甘肅皇城抽水蓄能電站取水口設(shè)計(jì)洪水計(jì)算與分析

王晴玉，王 鵬，武金慧，何 洋， 徐 俊， 張 璇

（1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710065；2.陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710005）

1 工程概況

甘肅皇城抽水蓄能電站是《抽水蓄能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2021 年～2035 年）》中甘肅省抽水蓄能規(guī)劃“十四五”重點(diǎn)實(shí)施項(xiàng)目,工程位于甘肅省張掖市肅南縣境內(nèi),距張掖市直線距離 185 km,距武威市直線距離 45 km,公路里程約 54 km。工程地處河西走廊,距離甘肅省負(fù)荷中心蘭州市以及河西走廊新能源基地近,地理位置優(yōu)越。

工程為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站,電站裝機(jī)容量1400 MW（4×350 MW）,設(shè)計(jì)年平均發(fā)電量 16.37 億kW·h,年抽水用電量21.83 億 kW·h,電站工期78 個(gè)月,本電站靜態(tài)總投資為920811.95 萬(wàn)元,靜態(tài)單位千瓦投資為6577 元/kW。電站樞紐由上、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房、地面開(kāi)關(guān)站等建筑物組成。電站建成后將承擔(dān)甘肅電網(wǎng)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用、儲(chǔ)能等任務(wù)。

2 流域概況

甘肅皇城抽水蓄能電站位于張掖市西營(yíng)河流域內(nèi)。西營(yíng)河屬于內(nèi)陸河石羊河水系,是石羊河最大的一級(jí)支流,西營(yíng)河發(fā)源于祁連山北麓的冷龍嶺,上游分為東西兩支,東支寧昌河,發(fā)源于祁連山冷龍嶺北坡的假墻槽,自南向北流,流長(zhǎng)45.8 km,源地海拔高程4500 m,干流平均坡降24.8‰；西支水管河,源于亂石窩腦子,自西南向東北流,流長(zhǎng)35.6 km,源地海拔高程4300 m,干流平均坡降24.9‰。東、西兩支流在西營(yíng)河林場(chǎng)處匯合后折向東北流稱西營(yíng)河,上游河網(wǎng)發(fā)育,支流縱橫,山地陰坡面分布有天然林,牧草豐盛,植被較好,山區(qū)雨量較大,是流域的主要產(chǎn)流區(qū)。流域平均高度3312 m,河源不少山峰聳立在4500 m 以上,最高達(dá)5007 m,群峰終年積雪,有現(xiàn)代冰川,中上游森林茂密,下游及水管河以西山嶺光禿,巖石裸露,河床蜿蜒曲折,川谷相間,落差大,水力資源豐富。

甘肅皇城站點(diǎn)上水庫(kù)位于西營(yíng)河左岸山頂處,無(wú)較大支溝匯入；下水庫(kù)壩址以上有兩條支溝匯入,分別為羅圈溝西溝與羅圈溝東溝,壩址以上匯水面積分別為3.8 km2和1.6 km2。上、下水庫(kù)均利用地形挖填形成。工程利用西營(yíng)河水補(bǔ)水,取水口位于土塔河與西營(yíng)河交匯處雙窯灣一號(hào)水電站下游約1 km處,集水面積1387 km2,取水口上游約11 km 處建有九條嶺水電站,雙窯灣一號(hào)水電站與九條嶺水電站均為無(wú)調(diào)節(jié)的徑流引水式水電站。取水口下游約10 km 處建有西營(yíng)水庫(kù),設(shè)計(jì)總庫(kù)容2350 萬(wàn)m3,是一座以灌溉為主,兼顧防洪等綜合效益的中型水庫(kù)。本工程取水口不在西營(yíng)水庫(kù)庫(kù)區(qū)范圍內(nèi),不受水庫(kù)回水影響。

