黑河三道灣水電站提高汛限水位運(yùn)行分析

周國(guó)偉，盧小波

（1.甘肅電投河西水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司,甘肅 張掖 734000；2.甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 730000）

0 引言

水庫(kù)的汛限水位是直接影響水庫(kù)的興利效益和防洪風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵性特征,本質(zhì)是用來(lái)協(xié)調(diào)水庫(kù)興利目標(biāo)與防洪風(fēng)險(xiǎn)之間的矛盾關(guān)系[1]。在水資源供需矛盾極度突出的今天,協(xié)調(diào)防洪風(fēng)險(xiǎn)和興利目標(biāo)之間對(duì)水資源的可持續(xù)利用具有現(xiàn)實(shí)而又深遠(yuǎn)的意義[2]。

多年來(lái),國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)流域洪水資源化的分析方法與工程實(shí)踐進(jìn)行了較深入的研究,并取得了良好的效果[3-6]。然而,長(zhǎng)期以來(lái),相關(guān)研究只注重安全防洪方面的理論研究與方法[7-9],對(duì)于如何在泄洪風(fēng)險(xiǎn)可控的前提下,充分挖掘興利目標(biāo)的研究還很少。隨著我國(guó)電力市場(chǎng)化的推進(jìn)和雙碳目標(biāo)的提出,挖掘水庫(kù)興利效益不僅關(guān)系著水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行還影響著電力系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行[10]。事實(shí)上,在水庫(kù)多年調(diào)度實(shí)踐后,在保證水庫(kù)及上下游防洪安全的前提下,轉(zhuǎn)變與更新汛限水位控制理念,以充分利用洪水資源是我國(guó)水資源利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求,是科技發(fā)展的必然趨勢(shì)。

本文對(duì)黑河三道灣水電站汛限水位運(yùn)行進(jìn)行分析論證,以期得到能夠?qū)_調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)和興利效益的汛限水位運(yùn)行方案。本研究對(duì)于緩解區(qū)域水資源矛盾,充分利用黑河三道灣水庫(kù)汛期洪水資源、發(fā)揮水庫(kù)效益具有一定的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 三道灣水電站概況

三道灣水電站地處甘肅省肅南裕固族自治縣境內(nèi)的黑河上游,是黑河干流梯級(jí)水電規(guī)劃的第3 座水電站,電站設(shè)計(jì)引水流量98 m3/s,壩型為砼面板堆石壩,最大壩高48.7 m,壩頂高程2373.7 m,設(shè)計(jì)總裝機(jī)容量112 MW,設(shè)計(jì)年發(fā)電量為4.003 億kW·h,水庫(kù)總庫(kù)容530 萬(wàn)m3,正常蓄水位2370.00 m,設(shè)計(jì)洪水位2368.21 m,校核洪水位2372.41 m。三道灣水電站特征參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 三道灣水電站特征參數(shù)

三道灣水電站由2臺(tái)45 MW機(jī)組和1臺(tái)22 MW機(jī)組構(gòu)成,工程的主要任務(wù)是發(fā)電,具有日調(diào)節(jié)功能,其中調(diào)節(jié)庫(kù)容170 萬(wàn)m3,2009 年6 月正式投入運(yùn)行。電站的泄水建筑物主要有一個(gè)泄洪排沙洞、一個(gè)正常溢洪道,一個(gè)非常溢洪道,設(shè)計(jì)洪水最大泄量1620 m3/s（50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)）,校核最大泄量3080 m3/s（1000年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)）。三道灣水電站機(jī)組參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 三道灣水電站機(jī)組參數(shù)

2 水電站調(diào)整汛限水位運(yùn)行的必要性分析

三道灣水電站設(shè)計(jì)總庫(kù)容較小,是一座以發(fā)電為主要目的的日調(diào)節(jié)水電站,在電站的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、竣工驗(yàn)收等階段均未設(shè)置汛限水位,最低運(yùn)行水位2364.0 m是為滿足汛期排沙和日調(diào)節(jié)功能而設(shè)立的臨時(shí)運(yùn)行水位,而非汛限水位。黑河三道灣水電站的汛期為5月1日~9月30日,應(yīng)在汛限水位2364.0 m以下運(yùn)行,與電站的原設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行方式不符,嚴(yán)重影響了電站的發(fā)電效益。

