玉龍水庫壩后電站不同達產率水能計算

樊述全

（貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550002）

1 工程概況

玉龍水庫壩址位于威寧縣哈喇河鄉與岔河鄉交界處的毛壩子村,所在哈喇河為長江流域牛欄江橫江水系牛欄江右岸一級支流,壩址以上集水面積538 km2,主河道河長41.4 km,主河道平均坡降11.2‰。玉龍水庫工程任務為城鄉生活和工業供水,兼顧草海生態補水和發電,并為鞏固區域脫貧攻堅成果創造條件,是綜合利用的水利工程；水庫正常蓄水位1189.0 m,相應庫容10540 萬m3,水庫總庫容11170 萬m3。建設內容由水源工程及輸水工程兩部分組成,水源工程主要包括碾壓混凝土重力壩、溢流表孔、泄洪放空兼沖砂底孔、左岸發電兼放生態水取水口和壩后電站,輸水工程主要由北干管和相應支管組成。水庫建成設計供水量為6058 萬m3,其中城鎮生活和工業供水4958 萬m3/a,草海多年平均生態補水1100 萬m3/a；水庫主要利用棄水和環境水來發電,電站裝機3 臺,電站總裝機容量為7000 kW,額定水頭101 m,機組布置型式采用臥式布置,多年平均發電量1945 萬kW·h。工程總投資36.9 億元,國民經濟內部收益率為8.41%,經濟效益費用比為1.04,國民經濟合理。

2 供電范圍

本工程區域內所涉及的縣市為威寧縣,電站建成后,除滿足本工程運行用電外,其余電能主要供電范圍為威寧縣。

3 水能計算

（1）基本資料

1）入庫徑流

采用玉龍水庫1973年～2019年長系列入庫徑流資料,多年平均凈來水量為16718 萬m3。

2）庫容曲線

玉龍水庫的庫容曲線,采用1/10000 地形圖上量算,高程系統為黃海高程系統。由于庫區內兩岸邊坡較穩定,未發現庫區有大面積的塌方等影響庫容變化的情況,量算成果可靠,滿足本階段要求,成果見下表。因哈喇河流域輸沙模數較大（1200 t/km2）,玉龍水庫泥沙淤積較嚴重,且經過泥沙淤積形態判斷,玉龍水庫為三角洲淤積,大量淤沙都淤積在庫中和庫尾,泥沙淤積對興利影響較大；根據《水利工程水利計算規范》（SL 104-2015）,泥沙問題嚴重的水庫,徑流調節可以采用不同淤積年限的庫容曲線進行計算,水庫回水計算和徑流調節計算可以采用10年-30年的淤積成果,本次采用考慮20年泥沙淤積后的庫容曲線進行水能計算。壩址20年泥沙淤積后庫容成果見表1。

表1 玉龍水庫壩址水位～庫容曲線成果表（運行20年）

3）庫損

水庫庫損主要包括水庫滲漏損失和水庫蒸發損失,水庫建成后引起蒸發量變大,增加的損失量為水庫增損,即水面蒸發與陸面蒸發之差,陸面蒸發按多年平均降水量與多年平均徑流深的差值估算。據設計流域較近的威寧氣象站的觀測資料統計,威寧氣象站的多年平均水面蒸發量為1398.8 mm（觀測值）,為E20 觀測,經換算,水庫大水面蒸發量為960 mm ,玉龍水庫壩址以上流域多年平均降水量為920 mm,徑流深為320 mm,陸面蒸發量為600 mm,蒸發增量為360 mm,水庫正常蓄水位1889 m 對應的水面面積為326 萬m2,則水庫建成后陸面變為水面,蒸發加大,蒸發增量約為117.4 萬m3,占正常蓄水位以下庫容10540 萬m3的1.11%,本次蒸發損失按占正常蓄水位以下庫容的2%計,水庫滲漏水量損失占正常蓄水位以下庫容的2%,經計算,玉龍水庫庫損為661 萬m3/a。

