幸福水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度運(yùn)用

許月光，吳明官

(1.雞西市水務(wù)局，黑龍江雞西158100;2.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080)

2011年11月由黑龍江農(nóng)墾勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院編制的《黑龍江省綏化市北林區(qū)幸福水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，于2012年1月10日受黑龍江省水利廳委托，進(jìn)行審查中發(fā)現(xiàn)該水庫(kù)是一座引水式渠道型水庫(kù)，因此，不能采用常規(guī)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)度運(yùn)用。故特提出了幸福水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度運(yùn)用方案。

1 工程概況

幸福水庫(kù)位于綏化市北林區(qū)雙河鎮(zhèn)西南村，距綏化市區(qū)35 km，呼蘭河中游右岸。該水庫(kù)利用幸福灌區(qū)引水渠修建而成，即由幸福渠首進(jìn)水閘到灌溉節(jié)制閘之間6.75 km土堤圍成的引水式渠道型水庫(kù)。雙河灌區(qū)的30 km2區(qū)域內(nèi)排水泄入該水庫(kù)。

2 水文

幸福水庫(kù)壩址以上匯水面積30 km2，多年平均年徑流量240.3萬(wàn)m3，多年平均年徑流深80.1 mm;灌溉保證率P= 75%相應(yīng)的年徑流量72.1萬(wàn)m3，變差系數(shù)0.98。

呼蘭河干流上的秦家水文站以上流域面積9 809 km2，幸福渠首位于秦家水文站上游約20 km左右處，秦家水文站～幸福渠首區(qū)間內(nèi)無(wú)較大的支流匯入，故幸福渠首以上流域面積接近于9 809 km2。多年平均年徑流量18.0億m3，多年平均年徑流深183.7 mm;灌溉保證率P=75%相應(yīng)的年徑流量10.3億m3，變差系數(shù)0.58。

幸福水庫(kù)洪峰流量Cp=3.87，Cvm=2.42，Cs/Cv=2.25;最大1 d洪量B1=94.2，Cv1=2.34，Cs/Cv=2.25;最大3 d洪量B3=193.4，Cv3=1.83，Cs/Cv=2.25。設(shè)計(jì)洪水(P=5%)洪峰流量37.8 m3/s，最大1 d洪量181萬(wàn)m3，最大3 d洪量348萬(wàn)m3;校核洪水(P=1%)洪峰流量90.5 m3/s，最大1 d洪量423萬(wàn)m3，最大3 d洪量702萬(wàn)m3。

3 工程任務(wù)

幸福水庫(kù)是一座以灌溉為主，兼顧水力發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游等綜合利用的引水式、渠道型、平原性中型水庫(kù)。

該水庫(kù)原設(shè)計(jì)水田灌溉面積4 000 hm2，現(xiàn)狀實(shí)際水田灌溉面積4 600 hm2，消險(xiǎn)加固工程竣工后設(shè)計(jì)水田灌溉面積4 600 hm2。原設(shè)計(jì)年發(fā)電量450萬(wàn)kW·h，現(xiàn)狀實(shí)際年發(fā)電量300萬(wàn)kW.h，除險(xiǎn)后年發(fā)電量317萬(wàn)kW·h。養(yǎng)魚(yú)水面0.031萬(wàn)hm2，產(chǎn)魚(yú)量2.5萬(wàn)kg/a。

4 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及灌溉保證率

該水庫(kù)原設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200 a一遇。按《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201－94)衡量，本水庫(kù)樞紐工程為Ⅲ等，規(guī)模為中型，而且壩高＜15 m，上下游水頭差＜10 m，因此，可按《防洪標(biāo)準(zhǔn)》中平原區(qū)確定設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇。

