紅楓湖控制發電水位研究

茍 露，沈 軍

（貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002）

紅楓湖是烏江一級支流貓跳河流域梯級電站的龍頭水庫，原建設任務以發電為主，兼顧農業灌溉、養殖和工業用水；上世紀80年代紅楓湖增加了旅游功能。隨著城市的發展和人口的不斷增長，紅楓湖周邊廠礦企業增加，庫區養殖業和旅游業發展，排入紅楓湖的工業和生活污水不斷增加，水質一度惡化[1]。1995 年，貴州省人大常委會頒布《貴州省紅楓湖、百花湖水資源環境保護條例》，將紅楓湖原以發電為主的功能改變為“首先滿足城鄉居民生活用水，統籌兼顧工業、農業用水和旅游需要”。為了保護和治理紅楓湖水環境，2004 年取消其養殖功能。2005年2 月12 日，貴州省政府將紅楓湖的功能定位為以城市供水為主，逐步確定了紅楓湖的任務排序為城市居民生活用水、工業用水、農業灌溉、發電，兼顧環保型旅游。

1 概況

貓跳河是貴州省中部烏江右岸的一條支流，發源于安順市西秀區塔墓山，河源高程1 314.4 m，在修文縣李家灣注入烏江，河口高程765.4 m，流域面積3 246 km2。貓跳河流域開發充分，已建成梯級水電站7個，分別是紅楓、百花、李官、修文、窄巷口、紅林和紅巖水電站[2，3]。

紅楓水電站水庫位于貴州省清鎮市境內，距貴陽市約30 km，是長江流域烏江一級支流貓跳河流域梯級電站的龍頭水庫。紅楓湖壩址以上控制流域集水面積1 596 km2，水庫正常蓄水位1 240.00 m，死水位1 227.50 m，5 月1 日—7 月20 日汛限水位為1 236 m、7 月21—31 日汛限水位為1 237 m、8 月1—31 日汛限水位為1 239.1 m、9 月1—30 日汛限水位為1 239.4 m，總庫容7.61 億m3，具有多年調節性能，屬大（2）型水庫，工程等別屬Ⅱ等，大壩、溢洪道及放空隧洞為2 級建筑物，按100 a 一遇洪水設計，按10 000 a 一遇洪水校核。電站廠房位于壩后右岸，為河岸地面式廠房，總裝機容量24 MW。工程于1958 年8 月開工，1959 年12 月下閘蓄水，1960 年5月竣工，至今已安全運行62 a。

2 興利調算

選擇貓跳河流域內的黃貓村水文站、麥翁水文站作為紅楓湖水庫壩址處徑流計算的主要水文參證站，采用以控制流域集水面積比擬各水文站徑流成果方法計算紅楓湖水庫壩址處現狀徑流。對紅楓湖流域內歷年逐月旬工農業用水量和用水過程進行調查分析，采用用水過程與現狀壩址徑流過程進行疊加的方法還原紅楓湖徑流成果，還原后紅楓湖天然多年平均流量為30.2 m3/s，較現狀多年平均流量27.9 m3/s增加了2.3 m3/s。

根據紅楓湖水庫壩址處長系列徑流計算成果以及對應灌溉用水量長系列成果，并計入水庫的蒸發、滲漏損失水量，按“以供定需”的原則進行紅楓湖興利調節計算，同時考慮水庫的汛限水位等控制因素。根據調查分析，紅楓湖周邊取水戶合計取水量需求約2.8 億m3/a。水庫的供水及防洪調度是發電調度的基礎，根據紅楓湖調度規則，在保證水庫防洪安全和周邊取水戶用水量的情況下，盡可能提高電站發電量。

紅楓湖興利調度方式為：優先保證城市居民生活用水，并在預留環境用水的前提下，盡量保證工業用水、農業灌溉，最后是發電。選擇多個連續枯水年組，按正常供水工作，從供水期末水庫死水位逆時序進行調節計算，遇虧水相加，遇余水相減，求出水庫月末所需的蓄水量及相應的庫水位，并將庫水位繪制在同一圖上，取其上包線為保證供水線、下包線為降低供水線。當庫水位在保證供水線以上時，水庫可以加大供水或發電；當庫水位在保證供水線與降低供水線之間時，水庫可以保證正常供水，但不發電；當庫水位在降低供水線以下時，水庫要限制供水。

紅楓湖興利調度如圖1所示，以3條興利調度線分為4 個區域，即：①加大供水區/發電區；②保證供水區；③灌溉用水破壞區；④降低供水區。當庫水位處于保證供水區時，各部門按所需的水量正常供水；當庫水位降至灌溉用水破壞區時，城市供水正常供給，農業用水按需水量削減兩成供水；當庫水位降至降低供水區時，農業用水和城市供水均受破壞。

圖1 紅楓湖興利調度示意

3 電站水能指標

3.1 發電調度

結合興利調度圖分析，紅楓水電站各月最低控制發電水位即為保證供水線，詳見表1。紅楓水電站的運行方式為：水庫汛期在滿足供水的情況下，應盡量減少棄水，爭取汛后蓄滿水庫，以增加水電站的枯水期發電量，提高水電站經濟效益；水庫發電調度按調度圖操作，庫水位在最低控制發電水位以上時，水庫在滿足城市供水要求后，多余水量可用來發電；庫水位在最低控制發電水位以下時，電廠不發電，庫內存水僅為城市供水所用，水庫以最大能力保證城市供水不被破壞。

