(丹東市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 丹東 118000)

我國(guó)水能資源位居世界第一，各類(lèi)型水力發(fā)電工程在我國(guó)有廣泛分布。水電工程在區(qū)域防洪發(fā)電、水資源調(diào)節(jié)、漁業(yè)養(yǎng)殖等方面均起著重要作用，但同時(shí)也具有投資規(guī)模大、技術(shù)要求高、社會(huì)影響廣泛等特點(diǎn)，其核心工程方案的優(yōu)劣會(huì)直接影響工程的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益甚至成敗，因此，在設(shè)計(jì)階段必須進(jìn)行嚴(yán)格對(duì)比和可行性分析。

1 工程概況

砬子溝水電站位于丹東市寬甸縣古樓子鄉(xiāng)砬子溝村的蒲石河上，是以發(fā)電為主的水利樞紐工程。原砬子溝水電站發(fā)電機(jī)容量?jī)H為250kW，引用流量5.7m3/s。2012年相關(guān)部門(mén)決定進(jìn)行擴(kuò)容改造，設(shè)計(jì)將裝機(jī)容量擴(kuò)大到2640kW。由于部分擋水建筑物高度小于15m，并且上下游水頭差小于10m，因此，該水電站水工建筑防洪標(biāo)準(zhǔn)按平原區(qū)、濱海區(qū)確定，工程等別為Ⅳ等?？紤]到本工程無(wú)下游防洪要求，主要建筑物按10年一遇洪水設(shè)計(jì)、50年一遇洪水校核。

2 水電站工程正常蓄水位方案選擇分析

鑒于本次改造工程主要目的為增加發(fā)電量，因此，在正常蓄水位選擇時(shí)遵循以下原則：首要考慮電能規(guī)劃要求，盡可能多地開(kāi)發(fā)水能資源[1]；注重與上游水電站的梯級(jí)銜接，并充分考慮上游淹沒(méi)問(wèn)題；在技術(shù)上安全可靠，經(jīng)濟(jì)上合理可行，管理運(yùn)行上方便[2]。

2.1 初步擬定正常蓄水位

2.1.1 上游水電站梯級(jí)影響

砬子溝水電站上游4.10km處為小孤山水電站的尾水出口，該電站的單機(jī)尾水位為44.37m，4臺(tái)機(jī)組全開(kāi)時(shí)，尾水位達(dá)到44.81m。在遵循上述原則的前提下，結(jié)合砬子溝水電站壩址地形、地質(zhì)條件，擬定三個(gè)正常蓄水位：42.00m(方案一)、42.50m(方案二)、43.00m(方案三)。

2.1.2 淹沒(méi)影響

淹沒(méi)是影響水庫(kù)正常蓄水位選擇的重要因素之一，與工程造價(jià)直接相關(guān)。根據(jù)調(diào)查，本工程涉及淹沒(méi)的實(shí)物量均在上游抽水蓄能電站原有征地及河道范圍之內(nèi)，不涉及移民及耕地，因此不用考慮這部分內(nèi)容。

2.2 三種正常蓄水位方案比選分析

對(duì)上述三個(gè)方案從工程造價(jià)、梯級(jí)能量指標(biāo)、上下游影響等方面進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表1。由于本工程正常蓄水位的選擇需考慮上游電站影響，因此在比較時(shí)不考慮對(duì)上游電站的補(bǔ)償，此外經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)統(tǒng)一采用“差額投資內(nèi)部收益率法”進(jìn)行定量分析。

正常蓄水位越低，總投資越低，但是獲得的效益相應(yīng)也越小。從42.00m升至42.50m時(shí)，單位補(bǔ)充電能投資為3.74萬(wàn)元/(kW·h)，從42.50m升至43.00m時(shí)，單位補(bǔ)充電能投資飆升至9.54萬(wàn)元/(kW·h)，因此從靜態(tài)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上分析出方案三投資過(guò)大。

表1 三個(gè)正常蓄水位方案對(duì)比分析

方案一與方案二差額內(nèi)部收益率為10.9%，大于現(xiàn)行社會(huì)折現(xiàn)率7.0%，方案二與方案三的差額內(nèi)部收益率為6.4%，小于規(guī)定允許值，因此方案二經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較為優(yōu)越。綜合考慮，本項(xiàng)目推薦正常蓄水位為42.50m。

3 水電站工程裝機(jī)容量方案選擇分析

3.1 增加裝機(jī)容量途徑設(shè)計(jì)

本工程確定裝機(jī)容量時(shí)，主要考慮盡可能增加發(fā)電量。因此，設(shè)計(jì)人員充分利用上游小孤山電站對(duì)徑流的調(diào)節(jié)作用，減少砬子溝水電站汛期通過(guò)水量，增加枯水期通過(guò)水量，通過(guò)減少棄水來(lái)增加發(fā)電量。同時(shí)可使本電站避免汛期因水頭降低而產(chǎn)生受阻出力，將水量利用率提高大約25%，可將原設(shè)計(jì)裝機(jī)容量(2640kW)進(jìn)一步擴(kuò)大[3]。

