抽水蓄能電站泥沙問題研究綜述

余天塵

（河海大學，江蘇 南京 210000）

1 研究背景

抽水蓄能電站是我國重要的能源基礎設施，具有調峰填谷、調頻調相、事故備用、新能源儲能和黑啟動的作用，對于我國經濟社會發展具有重要意義。近年來，我國抽水蓄能電站建設大幅提速，截至2020 年底，全國抽水蓄能電站在運規模超3 000 萬kW，裝機容量居世界第一。

泥沙對抽水蓄能電站的危害主要集中在機組葉片磨損和上、下水庫有效庫容減少兩個方面。

與常規水電不同，抽水蓄能電站在運行中存在上下游水流交換，電站的水輪機工況、水泵工況更易受到來水泥沙的影響，其中高水頭水泵水輪機對過機含沙量要求普遍較高[1]。2002 年的統計數據顯示，我國大中型電站水輪機存在泥沙磨蝕問題的規模累計達1 200萬kW 以上（除三峽外），30%的中小型水電站受到泥沙磨蝕的影響[2]。我國建成的大量水庫中也有部分因為進庫泥沙的淤積使得庫容減少，運行效益下降。大量泥沙問題使抽水蓄能電站的發電效率降低，經濟效益降低，運行、維修成本升高，因此，有效防止泥沙對抽水蓄能電站的危害尤為重要。目前的治理措施主要包括防沙、排沙工程措施，優先減少進入上、下水庫水流的泥沙總量；其次，減輕水庫泥沙淤積對有效庫容和進出水口高程的影響，降低輸水系統中水流含沙量，減少泥沙對機組的磨損破壞；提升設備性能，從選型、運行、維修上降低設備損耗，保證電站的正常、高效運行。

南方地區天然河道水流含沙量較北方地區少，但是多年平均入庫徑流量大，抽水蓄能電站50 年運行期泥沙總淤積量較大，泥沙問題也不容忽視。因此，南方地區采用較大的死庫容，在選擇最低死水位時必須滿足運行期泥沙淤積要求。北方地區天然河道水流含沙量普遍較大，不能直接引入上、下水庫，需要采取一定的工程措施或利用已建水庫工程蓄清排渾來解決入庫泥沙問題。

我國黃河流域及以北地區，由于降雨稀少、植被較差，水土流失嚴重，天然河道水流含沙量較大。一般而言，在含沙河流引水或溪流上修建電站,泥沙對抽水蓄能電站的危害較常規水電站大。對于補水水源取水口河道，當主河槽位置變化較大時，可考慮建立物理模型和一維數學模型進行河道演變分析。由于河流來沙和電站運行情況較復雜，泥沙分析計算只能粗略預估工程泥沙的數量和淤積趨勢，模型實驗成為研究泥沙的主要途徑，但天然河流與實驗室水槽的來沙條件不太一致，常常不能準確反映工程的實際情況，因此，可通過工程借鑒的方法，因地制宜采取治沙、防排沙或避沙、水庫排沙調度等措施，以減少泥沙對水庫有效庫容的淤積，降低進/出水口前泥沙淤積高程和過機含沙量，盡量減少機組運行期間的不必要磨損。

2 研究內容

抽水蓄能電站上庫多建于山頂、溝源，匯流相對較少，南方地區抽水蓄能電站泥沙主要來自于上、下水庫；北方地區抽水蓄能電站泥沙主要是下庫抽水時攜帶而來[3]。目前關于抽水蓄能電站泥沙問題的研究主要涉及兩個方面，一是水文泥沙條件的研究方法，二是電站泥沙問題的解決措施。

2.1 水文泥沙條件的研究方法

我國對抽水蓄能電站泥沙情況開展了大量模擬實驗，通過計算過機含沙量、泥沙淤積量等對水庫泥沙特征進行分析和預測，目前物理模型實驗技術較為成熟，泥沙數學模型較少[4]。

