黃河天橋水電站除險加固后運行調度方式研究

陳松偉，周麗艷，崔振華，藺 冬，段高云

(黃河勘測規劃設計有限公司，河南 鄭州 450003)

1 工程概況

天橋水電站是黃河中游北干流上第一座低水頭河床式徑流電站，壩址控制流域面積40.4萬km2，上距萬家寨和龍口水電站分別為95、70 km，下距山西保德、陜西府谷兩縣約8 km。水庫正常蓄水位834 m，相應原始庫容0.67億m3，相應設計有效庫容2 844萬m3;死水位828 m，死庫容1 139萬m3。水電站于1970年4月動工修建，1978年7月4臺機組全部并網發電，1980年底工程竣工。水電站的除險加固工程于2009年3月開工建設，2012年10月完成了主體工程施工，增加了兩孔泄洪閘及四孔排沙底孔。

天橋水電站總裝機容量12.8萬kW，2.8萬kW和3.6萬kW單機各兩臺，4臺機滿發最大流量為878 m3/s，水位低于828 m時機組停止發電，根據現場調研得知，每年機組大修和小修共需要4個月。2000年～2010年天橋水電站年平均入庫水量為150億m3，年平均發電量為5.29億kW·h。

2 排沙運用指標

2.1 不同流量級庫區沖淤特性

1990年～2010年天橋水電站水位在830 m上下運用時，不同流量級的庫區沖淤特性見表1。從表1可以看出，在830 m水位以上運用時，庫區以淤積為主，淤積主要集中在小于1 000 m3/s的流量級，占總淤積量的80.1%;在830 m水位以下運用時，庫區以沖刷為主，沖刷主要集中在1 000 m3/s以上的流量級，占總沖刷量的92.8%。另外，根據桃汛期場次洪水平均流量與庫區日平均沖淤量相關關系分析，當桃汛期平均入庫流量大于1 000 m3/s時，最大沖刷強度可以達到120萬t/d。

表1 天橋水電站不同流量級庫區沖淤量

2.2 皇甫川場次洪水庫區沖淤特性

根據皇甫川水文站實測洪水資料，點繪了皇甫川發生500 m3/s量級以上洪水時，壩前日均水位與庫區沖淤量相關關系見圖1。

圖1 皇甫川洪峰流量大于500 m3/s時天橋壩前水位與庫區沖淤量相關關系

從圖1可以看出，當壩前水位低于828 m時，庫區以沖刷為主。

綜合分析，天橋水電站排沙運用指標為:汛期和桃汛期可以利用大于1 000 m3/s的流量降低水位至830 m以下排沙運用;當皇甫川發生大于500 m3/s洪水時，可將水位降至828 m以下排沙運用。

3 排凌運用指標

3.1 流凌封河期(11月下旬～12月底)

萬家寨、龍口水庫修建后，天橋庫區冰花主要來自龍口以下河段，流凌日期推遲，河段冰量也相對減少。天橋水電站流凌開河期壩前水位較為平穩，多年平均水位為833.17 m，除2009年～2010年度控制在832～832.5 m外，其余年份多控制在833～834 m之間。流凌封河期多年平均入庫流量為344 m3/s，一般入庫流量為100～600 m3/s，當流凌封河期入庫流量大于600 m3/s時，壩前水位多有降低。因此，流凌期一般情況下水電站運行水位可控制在833～834 m之間，若流凌期流量大于600 m3/s時，運行水位可降至832 m。

3.2 穩定封凍期(翌年1月初～2月底)

當天橋庫區形成穩定冰蓋后，河道內不再產生冰花，凌情比較穩定，一般不會發生凌災。天橋水電站穩定封凍期多年平均壩前水位為833.33 m，除2009年～2010年度水位控制在831.5～832.5 m外，多控制在833～834 m之間。封凍期多年平均入庫流量為330 m3/s，一般入庫流量多為200～500 m3/s。因此，一般情況下穩封期庫水位可按正常高水位834 m運行，充分利用有效庫容，提高水能利用率，避免或減少棄水。但要注意避免或減少調峰運行，防止水位大幅度的變化。同時萬家寨及龍口水庫下泄流量要保持相對穩定，下泄流量應控制在800 m3/s以下。

3.3 開河期(翌年3月)

