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小水电站生态流量泄放检查率定方法研究及实践

2024-12-08 86 上传者：管理员

摘要：为保障小水电站生态流量足额泄放，支撑小水电生态流量行业监管工作开展，结合我国小水电站生态流量泄放实际情况，采用相关流量测量技术手段和成熟仪器设备，根据不同泄放设施、流量大小及出流形态等条件，研究提出了7种小水电站生态流量现场率定方法。经实际应用结果分析，7种率定方法基本满足小水电站生态流量现场率定工作需求，率定方法科学、合理且可操作性强，数据结果可靠，可满足行业监督检查工作要求。图7幅，表1个。

关键词：
小水电站
水电开发理念
率定方法
生态流量
行业监管
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小水电生态流量泄放自“十三五”增效扩容改造初步开展，至小水电清理整改期间全面推进落实。短短十多年间，全国共计4万多座小水电站实施完成了生态流量泄放和监测设施改造，基本实现了小水电生态流量泄放与监测，落实了生态流量泄放要求，促成了小水电生态流量 “从无到有”的历史转变，有效治理了小水电开发河道减脱水问题。当前，个别小水电站业主生态保护意识、水电开发理念仍有待加强与转变，生态流量客观存在泄放不规范、维护不到位，泄放量不足及上传数据不真实等问题。2021年，水利部生态环境部联合印发了《水利部办公厅生态环境部办公厅关于进一步加强小水电站生态流量监督检查工作的通知》(办水电[2021]382号),进一步提升了对生态流量行业监管工作的要求。“十四五”期间，小水电生态流量泄放迈入了“从有到严”阶段。随着各省(市)级生态流量监管系统平台的建立完善，实时流量监测比例的大幅提升，为落实监管职责陆续开展了生态流量现场检查抽查率定工作。在检查中发现，小水电生态流量泄放形式多样，现场客观制约因素较多，率定工作缺乏有效的行业技术标准规范支撑。

本文基于相关实践工作经验，根据小水电站生态流量不同类型泄放设施、出流形态及流量大小，结合现场不同的环境条件，从操作性、准确性两方面综合平衡考量，研究提出了体积法、闸孔出流水力计算法、管道泄流水力计算法、外夹式超声波流量计测流法、满管出口测流法、渠道测流法、功率换算测流法等共计7种现场率定办法。经实践验证，7种率定方法具有较强的专业性、适用性、可操作性，对加强小水电生态流量监管具有较大推广应用价值。

1、小水电站生态流量泄放现状

小水电站生态流量泄放核定断面位于拦水堰坝处，原则上应在拦水堰坝泄放生态流量。因此，除原有环评或水资源论证等有关文件核定外，我国借鉴国内外有关生态流量理论严谨及有关计算方式，根据不同流域水系特性及电站开发集水面积大小，主要采用了多年平均流量法10%、日平均流量历时法(P=95%)、最枯月平均流量法(P=90%)3种核定方式。小水电站拦水建筑物主要有土石坝、重力坝、拱坝(单、双曲及支墩)、翻板闸坝及底格栏栅坝等种类，也有少数直接在溪潭旁或溶洞口设渠的引水方式，无具体拦水建筑物。拦水建筑物(或引水首端)一般都设有泄流设施，是泄放生态流量的基础条件。基于不同类型大小的拦水建筑物、原有泄流设施、开发方式及生态流量核定值及电站实际情况，清理整改工作“一站一策”方案对每一座小水电站给出了具体实施改造方案。目前，小水电站生态流量典型泄放设施有：泄流阀、泄放管(孔)、闸门(孔)、机组等。

当前，小水电站生态流量整体泄放情况整体良好，但因诸多原因，生态流量泄放客观存在一些问题及不足：一是泄放设施泄流能力不足，管径不足或设置高程过高，在最低发电水位(或死水位)时无法足额泄放生态流量。二是生态流量泄放不规范，如利用泄流阀小开度射流泄放，既不符合泄流阀使用规范，也不能把控下泄生态流量大小。三是泄放设施维护不足，缺乏管理或闸孔被异物堵塞，导致下泄量不足。四是泄放设施不具备安装实时测流装置条件，需进行设施改造方能满足。另外，也存在个别特殊电站因原无泄放设施、无法改造或成本巨大等客观原因，采用了虹吸或抽水方式泄放生态流量。

2、小水电站生态流量监测情况

根据水利部等上级主管部门有关生态流量监管要求，地方提出了小水电生态流量泄放监管工作要求及计划。在基本构建完成小水电站生态流量监管平台后，对小水电站生态流量泄放现地端监测方式提出了工作要求。参阅各地出台的有关监管办法，一般都要求实时流量监测，如无法安装实时测量装置的需无节制泄放并加动态视频监控。