（1）現(xiàn)有運(yùn)行方式分析

通過(guò)對(duì)黑河三道灣水電站汛期運(yùn)行水位的研究,分析提高汛期汛限水位的合理性,對(duì)提高電站的發(fā)電效益非常有必要。因此,本文通過(guò)梳理三河灣水電站不同階段制定的運(yùn)行方式,并與批復(fù)的汛限水位進(jìn)行對(duì)比,現(xiàn)狀運(yùn)行方式中主要存在以下問(wèn)題：

1）三道灣水電站水庫(kù)是以抬高水位發(fā)電為目的,設(shè)置汛限水位與電站的原設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行方式不符,汛期可在保證大壩泄洪安全的前提下,盡量維持在高水位運(yùn)行,使發(fā)電效益最大化；

2）黑河三道灣水電站最低運(yùn)行水位2364.0 m,是基于排沙和正常發(fā)電而設(shè)立的臨時(shí)發(fā)電最低運(yùn)行水位,電站運(yùn)行單位可根據(jù)來(lái)水、來(lái)沙條件和庫(kù)區(qū)淤積情況,適時(shí)在汛期降低水位排沙,而非汛期限制水位；

3）2011 年國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)大壩安全監(jiān)察中心進(jìn)行竣工安全鑒定時(shí),調(diào)洪計(jì)算確定的起調(diào)水位為正常蓄水位2370 m,當(dāng)100 年一遇洪水入庫(kù)時(shí),最高水位維持正常蓄水位2370 m不變,1000 年一遇校核洪水位2372.41 m,但未進(jìn)行50年一遇設(shè)計(jì)洪水的調(diào)洪計(jì)算,設(shè)計(jì)洪水位仍采用設(shè)計(jì)階段確定的2368.21 m；

4）根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況,水位降低后,進(jìn)水口淹沒(méi)水深降低,進(jìn)水口位置旋渦大,庫(kù)區(qū)污物很容易吸附在攔污柵條上,造成攔污柵壓差增大,影響大壩安全運(yùn)行；同時(shí)污物很容易通過(guò)攔污柵進(jìn)入引水洞從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組導(dǎo)葉卡澀、影響機(jī)組安全運(yùn)行；水位降低,存在機(jī)組運(yùn)行工況不佳,影響發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行。

（2）調(diào)整汛限水位的必要性分析

1）黑河三道灣水電站總庫(kù)容530 萬(wàn)m3,裝機(jī)容量112 MW,額定水頭136.5 m,是一座以發(fā)電為主要目的的日調(diào)節(jié)水電站。電站自2003 年12 月開(kāi)始設(shè)計(jì)至今,經(jīng)歷了設(shè)計(jì)、水工模型試驗(yàn)、運(yùn)行、竣工安全鑒定等階段,其運(yùn)行方式也在不斷的總結(jié)和完善,目前運(yùn)行單位上報(bào)的運(yùn)行方式基本與竣工安全鑒定階段確定的運(yùn)行方式一致,也較為符合黑河流域的洪水特性和項(xiàng)目本身的實(shí)際特點(diǎn),2019 年張掖市水務(wù)局批復(fù)的運(yùn)行方式與電站的設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行方式不符；

2）黑河三道灣水電站庫(kù)水位2364.0 m~2370.0 m之間的原始庫(kù)容為170 萬(wàn)m3,淤積平衡后庫(kù)容為138 萬(wàn)m3,電站可在此水位區(qū)間內(nèi)進(jìn)行日調(diào)節(jié)。在汛期,如長(zhǎng)時(shí)間在2364.0 m以下運(yùn)行,電站將無(wú)法滿足日調(diào)節(jié)功能；

3）根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況,水位降低后,進(jìn)水口淹沒(méi)水深降低,進(jìn)水口位置旋渦大,庫(kù)區(qū)污物很容易吸附在攔污柵條上,造成攔污柵壓差增大,影響大壩安全運(yùn)行；同時(shí)污物很容易通過(guò)攔污柵進(jìn)入引水洞從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組導(dǎo)葉卡澀、影響機(jī)組安全運(yùn)行；長(zhǎng)時(shí)間處于低水頭,發(fā)電水頭低于機(jī)組額定水頭,機(jī)組在偏離最佳效率區(qū)的不穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行,不利于電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行；