3 暴雨洪水特性

西營(yíng)河流域洪水主要由暴雨形成,它隨暴雨大小、河流集水面積、流域形狀、地形、自然植被等因素不同而不同,其洪水多為單峰型,峰型尖瘦,漲落陡峻,來(lái)勢(shì)猛,歷時(shí)短,多發(fā)生在6 月、7 月、8 月三個(gè)月份[1]。

甘肅皇城抽水蓄能電站上、下水庫(kù)洪水均由高強(qiáng)度、局地、短歷時(shí)暴雨產(chǎn)生,具有暴漲暴落、峰高量小、歷時(shí)較短等特點(diǎn)。

4 歷史洪水

1965 年甘肅省水利廳設(shè)計(jì)院在西營(yíng)河潘家莊四溝橋（集雨面積1455 km2）對(duì)四溝嘴水文站（已撤站）河段歷史洪水進(jìn)行調(diào)查,調(diào)查村莊兩個(gè),被訪者五人,調(diào)查到歷史洪水按大小順序排列為1895 年、1945 年、1923 年、1900 年,其中1895 年洪水拉垮四溝橋,給人們留下深刻印象。四溝橋始建于咸豐初年（1851 年）,迄今120 余年,除1895 年洪水將橋拉垮外,再?zèng)]有被洪水淹過(guò)。1945 年洪水雖為70 歲老人所見(jiàn)最大,但小于調(diào)查期以后的1969 年洪水；1923 年、1900 年洪水大小有混淆不清現(xiàn)象。1971 年5 月4 日甘肅省水文總站又在西營(yíng)河鏵尖公社（集雨面積1047 km2）對(duì)西營(yíng)河鏵尖河段歷史洪水進(jìn)行了較為詳細(xì)的調(diào)查,據(jù)三位老人談,較大的洪水有1924 年、1933 年、1945 年,除1945 年指認(rèn)一個(gè)洪痕外,其它各年均無(wú)洪痕,由于該地系深山區(qū),人煙稀少,僅散居著極少的牧民,未能調(diào)查到1895 年洪水。同年4 月9 日對(duì)響水河河口（集雨面積140 km2）河段洪水進(jìn)行調(diào)查,該河是西營(yíng)河鏵尖河段下游的一級(jí)支流,測(cè)得1895 年歷史洪水196 m3/s,由此推算得鏵尖河段1895 年歷史特大洪水611 m3/s。根據(jù)鄰近河流調(diào)查的歷史洪水及本流域上、下游的調(diào)查情況,對(duì)洪水發(fā)生的年份及量級(jí)進(jìn)行了全面系統(tǒng)的考證分析。分析結(jié)果認(rèn)為1895 年洪水屬西營(yíng)河歷史上的一場(chǎng)特大洪水,1945 年洪水屬石羊河水系普降的一場(chǎng)較大洪水, 但小于1969 年洪水, 其他調(diào)查年份的洪水量級(jí)均小于前兩場(chǎng)洪水, 成果見(jiàn)表1。

表1 西營(yíng)河歷史洪水調(diào)查成果表

1895 年洪水,認(rèn)為是咸豐初年（1851 年）以來(lái)的最大洪水,則洪水重現(xiàn)期為171 年。1895 年洪水,認(rèn)為是1895 年以來(lái)的最大洪水,其重現(xiàn)期為127 年。據(jù)此,1895 年洪水的重現(xiàn)期確定為127 年～171 年。1945 年洪水小于1969 年洪水,不做歷史洪水處理。

5 水文站設(shè)計(jì)洪水

5.1 九條嶺水文站資料情況

九條嶺水文站位于石羊河水系西營(yíng)河上游,地處張掖市肅南裕固族自治縣皇城鎮(zhèn)九條嶺煤礦,控制流域面積1077 km2,屬國(guó)家重要水文站、中央報(bào)汛站、國(guó)家水質(zhì)監(jiān)測(cè)站、區(qū)域代表站[2]。該站于1972 年1 月設(shè)立,測(cè)驗(yàn)符合水文測(cè)驗(yàn)相關(guān)規(guī)范要求,測(cè)驗(yàn)成果經(jīng)甘肅省水文水資源局整編,資料整編符合規(guī)范要求。

