基于水資源平衡下的鄯善抽水蓄能電站水庫(kù)特征水位分析

程 鵬

（吐魯番水文勘測(cè)局,新疆 吐魯番 838000）

鄯善抽水蓄能電站是國(guó)家《抽水蓄能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》“十五五”重點(diǎn)實(shí)施項(xiàng)目,主要承擔(dān)新疆電力系統(tǒng)調(diào)峰、填谷、儲(chǔ)能、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用等任務(wù)。為了滿足鄯善抽水蓄能電站發(fā)電要求,確保各方用水不受影響,就需對(duì)鄯善抽水蓄能電站上水庫(kù)的特征水位進(jìn)行科學(xué)分析。

1 概況

吐魯番市鄯善縣二塘溝常年有水,且為深山峽谷,河道深切山體,兩岸山體高陡,沖溝發(fā)育,有較好的布置抽水蓄能電站的地形條件。為了開(kāi)發(fā)水能資源,規(guī)劃在二塘溝河道左岸山頂寬緩溝道,采用擴(kuò)挖筑壩的方式建庫(kù)。依靠天然降雨無(wú)法滿足蓄水發(fā)電要求,規(guī)劃通過(guò)抽取二塘溝干流河水進(jìn)行蓄水發(fā)電,取水?dāng)嗝婢嘞掠我呀ǖ亩翜纤畮?kù)大壩3.5 km,集水面積338 km2,取水?dāng)嗝姹ＷC率95%年份時(shí)徑流量為5560萬(wàn)m3,規(guī)劃裝機(jī)容量為140萬(wàn)kW。上水庫(kù)特征水位（正常蓄水位/死水位）方案初擬需考慮庫(kù)區(qū)地形地質(zhì)條件、庫(kù)盆擴(kuò)展條件、機(jī)組運(yùn)行條件、徑流來(lái)水、水庫(kù)淹沒(méi)、環(huán)境影響等因素。

2 水文地質(zhì)條件分析

2.1 地形地質(zhì)條件

上水庫(kù)庫(kù)址地形整體東北側(cè)高,向西南一側(cè)降低,地形高低起伏較大,小沖溝、山梁發(fā)育。壩址地形為V字型峽谷,兩岸高差相對(duì)較小,有利于筑壩。壩址區(qū)基巖巖性為上石炭系灰?guī)r夾板巖,巖性堅(jiān)硬,中層夾薄層狀結(jié)構(gòu),承載、變形能力可滿足建壩要求。壩址區(qū)地下水水位埋深大（大于200 m）,右岸壩肩山梁?jiǎn)伪?壩基巖體透水性強(qiáng),可能會(huì)發(fā)生鄰谷滲漏,需對(duì)水庫(kù)采取全庫(kù)盆防滲工程措施。水庫(kù)淹沒(méi)范圍沒(méi)有生產(chǎn)物資,也不會(huì)對(duì)環(huán)境有影響。總體上,水庫(kù)地形地質(zhì)條件不制約特征水位選擇。

2.2 庫(kù)盆擴(kuò)展條件

上水庫(kù)位于二塘溝河道左岸山頂寬緩溝道,天然庫(kù)容不能滿足需求,需采用挖填的方式圍成庫(kù)盆,形成上水庫(kù)。開(kāi)挖后水庫(kù)四周庫(kù)岸邊坡整體較穩(wěn)定,但受裂隙組合影響,邊坡表面局部可能形成不穩(wěn)定塊體,所以開(kāi)挖坡比不宜過(guò)陡,同時(shí)施工開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)視具體情況及時(shí)錨噴支護(hù)。

3 水庫(kù)防洪分析

上水庫(kù)基本沒(méi)有天然徑流來(lái)水,地下水埋藏較深,不存在地下水補(bǔ)給,洪水主要來(lái)自天然降雨。在工程運(yùn)行期,入庫(kù)洪量主要為庫(kù)周洪量和庫(kù)面洪量。水庫(kù)庫(kù)周有1條支溝,集水面積不足10 km2,庫(kù)面和庫(kù)周形成的洪量（W24h）不大,24 h校核（P=0.1%）洪量7.6萬(wàn)m3,24 h設(shè)計(jì)（P=0.5%）洪量5.73萬(wàn)m3,所形成的洪量較小,通過(guò)壩（庫(kù)）超高滿足防洪要求的條件,故壩身及樞紐泄洪壓力較小,水庫(kù)不需設(shè)置專門的泄洪設(shè)施。暴雨形成的洪水可暫時(shí)儲(chǔ)存在上水庫(kù),通過(guò)電站機(jī)組發(fā)電后排放至下水庫(kù)。電站抽水量受水庫(kù)正常蓄水位控制,水庫(kù)水位達(dá)到正常蓄水位后,停止抽水。

