蒲石河抽水蓄能電站水沙調度方案研究

郭紅永，李明凱，楊 凱，王培杰，于思雨，高璽煒

（遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧省丹東市 118216）

蒲石河抽水蓄能電站水沙調度方案研究

郭紅永，李明凱，楊 凱，王培杰，于思雨，高璽煒

（遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧省丹東市 118216）

抽水蓄能電站往往有兩個獨立的水庫，不存在水沙調度的問題，而位于天然河道上的常規水電站的水沙調度往往只受天然入庫流量，不受機組發電流量的影響，因此為了研究下水庫中泥沙與抽水蓄能機組的相互影響，編制了抽水蓄能電站水沙調度方案。文章從水庫泥沙特性、泥沙對機組影響、泥沙對上水庫淤積、水庫排沙后回蓄等方面進行了分析研究，綜合比較各預設方案制定了符合現場實際的水沙調度方案，該方案對下水庫處于天然河道的抽水蓄能電站有著借鑒和參考的意義。

抽水蓄能；過機泥沙；水庫淤積；水沙調度；方案研究

遼寧蒲石河抽水蓄能電站下水庫位于鴨綠江右岸的一條一級支流蒲石河上，蒲石河全長121.8km，河床多由砂卵石組成。下水庫壩址位于蒲石河下游的王家街村附近，汛期受流域強降雨影響，下水庫會產生短時的大洪峰流量，伴隨著洪水流量的增大，入庫的泥沙含量也急劇增大，為了減少泥沙對上、下水庫淤積，對機組磨損的影響，需要制定下水庫的水沙調度方案。本研究采用了下水庫未建立大壩前壩址下游水文站的測量數據，通過試驗模型比較，結合理論分析，對抽水蓄能電站的水沙調度方案進行了比選和研究。

1 泥沙特性

1.1 入庫輸沙量

蒲石河抽水蓄能電站在可研設計時通過建立分月水沙相關關系插補延長懸移質泥沙資料系列，推得1958～1993年共36年懸移質泥沙資料系列，據此統計多年平均入庫懸移質輸沙量為43.9×104t，多年平均含沙量為0.587kg/m3。推移質泥沙根據上游已建電站水庫泥沙淤積測量成果，估算得多年平均推移質入庫輸沙量為13.3×104t。

1.2 懸移質泥沙顆粒級配

本流域開展過懸移質泥沙顆粒分析工作，蒲石河抽水蓄能電站可研設計始于1994年汛期，在水文站開展了懸移質泥沙顆粒分析，懸移質泥沙中值粒徑為0.062mm，平均粒徑為0.071mm。

1.3 床沙顆粒級配

蒲石河抽水蓄能電站可研設計時在下水庫進/出水口附近進行了床沙取樣及顆粒分析工作，床沙中值粒徑為61.0mm。

1.4 入庫泥沙特性

蒲石河流域泥沙主要為暴雨侵蝕地表所致，流域輸沙過程與洪水過程相應，但沙量較洪量更為集中，主要集中在10～20h內，典型水沙過程線見圖1。實測瞬時最大含沙量為19.0kg/m3，最大日平均含沙量為8.82kg/m3（1979年6月26日）。分析幾個大水大沙年實測資料，1979年最大一日輸沙量約占年輸沙量的70.3%，最大兩日輸沙量約占年輸沙量的97.3%。雖然流域多年平均含沙量為0.587kg/m3，但沙量主要集中在幾場大洪水過程中的幾天內，其余絕大部分時間水流含沙量很小。統計水文站1958～1993年日平均含沙量，含沙量大于0.5kg/m3的平均每年天數僅為3.9天，最多年份也僅為16天；含沙量大于1.0kg/m3的平均每年天數僅為1.9天，最多年份也僅為9天；其他時間幾乎是清水。水文站含沙量大于某值出現天數見表1。蒲石河流域輸沙量年際變化較大，實測最大年輸沙量為164×104t（1985年），實測最小年輸沙量為0.754×104t（1976年），二者相差達218倍。