3.2 裝機(jī)容量方案比選分析

繪制砬子溝水電站出力—電能—保證率曲線(見(jiàn)圖1)，由圖1可知：隨著出力增加，電能增幅較大范圍在2500～3500kW?，F(xiàn)初步擬選4臺(tái)機(jī)組的三種不同裝機(jī)方案(3000kW、3260kW、3500kW)進(jìn)行比較(見(jiàn)表2)。

根據(jù)寬甸地區(qū)小水電經(jīng)驗(yàn)，一般年利用小時(shí)數(shù)以控制在2500h左右為宜，因此方案一數(shù)據(jù)偏大，而方案二和方案三均較為合適，且水能指標(biāo)均優(yōu)于方案一；裝機(jī)容量與年發(fā)電量、工程投資均成正比關(guān)系，但從3000kW增至3260kW，總投資多了47.53萬(wàn)元；從3260kW增至3500kW，總投資多了62.58萬(wàn)元，說(shuō)明效益在減弱[4]；通過(guò)計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益，方案一和方案二的差額內(nèi)部回收率為11.63%，大于社會(huì)折現(xiàn)率7%；方案二和方案三的差額內(nèi)部回收率為6.14%，小于社會(huì)折現(xiàn)率7%，說(shuō)明方案三不可行[5-6]。

圖1 砬子溝水電站出力—電能—保證率曲線

綜上所述，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)效益還是水能充分利用上分析，方案二均優(yōu)于其他方案，因此，本工程推薦裝機(jī)容量為3260kW，年發(fā)電量847萬(wàn)kW·h。

表2 三種不同裝機(jī)方案對(duì)比

4 壩線位置方案選擇分析

在本工程可行性研究階段，技術(shù)人員在原壩線范圍內(nèi)做了大量地勘工作，對(duì)新壩線的位置設(shè)計(jì)了兩個(gè)方案：方案Ⅰ位于原壩線下游約70m處；方案Ⅱ位于原壩線下游約100m處。下面對(duì)這兩種方案進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 地形和地質(zhì)條件對(duì)比分析

4.1.1 地形條件比較

方案Ⅰ位置處河床寬度為16m，底高程34.78～34.98m，河床兩側(cè)為河漫灘，寬度70～80m，高程為35.26～37.54m。

方案Ⅱ位置處河床寬度為70m，底高程34.42～35.42m，河床兩側(cè)為河漫灘，寬度62～76m，高程為36.40～37.61m。

4.1.2 地質(zhì)條件比較

兩個(gè)方案位置距離較近，因此在整體上地質(zhì)條件一致，部分參數(shù)存在一些差異(見(jiàn)表3)。

通過(guò)分析可知：兩方案的地形條件一致，但方案Ⅱ的地質(zhì)條件略好于方案Ⅰ，且方案Ⅱ兩岸山體巖性較好，縮短了壩長(zhǎng)；兩方案基巖透水率大于5Lu的厚度差別較大，且方案Ⅰ右端分布有松散層，易產(chǎn)生繞滲[7]，從這方面考慮方案Ⅱ優(yōu)于方案Ⅰ。

表3 壩線布置方案對(duì)比

4.2 對(duì)外交通對(duì)比分析

4.2.1 廠房對(duì)外交通

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察，方案Ⅰ需將廠房設(shè)計(jì)在河道右岸，方案Ⅱ設(shè)計(jì)在河道左岸。方案Ⅰ進(jìn)廠交通極為不便，需在右岸山嶺上修建進(jìn)廠路，難度大且占地多；方案Ⅱ進(jìn)廠路可沿用現(xiàn)有村路，交通比較便利。

4.2.2 變電所并網(wǎng)

水庫(kù)附近變電所位于河道左岸山上，由于方案Ⅰ廠房位于河道右岸，聯(lián)網(wǎng)線路需要跨河并網(wǎng)，投資較高，且后期管理、維修也不便；方案Ⅱ則沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題。

綜上所述，從對(duì)外交通及拉線上考慮，方案Ⅱ要優(yōu)于方案一。

4.3 工程總投資對(duì)比分析

通過(guò)概算得出：兩種方案除尾水渠外主要建筑物工程量差別不大，但方案Ⅱ由于尾水渠較長(zhǎng)，土石方開(kāi)挖量大，所以從工程量考慮，方案Ⅰ優(yōu)于方案Ⅱ。但由于方案Ⅰ還有進(jìn)廠路及跨河并網(wǎng)等工程，直接造成投資飆升。

兩種方案總投資對(duì)比見(jiàn)表4，可知方案Ⅱ較方案一節(jié)省了305.23萬(wàn)元，并且方案Ⅱ有利于后期的管理與維護(hù)，所以在此推薦方案Ⅱ作為壩線最終位置。

表4 不同方案工程投資對(duì)比(部分)

5 結(jié) 語(yǔ)

水電站工程項(xiàng)目技術(shù)復(fù)雜，需要考慮的因素很多，而且各因素之間存在緊密聯(lián)系，對(duì)最終工程投資有著直接影響。本文通過(guò)對(duì)比分析，確定了砬子溝水電站擴(kuò)容改造項(xiàng)目主要工程的最佳方案，為項(xiàng)目的順利實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本項(xiàng)目通過(guò)后期對(duì)比分析，對(duì)可行性研究階段的一些設(shè)計(jì)做出了修改，這也是優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要階段。