淺析鍋浪蹺水電站汛末蓄水時機

李 衛 起, 張 艷, 趙 圓 元

(四川水發勘測設計研究有限公司,四川 成都 610072)

1 電站概況

鍋浪蹺水電站位于四川省雅安市天全縣紫石鄉境內,所在流域為岷江—青衣江一級支流天全河,具有年調節能力,是天全河梯級電站中的龍頭電站,其開發任務主要為發電,兼顧下游減水河段生態環境用水。電站壩址以上控制流域面積為936 km2,多年平均流量49.7 m3/s,年徑流總量15.7億m3,壩址來水呈現出汛期(6～9月)來水集中且來水量大、汛后來水大幅減少的年內分配規律。電站為二等大(Ⅱ)型工程,其設計洪水標準為500 a一遇,校核洪水標準5 000 a一遇;電站正常蓄水位1 280.00 m,汛期限制水位1 270.00 m,設計洪水位1 280.56 m,校核洪水位1 282.34 m,死水位1 220.00 m,水庫總庫容1.84億m3,調節庫容1.31億m3,最大壩高186.30 m;電站總裝機容量210 MW,設計工況下電站多年平均發電量8.4億kW·h,其中汛期(6～9月)發電量5.0億kW·h,10～11月份發電量1.1億kW·h,枯期(12～5月)發電量約2.3億kW·h。該電站于2013年開工建設,目前基本具備初期蓄水條件,預計2023年底全部建成投產發電。

2 來水量與蓄水時機

鍋浪蹺電站無防洪任務,其調度運行方式考慮電站安全等因素設置了汛期限制水位,初設階段設計工況下調度運行方式提出,汛期(6～9月)水庫運行水位控制在汛限水位1 270.00 m運行,10月初水庫開始蓄水,至10月底蓄水至正常蓄水位1 280.00 m。從省內已建類似電站的實際運行情況看,汛限水位的設置往往會造成汛末前期棄水過多而汛后無水可蓄的被動局面。此外,從岷江流域近年來降水量時空變化趨勢看,其中、下游地區降水量自20世紀50年代以來均長期保持下降趨勢[1-2],該情況對電站蓄水十分不利,尤其是枯水年份更為突出。

汛限水位的運行控制既關系到電站防洪安全的保障又決定了電站效益的發揮,因此,如何適時解除汛限水位的制約,合理科學地選擇蓄水時機尤為重要,使其在保障電站安全的同時,又能促進電站發揮效益。水庫運行至后汛期的某一時期,在此時分析此后洪水發生的可能性,并結合水庫自身防洪能力,在這一時期攔蓄洪水抬高水位以至解除之前汛限水位的制約,達到充分利用洪水資源的目的,這一時期稱為蓄水時機。根據四川省河流在后汛期洪水發生的多年統計,得出其分布規律大多是隨著時間逐漸減小,但從實際的洪水調度考慮,每年面臨的洪水具有隨機性,突發性,洪水分布不完全符合統計規律,有其洪水分布的個性。此時,若嚴格按照統一制定的汛限水位的單一設計值對水庫調度控制運行,極有可能錯過蓄水時機,造成無法保障防洪安全及電站效益減損的雙重損失。

本文將針對上述問題,從影響水庫蓄水時機的因素入手,通過分析天全河歷史洪水特性與流域氣象時空變化規律的相關關系,根據多年系列歷史洪水發生的時間、頻次及量級的統計分析結果,結合電站自身防洪能力,分析其汛末蓄水時間提前至9月份的可行性,為進一步優化電站的調度運行方式提供參考。

3 電站汛末蓄水時機分析

經研究分析,蓄水時機主要受兩方面的影響,一方面是水庫泄洪能力和防洪庫容等因素的影響;另一方面是水文氣象特征和時空分布等與洪水相關的自然因素的影響。

3.1 洪水發生時間分布規律

為分析確定天全河洪水發生的分布規律,本文針對天全水文站1956～2020年共65年間洪水發生的時間和次數進行統計和分析,結果表明,天全河歷年最大流量最早出現在6月21日,最晚出現于9月9日,以7、8兩月發生的頻次最高,這兩個月份共發生53次,占頻次總數的81.5%,9月份僅發生6次,占頻次總數的9.2%。可見,隨著時間的推移,大洪水發生的頻率也在逐漸減小。天全水文站年最大流量各月發生頻次詳見表1。

表1 天全水文站年最大流量各月發生頻次統計表

9月份為主汛期的最后一個月,從表1統計結果看,9月份發生大洪水的概率相對較小,那么,9月份若發生洪水,其發生時間、發生頻次以及量級又有何特性,本文以旬為單位細化了9月份時段劃分,以電站表孔及中孔的泄洪能力為標準細化了洪水量級,以上旬、中旬及下旬分別統計分析各旬最大流量發生時間、發生次數及洪水量級。統計結果表明,65年長系列年中大于1 400 m3/s洪水僅5次,均發生在9月份上旬,9月份中旬、下旬洪水量級逐漸減小,大洪水發生的次數也在減小,天全水文站年9月份各旬最大流量統計見表2。

