紅山水庫特征水位選擇及初期蓄水分析

周彥青

(新疆金溝河流域管理局，新疆 沙灣 832100)

特征水位是水庫規劃設計的重要指標，選取合理與否直接關系到水庫的安全運行與效益發揮[1-2]。紅山水庫位于新疆塔城地區沙灣市博爾通古鄉，是以灌溉、防洪、工業供水為首要任務的水利樞紐工程，其次為兼顧發電，水庫建成后，下游灌區受益灌溉面積5606.67 hm2，可每年新增工業供水量3358.1萬m3，將金溝河下游防護對象的防洪標準提高到30 a一遇，水庫電站裝機容量 8 MW，每年可向沙灣市電網輸送2113萬kW·h的電量。

1 水庫特征水位選擇

1.1 死水位選擇

紅山水庫是以灌溉、防洪、工業供水為首要任務的水利樞紐工程，其次為兼顧發電。金溝河是北疆地區泥沙含量較大的河流之一，水庫建成后泥沙淤積對水庫的影響是較大的[3]。死水位的確定主要從以下四個方面考慮。

(1)下游灌區引水對水庫最低運行水位的要求。紅山水庫下游灌區引水口位于壩址下游河道上，水庫下泄農業灌溉水是通過渠首引入灌區。金溝河引水渠首距水庫距離約1.3 km，引水渠首灌溉設計引水位820 m，而紅山水庫壩址斷面河底高程為827 m，高于下游灌區灌溉渠首設計引水水位。因此，下游灌區引水對紅山水庫最低運行水位沒有限制要求。

(2)泥沙淤積要求。在考慮水庫供水、沖沙等調度運用方式的前提下，進行了水庫泥沙沖淤計算，水庫運行30年后平均淤積高程約為853 m，庫水位853 m 對應容積為298萬m3，淤積后853 m以下水庫庫容已十分有限。

(3)水工布置要求。根據水工建筑物設計方案，導流兼泄洪洞洞口高3.5 m，發電洞洞口高3.0 m，由于兩洞交叉布置，兩洞間巖層安全凈距要求為6.5 m，為了滿足發電洞有壓流要求還需洞口淹沒水深3.0 m，因此水工布置水深要求共計為16.0 m。結合壩址河床高程827.0 m，滿足水工要求布置的最低水位為843.0 m。

(4)機組發電運行的要求。電站采用堤壩式開發，水庫消落深度的選擇對電站運行影響較大，消落深度過大會造成機組受阻，在高水位情況下會產生機組震蕩的運行風險。工程任務兼顧發電，在考慮灌溉供水、工業供水滿足的前提下，按55%消落深度考慮為最低方案，因此水庫最低死水位不得低于852 m。

綜合考慮以上因素，以泥沙淤積、水工布置和機組發電運行要求確定紅山水庫死水位最低為853 m。

1.2 正常蓄水位選擇

紅山水庫承擔下游灌區的灌溉和區域工業供水任務。通過長系列徑流調節計算，滿足灌區農業灌溉用水和工業供水要求所需調節庫容為2960萬m3，淤積30年對應水位為887 m，相應原始庫容為4737萬m3。紅山水庫滿足灌溉用水要求的最低正常蓄水位不能低于887 m。在滿足灌溉用水要求的前提下，紅山水庫的防洪高水位為887 m。在滿足流域灌溉、工業供水、防洪要求的前提下，考慮紅山水庫正常蓄水位的抬高可增加水庫的調節庫容和發電水頭，以887 m為基本方案，按水位2 m間隔擬定887 m、889 m、891 m、893 m四組正常蓄水位方案進行比選，各方案死水位均為853 m。紅山水庫不同正常蓄水位參數統計見表1。

表1 紅山水庫不同正常蓄水位參數

(1)從動能指標分析。隨著水庫正常蓄水位的抬高，各方案的多年平均年發電量在增加，但方案之間的電量增量有限且逐漸減小。

(2)從經濟指標分析。從表1可以看出，正常蓄水位為887 m、889 m、891 m 和893 m方案的淹沒補償投資分別為4028.58萬元、4249.36萬元、4445.13萬元、4635.53萬元，投資差分別為220.78萬元、195.77萬元、190.40萬元，從水庫淹沒投資差可以看出，隨著正常蓄水位的變化，投資差額變化不大。因此，水庫淹沒補償對正常蓄水位不存在制約因素；從經濟凈現值及經濟內部收益率看，方案一凈現值及經濟內部收益率均最大，方案一較其他方案優。

綜上所述，本工程在滿足灌溉及工業供水任務的前提下，結合環境影響、地形地質和工程建設技術條件，從水庫動能指標和經濟指標方面分析，通過增加工程正常蓄水位來增加工程電站發電量，電量的增加較小，方案一凈現值及經濟內部收益率最大，因此，確定水庫正常蓄水位為887 m。

1.3 水庫汛限水位確定

紅山水庫工程位于金溝河出山口處，其下游河道無大的洪溝匯入。根據金溝河現狀防洪工程情況分析，結合金溝河各河段河道過流能力，選取紅山水庫斷面下游河道防洪控制斷面為金溝河渠首斷面，按照斷面過流能力，確定金溝河下游河段的安全泄量為211 m3/s。紅山水庫工程采用防洪庫容與興利庫容完全結合的方式，確定紅山水庫工程的汛限水位為884.89 m。