該水庫(kù)水田灌溉保證率取P=75%。

5 工程規(guī)模

幸福水庫(kù)原設(shè)計(jì)死水位156.5 m，相應(yīng)死庫(kù)容184萬(wàn)m3;現(xiàn)狀和本次設(shè)計(jì)死水位仍為156.5 m，相應(yīng)死庫(kù)容174萬(wàn)m3，比原設(shè)計(jì)少10萬(wàn)m3(主要是泥沙淤積造成)。原設(shè)計(jì)正常蓄水位159.20 m，相應(yīng)庫(kù)容942萬(wàn)m3;現(xiàn)狀和本次設(shè)計(jì)正常蓄水位仍為509 m，相應(yīng)庫(kù)容912萬(wàn)m3，比原設(shè)計(jì)少30萬(wàn)m3。水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容原設(shè)計(jì)為758萬(wàn)m3，現(xiàn)狀和本次設(shè)計(jì)水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容738萬(wàn)m3，比原設(shè)計(jì)少20萬(wàn)m3。原設(shè)計(jì)、現(xiàn)狀、本次設(shè)計(jì)汛限水位均采用正常蓄水位159.20 m，原設(shè)計(jì)、現(xiàn)狀、本次設(shè)計(jì)均采用正常蓄水位159.20 m作為設(shè)計(jì)洪水位，原校核(P=0.5%)總庫(kù)容為1 235萬(wàn)m3，校核洪水位約160.30 m，本次復(fù)核后校核(P=1%)總庫(kù)容為1038萬(wàn)m3，校核洪水位約159.65 m。

該水庫(kù)原設(shè)計(jì)水田灌溉面積0.40萬(wàn)hm2，現(xiàn)狀和本次設(shè)計(jì)水田灌溉面積0.46萬(wàn)hm2，選擇的凈灌溉定額5 860.5 m3/hm2，灌溉水利用系數(shù)0.60，毛灌溉定額9 768 m3/hm2，灌溉保證率P=75%需水量為4 493.3萬(wàn)m3。

該發(fā)電站于 1972年開(kāi)始并網(wǎng)發(fā)電，設(shè)計(jì)裝機(jī)容量800 kW，現(xiàn)已運(yùn)行近40 a，安裝4臺(tái)單機(jī)容量200 kW水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)額定流量7 m3/s，發(fā)電流量為28 m3/s，現(xiàn)狀年發(fā)電量300萬(wàn)kW·h，多年平均年發(fā)電量340萬(wàn)kW·h，保證率P=75%來(lái)水年發(fā)電量317萬(wàn)kW·h。

6 主要建筑物

6.1 土壩工程

該水庫(kù)土壩為均質(zhì)壩，壩頂長(zhǎng)度6.75 km，最大壩高5.86 m，平均壩高4.5 m，平均壩頂寬度4 m，現(xiàn)狀壩頂高程160.16～162.55 m。

土壩共分上、下兩段，上段(2.75 km)為呼蘭河干流防洪堤段，無(wú)護(hù)坡，壩體沖刷破壞嚴(yán)重;下段(4 km)為水庫(kù)土壩段，有護(hù)坡，高程157.0～158.5 m為塊石護(hù)坡，高程158.5～159.4 m為混凝土塊護(hù)坡。

6.2 灌溉閘

該閘位于大壩樁號(hào)6+750處，閘底高程為156.5 m，共3孔，每孔凈寬2.3 m，設(shè)計(jì)過(guò)閘流量16 m3/s。

6.3 發(fā)電閘

現(xiàn)狀發(fā)電閘兼作泄洪閘，位于大壩樁號(hào)6+700處，共4孔，每孔凈寬3.6 m，總凈寬14.4 m，堰頂高程159.20 m。總裝機(jī)容量800 kW，安裝4臺(tái)單機(jī)容量200 kW水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)額定流量7 m3/s，發(fā)電流量為28 m3/s，現(xiàn)狀年發(fā)電量300萬(wàn)kW·h，多年平均年發(fā)電量340萬(wàn)kW·h。

發(fā)電閘進(jìn)口高程155.97 m，正常蓄水位159.20 m，發(fā)電水頭為159.20－155.97 m=3.23 m，按總裝機(jī)容量800 kW估算，該水電站的出力系數(shù)為7.5左右。

6.4 溢洪道

該溢洪道位于大壩樁號(hào)6+700處，現(xiàn)水電站的上部，堰頂高程159.20 m，堰頂凈寬15 m，該泄洪建筑物為有閘開(kāi)敞式溢洪道，下游無(wú)控泄要求。

6.5 幸福渠首

幸福渠首進(jìn)水閘已列入《幸福灌區(qū)渠首樞紐除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)》中，故本次消險(xiǎn)加固中不進(jìn)行評(píng)價(jià)及設(shè)計(jì)。渠首進(jìn)水閘正常引水流量為33 m3/s，加大引水流量約40 m3/s左右。