4）水頭損失、出力系數

按相關專業人員提供的資料,電站水頭損失取3 m（壩后電站）。

出力系數由水機專業提供,電站機組綜合出力系數取8.1。

5）廠房尾水位

根據實測河道縱橫斷面資料,以曼寧公式推求玉龍水庫壩址尾水的水位流量關系。其中比降參數是根據實測的低水（測時水面線）、河床（深泓點）和高水（歷史洪水水面線）的比降來確定,糙率根據我國《天然河道、灘地糙率參考表》結合現場踏勘情況選取,壩址計算中采用J=0.005～0.009,n=0.04～0.06。經Z-A、Z-V 曲線反驗及上下游各斷面間統一協調,得到壩址尾水水位流量關系,成果見表2和圖1。為了獲得河段精度較高的水位流量關系,建議盡快在壩址河段建設專用水文站,收集水文資料,進一步分析河段水位流量關系曲線。

表2 玉龍水庫廠房尾水水位流量關系成果表

續表2

圖1 玉龍水庫廠房尾水水位流量關系曲線圖

（2）水能計算

本工程主要任務為城鄉生活和工業供水、草海生態補水,并兼顧發電,因此,按照電調服從水調的原則,即在滿足城鄉生活、工業和草海生態補水的前提下利用環境水及余水發電。因本工程各功能用水不共用,根據水庫歷年逐月來水過程,扣除本水庫承擔縣城、鄉鎮、工業、草海生態補水,扣除滲漏和蒸發損失（按正常蓄水位以下庫容的7%計）、上游耗水量,利用環境水及余水發電。水庫水位不超過正常蓄水位,且不低于死水位。電站發電保證率為90%。推薦正常蓄水位受水區不同達產率水能計算成果見表3和圖2。

表3 玉龍水庫壩后電站不同達產率水能計算成果表

從表3和圖2可知：隨著達產率的不斷增加,壩后電站多年平均年發電量從2934 萬kW·h 逐漸減少到1945 萬kW·h,最大減少比例達到33.7%；裝機年利用小時數從4191 h 逐漸減少到2779 h,最大減少比例達到33.7%；最大水頭、最小水頭、加權平均水頭、設計水頭和裝機引用流量變化很小。

（3）供水與電能的轉換

玉龍水庫為《貴州省水利發展“十三五”規劃》中規劃的大型水庫,其主要供水對象為威寧縣城居民、工業及草海,當縣城發展速度較城市規劃速度減小或者工業建設推進進度未達預期或者草海補水量少于設計補水量時,玉龍水庫設計供水量就存在富裕,多余水量就可以通過壩后電站進行發電；這既是水資源合理利用的一種方式,也是對“2030年碳達峰、2060年碳中和”作出了水電貢獻。

（4）電站投資優化

通過玉龍水庫壩后電站不同達產率水能計算成果表可知,在達產率不斷增大的情況下,玉龍水庫壩后電站設計水頭和裝機引用流量變化很小,即在年電量增加989 萬kW·h時（達產10%時,多年平均電量2934 萬kW·h,達產100%時,多年平均電量1945 萬kW·h）,壩后電站投資基本不變,僅就壩后電站而言,單位千瓦投資將減少近50%。

4 結論

通過對玉龍水庫壩后電站不同達產率水能指標的計算,可得出以下結論：

（1）隨著達產率的不斷增加,壩后電站多年平均年發電量和裝機年利用小時數均逐漸減少,最大減少比例達到33.7%；最大水頭、最小水頭、加權平均水頭、設計水頭和裝機引用流量變化很小。

（2）在水庫供水量存在富裕的情況下,為了合理利用水資源,對“2030年碳達峰、2060年碳中和”作出水電貢獻,可利用多余水量進行發電,解決區域用水的需求。

（3）在達產率不斷增大的情況下,玉龍水庫壩后電站設計水頭和裝機引用流量變化很小,壩后電站投資基本不變,僅就壩后電站而言,單位千瓦投資將減少近50%。

（4）業主可根據玉龍水庫受水區社會經濟的發展趨勢,估算玉龍水庫供水的達產率,進而初步估算壩后電站的主要水能指標。