不同地區抽水蓄能電站的設計洪水計算研究

余天塵

(河海大學，江蘇 南京 210000)

1 抽水蓄能電站的發展現狀

抽水蓄能電站不同于一般水力發電廠，是既能抽水工況運行，同時又能發電工況運行的特殊類水電站。目前，全球抽水蓄能電站總裝機容量超1億kW。近年來，我國抽水蓄能電站處于加快開發建設階段，截止2018年底，我國抽水蓄能電站已經建成運行31座，總裝機容量達到2 999萬kW；在建33座，總裝機容量為4 301萬kW，抽水蓄能裝機容量已躍居世界首位[1]。隨著我國領導人提出2030年碳達峰、2060年碳中和的二氧化碳排放目標，2030年水平年我國非化石能源占一次能源的消費比重將達25%左右；2030年我國風電、太陽能發電總裝機容量達12億kW以上，由于大量風光可再生能源上網，且其隨機性、波動性對電網安全穩定運行提出了更高要求，配套建設具有儲能功能的抽水蓄能電站是大規模利用平清潔能源的重要支撐和必要前提，抽水蓄能電站規劃建設迎來新的發展機遇。

2 抽水蓄能電站設計洪水計算特點

目前，抽水蓄能電站設計主要依據是《中華人民共和國能源行業標準——《抽水蓄能電站設計規范》(NB/T 10072—2018)》(以下簡稱《設計規范》)、《水電工程設計洪水計算規范》(NB/T 35046—2014))。根據《設計規范》，抽水蓄能電站可研階段設計洪水計算主要內容包括暴雨洪水資料收集、設計洪水計算方法、設計洪水計算成果和成果合理性檢查四個方面。設計洪水資料收集主要是指電站所在流域及臨近流域水文站實測洪峰流量、雨量站實測短歷時暴雨等長系列資料及歷史洪水、特大暴雨調查資料；設計洪水計算方法一般由暴雨途徑和流量途徑兩種，暴雨途徑又細分為推理公式法和綜合單位線法，要求采用多種方法、綜合分析、合理選定；設計洪水成果包括洪峰、洪量和洪水過程線；成果合理性檢查包括設計電站不同階段設計成果對比和不同計算方法計算成果對比、流域上下游其他水利水電工程同頻率設計洪水模數、洪水地區組成規律等方面進行對比分析，論證設計洪水成果的合理性。

抽水蓄能電站設計洪水計算包括上、下水庫工程、補水工程、攔沙壩工程等設計洪水成果，其目的是滿足工程設計防洪安全要求，保證電站安全穩定運行。預可行性研究階段基本確定主要水文參數和成果，可行性研究階段確定水文參數和水文成果。設計洪水成果直接影響到電站水工建筑物及泄洪設施布置型式、工程規模和工程投資，對電站單位投資、防洪安全等都有一定程度的影響。

一般抽水蓄能電站上水庫集水面積較小，入庫洪水量級相對較小，對電站的影響也相對較小。但下水庫集水面積較大，入庫天然洪水量級相對較大，并且存在入庫天然洪水與電站發電流量相遭遇的不利工況，水庫大壩工程及泄洪設施的規模即需要考慮洪水遭遇的最不利組合，還要考慮工程后不增加同頻率條件下下游河道控制斷面的天然洪水洪峰流量，避免造成人工洪水危害。

當上、下水庫分別屬于不同流域時，上、下水庫全年設計洪水及分期設計洪水均需分別單獨計算。當上、下水庫屬于同一個流域的上下游時，上、下水庫入庫設計洪水除了單獨計算外，為了對比下水庫下游河道控制斷面工程前后洪水變化情況，下水庫大壩下游控制斷面設計洪水應包括上水庫集水面積產生的洪水在內。下水庫分期設計洪水也應該包括上水庫集水面積產生的分期洪水。

綜上所述，抽水蓄能電站水庫設計洪水計算及洪水調節計算較常規水庫而言更為復雜。

3 設計洪水計算方法

3.1 設計洪水計算方法及特點

推求設計洪水的常用方法有兩種，即由流量資料推求設計洪水和由暴雨資料推求設計洪水；特殊情況下，當必須采用可能最大洪水作為非常運用洪水標準時，則由水文氣象資料推求可能最大暴雨，然后計算可能最大洪水。

一般情況下，抽水蓄能電站上、下水庫多處于流域上游山區，集水面積相對較小，沒有水文測站，屬無資料地區，臨近小流域可能設立有雨量站。設計洪水計算方法基本采用暴雨途徑推求。廣東省采用推理公式法和綜合單位線法同時計算設計洪水(包括洪峰、洪量及過程線)，當兩種方法洪峰流量相差20%以內時，取對工程安全偏不利的設計洪水成果。福建省采用推理公式法計算設計洪水洪峰流量、24 h設計暴雨計算設計洪量、臨近流域水文站實測大洪水過程線同頻率放大推求設計洪水過程線。北方地區河南、甘肅、內蒙古、遼寧等省份抽水蓄能電站上、下水庫設計洪水亦采用推理公式法計算，當采用攔沙壩泄洪排沙時，攔沙壩集水面積較大，需要采用流量途徑計算設計洪水，但是蓄能專用下水庫設計洪水仍然采用推理公式法進行計算。