4 水庫(kù)特征水位分析

4.1 發(fā)電庫(kù)容

鄯善抽水蓄能電站初選裝機(jī)容量140萬(wàn)kW,安裝4臺(tái)單機(jī)容量35萬(wàn)kW的立軸單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī),額定發(fā)電流量約265.6 m3/s,按連續(xù)滿發(fā)小時(shí)數(shù)6h,并考慮1.1的裕度系數(shù),電站發(fā)電庫(kù)容需求約637.7萬(wàn)m3。水頭范圍在565.3 m～640.9 m,按照目前水泵水輪機(jī)制造水平和水頭范圍,從滿足電站水泵水輪機(jī)的穩(wěn)定高效運(yùn)行考慮,水泵水輪機(jī)最大揚(yáng)程和最小水頭比值宜控制在1.15以下。

4.2 徑流來(lái)水分析

二塘溝河發(fā)源于天山東部冰川,徑流來(lái)源主要為冰川融水、融雪、降雨和地下水補(bǔ)給等,其中降雨占總徑流量的89.7%,地下水補(bǔ)給量和冰雪融水補(bǔ)給分別占5.8%和4.4%。二塘溝擬建抽水蓄能電站壩址位于二塘溝專用站上游1.1 km,集水面積為344 km2,區(qū)間無(wú)較大支流匯入和流出,壩址集水面積與二塘溝專用站集水面積僅相差1.7%,本次直接移用二塘溝專用站的年徑流作為二塘溝擬建抽水蓄能電站壩址的設(shè)計(jì)年徑流。在電站正常運(yùn)行補(bǔ)水來(lái)水保證率95%下,取水?dāng)嗝婺陱搅髁考s5560萬(wàn)m3,見(jiàn)表1。遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)電庫(kù)容需求量637.7萬(wàn)m3。所以徑流來(lái)水對(duì)水庫(kù)庫(kù)容水位沒(méi)有影響。

表1 鄯善抽水蓄能電站取水?dāng)嗝嬖O(shè)計(jì)代表年徑流成果表 單位：萬(wàn)m

鄯善抽水蓄能電站正常運(yùn)行不消耗水量,僅有庫(kù)面水量蒸發(fā)損失及滲漏損失,本次僅考慮生態(tài)用水及蒸發(fā)、滲漏損失情況下,開(kāi)展水量平衡及盈虧調(diào)節(jié)分析,二塘溝水庫(kù)下游用水情況見(jiàn)表2。

表2 二塘溝水庫(kù)下游用水情況表 單位：萬(wàn)m3

根據(jù)鄯善縣水利局《關(guān)于將二塘溝作為鄯善抽水蓄能電站取用水水源的復(fù)函》,項(xiàng)目正常運(yùn)行期補(bǔ)水可采用休耕補(bǔ)償、渠道節(jié)水、高效節(jié)水等方式置換農(nóng)業(yè)用水,利用水權(quán)轉(zhuǎn)讓獲取用水指標(biāo)。針對(duì)項(xiàng)目初期蓄水量大及蓄水時(shí)段相對(duì)較短的特點(diǎn),可通過(guò)短期休耕置換農(nóng)業(yè)灌溉用水蓄水,滿足水庫(kù)初期蓄水和運(yùn)行期間補(bǔ)水的要求。而電站用水不消耗水資源,發(fā)完電后直接排入下游河道,所以電站抽取水,對(duì)下游用水和生態(tài)基流沒(méi)有影響。

4.3 水損備用庫(kù)容

由表1、表2 可知,1月～4月及9月～12月水量為虧缺,所以1月～4月、9月～12月設(shè)置水損備用庫(kù)容解決運(yùn)行期水庫(kù)補(bǔ)水。1月～4月、9月～12月設(shè)置水損備用庫(kù)容,合計(jì)蒸發(fā)損失及滲漏損失約147.2萬(wàn)m3。水損備用庫(kù)容利用設(shè)置在二塘溝水庫(kù)上游二塘溝主河道的下水庫(kù)。

上水庫(kù)地層巖性主要為上石炭系灰?guī)r夾板巖、安山巖。每增加1 m3庫(kù)容,需通過(guò)1.5 m3～2.0 m3的石方開(kāi)挖來(lái)獲得。下水庫(kù)位于二塘溝河道,場(chǎng)地開(kāi)闊,河谷為寬闊U型谷,每增加1 m3庫(kù)容,需通過(guò)1 m3～1.2 m3的砂礫石開(kāi)挖來(lái)獲得。經(jīng)綜合對(duì)比,水損備用庫(kù)容設(shè)置在下水庫(kù)要比上水庫(kù)所需工程代價(jià)要小。