2 下水庫排沙運行方案研究

2.1 排沙運行方案擬定

蒲石河流域輸沙過程與洪水過程相應，但沙量較洪量更為集中，大洪水年份入庫輸沙量主要集中在洪峰附近數小時內；下水庫泄流能力很大，具備低水位大流量的排沙沖刷能力，且即使遇到設計或校核標準洪水，其泄流能力滿足大壩自身安全運行的要求；由于蒲石河抽水蓄能電站不承擔供水和下游防洪任務，下水庫庫容較小，汛期降低水位運行后，具備很快蓄水，并恢復到高水位運行的條件，對電站效益影響很小。綜合以上條件分析，下水庫宜采用非汛期抬高運行水位、汛期降低運行水位的“蓄清排渾”排沙運行方式。

根據流域洪水特性、輸沙特性、水庫特性和電站功能等條件，本次按分級流量控制，擬定了四個運行方案，具體見表2。

2.2 排沙運行方案比較

根據擬定的下水庫排沙運行方案，以1958～1993年共36年系列為基礎，利用建立的下水庫泥沙沖淤數學模型分別進行不同運行方案運行36、50年的泥沙沖淤計算，從下水庫泥沙淤積量、過機沙量和粒徑、上水庫泥沙淤積量等三個方面對比分析各方案的排沙效果。

下水庫泥沙沖淤計算時，懸移質中的沖瀉質不參與河床變形。床沙質與沖瀉質的劃分采用目前較常用的懸浮指標作為判別標準，懸浮指標大于或等于0.06時屬于床沙質，懸浮指標小于0.06時屬于沖瀉質。懸移質泥沙沖淤判別標準采用恢復飽和系數a，當所有分組懸移質泥沙都沖刷時為河床顯著沖刷，取a=1.0；當所有分組懸移質泥沙都淤積時為河床顯著淤積，取a=0.25；當部分懸移質泥沙沖刷、部分懸移質泥沙淤積時，為河床沖淤交替，取a=0.50。

2.2.1 下水庫泥沙淤積量

根據不同方案泥沙淤積計算成果分析，運行水位高，泥沙淤積量大，運行水位低，泥沙淤積量小，不同方案下水庫淤積量成果見表3。雖然由于各方案運行水位相差較小，下水庫泥沙總淤積量相差相對不大，但有效庫容內的泥沙淤積量相差較大。從表3可以看出，方案Ⅰ泥沙淤積量最大，運行50年總淤積量為1496×104m3（66.0m以下），懸移質泥沙排沙比為51.8%，有效庫容內淤積量為358×104m3，占有效庫容的28.5%。方案Ⅱ汛期運行水位較方案Ⅰ降低了0.64m，但庫內淤積量沒有顯著改善。方案Ⅲ、方案Ⅳ采取了汛期大洪水時降低庫水位的運行方式，排沙比增大，水庫淤積量特別是有效庫容內淤積量大幅度減少。方案Ⅳ運行50年總淤積量為769×104m3，懸移質泥沙排沙比為70.6%，有效庫容內淤積量為33.3×104m3，僅占有效庫容的2.65%。

綜上可見，下水庫采用汛期臨時降低庫水位的運行方式，可有效控制有效庫容的淤積損失。

2.2.2 過機沙量和粒徑

不同方案過機沙量和粒徑計算成果見表4。由表可見，高水位運行方案過機沙量較小，顆粒組成較細，低水位運行方案過機沙量增大，顆粒組成略微變粗，且與天然狀態的顆粒組成相近。由于蒲石河抽水蓄能電站為低水頭樞紐，調節庫容小，泄流能力大，大洪水期水庫接近天然河道狀態，而高含沙量主要集中在汛期大洪水期間的數小時內，因此不同水位運行方案對過機沙量和粒徑的影響不明顯。如方案Ⅰ在50年內最大過機含沙量為15.4kg/m3，方案Ⅳ為16.8 kg/m3，天然實測最大含沙量為19.0 kg/m3；方案Ⅰ在50年內過機泥沙中值粒徑為0.053mm，方案Ⅳ為0.061mm，天然為0.062mm；方案Ⅰ運行50年過機總沙量為48.4×104t，方案Ⅳ為70.1×104t，方案Ⅳ較方案Ⅰ過機總沙量有一定幅度增加，但過機總沙量仍然很少，多年平均過機含沙量僅為0.0057kg/m3。

