台发电机额定功率为1 250 kW，装机容量达到3 750 kW，年利用小时数为4 300 h，设计年发电量1 615万kW·h，实际年均发电量868.16万kW·h，最高年发电量1 601万kW·h，最低年发电量393.27 kW·h，引水流量5.8～13.8 m3/s。

电站经过增容改造后，单台发电机额定功率为1 500 kW，装机容量达到4 500 kW，设计年利用小时数为3 676 h，设计年发电量1 654万kW·h，水轮机额定效率为91%，发电机额定效率为95%。

二龙山水电站2013—2018年记录实际发电量统计如表5所示，从电站2013—2018年记录的实际发电量来看，近6年最高年发电量为1 088万kW·h，最低年发电量为604.6 kW·h，引水流量5.0～15 m3/s，设计水头35.72 m，实际年均发电量741.7万kW·h。

电站发电用水从水库取水，经引水系统和压力钢管将水引入厂房发电，经尾水渠放出，工程不耗水也不会引起水质变化，故工程不生产污水。

4.3 径流调节计算发电可用水量

二龙山水电站为坝后式水电站，根据《小水电水能设计规程》(SL 76—2009)，按年调节进行径流调节水能计算方法，采用等流量法进行计算[2_3]。

经计算，丰水年来水量P=25%时，可供发电水量Q=20 736 万m3；平水年P=50%时，可供发电水量Q=14 256万m3；枯水年P=75%时，可供发电水量Q=7 776万 m3。枯水年75%来水量计算结果如表4所示。

表4 枯水年75%来水量计算表

经水库调节计算，水库可供发电水量在7 776～20 736万m3之间。

4.4 电站发电实际用水量计算

二龙山水电站运行监测记录数据如表5所示。

表5 二龙山水电站发电与用水数据统计表

根据水电站提供的实测数据，经计算得出多年平均发电用水量为7 877万m3。

4.5 电站申请发电取水量核定

以实测资料为依据计算出的电站发电多年平均取水量为7 877万m3。在保证率75%来水的情况下，水库来水首先扣除城市供水、生态用水、灌溉供水后经二龙山水电站径流调节计算，水库可供发电水量为7 776万m3。经过对两种方法的结果比较，本次电站申请发电取水量为7 776万 m3。

4.6 取水可靠性分析

电站取水口以上径流面积965 km2，多年平均流量6.71 m3/s，多年平均年径流量2.119亿m3，年发电取水量7 776万m3。经计算，在枯水年可发电水量有0.89亿m3，因此取水水源来水量可以满足本工程发电取水水量及其保证率要求。电站取水水源充足，取水可靠。

5 取水影响分析

5.1 对水功能区影响

水库来水扣除城市供水、生态用水、灌溉供水、库区蒸发渗漏损失后剩余水量用来发电，其用水水量平衡如图2所示，发电过程中不耗水。

图2 水量平衡图

根据《商洛市地表水功能区划》，丹江流域划为源头保护区、开发利用区和保留区，水电站上游水库所在区属“保护区”，水电站下游所在区属“保留区和开发利用区”。电站发电的尾水无污染、无排放，退水水质与取水水源水质基本一致。经监测，从麻街和板桥至坝址处约10 km，水质为Ⅱ类，水质目标为Ⅱ类 ，满足水功能区水质目标要求；所以水电站增容扩效对水功能区水质目标和水源地水质控制目标红线无影响。

5.2 对河道生态流量影响

根据《水利水电建设项目水资源论证导则》(SL 525—2011)第6.2.3 条“水利水电建设项目最小下泄流量包括工程控制断面以下河段生活、生产用水和最小生态需水量，并分析合理的最小下泄流量”[4]。经现场调查，二龙山水库已经专门设置了生态流量泄放设施，另外电站发电尾水也直接排入大坝下游河道补充生态流量，而且坝址下游河段没有国家级保护动植物；因此坝址处泄放的生态流量满足下游生态用水要求。

在水电开发建设过程中，过去考虑更多的是区域经济发展和发电效益，而对保护生态水环境考虑得较少。为满足大坝下游河道水生态环境最小用水量的要求，近年来提出水电站最小生态下泄流量的概念，以保证在发挥水电站效益的同时，考虑给予下泄一定的流量，以满足下游生态环境需水量的最低要求。

一般用代表年法，采用P=90%枯水年的最小月平均流量可以满足下游生态需水量的要求。经计算，P=90%枯水年有1977年，其当年的最小月平均流量为1.1 m3/s；还有2012年，其当年的最小月平均流量为0.57 m3/s，

二龙山水库大坝右岸已经设置有生态用水阀门，流量为0.8 m3/s；发电尾水池设有生态补水阀门，流量为0.3 m3/s；因此生态流量总计为1.1 m3/s。水库的生态下泄流量设置合理。

5.3 对生态系统的影响

二龙山水电站位于二龙山水库坝下，电站未涉及自然保护区或核心区，用水不会造成大坝下游断流。

根据已经批复的《二龙山一级电站二级电站项目环境影响评价报告》，目前二龙山水库水电站管理人员生活污水经化粪池预处理后进入市政污水管网，生活垃圾收集交由环卫部门统一处理。另外，本项目在设备检修过程中会产生废油，废油暂时存放在密闭废油储存桶内，由设备维修单位回收，并交由具有危险废物回收处理资质的单位处理。因此，项目对生态环境影响甚微。

5.4 对其他用水户的影响

二龙山水库总库容为8 100万m3，兴利库容3 800万m3，具备调节功能。电站本身不消耗水量，所取发电用水冲击水轮机后再次注入河道，电站用水直接从水库取水。农业灌溉及城市供水也直接从水库取水，而且水库用水管理原则首先是保证城市供水和农业灌溉，其次才是发电用水。在来水量少的情况下，可以减少发电用水，必须保证其他用水户用水。因此，电站取水对其他用水户影响甚微。

6 结 语

水电是清洁能源，属于国家重点鼓励发展的产业。二龙山水电站取水地点位于丹江干流上，取水方式为库区取水，坝址处多年平均来水量为 2.119亿 m3。

经过分析探讨，二龙山水电站发电多年平均用水量为7 877万m3，在来水保证率75%的情况下，水库水量在扣除城市供水、生态用水、灌溉供水后经调节算出可供发电水量为7 776万m3。经计算得出多年平均发电用水量为7 877万m3，电站申请发电取水量7 776万 m3，满足增容发电要求。工程取水不会影响流域内其他项目水资源开发利用，对生态环境影响不大，对河流水资源状况基本没有影响。因此，二龙山水电站的取水量是合理的。