海勃灣水利樞紐工程特征水位選擇

王曉云，劉武軍，張忠廣

(中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

1 工程概況

海勃灣水利樞紐工程是黃河治理開發規劃中確定的梯級工程之一，工程位于內蒙古自治區境內的黃河干流上，壩址距烏海市區3km，上游距青銅峽水庫約230km，下游87km為已建的內蒙古三盛公水利樞紐。工程任務為防凌、發電等綜合利用。海勃灣水電站正常蓄水位1076m，死水位1069m，裝機容量90MW，電站年平均發電量381.7GW·h。

2 特征水位選擇

海勃灣水利樞紐工程特征水位選擇主要包括正常蓄水位、死水位和汛期發電水位3個特征水位的選擇。

2.1 死水位選擇

工程死水位選擇以水庫泥沙沖淤物理模型試驗等成果資料為基礎，同時考慮最小發電水頭、發電效益、泥沙淤積和防凌庫容等方面的要求。

1)最小發電水頭：

海勃灣樞紐電站采用貫流式機組，通過機組最小出力和最小發電水頭進行分析，機組最小發電水頭為2.5m時，單機最小出力2.0MW。工程壩址處河底高程在1064-1066m之間，據此，電站可以正常運轉發電的最低水位為1069m。

2)發電效益：

滿足工程防凌需求，水庫應盡可能具有較大的調節庫容，在正常蓄水位一定的條件下，死水位應盡可能低，但較低的死水位會對發電效益造成一定的影響。同時考慮防凌需要和較大發電效益，工程以發電最低水位1069m作為死水位下限，擬定了1069m和1070m的2個死水位比選方案。

經比選，隨著死水位抬高，工程發電量相應增加，死水位從1069m抬高到1070m時，工程發電量增加10.4GW·h。同時，隨著死水位抬高，調節庫容相應減小，水庫運行10年后，死水位1070m方案與1069m方案相比，調節庫容減少約1520萬m3。

不同死水位比選方案各指標比選結果見表1。

表1 不同死水位各指標對比

3)泥沙淤積影響：

根據水庫造床流量要求，在水庫最低水位運行時，其泄量應≥2700 m3/s。海勃灣水庫泄水閘溢流堰采用平底寬頂堰型式，堰頂高程1065.0m，基本與河底持平，1069m可以滿足泄量2700m3/s的最低水位。閘前泥沙淤積高度約為1-3m，在水位1069m，以流量2700 m3/s開閘泄水排沙，閘前泥沙淤積情況不會影響死水位的選擇。

4)防凌庫容要求：

海勃灣水利樞紐工程的防凌保護范圍為壩址-三湖河口，根據各年不同的來水條件、氣溫條件和下游河段封河形勢，工程可對該河段的封開河形勢產生影響。海勃灣水庫重點解決了蹬口以上河段的防凌壓力。對三盛公樞紐至三湖河口段，通過水庫的防凌調度也可以達到部分消除或減輕該河段防凌壓力、減輕該河段凌災損失的目的。

根據黃河內蒙古河段的防凌要求，結合黃河水資源的統一管理和調度，海勃灣水庫開河期預留防凌應急庫容約5000-8000萬m3，可以短期減小下泄流量或關閉泄水通道，為下游受災河段的防凌搶險創造必要的條件。

海勃灣水利樞紐工程主要任務為防凌，在一個相對較長的時段內具有較大的調節庫容對水庫發揮應有的防凌效益是非常必要的。因此，充分考慮最小發電水頭、泥沙淤積、防凌需求等要求，最終選擇具有較大調節庫容又能夠滿足泄水2700m3/s流量的1069m作為海勃灣水庫死水位[1]。

2.2 正常蓄水位選擇

在死水位確定的前提下，正常蓄水位越高，水庫調節庫容越大，對樞紐發揮防凌功能、增加發電效益更加有益。但同時，較高的正常蓄水位會增加樞紐主體工程投資，增大水庫的淹沒范圍，造成工程總體投資及社會影響的增加。

在不影響工程上游干渠排水口的基礎上，工程論證擬定了1075m、1076m和1077m等3個正常蓄水位的比選方案，采用差額投資經濟內部收益率法進行了經濟合理性分析。

經比選，隨著正常蓄水位的抬高，發電量和調節庫容都會隨之增加。水位每抬高1m，發電量依次增加45.6GW·h和37.9GW·h，即1077m正常蓄水位方案發電量最大，達419.6GW·h。隨著正常蓄水位的抬高，運行10年后的調節庫容也在隨之增大，分別為1.82億m3和2.65億m3。

不同正常蓄水位工程電能指標及調節庫容計算結果詳見表2。

表2 不同正常蓄水位方案電能、庫容指標

正常蓄水位的增加會相應引起工程投資和淹沒賠償費用大幅提高。經分析，1076m正常蓄水位方案工程總投資比1075m方案增加0.45億元，1077m方案比1076m方案增加3.75億元，增加的主要是移民補償投資，達3.05億元。經差額投資經濟內部收益率分析，正常蓄水位從1076m抬高到1077m，差額投資內部收益率僅6.6%，低于社會折現率，顯然是不經濟的。但正常蓄水位從1075m抬高到1076m，差額投資內部收益率達35.0%，遠大于社會折現率，顯然正常蓄水位1076m方案較1075m、1077m方案更加經濟合理。