由暴雨途徑推求設計洪水，主要計算步驟包括設計暴雨計算、設計洪水計算及設計洪水成果的合理性分析等。由流量途徑推求設計洪水，主要計算步驟包括設計洪峰、洪量計算、典型過程線選擇與放大，設計洪水成果的合理性分析等。

3.2 設計暴雨計算

設計暴雨計算方法包括：

1) 根據設計依據雨量站實測長系列短歷時暴雨資料(缺測時段采用參證站同時段觀測資料經相關分析和插補延長)，采用P-Ⅲ頻率曲線經適線法計算設計暴雨特征參數。

2) 采用當地《暴雨等值線圖》查算設計暴雨特征參數。

3) 對比上述兩種方法暴雨特征參數計算的不同頻率設計暴雨成果，或在復雜情況下計算不同頻率設計洪水、經洪水調節計算，選擇對工程防洪安全最不利的入庫洪水對應的暴雨特征參數作為設計暴雨特征參數采用值。

3.3 設計洪水計算

根據設計暴雨特征參數，采用推理公式和綜合單位線或當地省市規定普遍采用的計算方法計算設計洪水，多種方法對比，選擇對工程防洪安全偏不利的洪水成果作為推薦采用的設計洪水成果。設計洪水成果一般包括不同頻率對應的設計洪峰流量、設計洪量和設計洪水過程線3部分。

1) 南方地區實例

南方地區以福建云霄抽水蓄能電站為例簡要說明設計洪水計算方法。

云霄抽蓄上、下水庫集水面積均較小，適合華東特小流域推理公式和福建沿海地區推理公式法。兩種方法計算原理如下。

① 華東特小流域推理公式法

(1)

匯流參數m采用Ⅱ-2類：

(2)

式中Qm為設計洪峰流量，m3/s；Ht為t時段內的最大降水量，mm；τ為流域匯流時間，h；m為匯流參數；F為設計斷面的集水面積，km2；L為設計斷面以上主河長，km；J為設計斷面河道平均坡降。

② 福建沿海地區推理公式法

基本計算公式與華東特小流域推理公式相同，匯流參數m采用福建省修正過的經驗公式：

(3)

當θ≥1.5時，m=0.053θ0.809。

當θ<1.5時，m=0.063θ0.384。

由分析計算可知，2000年一遇校核洪水洪峰流量福建沿海推理公式法的成果上、下庫分別為133 m3/s、988 m3/s，略大于華東特小流域法對應的108.8 m3/s和888.2 m3/s，且考慮到本工程上、下庫均位于福建沿海地區，因此，上、下水庫均采用福建沿海推理公式法成果。

2) 北方地區實例

北方地區以內蒙古芝瑞抽水蓄能電站為例簡要說明設計洪水計算方法。

芝瑞蓄能電站上水庫由人工通過挖填方式形成，集水面積即為整個庫盆面積， 上水庫集水面積為 0.268 km2。 設計洪水計算時不計水量損失，1 000年一遇設計洪水洪量根據20 h設計暴雨218 mm乘以集水面積為5.84萬m3。

芝瑞蓄能電站下水庫位于百岔河中游，壩址以上集水面積為579 km2，由攔沙壩和攔河壩組成，攔沙壩的功能是泄洪排沙到下水庫攔河壩下游河道，保證1 000年一遇校核標準以下洪水及泥沙不進入下水庫。攔河壩設計洪水由流域萬安水文站(控制集水面積為1 353 km2)的設計洪水成果通過水文比擬法求得，攔河壩/萬安水文站200年一遇設計、1 000年一遇校核洪水洪峰流量分別為795 m3/s、1 260 m3/s和1 400 m3/s、2 200 m3/s。

下水庫集水面積為攔沙壩和攔河壩之間的范圍，為3.7 km2。直接用設計暴雨乘以集水面積得到設計洪量，1 000年一遇設計洪量為80.7萬m3。

3.4 設計洪水成果合理性分析

統計并分析設計流域鄰近地區不同水利工程設計洪水成果、各實測站點年最大洪峰流量、最大 24 h暴雨、24 h洪量統計參數，計算地區的洪峰洪量模數，對比同一地區的各站點不同控制集水面積對應的洪峰模數分布規律是否符合當地暴雨洪水特性和流域地形地貌特征、洪水匯集傳播等水文分布規律，一般隨著集水面積增加同頻率洪峰模數呈遞減趨勢。