各運行方案最大過機含沙量雖然很大，方案Ⅳ可達16.8 kg/m3，但高含沙量出現歷時極短。以方案Ⅳ為例，統計過機含沙量大于某值出現時間（成果見表5），由表5可見，50年內過機含沙量大于15kg/m3總歷時僅為2小時；大于5.0kg/m3總歷時為22h；大于1.0 kg/m3總歷時為140h，平均每年僅為2.8h，最多年份也僅為16h；大于0.1kg/m3平均每年為38h，不到2天，最多年份為60h，不到2天。

2.2.3 上水庫泥沙淤積量

各方案上水庫淤積量均很小，運行50年上水庫總淤積量在13×104～24×104t之間，方案Ⅳ上水庫淤積量為20×104t，僅占上水庫調節庫容的2%，多年平均淤積量僅為0.4×104t，對上水庫有效庫容無明顯影響。上水庫泥沙淤積量計算成果見表6。

2.3 水庫回蓄方案分析

為保證電站正常運行，采用汛期降低庫水位排沙運行，需要在洪水過后退水階段回蓄水量，已滿足發電用水要求，否則將影響電站經濟效益的發揮。為此，需選擇恰當的時機回蓄水量，并具有較高的保證程度。本次以運行水位最低的方案Ⅳ進行回蓄方案分析。

2.3.1 回蓄方案擬定

根據流域的徑流特性、洪水特性、水庫特性和電站用水過程，本次擬定了2個回蓄方案。

方案1：下水庫回蓄起始水位為死水位62.00m，洪峰過后退水階段入庫流量小于500m3/s下閘蓄水。

方案2：下水庫回蓄起始水位為死水位62.00m，洪峰過后退水階段入庫流量小于600m3/s下閘蓄水。

2.3.2 回蓄階段控制下泄流量

下水庫壩址以下包括下游河道生態環境用水、下游居民生活生產（大棚及魚塘）用水、下游已建電站用水等。

根據下水庫蓄水驗收階段調查分析成果：下游生態環境對最小流量要求為1.54 m3/s，沿江兩岸居民生活用水約為5m3/s，蔬菜大棚灌溉取水水位要求流量5～10 m3/s。下游兩個小水電站均為徑流式電站，機組最大引用流量37.64m3/s，下水庫按37.64 m3/s控制下泄時，可基本滿足下游綜合用水要求。

本次分析，回蓄階段以不影響下游用水要求為原則，按37.64m3/s控制下泄。

2.3.3 回蓄可靠性分析

（1）回蓄水量。本次選取37場入庫洪峰流量大于600m3/s實測洪水摘錄資料，按擬定的回蓄方案，分析回蓄至66.00m水位時（含冰庫容、備用庫容）的回蓄時間。各方案回蓄時間統計成果見表7。

由表7可見，方案1平均回蓄時間為10.4h，最長回蓄時間為15h（1992年），最短回蓄時間為8h；方案2平均回蓄時間為8.5h，最長回蓄時間為12h（1992年），最短回蓄時間為7h；各方案均可滿足蓄水要求。上述回蓄時間按62.00～66.00m之間的有效庫容1255×104m3計算，如扣除冰庫容、備用庫容水量，則即有864×104m3水量就能保證電站正常運行，因此回蓄水量是有保證的。

（2）回蓄階段下水庫水位。回蓄階段遇抽水工況，如果下水庫水位低于死水位，則可能影響電站正常抽水運行。本次按回蓄起始時刻下水庫水位處于死水位時，遭遇電站按最大抽水流量連續抽水運行6h的最不利工況分析下水庫可能達到的水位。

電站最大抽水流量為388.2m3/s，滿足下游綜合用水要求控泄流量為37.64m3/s，為保證抽水工況下水庫水位不低于死水位，則需回蓄階段的前6h時段平均入庫流量不小于425.84m3/s。統計前述37場洪水退水過程線，方案1回蓄階段前6h時段平均入庫流量小于425.84m3/s的洪水有18場，而方案2則僅有1場（1992年，連續抽水6h后下水庫水位降至61.80m）。