小水电站生态流量实时测量方式较多，针对不同的泄放设施、出流形态等客观条件，当前现地端主要采用的测量方式有：管道式、闸孔式、渠道式、堰槽式及功率转换式等，对应使用的测量装置有电磁式流量计、外夹式超声波流量计、开度仪、水位计、雷达式流量计及功率转换器等。不同监测方式及其设备都具有特定适用条件，优缺点也不近相同，在精准度与耐用性方面常常存在矛盾。

基于行业监管平台日常线上巡查工作，为确实有效落实小水电站生态流量行业监管，线下监督检查工作则成为了必选项，而生态流量率定工作则是其核心内容。

3、生态流量泄放现场测量方法

根据小水电站生态流量不同类型泄放设施、出流形式及流量大小，结合现场不同的环境条件限制，从操作性、准确性两方面综合平衡考量，本文研究提出了体积法、闸孔出流水力计算法、管道泄流水力计算法、外夹式超声波流量计测流法、满管出口测流法、渠道测流法、功率换算测流法共计7种生态流量现场率定办法，具有较强的科学性、有效性及可操作性等。

3.1 体积法

流量，从水力学角度讲，是单位时间内通过某一过水断面的水体体积，其常用单位为m3/s。从这一角度上看，采用容积法检测流量，是小流量检测最原始但最可靠的检测手段。容积法计算流量的公式为

其中：V为时间段t所采集的水体体积，现场可用大容量软体水桶或20 L塑料计量桶进行水体采集。此方法虽然简陋，但数值能最终溯源到国家测量系统，也能满足精度要求。时间段t采用秒表检测。在一测量时段内进行若干次检测并计算，最终得出平均值作为该次检测结果，即平均值

作为检测结果。

适用对象：利用管(孔)泄放生态流量，出流量小于0.01 m3/s且人可接触的泄放点。

3.2 闸孔出流水力计算法

通过闸门开启泄放生态流量，可按宽顶堰上闸孔出流公式[1]计算：

式中，Q为下泄流量；Ho为包括行近流速水头的堰上水头，一般情况下，行近流速水头较小，可忽略，Ho取闸前水深H;b为闸孔宽度；e为闸孔开度；μ0为闸孔的流量系数，采用南京水利科学研究院经验公式计算：

;σs为闸孔出流的淹没系数，闸孔自由出流时，σs=1;闸孔淹没出流时，σs按图1取值。

图1闸门闸孔泄流淹没系数σs

在获取闸前闸后水深、闸门尺寸及闸孔开度等参数后，即可利用公式(1)计算求得出流量。

适用对象：利用闸门泄放生态流量，闸前闸后水深及闸孔高度可获取的泄放点。

3.3 管道泄流水力计算法

由《水力学》知，通过管路满管泄放生态流量，可按有压管流公式计算：

式中，Q为下泄流量；A为管道断面面积；Ho为包括行近流速水头的作用水头，一般情况下，行近流速水头较小，可忽略；自由出流时，Ho取H;淹没出流时，Ho取Z;H为坝前水深至管道中心高程的水头；Z为上下游水面高程差；μc为管道流量系数，一般可取0.4～0.8,受管内壁平滑度、管道长度、折弯等因素影响，详见图2。

图2有压管道出流示意图

在获取管前管后水深、管道尺寸及管道流量系数有关因素等参数后，即可利用公式(2)计算求得泄流量。

适用对象：利用管(孔)泄放生态流量，管(孔)前后水深及其内径可获取的泄放点。

3.4 外夹式超声波流量计测流法

使用校准合格的便携式超声波流量计，采用传播时间差法，可以从管道外部测量管内的体积流量，测流示意如图3所示。

图3超声波测流示意图

超声波流量计在管道上安装并开机，等读数基本稳定后，间隔约10 s读取1个数据，取N个数据的平均值作为检测结果。

适用对象：利用管泄放生态流量，管道适合测量要求且人可接触的泄放点。

3.5 满管出口测流法

由《水力学》知，长满管理想管层流流速按抛物线规律分布，详见图4,其中断面流量Q、面积A、平均流速y、最大流速umax的关系式为：

图4圆管满管层流、紊流流速分布图

实际流态中除少数情况外，水利工程中遇到的液流多属于紊流，故一般可认为通过管道、河渠及各种水工建筑物的水流都是紊流。紊流流速按对数规律分布，对于上图形状的对数曲线，平均流速y、最大流速umax的关系式为：y=(0.82～0.85)umax。检测中现场条件无法获得太多的测点，一般靠近管道中心或出口测量几个流速值ui,按下式计算平均流速，并换算得到流量值。流速平均系数值(0.82～0.85)应考虑管道内壁平滑度，当出口测流时，应转换考虑出口的满管度。