開河期大量流冰易形成冰壩造成冰凌災害，天橋水電站開河期多年平均壩前水位為833.33 m，除2009年～2010年度外，其余年度壩前水位均控制在832～834 m之間。開河期多年平均入庫流量為673 m3/s，當上游凌峰到來前，庫區驟降水位排庫冰，排冰水位多控制在824～826 m。因此，在開河期應適當降低庫水位，將庫水位控制在832～834 m，浮動庫水位使庫冰開裂解體。當庫區及回水末端發生冰壩時，應開啟泄洪閘驟降水位排冰，促使冰壩潰決。在上游凌峰入庫前，應根據庫冰的融解情況決定是否需要排凌運用。

4 運行方案擬定

結合天橋水電站不同階段擬定的運用方式及實際運行總結，通過綜合分析，擬定以下4種運行方案。

(1)方案一。7月～8月運用水位830 m;9月～10月運用水位832 m;萬家寨、龍口水庫排沙時，天橋水電站運用水位830 m;非汛期按834 m水位蓄水運用。

(2)方案二。7月～8月運用水位830 m;9月～10月運用水位832 m;萬家寨、龍口水庫排沙時，天橋水電站運用水位828 m;流凌期流量大于600 m3/s時運用水位832 m;開河期當庫容小于設計上線有效庫容(2 003萬m3)時，利用大于1 000 m3/s的流量進行降水排沙運用，運用水位828 m;皇甫川洪峰流量大于500 m3/s時，控制運用水位828 m;非汛期其余時間水位按834 m蓄水運用。

(3)方案三。7月～8月運用水位830 m;9月上半月運用水位830 m，9月下半月～10月底運用水位832 m;其余時間運用水位同方案二。

(4)方案四。該方案為天橋水電除險加固期間調度運行方案。6月1日 ～7月4日運用水位833.5 m。7月 5日 ～8月底當入庫流量小于2 000 m3/s時，運用水位832 m;入庫流量在2 000～3 000 m3/s時，運用水位830 m;入庫流量大于3 000 m3/s或含沙量大于300 kg/m3時，運用水位824 m。9月當入庫流量小于1 500 m3/s時，運用水位833.5 m;入庫流量在1 500～3 000 m3/s時，運用水位832 m;入庫流量大于3 000 m3/s時，運用水位824 m。10月當入庫流量小于1 500 m3/s時，運用水位833.5 m;入庫流量大于1 500 m3/s時，運用水位832 m。11月下旬至12月上旬運用水位833.5 m。非汛期其余時間運用水位834 m。

5 運行方案比選

選取龍劉水庫影響后的1987年7月～1997年6月實測水沙系列及2012年萬家寨水庫實測庫容曲線，根據萬家寨水庫的運用方式，采用經驗數學模型進行了水庫“蓄清排渾”計算，通過調節后的萬家寨出庫水沙過程加上區間支流對應的實測水沙過程，得到天橋水電站的設計入庫水沙過程，年均入庫水量和沙量為174.2億m3和1.26億t，其中汛期水沙量分別為72.5億m3和1.21億t。根據擬定的入庫設計水沙條件及2012年庫區邊界條件，利用一維水動力學數學模型計算了不同方案下庫區沖刷效果及沖淤形態，并對各方案的發電量進行了計算。

5.1 庫區沖淤量

庫區沖淤不僅和入庫水沙量有關，還與壩前水位、庫區前期的沖淤量有關。計算的4個方案庫區年均沖淤量依次分別為40萬、－50萬、－53萬m3和89萬m3。方案一在萬家寨水庫排沙時，天橋水電站控制830 m水位運用，水庫汛期年均淤積436萬m3，經凌汛期沖刷后年均淤積40萬m3;方案二在萬家寨水庫排沙時及皇甫川來大水時天橋水電站降至828 m水位運用，水庫汛期年均淤積554萬m3，經凌汛期沖刷后多年平均沖刷50萬m3;方案三9月上半月維持830 m水位運用，在萬家寨水庫排沙及皇甫川來大水時天橋水電站降至828 m水位運用，水庫汛期年均淤積467萬m3，經凌汛期沖刷后多年平均沖刷53萬m3;方案四汛期運用水位偏高，水庫淤積量較大，經凌汛期沖刷后年均淤積89萬m3。因此，從庫區沖淤角度考慮，方案二和方案三效果較好。