7 水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度

幸福水庫(kù)是一座以農(nóng)田灌溉為主，兼顧水力發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游等綜合利用的引水式、渠道型、平原性中型水庫(kù)，故在確保農(nóng)田灌溉和水庫(kù)本身防洪安全的前提下，盡量多發(fā)電。單純從水庫(kù)本身防洪安全角度考慮，庫(kù)水位應(yīng)該越低越安全，而從水力發(fā)電增加效益方面考慮，庫(kù)水位應(yīng)該越高越好。因此，該水庫(kù)具體調(diào)度運(yùn)用中興利(灌溉、發(fā)電)和水庫(kù)本身防洪是需要協(xié)調(diào)的一對(duì)矛盾，應(yīng)該尋求較優(yōu)的調(diào)度運(yùn)用方式來(lái)解決這一矛盾，具體的調(diào)度運(yùn)用方式如下:

7.1 興利調(diào)度

7.1.1 灌溉期發(fā)電

每年進(jìn)入灌溉期(4月中旬—8月下旬)后，當(dāng)呼蘭河干流來(lái)水流量Qt≤10 m3/s(P=75%情況下灌溉臨界期最大灌溉流量)時(shí)，幸福渠首進(jìn)水閘全部開(kāi)啟，并開(kāi)啟灌溉閘后按正常灌溉供水流量放水，但必須停止發(fā)電;當(dāng)呼蘭河干流來(lái)水流量10 m3/s＜Qt≤38 m3/s(4臺(tái)發(fā)電機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷發(fā)電流量28 m3/s+灌溉臨界期最大灌溉流量10 m3/s)時(shí)，幸福渠首進(jìn)水閘全部開(kāi)啟，并開(kāi)啟灌溉閘后按正常灌溉供水流量放水，同時(shí)先開(kāi)啟一臺(tái)機(jī)組發(fā)電，若庫(kù)水位逐漸上升，則再開(kāi)啟一臺(tái)機(jī)組發(fā)電，否則關(guān)閉一臺(tái)機(jī)組發(fā)電，一直到庫(kù)水位始終保持在正常蓄水位159.20 m為止;當(dāng)呼蘭河干流來(lái)水流量Qt＞38 m3/s時(shí)，幸福渠首進(jìn)水閘的引水流量控制在38 m3/s左右，并開(kāi)啟灌溉閘后按正常灌溉供水流量放水，同時(shí)開(kāi)啟全部機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷發(fā)電，庫(kù)水位始終保持在正常蓄水位159.20 m不變?yōu)楹谩?/p>

7.1.2 非灌溉期發(fā)電

每年進(jìn)入灌溉期結(jié)束后(9—10月)，當(dāng)呼蘭河干流來(lái)水流量Qt＞28 m3/s(最大發(fā)電流量4×7 m3/s)時(shí)，幸福渠首進(jìn)水閘引水流量控制在28 m3/s左右，并開(kāi)啟全部機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷發(fā)電，庫(kù)水位始終保持在正常蓄水位159.20 m不變;當(dāng)呼蘭河干流來(lái)水流量Qt≤28 m3/s(4臺(tái)發(fā)電機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷發(fā)電流量28 m3/s)時(shí)，幸福渠首進(jìn)水閘全部開(kāi)啟，并先開(kāi)啟一臺(tái)機(jī)組發(fā)電，若庫(kù)水位逐漸上升，則再開(kāi)啟一臺(tái)機(jī)組發(fā)電，否則關(guān)閉一臺(tái)機(jī)組發(fā)電，一直到庫(kù)水位始終保持在正常蓄水位159.20 m為止。

7.2 防洪調(diào)度

每年進(jìn)入汛期(7—8月)后，根據(jù)秦家水文站的實(shí)測(cè)降雨量資料，進(jìn)行關(guān)閉或開(kāi)啟幸福渠首處進(jìn)水閘門(mén)，因此，每年汛期必須派專(zhuān)人24 h值班。

當(dāng)秦家雨量站實(shí)測(cè)到的降雨量為30～50 mm時(shí)，關(guān)閉部分進(jìn)水閘門(mén)，降雨量P＞50 mm時(shí)，關(guān)閉所有的進(jìn)水閘門(mén)。