2.1.1 物理模型

動床渾水模型是目前抽水蓄能電站水沙關系研究中主要參考的物理模型。張羽等[5]（2018）分析電站的水沙關系，建立了河道模型和過流建筑物模型，通過借鑒已有的動床渾水模型經驗，開展了上下游庫區物理模型的分析計算，經驗證結果良好。張國良等[6]（2017）針對天池抽水蓄能電站涉及水利樞紐庫區河段的邊界情況和來水來沙特點，進行了渾水動床模型實驗，驗證了電站建筑物布設和運行調度的合理性，提出了進一步的優化措施。

2.1.2 數學模型

一維水沙數值模擬長系列年的河道沖淤演變的運算效率高、模擬結果良好[7]，可為大多數抽水蓄能電站泥沙條件計算選擇。

由于常規水庫一維恒定流水沙數學模型的理論成熟，應用廣泛，陶亮等[4]（2019）在此基礎上，針對抽水蓄能電站上水庫和下水庫之間水流變化、泥沙交換的特點，建立數學模型，采用非耦合解法，計算成果規律性良好。

針對不同的環境和庫區位置，研究人員展開了大量關于一維非恒定水流泥沙數值模擬的研究，孫昭華等[8]（2007）針對受到徑流和潮流影響的長江下游近河口段（大通至徐六涇），根據其河床邊界和水動力條件建立了具有局部河網結構的一維水沙數學模型，模擬非恒定水沙運動；孫羽等[9]（2018）針對天池抽水蓄能電站下庫區地形、來水來沙特點及工程運用條件，基于MIKEll 建立了一維非恒定的水沙數學模型，采用六點隱格式求解方程組，模型驗證效果良好。

2.2 電站泥沙問題的解決措施

2.2.1 南方地區抽水蓄能電站

南方地區河流泥沙含量較小，一般根據實測泥沙資料，計算運行期50 年上、下水庫泥沙淤積總量，判斷泥沙淤積形態和計算壩前泥沙淤積高程，為輸水系統進出水口設置攔沙設施提供設計依據。

1）泥沙淤積形態及淤積高程

首先，泥沙在庫內淤積形態可根據下式進行判別：

式中 α——淤積形態判別系數；

V——調節庫容（萬m3）；分別計算上、下水庫調節庫容；

W——上、下水庫多年平均入庫徑流量（萬m3）。當α<0.3 時，為錐體淤積；當α>0.3 時，為三角洲淤積。

其次，采用目前使用較多的謝鑒衡判別式判別水庫淤積是否上延，當公式達到下列判別程度時，則產生“翹尾巴”。

式中 JK——淤積平衡比降（‰）；

J0—河床原比降（‰），上、下水庫分別計算；

Hk—為淤積平衡后相應于造床流量的平衡水深（m）；

H—水庫蓄水后壩前正常水深（m）。在已知淤積形態以及是否產生翹尾巴現象的基礎上，根據50 年運行期水庫泥沙淤積總量，采用經驗面積減少法計算壩前淤積高程，其基本公式為：

式中 Vr——壩前淤積面以下的相對淤積體積（m3）；

V0——壩前淤積面以下的淤積體積（m3）；

H——壩址河床以上的水深（m）；

Vs——水庫50 年總淤積量（m3）；

A0——當h=h0處的淤積面積（m2）；

a0——當h=h0處的相對淤積面積（m2）。

（h0——壩前淤積面以下的淤積深度）

最后，在上、下水庫輸水系統進出水口前均設置攔沙坎，攔沙坎頂高程一般高于壩前泥沙淤積高程1.5 m左右。通過上述方法和措施，基本上解決了南方地區抽水蓄能電站泥沙問題。

2）過機含沙量

過機含沙量包括兩部分：一是水流中懸浮泥沙含沙量，二是上下水庫進出水口平均流速大于泥沙啟動流速進入水流中的泥沙。根據進出水口布置和電站運行狀態計算上、下水庫水流流速，再根據泥沙顆粒級配試驗成果對應的分組平均粒徑，計算不同粒徑的沉降速度、啟動速度和水流攜沙能力，統計過機水流中泥沙含量得到過機含沙量成果。