該站流量測(cè)驗(yàn)河段基本順直,兩岸有人工漿砌石堤壩,水流集中,卵石河床,河床穩(wěn)定,歷年測(cè)驗(yàn)斷面穩(wěn)定,控制良好,水位流量關(guān)系線呈穩(wěn)定的單一線關(guān)系,影響河道流量的各水力因素相對(duì)穩(wěn)定,測(cè)站控制良好,符合測(cè)驗(yàn)河道穩(wěn)定、水流平穩(wěn)的控制特性,水位、流量資料可靠,精度較高[3]。本次研究收集到九條嶺水文站自1972 年建站至2020 年實(shí)測(cè)洪水資料,系列長(zhǎng)度為49 年。

5.2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

根據(jù)九條嶺水文站1972 年～2020 年實(shí)測(cè)洪水資料,同時(shí)考慮歷史特大洪水（1895 年Q=611 m3/s）組成不連續(xù)系列,進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。經(jīng)驗(yàn)頻率以《水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》（NB/T 35046-2014）中的公式進(jìn)行估算；用矩法初估統(tǒng)計(jì)參數(shù),采用P-Ⅲ型頻率曲線適線確定統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

對(duì)不連序系列,經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算的公式具體可表述如下：

1）a 個(gè)特大洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率為：

2）n-l 個(gè)連序洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率為：

式中：PM為第M 位特大洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率；N 為調(diào)查考證期；a 為在N 年中連續(xù)順序位的特大洪水項(xiàng)數(shù)；n 為實(shí)測(cè)洪水系列項(xiàng)數(shù)；l 為實(shí)測(cè)洪水系列中抽出作特大洪水處理的項(xiàng)數(shù)；pm為實(shí)測(cè)系列第m 項(xiàng)的經(jīng)驗(yàn)頻率。

經(jīng)計(jì)算,九條嶺水文站設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)表2,頻率曲線圖見(jiàn)圖1。

圖1 九條嶺水文站年最大洪峰流量頻率曲線圖

表2 九條嶺水文站設(shè)計(jì)洪水成果表

5.3 成果合理性分析

將本次計(jì)算的九條嶺水文站設(shè)計(jì)洪水成果與《甘肅省肅南縣西營(yíng)河九條嶺水電站工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》（2008 年）（以下簡(jiǎn)稱《九條嶺水電站初設(shè)報(bào)告》）成果進(jìn)行對(duì)比分析,其對(duì)比表見(jiàn)表3。

表3 九條嶺水文站設(shè)計(jì)洪水成果表

根據(jù)表3 可知,本次計(jì)算的九條嶺水文站設(shè)計(jì)洪水成果較《九條嶺水電站初設(shè)報(bào)告》成果相差-3.10%～4.59%之間。隨著水文站資料系列的延長(zhǎng),洪水均值減小,但CV增加,致使各頻率洪峰流量設(shè)計(jì)值較《九條嶺水電站初設(shè)報(bào)告》整體偏大。從工程安全考慮,最終采用本次計(jì)算得到的九條嶺水文站設(shè)計(jì)洪水成果。

6 取水口設(shè)計(jì)洪水

工程取水口位于土塔河與西營(yíng)河交匯處雙窯灣一號(hào)水電站下游約1 km 處,距上游九條嶺水文站約12 km。本次采用水文比擬法計(jì)算取水口處設(shè)計(jì)洪水,公式如下：

式中：Q取水口、Q水文站分別為取水口、水文站設(shè)計(jì)洪水,m3/s；F取水口、F水文站分別為取水口、水文站集水面積,km2；取水口、水文站集水面積分別為1387km2和1077km2：n 為面積指數(shù),取1。