綜上分析，按方案1回蓄下水庫有近一半年份水位會出現低于死水位情況，水位保證程度不高。方案2則僅有1年水位低于死水位，最低水位61.80m，仍較進水口防渦梁頂高2.30m，對電站抽水運行影響很小。方案2滿足回蓄階段的水位運行條件。

2.3.4 回蓄方案選擇

采用汛期降低庫水位排沙運行方案，回蓄可靠性是評價排沙運行方案優劣的重要依據。通過兩種回蓄方案的比較分析，方案2無論從回蓄水量上，還是從不利遭遇組合情況下水位運行條件，均能滿足電站正常運行要求。因此，回蓄方案選擇方案2，即：下水庫回蓄起始水位為死水位62.00m，洪峰過后退水階段入庫流量小于600m3/s下閘蓄水，控制下泄流量37.64m3/s。

2.4 排沙運行方案選擇

蒲石河抽水蓄能電站的泥沙問題主要表現在下水庫有效庫容淤積損失、過機沙量和粒徑兩個方面。根據擬定的四種排沙運行方案下水庫有效庫容淤積量、過機沙量和粒徑、上水庫淤積量的分析成果，下水庫采用汛期臨時降低庫水位的運行方式，可有效控制有效庫容的淤積損失，且對過機沙量和粒徑、上水庫淤積量的影響不明顯。

比較各排沙運行方案成果：方案Ⅳ運行50年，懸移質泥沙排沙比可達70.6%，有效庫容內淤積量為33.3×104m3，僅占有效庫容的2.65%，減淤效果最好；方案Ⅳ過機沙量和粒徑成果與其他方案相比無明顯差別，高含沙量過機歷時極短，大于1.0 kg/m3總歷時為140h，平均每年2.8h，最多年份也僅為16h，可滿足水輪機磨蝕耐久性要求；蒲石河流域水量充沛，以方案Ⅳ遭遇最不利工況考慮，回蓄水量和回蓄階段下水庫水位均能滿足電站正常運行要求。

因此，下水庫的排沙運行方案采用方案Ⅳ成果，即：非汛期壩前水位保持66.0m不變；汛期入庫流量小于500m3/s時，壩前水位保持65.36m不變；汛期入庫流量大于500m3/s時，庫水位滯后4h降為62.0m；洪峰過后退水階段入庫流量小于600m3/s時下閘蓄水，直至回蓄至正常高水位。

3 下水庫水沙調度方案編制

3.1 編制原則

蒲石河抽水蓄能電站不承擔下游防洪任務，下水庫水沙調度方案圍繞保證工程自身安全前提下，依據前述分析確定的減小下水庫有效庫容淤積損失排沙運行方案編制。下水庫水沙調度方案編制原則如下：

（1）水沙調度方案實施時間為汛期（6月1日～9月30日）。

（2）蒲石河抽水蓄能電站不承擔下游防洪任務。

（3）洪峰過后，下水庫回蓄階段，考慮壩址以下綜合用水要求，最小下泄流量按37.64m3/s控制。

（4）30年一遇（洪峰流量6570 m3/s）以下洪水，小孤山電站機組參與下水庫泄洪，最大發電流量采用37.12m3/s；30年一遇及以上洪水，小孤山電站機組不參與下水庫泄洪。

（5）有利于抽水蓄能電站發電效益。

3.2 水沙調度方案制定

為盡可能爭取抽水蓄能電站發電效益，提高上、下水庫發電水頭差，汛期采用不考慮冰庫容的運行方式。下水庫水沙調度具體如下：

3.2.1 6月1日至9月30日期間

（1）當入庫流量小于或等于500m3/s，或入庫流量雖然大于500 m3/s，但其后4h平均入庫流量小于600m3/s時，水庫按來多少泄多少放流，保持上、下水庫總發電蓄水量1029×104m3（發電庫容與備用庫容水量之和）不變。