與預可研計算結果對比，進一步分析說明本階段設計洪水成果的合理性。

4 多宗抽水蓄能電站設計洪水計算成果合理性檢查方法

山東某抽水蓄能電站[3]下庫為已建成的綜合利用水庫，設計洪水采用瞬時單位線法、推理公式法計算,上庫集水面積較小，設計洪水采用推理公式法計算。經多種方法設計洪水成果對比和與已建成水庫除險加固階段的設計洪水成果對比來檢查選定設計洪水成果的合理性。

黃鴨河天池抽水蓄能電站[4]設計洪水計算方法包括《河南省中小流域設計暴雨洪水圖集》(1984年)查算法和水文站實測洪峰資料水文比擬法推算，通過比較兩種方法計算結果的合理性以及與周邊河道洪水特性的匹配性，最終得出圖表查算法計算結果較為可靠，與相關專題報告中的天池壩址洪水成果接近。

安徽桐城抽水蓄能電站[5]的設計洪水計算分為上庫壩址設計洪水和下庫壩址設計洪水，上庫集水面積約為0.934 km2，采用水面洪水、陸面洪水分開計算的方法，洪峰疊加得到水庫相應頻率的設計洪水；對集水面積較小的設計洪水，這種計算方法更加精確。下庫集水面積約為17.22 km2，通過線性瞬時單位線模型推算設計洪水過程線。計算結果符合地區綜合特性。

陜西鎮安抽水蓄能電站[6]在設計過程中，由于工程位置較偏僻，且沒有實測水文資料。上水庫集水面積僅1.4 km2，其正常蓄水位對應水面面積占總集水面積的27%，因此。在選擇暴雨資料采用推理公式法推求設計洪水的同時，考慮陸地與水面洪水洪量分別計算后疊加，其成果大于單純陸地計算值，更加符合工程產匯流實際情況，且成果偏于安全。下水庫集水面積為181 km2，采用流量途徑推求設計洪水，通過對比同頻率(64 a重現期)設計洪水洪峰流量(980 m3/s)和歷史洪痕洪水(906 m3/s)，數值接近且由一定安全裕度，據此說明設計洪水成果的合理性。

福建云霄抽水蓄能電站上、下水庫集水面積分別為2.06 km2和14.64 km2，采用暴雨途徑推求設計洪水洪峰流量和洪水總量，通過臨近彰江流域水文站實測最大一場洪水過程線同頻率放大后得到上、下水庫設計洪水過程線。可研階段設計洪水分別依據暴雨法和流量法推求，設計洪峰上水庫流量法成果大于暴雨法，下水庫暴雨法成果大于流量法；設計 24 h 洪量上、下水庫暴雨法成果均大于流量法。由于上水庫規模和安全主要受洪量控制，從對工程偏安全角度考慮，云霄抽水蓄能電站上、下水庫設計洪峰和 24 h 洪量均采用暴雨法成果。統計并分析設計流域鄰近地區各站年最大洪峰、最大 24 h 洪量統計參數，可以看出沿海地區的洪峰模數普遍大于內陸地區的洪峰模數，同一地區的站點，控制面積越小其洪峰模數越大。可研階段上、下水庫設計洪峰、洪量成果符合地區的變化規律，符合福建省東南部的暴雨的分布特性，設計成果基本合理。

河南洛寧抽蓄上、下水庫以上流域無實測洪水資料，水庫控制流域面積較小，采用小流域推理公式法用暴雨資料推算洪水。設計洪水過程線采用臨近流域下河村實測洪水過程線同頻率放大得到。通過與本流域及臨近流域多項已建水利工程設計共洪水成果對比，分析本工程設計洪水成果的合理性。

芝瑞抽蓄攔河壩設計洪水成果合理性分析采用《內蒙古水文計算手冊》推薦的內蒙古公式1、內蒙古公式2及水文比擬法等多種方法計算成果對比分析，成果接近，并與已經建成投產運行的呼和浩特抽蓄設計洪水成果相比，符合地區分布規律，得出設計洪水成果合理性結論。

5 結語

1) 抽水蓄能電站設計洪水計算方法包括暴雨途徑和流量途徑等多種方法，堅持資料齊全、多種方法對比，最后選擇對工程防洪安全偏不利的設計洪水成果。根據暴雨資料推求設計洪水方法包括推理公式法、綜合單位線法等。

2) 進行設計洪水計算時，應進行歷史特大暴雨、特大洪水的調查工作，其成果應符合抽水蓄能電站所在地區暴雨洪水特征和地區分布規律，保證設計洪水成果的合理性。

本文通過對安徽桐城和山東某抽蓄電站地處華東、陜西鎮安抽蓄電站地處西北、黃鴨河天池抽蓄電站、地處華中河南洛寧、華北內蒙古芝瑞、華東云霄抽水蓄能電站(位于福建沿海)等南北方不同地區不同暴雨洪水特性的設計洪水計算方法和成果的初步分析，有共性的內容也有獨特的處理方法，對今后我國抽水蓄能電站設計洪水計算有所裨益。