马跃先，李忠义，邓旭
（1.郑州大学水利科学与工程学院，河南 郑州 450002；
2.河南郑大水利科技有限公司，河南 郑州 450001；
3.河南省农村水电及电气化发展中心，河南 郑州 450003）
小水电是我国水电能源的重要组成部分，截至2021年底，我国已建成4.7万多座小水电站，年发电量达2 500亿kW·h。小水电，尤其是绿色小水电，已经成为实现我国“双碳”目标的重要路径之一［1］。
由于开发理念、管理水平、监管措施落后等原因，一些小水电存在过度开发现象，对河流生态环境造成了严重破坏。为了改善小水电的这一现状，国家和地方先后出台多项政策，明确了要强化小水电生态流量的监督管理，保障河湖生态流量［2-4］。
近年来，国家陆续完成了对小水电系统的生态恢复整治和改造，大部分小水电站都已经增设了生态流量泄放和监管装置，实现了生态流量的持续泄放；
但是对于如何利用生态泄流，实现该部分水量的高效利用，目前还缺乏相应的策略和方法［5-7］。
1.1 泄放标准
小水电生态流量的泄放标准为需要满足下游生态流量的要求。目前，计算小水电生态泄流量的方法有Tennant法、7Q10法、最低连续30日均流量法、多年枯水期流量10%等［8］。一般情况下，小水电会核定相应的生态流量，并经相应的主管单位批准，实际泄流中也以该批准值进行泄放。
1.2 泄放方案
确定生态流量标准后，还应设计相应的生态流量泄放方案，根据电站不同的布置形式，其生态流量泄放方案一般包括：生态机组泄放、管道泄放、闸门泄放等。由于部分水电站设计投运较早，其设计时一般均未考虑生态流量泄放，因此其机组利用流量远大于生态流量，现有机组无法直接充当生态机组；
除个别电站专门增设生态机组外，大部分电站都采用管道泄放或闸门泄放的方式。
由于生态流量核定值为固定值，为了实现生态流量的固定泄放，生态流量泄放方案多采用固定式（即不可调整式）。例如，河南省某小水电站通过在冲沙闸下方焊接钢垫块实现生态流量泄放（见图1）。
图1 某小水电站生态流量泄放示意图
1.3 监管方案
为了保证小水电下泄生态流量符合要求，需要制定相应的监管方案。监管方案主要包括生态泄流视频画面、实时流量数据的采集与上传，通过数据上传至监控中心平台上，实现对生态泄流的实时监管。如果下泄生态流量不满足要求，则执行相应的惩罚措施，以保证生态流量的泄放（见图2，以闸门泄流方式为例）。
图2 生态泄流监管架构图
2.1 存在的问题
对于固定式生态流量泄放，由于无法对泄流进行有效调节，导致生态泄流装置处于固定泄流模式；
此时若水电站运行发电，已经向下游泄放足够的生态流量，其仍处于固定泄流模式，造成该部分生态泄流未经过电站能量转化，水资源利用效率降低，也在一定程度上影响水电站发电效益。
2.2 效益损失估算
以河南省某水电站为例，该水电站装机容量为10 500 kW（3×3 500 kW），为坝后式水电站。电站设计水头21.6 m，年均发电量为4 668万kW·h，年利用小时为4 445 h。电站生态流量泄放方式为冲沙闸下方焊接钢垫块，其中钢垫块厚度为0.021 m。
该水电站生态流量泄放为固定式泄放，即无论水电站是否运行，其均处于固定泄流模式。目前水电站已完成生态泄流改造和监管，上级监控中心实时获取冲沙闸处的生态泄流量和泄流画面，一旦获取的数据不满足要求，则进行相应的处罚。
该水电站核定生态流量为1.66 m3/s，年生态泄水量为5 234.98万m3。根据水电站多年运行统计，水电站年开机运行时间约为6 000 h，其中水电站最小开机出力对应的流量为9 m3/s；
即水电站开机运行时间内，下泄流量远远大于核定生态流量，则生态流量泄放量为：
假定该泄放流量全部用于发电，则产生的发电量为：
考虑电站在泄洪期间存在弃水，该部分生态泄量无法被完全利用，上述发电量按照0.95进行折减，则对应的发电量为163.50万kW·h，约占全年发电量的3.5%左右。
针对固定式生态流量存在的问题，提出如下效率提升策略：
（1）在水电站未开机运行且下游河道无法满足核定生态流量时，开启固定式生态流量装置，保证下游足够的生态流量需求。
（2）在水电站开机运行且下游河道已经满足核定生态流量时，可以考虑关闭固定式生态流量装置，该部分下泄流量存蓄在坝前水库中，通过水电站机组下泄，以提高生态流量利用效率。
4.1 实施技术路线
（1）在系统中接入实时生态流量数据、水电站机组出力数据。
（2）在生态泄流装置上设置控制装置。
（3）实时判断水电站机组出力数据，如果水电站水轮发电机组出力数据大于设定值，则通过控制装置关闭生态泄流装置；
如果水电站水轮发电机组出力数据小于设定值，则通过控制装置开启生态泄流装置。
上述设定值应满足：在该出力设定值下，水轮发电机组的发电流量等于核定生态流量值（见图3）。
图3 技术路线图
4.2 具体实施方案
针对上述技术路线，制定具体的实施方案，需要对原有监管系统进行如下改造：
新增生态泄流控制系统，用于开启或关闭生态泄流装置，同时遥测终端接入水电站水轮发电机组出力数据；
在监控中心增设智能处理模块，智能处理模块获取水电站水轮发电机组出力数据，并与设定值进行比较；
根据比较结果，反馈生态泄流控制系统，以控制生态泄流装置工作或关闭（见图4）。
图4 实施方案架构图
4.3 推广应用价值
上述实施方案的成本较低，仅需要增设生态泄流控制系统，对于闸门式泄流，可以利用原闸门启闭装置，并进行相应的自动化改造即可，硬件成本投入较低。对于软件部分，在原有监管平台的基础上，仅需要多采集水轮发电机组的出力数据即可；
而在原有平台架构上，嵌入智能处理模块，进行简单的逻辑判断，即可实现本文提出的策略方案，投入相对较低，且易于实现。
该方案实施后，水电站在开机时段，如果下泄流量已经满足生态流量核定值，将不下泄生态流量，该部分流量存蓄在水库中，以供电站调用，可以充分提高其利用效率。以第2.2节的河南省某小水电应用实例估算，其平均可以提高发电效益3%以上，经济效益极为可观。
随着小水电生态环境重视程度的不断提升，小水电生态流量泄放问题已经成为行业焦点问题，但由于小水电规模小、重视程度差，目前小水电生态泄流的整治仍存在一刀切、粗放管理等问题，对小水电的效益产生了较大的影响。
“十四五”期间，小水电的整体发展目标为“绿色、安全、智慧、惠民”，采用本文提出的策略方案，在保证小水电生态修复功能的基础上，可以有效提高小水电水资源的整体利用效率和发电效益，具有重要的现实意义。
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