（2）當入庫流量大于500m3/s，且其后4h平均入庫流量大于600m3/s時，按其后4h凈入庫水量（天然入庫水量加發電放水量或減抽水水量）與當前水位至死水位之間的庫容之和折算后的平均流量控制下泄，在4h之內將水庫水位均勻放空至死水位62.0m。

（3）當水庫水位消落至死水位62.0m后，入庫流量仍大于600m3/s時：

1）凈入庫流量（入庫流量加發電放流流量或減抽水流量）小于或等于死水位62.0m相應泄流能力時，按凈入庫流量控制下泄。

2）凈入庫流量（入庫流量加發電放流流量或減抽水流量）大于死水位62.0m相應泄流能力時，按泄流能力下泄，直至庫水位回落至死水位。

（4）洪峰過后，入庫流量小于或等于600m3/s時，按下游綜合用水要求水量37.64m3/s控制下泄，余水全部回蓄，直至上、下水庫總發電蓄水量等于1029×104m3（發電庫容與備用庫容水量）。

3.2.2 9月30日至下水庫封凍前

入庫流量小于下游綜合用水要求水量37.64m3/s時，水庫按來多少泄多少放流；入庫流量大于37.64m3/s時，按37.64m3/s控制下泄，余水全部回蓄，直至上、下水庫當前水位至死水位間的蓄水量等于1255×104m3（發電庫容發864×104m3、備用庫容165×104m3、冰庫容226×104m3之和）。

3.2.3 下水庫冰凍開始融化至冰凍完全融化后

冰庫容通過下水庫壩后機組逐漸放流，將水庫蓄水量逐漸下降至1029×104m3。

[1]張永勝，韓宏韜，麻長信，張軍，胡鑫 ．蒲石河抽水蓄能電站水沙調度方式初探[J]． 水力發電，2012，38 ．（05）：7-9．ZHANG Yongsheng， HAN Hongtao， MA Changxin，ZHANG Jun， HU Xin．Study on Water sediment regulation in PUSHIHE pumped storage power station[J]．Water Power，2012，38．（05）：7-9．

[2]向波，宋剛福，周婷，周曉蔚 ．抽水蓄能電站水沙調度研究[J]．水力發電學報，2012，31（04）：89-93．XIANG Bo， SONG Gangfu， ZHOU Ting，ZHOU Xiaowei．Water sediment regulation of pumped storage power station[J]．Journal Of Hydroelectric Engineering，2012，31（04）：89-93．

2017-06-01

2017-08-05

郭紅永（1987—），男，助理工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站技術管理。E-mail：976788359@qq．com．

李明凱（1987—），男，助理工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站技術管理。E-mail：513673914@qq．com

楊 凱，（1987—），男，助理工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站技術管理。E-mail：609919994@qq．com

王培杰，（1987—），男，助理工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站技術管理。E-mail：641524694@qq．com

于思雨，（19992—），女，助理工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站技術管理。E-mail：282913205@qq．com

高璽煒（1991—），男，助理工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站技術管理。E-mail：56733343@qq．com

Pushihe Pumped Storage Power Station Water and Sediment Control Scheme

GUO Hongyong，LI Mingkai，YANG Kai，WANG Peijie，YU Siyu，GAO Xiwei
（Liaoning Pushihe Pumped Storage Co.，Ltd， Dandong 118216，China）

Pumped storage power station tend to have two separate reservoirs， water and sediment scheduling problem does not exist， water and sediment scheduling of the regulation station located on a natural river is often affected by natural inflow only， without generating units flow， so in order to study of mutual influence of reservoir sediment and pumped storage units， working out the pumped storage power station water and sediment scheduling scheme. Articles from the reservoir sediment characteristics， sediment impact on the unit， sediment on the reservoir sedimentation， sediment back to the reservoir storage and other aspects of analysis， comprehensive comparison of each preset programming scheduling scheme in line with the water and sediment of the actual site， the program for the lower reservoir of natural river in the pumped storage power station with a reference for meaning.

pumped storage； sediment passing through turbine；reservoir sedimentation； reservoir sedimentation； scheme

TK71

A學科代碼：407．30

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．018