(1)防洪高水位。按照興利與防洪完全結合的防洪方案要求，水庫防洪高水位為正常蓄水位[4]，洪水調節以水庫汛限水位884.89 m為起調水位，對30 a一遇的洪水進行調洪演算，壩前最高水位為887 m。紅山水庫的防洪高水位為887.00 m，防洪庫容為336萬m3。

(2)設計洪水位和校核洪水位。根據水庫規模和壩型，紅山水庫的設計洪水頻率為100 a一遇。以水庫汛限水位884.89 m為起調水位，對100 a一遇的洪水進行調節計算，壩前最高水位為887.53 m。紅山水庫的設計洪水位為887.53 m，攔洪庫容383萬m3；以水庫汛限水位884.89為起調水位，對2000 a一遇洪水進行調節計算，壩前最高水位為890.04 m。紅山水庫的校核洪水位為890.04 m，水庫調洪庫容750萬m3。

2 初期蓄水分析

初期蓄水期間紅山水庫壩址下游的用水主要為金溝河灌區的灌溉用水和下游河道的生態基流。紅山水庫壩址下游的生態基流用水枯水期(11月—次年4月)為壩址斷面多年平均流量的10%(1.12 m3/s)，豐水期(5—10月)為壩址斷面多年平均流量的30%(3.36 m3/s)。

2.1 初期蓄水時間的選擇

金溝河徑流年際變化不大，年內變化明顯，豐水期(5—10月)水量占全年水量的85%以上，其中6—8月來水特別集中，水量約占全年來水量的70%。從徑流特性來看，如果在6—9月下閘蓄水，雖然水庫蓄水速度較快，但對大壩沉降觀測不利及工程馬上就面臨度汛，度汛風險較大；如果在汛末下閘蓄水，到第二年才會面臨度汛，在此期間有時間對工程進行觀測，并制定度汛計劃，對工程安全運行較為有利故選取汛后時點開始水庫初蓄。此外，根據工程施工進度計劃，紅山水庫第四年10月底泄洪建筑物才能滿足過流要求。故本階段紅山水庫的初期蓄水時間選擇在汛后的11月1日。

2.2 初期蓄水的原則和目標

依據紅山水庫壩址斷面徑流特性、水庫庫容特性、下游綜合用水要求及施工計劃等資料，結合生態基流的要求，制定紅山水庫初期蓄水原則。

(1)不影響已建工程的效益和下游綜合用水要求。以壩址斷面保證下泄生態基流為前提，當天然來水大于下游綜合用水要求時，水庫下泄過程按照現狀年下游用水過程下泄，其余水量蓄入水庫；在水庫正常發揮供水效益之前，天然來水小于下游用水要求時，水庫不蓄水，水庫按照天然來水過程放水[5]。

(2)初期蓄水期間，由于導流洞已通水，故起蓄水位按照導流洞底板高程考慮，蓄水目標水位分別為死水位、汛限水位、正常蓄水位。蓄水終止水位為887 m(水庫正常蓄水位)。

2.3 初期蓄水分析

紅山水庫初期蓄水目標為正常蓄水位，根據初期蓄水的原則和下閘時間，分別對P=75%、P=50%典型一年組進行初期蓄水計算，計算成果詳見表2。

表2 紅山水庫初期蓄水計算成果

紅山水庫在11月1日下閘蓄水，汛后蓄水可減少工程施工風險，蓄水時機較為合適。紅山水庫蓄水期間，可通過導流泄洪兼沖沙洞(底板高程827.32 m)放水，滿足下游綜合用水要求和生態基流的要求。由表1可以看出，在來水頻率75%的情況下，紅山水庫蓄水至死水位853 m需要時間為105 d，蓄水至正常蓄水位887 m需要時間為289 d；來水頻率50%的情況下，紅山水庫蓄水至死水位853 m需要時間為71 d，蓄水至正常蓄水位887 m需要時間為277 d。

3 結 論

(1)紅山水庫以灌溉、防洪、工業供水兼顧發電為主要任務的水利樞紐工程，從泥沙淤積、水工布置和機組發電運行要求，確定紅山水庫死水位最低為853 m；從水庫發電量、淹沒投資、總投資、經濟凈現值和內部收益率等方面比選確定水庫正常蓄水位為887 m。在不影響興利要求的前提下，確定水庫汛限水位884.89 m，確定設計洪水位887.53 m，校核洪水位890.04 m。

(2)依據紅山水庫壩址斷面徑流特性、水庫庫容特性、下游綜合用水要求及施工計劃等資料，結合生態基流的要求，制定紅山水庫初期蓄水方案。在來水頻率75%的情況下，紅山水庫蓄水至死水位853 m需要時間為105 d，蓄水至正常蓄水位887 m需要時間為289 d；來水頻率50%的情況下，紅山水庫蓄水至死水位853 m需要時間為71 d，蓄水至正常蓄水位887 m需要時間為277 d。