5.2 有效庫容

各方案計算的庫區歷年庫容見表2。各方案時段末834 m水位以下庫容分別為1 131萬、2 013萬、2 011萬m3和600萬m3。計算的10年系列中，方案一有6年庫容大于設計上線有效庫容(2 003萬m3);方案二、方案三均有8年庫容大于設計上線有效庫容;方案四只有1年庫容大于設計上線有效庫容。因此，從恢復庫容角度考慮，方案二、方案三效果較好。

表2 不同方案庫區834 m水位以下庫容計算結果 萬m3

5.3 淤積形態

不同方案計算庫區淤積形態見圖2。方案一由于非汛期水位較高，壩前20 km范圍內發生淤積，距壩20 km以上河段沖淤變化不大，壩前淤積高程為828.9 m。方案二在萬家寨水庫排沙時水位較低，并利用皇甫川大流量降水排沙運用，壩前5 km范圍內發生沖刷，距壩5～10 km范圍內發生淤積，距壩10 km以上河段沖淤變化不大，壩前淤積高程為820.8 m。方案三汛期低水位運用時間延長，但桃汛期降水沖刷次數減少，壩前5 km范圍內發生沖刷，距壩5～10 km范圍內發生淤積，距壩10 km以上河段沖淤變化不大，壩前淤積高程為819.7 m。方案四汛期運用水位較高，基本全河段發生淤積，壩前淤積高程為830.4 m。因此，從庫區淤積形態分析，方案二、方案三優于其他方案。

圖2 不同方案庫區淤積形態

5.4 發電量

根據擬定的不同水庫運用方案和各流量級水庫發電運用消落深度分析成果，對設計系列的發電量進行了計算，各方案年均發電量分別為5.56億、5.63億、5.53億、5.38億kW·h。方案一、二、三發電量差別不大，其中方案二發電量最大，方案三與方案一相比，汛期9月份發電水位偏低，流凌期11月下旬及12月流量大于600 m3/s時降低運用水位至832 m，發電量比方案一略小。方案四盡管汛期發電水位高，但是由于庫容小，發電量在4個方案中最小。

從庫區年平均沖淤量、時段末庫容、滿足設計上線有效庫容年數、庫區淤積形態及發電量等5個方面對各方案進行比選，經綜合分析，推薦方案二作為除險加固后運行調度方案。

6 結論

(1)天橋水電站汛期和桃汛期可以利用大于1 000 m3/s的流量，降低水位至830 m以下排沙運用;當皇甫川發生大于500 m3/s洪水時，可將庫水位降至828 m以下排沙運用。

(2)萬家寨、龍口水庫運用后，流凌期一般情況下天橋電站可正常發電，若流凌期流量大于600 m3/s時，運行水位可降至832 m控制;一般情況下穩封期庫水位可按正常高水位834 m運行，同時萬家寨及龍口水庫下泄流量應控制在800 m3/s以下;開河期應根據庫冰的融解情況決定是否需要排凌運用。

(3)推薦天橋水電站除險加固后運用方式為:汛期7月～8月運用水位830 m;9月～10月運用水位832 m;萬家寨、龍口水庫排沙時，天橋水電站運用水位828 m。流凌期流量大于600 m3/s時，運用水位832 m;開河期當庫容小于設計上線有效庫容時，利用大于1 000 m3/s的流量進行降水排沙運用，運用水位828 m;皇甫川洪峰流量大于500 m3/s時，控制運用水位828 m;非汛期其余時間水位按834 m蓄水運用。

［1］韓其為.水庫淤積［M］.北京:科學出版社，2003.

［2］張瑞瑾，謝鑒衡，等.河流泥沙動力學［M］.北京:中國水利水電出版社，1998.

［3］李國慶，杜全勝，王二平，等.黃河天橋水電站運行方式探討［J］.華北水利水電學院學報，2005，26(3):4-6.

［4］劉守忠，周滿生，馬伯龍.黃河天橋水庫的運用方式與庫區淤積［J］.陜西水力發電，1996，12(2):41-47.

［5］劉錫田.黃河天橋水電站工程建設及泥沙處理主要經驗［J］.山西水利科技，2003(3):1-5.

［6］李福生，王寶玉，王軍良.萬家寨水電站投運后對天橋水電站發電的影響［J］.人民黃河，2002(1):41-43.

［7］馬祥斌，支余慶，王育杰.萬家寨—天橋水庫聯合調度問題初探［J］.內蒙古電力技術，2000(4):16-18.

［8］張永勝，韓宏韜，麻長信，等.蒲石河抽水蓄能電站水沙調度方式初探［J］.水力發電，2012，38(5):11-13.