在關(guān)閉進(jìn)水閘門(mén)后，灌溉閘門(mén)正常開(kāi)啟，P=75%保證率情況下，灌溉期供水流量4～10 m3/s;發(fā)電閘門(mén)也正常開(kāi)啟，發(fā)電流量為28 m3/s(4臺(tái)發(fā)電機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷發(fā)電流量28 m3/s);正常灌溉和發(fā)電流量合計(jì)為38 m3/s左右，并參與泄洪。這時(shí)若庫(kù)水位Ht持續(xù)下降約0.20 m左右至159.0 m時(shí)，說(shuō)明入庫(kù)洪水流量小于正常灌溉和發(fā)電流量38 m3/s，則開(kāi)啟部分進(jìn)水閘補(bǔ)水至庫(kù)水位Ht達(dá)到正常蓄水位159.20m為止，當(dāng)溢流堰頂出現(xiàn)溢流時(shí)，逐漸關(guān)閉已打開(kāi)的渠首進(jìn)水閘門(mén)，控制補(bǔ)水至庫(kù)水位Ht始終保持在正常蓄水位159.20 m為好。

在這種情況下，當(dāng)發(fā)生設(shè)計(jì)洪水(P=5%)時(shí)，即設(shè)計(jì)洪峰流量37.8 m3/s，最大1 d洪量181萬(wàn)m3，最大3 d洪量348萬(wàn)m3，經(jīng)調(diào)洪計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)最高洪水位159.20 m(正常蓄水位)，相應(yīng)庫(kù)容為912萬(wàn)m3，最大下泄流量38 m3/s。

當(dāng)發(fā)生校核洪水(P=1%)時(shí)，即校核洪峰流量90.5 m3/s，最大1 d洪量423萬(wàn)m3，最大3 d洪量702萬(wàn)m3，水庫(kù)調(diào)洪演算過(guò)程如下:

該水庫(kù)起調(diào)水位為159.20 m(正常蓄水位H正)，在幸福渠首進(jìn)水閘關(guān)閉，開(kāi)啟灌溉閘和發(fā)電閘門(mén)后正常放流的情況下，當(dāng)來(lái)水流量Qt≤38 m3/s時(shí)，庫(kù)水位Ht下降至H1，相應(yīng)庫(kù)容V1=V正－△V1，下泄流量q1=38 m3/s。

當(dāng)來(lái)水流量Qt＞38 m3/s時(shí)，庫(kù)水位Ht上升至H2，相應(yīng)庫(kù)容V2=V1+△W1=V正－△V1+△W1，∵△V1=△W1，∴V2=V正，H2=H正=159.20 m，下泄流量q2=38 m3/s。

當(dāng)來(lái)水流量Qt≥q3時(shí)，庫(kù)水位Ht繼續(xù)上升至H3＞159.20 m，相應(yīng)庫(kù)容V3=V正+△V2，這時(shí)段內(nèi)溢洪道有下泄流量q溢，故最大的下泄流量qmax=q3=38 m3/s+q溢，因此，H3=Hmax(最高洪水位)，V3=Vmax(最大庫(kù)容)，q3=qmax(最大下泄流量)。

當(dāng)來(lái)水流量38 m3/s≤Qt＜q3時(shí)，庫(kù)水位 Ht下降至H4=H正=159.20 m，相應(yīng)庫(kù)容V4=V3－△W2=V正+△V2－△W2，∵△V2=△W2，∴V4=V正，這時(shí)溢洪道和灌溉、發(fā)電閘的泄流量，從qt逐漸減小至38 m3/s。

當(dāng)來(lái)水流量Qt＜38 m3/s時(shí)，為了保持庫(kù)水位Ht=H正= 159.20 m，立即開(kāi)啟渠首進(jìn)水閘后，控制引水流量Q引，使入庫(kù)流量Qt+Q引=38 m3/s。

經(jīng)調(diào)洪計(jì)算結(jié)果，當(dāng)發(fā)生校核洪水(P=1%)時(shí)，初步估算的最高洪水位H1%＜159.65 m，最大庫(kù)容V1%＜1 038萬(wàn)m3，最大下泄流量q1%＜38+8=46 m3/s。

幸福水庫(kù)現(xiàn)狀壩頂高程160.16～162.55 m，故在校核洪水位159.65 m情況下，現(xiàn)狀壩頂高程超高為0.51～2.90 m，平均超高約 1.705 m。幸福水庫(kù)現(xiàn)狀最低處壩頂高程(160.16 m)滿(mǎn)足不了水庫(kù)本身的防洪要求，因此，進(jìn)行加高培厚大壩是非常必要的。

［1］ 黑龍江農(nóng)墾勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.黑龍江省綏化市北林區(qū)幸福水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.哈爾濱:黑龍江農(nóng)墾勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2011.