4）汛期5月1日~9月30日,受汛限水位的影響,發(fā)電水頭低于機(jī)組額定水頭,出力受阻,致使電站不能完全發(fā)揮其發(fā)電效益；

綜上所述,為改善機(jī)組的運(yùn)行條件,滿足日調(diào)節(jié)功能,提高黑河三道灣水電站的發(fā)電效益,在汛期保證電站防洪安全和排沙要求的前提下,合理確定汛期運(yùn)行水位是十分必要的。

3 水電站汛期運(yùn)行水位控制方案研究

黑河三道灣水電站設(shè)計(jì)階段并未設(shè)汛限水位,現(xiàn)狀汛限水位2364.0 m是為滿足排沙和日調(diào)節(jié)功能所設(shè)的最低運(yùn)行水位?；诖?本研究在滿足水庫(kù)排沙、日調(diào)節(jié)功能和發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上,以不突破原有設(shè)計(jì)、校核洪水位為原則,分別擬定2364.0 m、2368.21 m、2370 m三種汛期運(yùn)行水位進(jìn)行方案論證。

1）對(duì)防洪安全的影響

以三道灣水電站批復(fù)的設(shè)計(jì)洪水位2368.21 m作為起調(diào)水位,即汛期水位保持在2368.21 m及以下運(yùn)行,當(dāng)入庫(kù)流量小于2368.21 m泄洪建筑物的最大泄量時(shí),通過(guò)控制閘門開(kāi)度,使下泄流量等于入庫(kù)流量,來(lái)多少泄多少,保持庫(kù)水位不變；當(dāng)入庫(kù)流量大于2368.21 m相應(yīng)泄洪能力時(shí),閘門全開(kāi),按泄流能力下泄滯洪運(yùn)用,直至水庫(kù)水位回落至2368.21 m。

當(dāng)發(fā)生50年一遇（P=2%）設(shè)計(jì)洪水時(shí),最大入庫(kù)流量為1620 m3/s,最大出庫(kù)流量為1620 m3/s,最高水位為2368.21 m,與設(shè)計(jì)洪水位一致；當(dāng)發(fā)生1000 年一遇（P=0.1%）校核洪水時(shí),最大入庫(kù)流量為3080 m3/s,最大出庫(kù)流量為2903 m3/s,最高水位為2372.33 m,較校核洪水位2372.41 m低0.08 m。從防洪安全角度出發(fā),黑河三道灣水電站的泄洪建筑物具有下泄相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)洪水的能力。其中泄洪排沙洞+正常溢洪洞在設(shè)計(jì)洪水位2368.21 m時(shí)的最大泄量為1605 m3/s,略小于50 年一遇入庫(kù)設(shè)計(jì)洪水1620 m3/s,考慮非常溢洪洞局部開(kāi)啟后,即可滿足50 年一遇設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)的下泄要求；泄洪排沙洞+正常溢洪洞+非常溢洪道在校核洪水位2370.41 m時(shí)的最大泄量為2910 m3/s（本次復(fù)核值）。

經(jīng)調(diào)洪計(jì)算后,各方案在校核標(biāo)準(zhǔn)的最高水位均低于已批復(fù)的校核洪水位,各方案計(jì)算所需壩頂均低于設(shè)計(jì)壩頂,再考慮防浪墻后,尚有一定的安全裕度。故本次提出的三個(gè)汛期運(yùn)行水位方案均滿足大壩防洪安全的需要。

2）對(duì)汛期排沙的影響

從汛期排沙運(yùn)行角度出發(fā),方案一在汛期長(zhǎng)時(shí)間保持低水位2364.0 m運(yùn)行,確實(shí)有利于在汛期排除更多的泥沙,但黑河三道灣水電站“庫(kù)小沙大”,一個(gè)汛期泥沙即可淤至發(fā)電進(jìn)水口底板高程（2350.0 m）,且泄洪排沙洞形成的沖刷漏斗容積較小,易淤積填滿。考慮到泄洪排沙洞在2364.0 m高程時(shí)水頭較低、流速較小,電站在實(shí)際運(yùn)行時(shí),采用每隔3年~5年在主汛期根據(jù)入庫(kù)洪水的含沙情況,利用中小洪水降低水庫(kù)水位至高程2364.0 m或更低進(jìn)行低水位、大流量間歇性沖沙2天~3天的運(yùn)行方式,排沙效果明顯,基本能夠?qū)崿F(xiàn)電站進(jìn)水口“門前清”。因此,從排沙角度考慮,無(wú)需在汛期長(zhǎng)時(shí)間保持在2364.0 m運(yùn)行。

