程震滨

（湖南省衡阳市城市防洪管理处，湖南 衡阳 421001）

一、概 况

衡阳市位于湖南省中南部，湘江中游。全市有中小型水库211座，中型水库28座，小（Ⅰ）型水库183座。全市中小型水库有125座建有坝后电站，其中装机较大的小型电站建设有取水塔，该类型电站有35处，总装机为15.5MW，多年平均发电量为1360万kW・h。

衡阳县城坪冲水库为浆砌石重力坝，最大坝高57.6m，兴利库容1710万m3，是一个以灌溉为主，兼有防洪、发电、养殖等综合效益的中型水利枢纽工程。坝后左、右分别设置电站一座，总装机1000kW（2×250kW+2×250kW），多年平均发电量100万多kW・h，年利用小时800h。水库在大坝左右分别设置一座封闭式取水塔，作为灌溉与发电的进口建筑物，分四个不同高程取水口，见图1。

该电站自1978建成投产至2004年，灌溉发电均从放水塔表层取水。2005年提出采用底孔放水发电后，电站利用底孔放水发电。下面就以表层取水与底孔取水对发电效益影响进行分析。

图1 放水塔示意图

二、底孔放水发电电能增加分析

1.底孔放水灌溉分析

城坪冲水库表层取水的目的是为了满足农作物对灌溉用水水温的要求，实际通过农作物的生长来看，水库地处亚热带，直接取底层水灌溉并发电也能满足水温要求，衡阳市有多处中小型水库直接利用底孔灌溉。

各种农作物在不同的生长期所需要的温度是不同的。按照衡阳市灌溉情况，早稻种子发芽期及幼苗期雨水比较充沛，这一期间一般不需要水库放水灌溉；早稻插秧期一般在每年4月底至5月初，这期间也多为阴雨天气，气温偏低，宜用水库表层水灌溉，但其灌溉用水量较少，不超过水稻灌溉定额的15%；以后随着气温的升高，水稻的整个生长过程均可用底层水灌溉。

分析可知，从灌溉角度来看，对于分层取水的水库，大部分时间可采用底孔放水灌溉发电。

2.底孔放水发电增加效益分析

从放水塔底孔取水发电，可以减少水头损失。从图1中可知，不论从放水塔上面三个进水孔中的哪一个取水，水流都会比用底孔取水多经过两个90°直弯管，增加两个等径三通局部损失，并增加了部分沿程损失，总的新增水头损失为二者之和，如下式：

式中：

hw—水头损失（m）；

Σhj—局部水头损失（m）；

Σhf—沿程水头损失（m）；

Q—发电流量（m3/s）；

ξ—局部水头损失系数，直角弯头取＝0.99；

d—放水塔内径，1.1m；

λ—沿程水头损失系数，由雷诺数Re与相对粗糙度Δ/d确定为0.018，具体分析如下：

分别以水温5℃与20℃，流量为0.55m3/s与5.18m3/s计算雷诺数Re。

Re=vd/n=Qd/An=4Q/πnd

ν—流体运动粘性系数，5℃与20℃分别为1.549×10-6m2/s、1.01×10-6m2/s，计算得雷诺数Re为4×105～6.3×106

Δ/d—管内壁相对粗糙度，式中Δ为壁面当量粗糙度，按钢筋砼考虑，施工较良好，其值取0.7mm，则Δ/d为0.0006。

由雷诺数Re与相对粗糙度Δ/d，查穆迪图或采用齐恩公式计算可知，λ为0.018。

l—增加的管道长度，取平均值15m。

将以上ξ、d、λ、l的值代入式（1）整理得：底孔取水发电时，则相应增加出力：w

底孔取水发电时，则相应增加电能：（其中W为发电水量）

（其中7.5为出力系数）

由式（4）可知，流量越大，开机台数越多，电能的增加越大，出力增量与过水流量的三次方成正比，当水量一定时，电能的增加与流量的二次方成正比。根据衡阳县城坪冲水库多年运行情况来看，多年平均发电用水量1550万m3，发电多年平均流量为2.62m3/s，则在原有发电水量的情况下，平均年增加电能为：

由于电站现有装机可知，水轮机最高利用水头为40.6m，最低利用水头为8m，电站利用表层取水时，发电最低水位为176.5m。在实际运行过程中，当水库放水水位达到175m后，水库按设计灌溉流量5.18m3/s放水，则相应可节约水头：

查城坪冲水库水位—库容曲线，可知水库176.5m～175.8m之间水量为24万m3，则按设计灌溉流量5.18m3/s放水可发电时数为24×104/(5.18×3600)=13h。

由此可知，当采用底孔放水时，其发电量底水位可以从176.5m降至175.8m，其电站按5.18m3/s发电可多运行13h。则可新增电能为：

(水头为8m)

则采用底孔放水较表层取水，平均每年可新增电能为：

ΔE=ΔE1+ΔE2=5615+4040=0.97(万kW・h)

两项新增电能约为该电站多年平均电能1%。

三、验证及前景展望

在实际过程中，对上述底孔放水进行了验证。2005年城坪冲水库坝后电站管理人员在上游水位为190m时，分别利用表孔184m与底孔161m(左岸)、166m（右岸）放水发电2h，四台机组同时发电，调整流量至机组1000kW额定发电，表孔放水观测平均流量为4.17m3/s，底孔放水平均流量为4.09m3/s，则产生相同的电能下，底孔放水较表孔放水节约水量为1.92%，在同等流量下则相当于增加电能1.92%，即相当于新增出力19kW，经理论计算当底孔发电流量为4.17m3/s，增加出力为14kW（0.19×4.173kW)，可见实际与理论计算偏差不大。

由以上介绍可知，衡阳市利用分层取水塔取水的坝后电站共装机15.5MW，多年平均发电量达1360万kW・h，如所有电站均采用底孔放水，增加电能统一按1%计算，则整个衡阳市利用底孔放水发电的中小型水库坝后电站可增加电能136万kW・h，小型电站上网电价按0.3元计算，则每年可产生40.8万元效益。

【1】《水力计算手册》.武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研室.李炜主编.

【2】《湖南省衡阳市中型水库工程水文资料汇编》.湖南省防汛防旱指挥部办公室.湖南省衡阳市水利水电局编.