因目前國內外已建抽水蓄能電站機組缺乏在含沙水流中運行的相關實測資料及分析成果，參照SL 269-2001《水利水電工程沉沙池設計規范》，對于混流式水輪機，發電水頭600 m 左右設置沉沙池的判別條件為多年平均過機含沙量大于0.08 kg/m3。一般認為，南方抽水蓄能電站過機泥沙含量及粒徑符合規范要求。

2.2.2 北方地區

1）減少水流入庫泥沙量

北方地區河流泥沙含量較大，不能直接作為抽水蓄能電站的水源。根據抽水蓄能電站站址附近河道水流情況，具體問題具體分析。一種情況是，利用已建水利工程泄洪沖沙、蓄清排渾后攔蓄的清水庫容作為抽水蓄能電站補水水源，如甘肅玉門抽水蓄能電站。另外一種情況是，電站所在河道斷面控制流域面積較大、泥沙總量大，可利用彎曲河道挖填形成下水庫，并在下水庫上游新建攔沙壩和攔沙水庫，如河南洛寧抽水蓄能電站、內蒙古呼和浩特抽水蓄能電站、內蒙古芝瑞抽水蓄能電站、陜西鎮安抽水蓄能電站。

內蒙古呼和浩特抽水蓄能電站位于多沙的哈拉沁溝上，電站下水庫河道以上流域面積621 km2；為減少泥沙對有效庫容的淤積，降低進/出水口前泥沙淤積高程和過機含沙量，改善機組磨損條件，在哈拉沁水庫下游再設置攔沙壩將下水庫分隔為攔沙庫和蓄能專用下水庫。攔沙庫的主要任務是攔洪排沙，通過泄洪排沙洞使上游洪水和泥沙不進入呼和浩特抽水蓄能電站下水庫，保證下水庫始終為清水狀態。攔沙庫攔沙壩不設過水設施，1 000 年一遇校核洪水標準以下天然洪水不進入蓄能電站下水庫，通過攔沙壩前的泄洪排沙洞泄洪到下水庫攔河壩下游河道。同時，通過埋設在攔沙壩內的2 根DN700 的補水鋼管在初期蓄水和運行期向下水庫補充清水，攔沙庫補水水量懸移質含沙量應小于0.02 kg/m3，這就保證了過機含沙量處于很低的水平，不會對機組葉片產生大的損害，保證機組葉片大修時間間隔滿足規范要求。這種布置方式可供多沙河流建設抽水蓄能電站參考。

河南洛寧抽水蓄能電站上水庫集水面積0.69 km2，水庫形態呈盆狀，泥沙主要淤積在死水位以下；下水庫集水面積25.9 km2，上、下水庫多年平均懸移質含沙量分別為2.97 kg/m3、3.05 kg/m3，為減小泥沙入庫和淤積量，降低過機泥沙含量，在下水庫設置攔沙壩和泄洪排沙洞，利用下水庫庫尾河段的彎道，設置攔沙壩和泄洪排沙洞將下水庫分隔成完全封閉的電站專用下水庫，攔沙壩及泄洪排沙洞負責攔洪排沙，采用“補清排渾”運行方式，即在沒有發生洪水時通過埋設在攔沙壩壩體內的補水鋼管向下水庫補水；在洪水期進行敞泄排沙，將洪水期水沙通過泄洪排沙洞排至下水庫大壩下游。

陜西鎮安抽水蓄能電站[10]通過在下水庫攔河壩上游設置攔沙壩，壩前設置泄洪排沙洞，保證了下水庫的水質，使下水庫成為有利于電站運行的清水水庫，滿足電站對過機水流含沙量的要求；豐寧抽水蓄能電站[11]根據當地地形條件在水庫中部設置了攔沙壩，將下水庫分成滿足電站正常運行的專用下水庫和用于汛期排沙的攔沙庫，通過攔沙庫溢洪道將兩庫連接，并在右岸設置了泄洪排沙洞，滿足電站的用水需求。此外，還可以對進水口和出水口的高度進行適當調整，通過蓄清排渾和低水位排沙的方法減少上水庫和下水庫出現泥沙淤積的情況[12]。在防沙和排沙過程中應統籌調度，保證綜合效益，提升治沙效果。此外，采用抗磨材料降低泥沙磨損對機組的危害。