为下泄平均流量；

为平均流速；A为管道断面面积。

适用对象：利用管(孔)泄放生态流量，满管或基本满管出流且人可接触的泄放点。

3.6 渠道测流法[2]

渠道水流是紊流，紊流流速按对数规律分布，详见图5。

图5矩型断面流速和单位流量分布图

对于不同形状渠道紊流流速的对数曲线，平均流速y、最大流速umax的关系式按经验公式为：y=(0.80～0.88)umax。实际检测中，现场条件无法获取太多测点，一般可靠近渠道中心测量几个流速值ui计算平均流速，并按经验公式换算得到流量值。系数μc(0.80～0.88)可视现场渠道类型(矩形、梯形、U型等)、渠面平滑程度及现场具体运行工况适当调整。

为平均流速；A为渠道水流断面面积；系数μc一般可取0.80～0.88。

适用对象：生态流量泄放出流口或下泄断面为渠道类型且可靠近的泄放点。

3.7 功率换算测流法

水轮发电机组在某一静水头(H)下运行，其过机流量与机组出力存在密切的相关性，这里的出力指的是水轮发电机组输出功率。通过试验，一般可绘制出水轮机工作特性曲线，详见图6。

不同水头下，不同机组有不同的机组工作特性曲线，且并非线性关系。如果过于追求准确，则数据分析工作量过大，不利于对流量是否正常进行迅速判断。从图6中分析，可把其中P出力～流量关系看成线性正比例关系，利用如下简化公式功率换算出流量：

式中，Qi为实际泄流量(m3/s);QN为额定(设计)流量(m3/s);Pi为实际出力(kW);PN为额定出力(kW)。

图6水轮机额定转速下P（出力）Q（流量）a（开度）特征曲线

利用公式(5)计算结果远大于或远小于生态流量核定值时，我们认为，计算结果不影响对生态流量泄放是否正常的判断。当流量计算值与核定值之比在0.8～1.25之间时，需根据机组出力～流量工作特性曲线进一步核实生态流量泄放值并判断泄放是否正常。

适用对象：利用水轮发电机组泄放生态流量的泄放点。

4、现场测量方法实践应用

以2023年度浙江省水电站生态流量抽查项目为例，项目组完成了183座抽选小水电站现场核查率定工作，现场检查率定需要的工作器材使用如表1所示。

表1生态流量现场核查率定工作器材清单

根据现场泄放情况，采取了不同核查率定方式，其中体积法40座，占比21.9%;闸孔出流水力计算法8座，占比4.4%;管道泄流水力计算法3座，占比1.6%;外夹式超声波流量计测流法6座，占比3.3%;满管出口测流法32座，占比17.5%;渠道测流法48座，占比26.2%;功率换算测流法15座，占比8.2%;直接判定22座，占比12%;无法率定9座，占比4.9%,现场核查率定方式情况统计分析如图7所示。

图7现场核查率定方式情况统计分析

通过现场实践，应对不同类型泄放设施、出流类型及流量大小，本文给出的对应率定办法适用于小水电站生态流量现场率定工作。

经统计及综合分析显示，7种现场率定方法的科学性、有效性及可操作性也总现较好。

•科学性：根据不同类型泄放设施，按照相关测量技术规范、标准，提出了多种测量率定方式，得到了电站业主的认可及相关技术专家的支持。

•有效性：针对不同现场条件，按照直接和间接两种测量方式，研究提出了具有针对性、适用性的现场率定办法，且率定结果经对比分析，估算误差在±10%以内，满足行业监管要求。

•可操作性：为满足便捷性、可靠性等现场实际需求，明确了不同现场率定办法的设备配置及测量要求，除洪水、干旱等特殊情况(直接判定)外，适用于95%以上的小水电站现场率定工作。

5、结语

随着国内小水电站生态流量泄放工作的全面推进及提升，行业监管工作的强化、细化，生态流量现场核查工作已成为行业管理一项例行工作。小水电站生态流量泄放现场率定方法及应用关键技术实用性强，技术可靠，已被多个省、市级的小水电站生态流量监督核查项目所采用，取得了良好的实际运用效果，并得到了主管部门及专家的高度认可。基于我国小水电站生态流量泄放行业监管工作需求，为保障了生态流量正常泄放，推进了小水电生态发展，本技术可为其他省份开展生态流量泄放监管现存核查工作提供技术支撑及参考。

参考文献:

[1]吴持恭.水力学上册(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2008:326,334.

[2]水利部水文司,水利部水文水利调度中心,水利部南京水文水资源研究所等译.明渠水流测量[M].北京:中国科学技术出版社,1992.

基金资助:南京水利科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(Y923014);

文章来源:徐立尉,李强伟.小水电站生态流量泄放检查率定方法研究及实践[J].小水电,2024,(06):35-39+49.