表1 紅楓水電站各月最低控制發電水位

3.2 紅楓水電站

由于紅楓湖供水水量較大，水電站枯水期不發電概率較高，紅楓湖已無保證出力的要求。

紅楓水電站引水系統水頭損失計算公式如下：

式中：Q為發電流量（m3/s）；H損為水頭損失（m）。

紅楓水電站歷年綜合出力系數均值為8.23，采用紅楓水電站長系列數據按調度圖計算。按調度圖操作時，以月初庫水位判斷出力值：如果月初庫水位落在發電出力區，除去供水后，來水與發電出力區下線之間的庫水量均用來發電，如果大于最大出力，多余水量才留在水庫；如果月初庫水位落于最低控制發電水位線之下，不能發電，除去供水，多余水量蓄在庫里。

根據紅楓湖長系列來水徑流成果，在保證現狀供水量的情況下，盡可能提高發電量。經復核，按發電控制水位調度，在滿足紅楓湖現狀已批復取水許可水量2.8 億m3情況下，計算得到紅楓水電站多年平均年發電量為3 222 萬kW·h；在不考慮紅楓湖現狀已批復取水量情況下，僅考慮環境水下放及流域內耗水量，計算得到紅楓水電站多年平均年發電量為5 388 萬kW·h。因此，受紅楓湖周邊城市取水和工礦企業取水影響，紅楓水電站多年平均年發電量將減少2 166萬kW·h。

紅楓湖壩址以上流域涉及貴陽市的清鎮市、花溪區，安順市的西秀區、平壩區及黔南州的長順縣5個市（區、縣）的20 余個鄉鎮，流域內2020 年總人口約71.4 萬人，年總用水量約2.3 億m3。由于社會經濟的不斷發展，紅楓湖流域內用耗水將不斷增大，水庫入庫水量則將逐年減小，且水庫周邊取用水需求和水庫供水量也不斷增大，同時受控制發電水位限制，水庫優先保證供水，其次利用多余來水及棄水發電，則紅楓水電站的多年平均年發電量必將逐年減小。雖然近期有引子渡提水工程、黔中水利樞紐一期工程調水入紅楓湖[4，5]，但引子渡提水工程、黔中水利樞紐一期工程調水水量均屬城市供水，不能作為紅楓水電站發電用水水量；且引子渡提水工程向紅楓湖調水為均勻輸水，其入庫過程與出庫過程相同，此部分水量不占用紅楓湖的調節庫容，因此引子渡提水工程對紅楓湖水庫調蓄無影響。因此，引子渡提水工程、黔中水利樞紐一期工程調水對紅楓水電站發電量影響較小。

3.3 貓跳河梯級電站

紅楓湖、百花湖多蓄1 m3水量，則貓跳河梯級電站能多發約1 kW·h的電量[6]，因此紅楓湖、百花湖的供水以及水庫汛限水位、控制發電水位對貓跳河梯級電站的發電效益影響較大。采用長系列徑流水庫調算成果，由紅楓水電站逐級調算至百花水電站、李官水電站、修文水電站、窄巷口水電站、紅林水電站、紅巖水電站，計算得到貓跳河梯級電站的發電量成果。按紅楓湖、百花湖控制發電水位調度，在滿足紅楓湖現狀已批復取水許可水量2.8 億m3、百花湖現狀已批復取水許可水量0.66 億m3情況下，貓跳河梯級電站多年平均年發電量為3.81 億kW·h；在不考慮紅楓湖、百花湖現狀已批復取水量情況下，僅考慮環境水下放及流域內耗水量影響，計算得到貓跳河梯級電站多年平均年發電量為6.72 億kW·h。因此，受紅楓湖、百花湖周邊城市取水和工礦企業取水影響，貓跳河梯級電站多年平均年發電量合計減少2.91億kW·h。

根據貴州省發展改革委《關于調整我省水電上網電價有關事項的通知》要求，按紅楓電廠上網電價0.276 1元/kW·h計算，則受紅楓湖、百花湖周邊城市取水和工礦企業取水影響，貓跳河梯級電站相應賠償電量損失估算費用8 035萬元/a。

4 結論

紅楓湖是長江流域烏江一級支流貓跳河流域梯級電站的龍頭水庫，也是貴陽市的重要飲用水水源地。紅楓湖的主要任務是供給城市居民生活、工業、農業灌溉、發電用水，兼顧環保型旅游。隨著社會經濟不斷發展，2035 年貴陽市規劃人口1 000 萬人，紅楓湖城市供水量逐漸增大，為優先滿足市民用水需求，協調好城市供水和發電用水之間的關系，通過對紅楓湖壩址以上流域內現狀調查、水庫興利調節計算、水能指標復核等，綜合考慮紅楓湖的供水、防洪、發電之間的關系，擬定紅楓湖的最低控制發電水位線，以保證貴陽市的飲用水安全。按控制發電水位調度，在滿足紅楓湖現狀已批復取水許可水量2.8億m3情況下，受紅楓湖周邊城市取水和工礦企業取水影響，紅楓水電站多年平均年發電量將減少2 166萬kW·h；受紅楓湖、百花湖周邊城市取水和工礦企業取水影響，貓跳河梯級電站多年平均年發電量合計減少2.91 億kW·h，按紅楓電廠上網電價0.276 1 元/kW·h計算，則梯級電站相應賠償電量損失估算費用8 035萬元/a。

本文通過分析紅楓湖水庫控制發電水位調度方式以及水電站發電量損失影響，可為類似協調解決水庫的供水與發電問題提供參考。