3）對(duì)水庫(kù)功能的影響

從滿足機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行和水庫(kù)日調(diào)節(jié)功能角度出發(fā),黑河三道灣水電站庫(kù)水位2364.0 m~2370.0 m之間的原始庫(kù)容為170 萬(wàn)m3,淤積平衡后庫(kù)容為138 萬(wàn)m3。方案一在汛期長(zhǎng)時(shí)間處于2364.0 m運(yùn)行,發(fā)電水頭低于機(jī)組額定水頭,機(jī)組在偏離最佳效率區(qū)的不穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行,不利于電站機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行,也無(wú)法滿足電站的日調(diào)節(jié)功能。

4）對(duì)發(fā)電效益的影響

從發(fā)電效益角度出發(fā),方案三在汛期維持在正常蓄水位2370.0 m運(yùn)行,最大限度的利用汛期大流量、高水頭進(jìn)行發(fā)電,而且現(xiàn)狀壩頂亦滿足防洪要求,但50 年一遇設(shè)計(jì)洪水位較已批復(fù)的設(shè)計(jì)洪水位高1.19 m,會(huì)引起工程規(guī)模發(fā)生變化。

綜合考慮后,在保證黑河三道灣水電站防洪運(yùn)行安全和原批復(fù)設(shè)計(jì)、校核洪水位不變的前提下,本次推薦方案二,即汛期的最高運(yùn)行水位確定為2368.21 m。

4 結(jié)論

為提高汛期水資源利用率,本文以黑河三道灣水電站為研究對(duì)象,提出了一般水電站工程調(diào)整汛限水位分析的研究路線,以水電站防洪風(fēng)險(xiǎn)和興利目標(biāo)為核心,對(duì)三道灣水電站汛限水位運(yùn)行方案進(jìn)行研究,在現(xiàn)行設(shè)計(jì)運(yùn)行規(guī)則基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)對(duì)汛限水位的復(fù)核,最終驗(yàn)證了可行方案的合理性。

1）通過(guò)本文的論述可知,黑河三道灣水電站調(diào)整汛期汛限水位是必要且可行的,因電站在設(shè)計(jì)、安全鑒定過(guò)程中均未設(shè)有汛限水位,現(xiàn)有的最低運(yùn)行水位2364.0 m是基于排沙和正常發(fā)電而設(shè)立的臨時(shí)運(yùn)行水位,而非汛期限制水位。

2）根據(jù)黑河鶯落峽水文站實(shí)測(cè)洪水資料分析,年最大洪水均發(fā)生在6月~9月,其中7月發(fā)生的頻率占57.7%、8月發(fā)生的頻率占28.2%、6月和9月發(fā)生的頻率各占7.04%,5月可在正常蓄水位運(yùn)行,黑河三道灣水電站設(shè)計(jì)洪水位2368.21 m、校核洪水位2372.41 m時(shí),各泄洪建筑物均可滿足下泄相應(yīng)頻率洪水的要求。

3）據(jù)本次調(diào)洪復(fù)核計(jì)算,以設(shè)計(jì)洪水位2368.21 m起調(diào)時(shí),50 年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下最大入庫(kù)流量為1620 m3/s,最高水位為2368.21 m,與原設(shè)計(jì)洪水位一致；1000 年一遇校核標(biāo)準(zhǔn)下最大入庫(kù)流量為3080 m3/s,最大出庫(kù)流量為2903 m3/s,最高水位為2372.33 m,較校核洪水位2372.41 m低0.08 m；本次復(fù)核后,仍維持已批復(fù)的設(shè)計(jì)、校核洪水位不變。

4）黑河三道灣水電站工程設(shè)計(jì)壩頂高程確定為2373.70 m,防浪墻頂高程為2374.90 m,經(jīng)本次復(fù)核,計(jì)算所需壩頂?shù)陀谠O(shè)計(jì)壩頂,再考慮防浪墻后,尚有一定的安全裕度,汛期在設(shè)計(jì)洪水為2368.21 m運(yùn)行滿足大壩防洪安全的需要。

5）黑河三道灣水電站的汛期調(diào)整為6月~9月,5月電站可在正常蓄水位運(yùn)行；汛期在2368.21 m運(yùn)行,利用中小洪水不定期降低水位排沙的運(yùn)行方式,可滿足三道灣水電站所需的日調(diào)節(jié)庫(kù)容和進(jìn)水口“門前清”的要求；汛限水位為2368.21 m。