經(jīng)計(jì)算,工程取水口設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)表4。

表4 甘肅皇城站點(diǎn)取水口設(shè)計(jì)洪水成果表

7 取水口分期設(shè)計(jì)洪水

根據(jù)九條嶺水文站1972 年～2020 年逐月最大流量繪制九條嶺水文站歷年逐月最大流量散布圖,見(jiàn)圖2。根據(jù)九條嶺水文站多年實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì),洪水大多發(fā)生在6 月～9 月,因此將6 月～9 月劃分為汛期；4 月～5 月由于上游冰川融雪產(chǎn)生洪水,因此將4 月～5 月劃分為汛前過(guò)渡期；10 月～2 月水量基本平穩(wěn),劃分為枯水期；3 月水量開(kāi)始增長(zhǎng),根據(jù)施工實(shí)際需要,單獨(dú)劃分為一期。

圖2 九條嶺水文站歷年逐月最大流量散布圖

汛期（6 月～9 月）以外的時(shí)段均按不跨期原則進(jìn)行選樣,定時(shí)段獨(dú)立選取九條嶺水文站最大流量,組成各時(shí)段最大流量系列。經(jīng)驗(yàn)頻率以《水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》中的公式進(jìn)行估算；用矩法初估統(tǒng)計(jì)參數(shù),采用P-Ⅲ型頻率曲線適線確定統(tǒng)計(jì)參數(shù),得到九條嶺水文站非汛期各分期的設(shè)計(jì)洪水,頻率曲線圖見(jiàn)圖3 ～圖5,汛期（6 月～9 月）的設(shè)計(jì)洪水直接采用年最大設(shè)計(jì)洪水成果,九條嶺水文站分期設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)表5。

圖3 九條嶺水文站年10 月1 日～翌年2 月28 日最大洪峰流量頻率曲線

圖4 九條嶺水文站年3 月1 日～3 月31 日最大洪峰流量頻率曲線

圖5 九條嶺水文站年4 月1 日～5 月31 日最大洪峰流量頻率曲線

表5 九條嶺水文站分期設(shè)計(jì)洪水成果表 單位：m3/s

在n 項(xiàng)連續(xù)洪水系列中,按大小順序排位的第m 項(xiàng)洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率Pm,宜采用下列數(shù)學(xué)期望公式計(jì)算：

式中：m 為洪水在連序系列中的序位；n 為洪水序列項(xiàng)數(shù)；

Pm為第m 項(xiàng)洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率。

將九條嶺水文站分期設(shè)計(jì)洪水成果按面積比的一次方折算至取水口斷面,得取水口處分期設(shè)計(jì)洪水成果,取水口處分期設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)表6。各分期洪水不跨期使用。

表6 取水口分期設(shè)計(jì)洪水成果表 單位：m3/s

8 結(jié)語(yǔ)

甘肅皇城抽水蓄能電站取水口設(shè)計(jì)洪水充分利用附近九條嶺水文站實(shí)測(cè)洪水資料進(jìn)行分析計(jì)算,實(shí)測(cè)洪水資料系列長(zhǎng)度達(dá)49 年,并充分考慮了歷史洪水調(diào)查成果,同時(shí)對(duì)比已建工程設(shè)計(jì)報(bào)告成果,對(duì)本次設(shè)計(jì)洪水成果進(jìn)行了合理性分析。經(jīng)分析,本次選取的設(shè)計(jì)依據(jù)站科學(xué)合理,實(shí)測(cè)洪水資料及歷史調(diào)查洪水資料可靠,計(jì)算、分析方法科學(xué)合理,設(shè)計(jì)洪水成果合理可靠,可為工程設(shè)計(jì)、防洪及調(diào)度運(yùn)行等提供技術(shù)依據(jù),也可為類似工程建設(shè)提供借鑒參考。根據(jù)施工需要,對(duì)施工期分期洪水進(jìn)行了計(jì)算,以供施工組織設(shè)計(jì)中參考使用。