工程不同正常蓄水位比選方案的差額投資經濟內部收益率分析結果見表3。

表3 不同正常蓄水位方案差額投資經濟內部收益率分析結果

綜合考慮工程開發任務要求、工程投資經濟合理性等因素，海勃灣水利樞紐工程正常蓄水位擬定為1076m。

2.3 汛期發電水位

黃河是多泥沙河流，特別是汛期含沙量更大，抬高汛期發電最高水位可以增加電站發電量，但會造成庫區泥沙淤積的增加，使有效庫容減小。考慮水庫防凌需求和發電效益等因素，水庫應盡量滿足近期(10a左右)防護下游河道大部分凌災的需求，同時樞紐要具有較高的發電效益。為了盡量提高工程汛期發電效益，同時保持一定的有效防凌庫容，滿足防凌要求，水庫汛期調度原則擬定為：入庫水沙較小時，水庫宜在較高水位運行，獲得較多的電量效益；入庫水沙較大時，水庫宜降低水位運行，在發電的同時，泄水排沙，盡量減少水庫泥沙淤積，以獲得較大的調節庫容。

根據以上調度原則，經泥沙淤積分析及水庫調節計算，當汛期來水含沙量<3kg時，水庫水位在1076m運行。當來水含沙量>10kg或日平均來水流量>2700m3/s時，水位降至1069m泄水排沙；7月、9月當來水含沙量>3kg或來水日平均流量大于沖沙臨界流量1500 m3/s時，水位降至1074m運行；8月份，一般來水的含沙量較大，多是由于上游梯級青銅峽電站排沙所致，此時為了盡量減少水庫淤積，當來水含沙量>3kg時，水庫降低水位至1071m，在降低庫水位的過程中，水庫以≤2700 m3/s流量泄水。綜合分析比較后確定水庫在該水位運行10a后的調節庫容為1.82億m3[2]。

從遠期來看，隨著海渤灣水庫泥沙的不斷淤積，水庫的調節庫容將不斷減小。但隨著大柳樹水利樞紐工程的開發建設，內蒙古河段的防凌形勢將會發生根本性的改變，凌汛期對下游河道流量的控泄基本上可以由大柳樹水利樞紐承擔，海勃灣水庫就可以配合上游的控制性工程調節下泄水量的基礎上，提高汛期發電水位，盡量發揮工程發電效益。

3 調度運行方式

海勃灣水利樞紐任務是防凌、發電等綜合利用。黃河是一條多泥沙河流，特別是汛期，入庫沙量占全年輸沙量的68%以上。因此汛期水庫有一個科學合理的運行方式， 對水庫保持一定的防凌庫容，發揮應有的防凌效益具有重要的意義。

汛期，當上游來水含沙量<3kg時，水庫水位在1076m運行。

7月、9月當來水含沙量>3kg或來水日平均流量>1500 m3/s時，水位降至1074m運行，當來水含沙量>10kg或日平均來水流量>2700 m3/s時，水位降至1069m泄水排沙。

8月份，一般來水的含沙量較大，最大含沙量超過20kg，歷時約10-20天，當來水含沙量>3kg時，海渤灣水庫此時降低水位至1071m運行，當來水含沙量>10kg或日平均來水流量>2700 m3/s時，水位降至1069m泄水排沙。

10月份是汛期的后期，又是蓄水期起始月。水庫應盡快將水位蓄至正常蓄水位，以便使機組能夠發滿額定出力，提高發電效益。

11月-3月為凌汛期。封河期為11-12月，由于要向下游河道補水，封河期開始時水庫蓄至正常蓄水位；開河期為2-3月，由于控泄要求，水庫需要攔蓄部分上游來水，開河期開河前水庫盡量降至死水位。3月開河后水位盡快升至正常蓄水位。

凌汛期過后的4-6月為發電的大好時機，為了充分利用水能，水庫盡量維持在正常蓄水位運行。

海勃灣水庫調度圖見圖1。

圖1 海勃灣水庫調度圖

4 結 語

水利樞紐特征水位的選擇決定水庫的調節性能、效益、工程投資、淹沒等指標，是工程規模論證的重中之重。

海勃灣水利樞紐工程經濟合理的特征水位選擇，可配合龍羊峽、劉家峽水庫的防凌調度，與下游堤防工程共同構成比較完善的防凌工程體系，減輕下游河段的防凌負擔，減少凌災損失；水電站利用天然水能發電，為當地增加一處清潔可靠的電源點，提高了電網供電能力。

黃河海勃灣水利樞紐工程對黃河水能資源利用、優化配置和河道綜合治理，優化水資源配置格局起到重要的作用，可有效助推黃河流域生態環境保護和高質量發展。