2）減少上下水庫庫周入庫泥沙量

北方地區建設抽水蓄能電站，一般在庫尾和庫周布設截水溝，把庫盆邊坡以上暴雨降水產生的洪水、泥沙攔截在庫外，如牛首山蓄能電站，上、下水庫形成相對獨立封閉的水庫，電站運行不受洪水、泥沙影響。上、下水庫洪水主要來自天然降雨，庫面所形成的洪量不大，均考慮攔蓄在水庫當中。

3 前景與展望

3.1 隨著新能源開發利用和電網自身建設需要，抽水蓄能電站建設迎來持續發展周期

1）新能源加快開發利用

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，對發展低碳經濟、重塑我國能源體系具有重要意義。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，需要配套建設一定規模的抽水蓄能電站平抑其波動性，提高電網消納風電和太陽能的能力。

2）電網自身建設需要

國民經濟持續發展對電力需求增加，電網規模不斷擴大，對調峰能力的需求、電源結構優化、智能電網建設等都對抽水蓄能電站建設帶來了發展機遇。

3.2 新的發展理念有助于減少河流總體的含沙量

“綠水青山就是金山銀山”從根本上打破了發展與保護對立的束縛，堅持生態優先的發展理念。可以預計，未來我國對水土流失防治、沙漠治理和生態環境保護的力度會不斷加強，進入河流的泥沙總體上處于減少趨勢，有助于降低抽水蓄能電站水庫入沙量。

3.3 采用工程措施可以滿足機組過機含沙量的要求

首先，采取工程措施減少進入上、下庫的泥沙；其次是采取工程措施減少進入輸水系統中的泥沙。

南方地區建設抽水蓄能電站，上、下水庫一般位于山區，植被較好，水流含沙量較低，50 年運行期進入水庫泥沙總量相對較少，水庫死水位選擇時預留的死庫容就要求滿足運行期泥沙淤積要求，而且，在上、下水庫輸水系統進出水口設立攔沙坎，進一步減少泥沙進入輸水系統。

北方地區，尤其是西北地區建設抽水蓄能電站，上、下水庫集水面積天然徑流很小，植被很差，不但需要考慮水流帶來的泥沙，還要考慮沙塵暴和風蝕進入上、下水庫的泥沙。抽水蓄能電站初期蓄水用水量較多，運行期只需要補充電站上下水庫蒸發滲漏增損水量，這對抽水蓄能電站泥沙處理是相對有利的一面。多數情況下電站用水需要從臨近水利工程選擇補水水源抽取，可通過已經建成的水庫對入庫泥沙調節后少沙水流作為抽水蓄能電站的補水水源，減少入庫總泥沙量。補水水源泥沙分析顯得十分重要，利用臨近流域已建水庫泄洪沖沙功能，避開下泄水流含沙量較高時段，把取水時段安排在水庫灌溉和生產生活供水時段；同時，在河道取水口采用滲管大口經建筑物形式，進一步減少水流含沙量。

如西北某抽水蓄能電站補水水源取水口上游控制性水庫多年平均入庫水流含沙量為3.45 kg/m3，經水庫泄洪沖沙調度后灌溉放水期水流最大含沙量為0.193 kg/m3；把抽水蓄能電站補水期安排在灌溉放水期，可以避開水流高含沙量時段，減少入庫泥沙量。

另外，隨著我國材料工業的進步，水泵水輪機葉片抗沖刷能力會相應提高，對抽水蓄能電站發展建設也是有利的。

綜上所述，目前，我國抽水蓄能電站泥沙問題可以通過采取相應的工程措施加以解決，滿足過機含沙量的要求。隨著生態環境保護力度的加強和材料工業的進步，抽水蓄能電站的泥沙問題將會得到更好的解決。