表2 天全水文站年9月份各旬最大流量統計表

天全河洪水特性的統計結果進一步說明洪水發生時間的集中性這一特點,這為鍋浪蹺電站合理選擇蓄水時機提供了可能性。

3.2 流域洪水的氣象成因

西太平洋副熱帶高壓(下稱副高)是影響我國天氣的重要因素,也是向我國大陸輸送水汽的重要系統,我國雨帶位置與此密切相關[3]。西南氣流自印度洋輸送至我國,形成了我國降水的主要來源,沿副高北上的暖濕氣流在副高的北側與南下的冷空氣相交,大范圍的陰雨天氣通常在此處形成,這也是我國大陸地區的重要降水帶。因此,我國降水帶與副高具有活動規律上的一致性,降水帶一般位于副高脊線以北約5～8個緯度。

副高的活動規律具有明顯的年際和季節變化特征,冬季時,副高脊線一般位于15 N附近,隨著時間推移,脊線向北緩慢移動,到6月中、下旬,脊線迅速北跳,在20 N～30 N之間擺動。至7月上、中旬,脊線再次北跳,躍到25 N以北地區,并在25 N～30 N之間游移。七月底到8月初,脊線跨越30 N,到達最北的位置。從9月起,脊線開始自北向南退縮,9月上旬脊線回跳到25 N附近,10月上旬回跳到20 N以南地區,從此結束了一年為周期的季節性南、北移動。副高隨季節變化做非勻速移動,通常北進速度較慢,持續時間長,相反南退歷時短,移動速度快。除上述移動規律之外,通常北進還伴有向西延伸,南退的同時向東退縮的規律。

天全河流域所處緯度在29 N～31 N間,統計分析流域內氣象資料后得出:一般情況下,每年流域內降雨量自4月逐月遞增,5～10月降雨量約占全年降雨量的80%,在這6個月中6～8月降雨量占比最大,其余月份相對較小,從10月開始,降雨量逐漸減小。

可見,天全河雨情及洪水的發生與副高的活動規律密切相關,鑒于副高南退歷時短、速度快的特征,若不抓住時機進行蓄水,則意味著可能錯失本年度最后一次攔蓄洪水資源的機會。因此,天全河若9月份發生洪水,則可以根據當時的實際情況考慮蓄水。

3.3 泄洪能力和電站安全

鍋浪蹺電站具有0.37億m3的防洪庫容,其泄洪設施有表孔泄洪洞和中孔泄洪洞,正常蓄水位時中孔泄洪洞泄流能力約540 m3/s左右,表孔泄洪洞約857 m3/s左右,總泄流能力約1 400 m3/s左右。從9月份洪水發生的頻次看,9月中、下旬發生次數減少特別明顯,從量級看,基本都是小于1 400 m3/s的洪水,均低于電站的總泄流能力。

為研究分析9月中、下旬蓄水的安全性,本文采用后汛期(9月)設計洪水進行了調洪演算,結果表明,若遭遇后汛期500 a一遇洪水(洪峰流量為1 430 m3/s),從正常蓄水位1 280.00 m起調,庫水位最高升至1 280.05 m;若遭遇后汛期5 000 a一遇校核洪水(洪峰流量為1 780 m3/s),庫水位最高升至1 281.18 m,均低于大壩校核洪水位。

綜上可見,鍋浪蹺電站汛末蓄水時機選擇在9月中、下旬為宜,從防洪角度分析也是安全的,實施時可結合當地水情及天氣預報等情況具體安排。

4 準確把握蓄水時機 充分發揮梯級電站整體效益

通過上述分析,若提前至9月中旬水庫蓄水至正常蓄水位,電站的發電水頭約提高4.2%,與設計工況相比,9月下旬至10月底電站可增加發電量約550萬kW·h,同時,其龍頭電站的年調節能力在枯期可得到充分的發揮。若9月份仍維持汛限水位運行,10月份開始蓄水,如果發生前文所述無水可蓄或不能蓄滿的被動情況,電站水頭效益以及整個枯期的電量效益都將受到影響。以蓄水至1 275.00 m為例估算,10月、11月及12月等幾個月份至少有5 m水頭不能利用,同時,水庫蓄水量較蓄滿情況下減少約1 500萬m3,考慮上述情況后進行調節計算,結果表明,電站較設計工況減少發電量約875萬kW·h,其下游已建腳基坪、干溪坡等8個梯級電站也將因此而減少發電量約1 300萬kW·h。

由此可見,鍋浪蹺電站的蓄滿程度對其自身以及下游梯級電站的發電效益起著非常顯著的作用,準確把握蓄水時機是充分發揮梯級電站整體效益的關鍵。

5 結 語

流域洪水發生的隨機突發性對水電站調度運行的蓄水時機確定有極大影響,會造成防洪安全問題及電站效益減損,通過分析天全河的洪水發生時間分布規律,明確了鍋浪蹺水電站具有選擇蓄水時機的可能性。由此分析天全河洪水的發生時機與流域氣象因素的相關性,論證了將9月中、下旬作為其蓄水時機的經濟和防洪安全性。結合當地實際水情雨情預報情況,將鍋浪蹺水電站的蓄水時機大致選擇在9月中、下旬具有合理性,可以保證防洪安全,保障鍋浪蹺水電站及下游梯級電站的整體發電效益的充分發揮,為進一步優化水電站的調度運行方式提供了參考依據。