4.4 冰凍備用庫(kù)容

鄯善抽水蓄能電站位于吐魯番市鄯善縣,電站水庫(kù)緯度與東北地區(qū)接近,需考慮冬季結(jié)冰導(dǎo)致的水庫(kù)庫(kù)容損失。上水庫(kù)正常蓄水位2134 m相應(yīng)庫(kù)面面積為24.6萬(wàn)m2,根據(jù)水文監(jiān)測(cè)及分析,上水庫(kù)可能形成冰蓋的厚度約0.4 m,設(shè)置冰凍備用庫(kù)容10萬(wàn)m3。

4.5 泥沙淤積對(duì)調(diào)節(jié)庫(kù)容影響初步分析

根據(jù)鄯善抽水蓄能電站上水庫(kù)防排沙措施以及補(bǔ)水方式,上水庫(kù)泥沙問(wèn)題不嚴(yán)重。上水庫(kù)可不考慮泥沙淤積問(wèn)題,抽水挾沙可忽略不計(jì),不會(huì)影響調(diào)節(jié)庫(kù)容。

綜上所述,在連續(xù)滿發(fā)小時(shí)數(shù)及裝機(jī)容量初選基礎(chǔ)上,考慮鄯善抽水蓄能電站上水庫(kù)地形、地質(zhì)條件,以及水泵水輪機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行要求,鄯善抽水蓄能電站連續(xù)滿發(fā)小時(shí)數(shù)6 h,裝機(jī)容量140萬(wàn)kW,所需上水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容約647.6萬(wàn)m3,其中發(fā)電庫(kù)容為637.7萬(wàn)m3,冰凍備用庫(kù)容10萬(wàn)m3。

4.6 上水庫(kù)特征水位方案初擬

考慮本工程的地形地質(zhì)和庫(kù)容條件,上水庫(kù)的調(diào)節(jié)庫(kù)容主要通過(guò)開(kāi)挖圍填形成,調(diào)節(jié)庫(kù)容越大上水庫(kù)工程量也相應(yīng)增大,在滿足最大揚(yáng)程/最小水頭及調(diào)節(jié)庫(kù)容需求的前提下,同時(shí)考慮土石方挖填平衡,采取全庫(kù)盆防滲。在充分利用上水庫(kù)地形條件及庫(kù)盆挖填平衡的前提下,抬高上水庫(kù)正常蓄水位,將增加壩高及大壩填筑量,需要通過(guò)深挖庫(kù)底及增加料場(chǎng)等方式實(shí)現(xiàn)壩料平衡,此外,上水庫(kù)東側(cè)、西側(cè)沖溝地形陡峭,隨正常蓄水位抬高,坡腳會(huì)不斷向下游延伸至沖溝溝底,需要對(duì)坡腳進(jìn)行防護(hù)并對(duì)溝內(nèi)洪水進(jìn)行排導(dǎo)以免出現(xiàn)沖刷破壞,或者采用較高的混凝土重力擋墻將坡腳擋住不進(jìn)入沖溝,但這樣擋墻投資較大且工程上存在一定風(fēng)險(xiǎn)。西側(cè)山脊高度較低,隨著上水庫(kù)正常蓄水位抬高,山體厚度將越來(lái)越薄。同時(shí)從地形可以看出上水庫(kù)主溝在高程2135 m左右出現(xiàn)明顯拐彎現(xiàn)象,即目前上水庫(kù)已位于主溝溝腦位置,若繼續(xù)抬高正常蓄水位只會(huì)導(dǎo)致填筑量增加,繼而根據(jù)挖填平衡,需要庫(kù)周開(kāi)挖更多料源來(lái)滿足,因此,本階段從盡可能減少料場(chǎng)規(guī)模、提高工程經(jīng)濟(jì)性、壩工安全性等方面考慮,上水庫(kù)正常蓄水位上限取2137 m,死水位上限取2103 m。

考慮上水庫(kù)是由開(kāi)挖形成的,降低上水庫(kù)正常蓄水位,雖然壩高降低,填筑量減少,但庫(kù)盆開(kāi)挖量增加較大,棄渣增加,上水庫(kù)壩后堆渣場(chǎng)地非常有限,渣場(chǎng)坡腳高度將增高,工程風(fēng)險(xiǎn)增大,防護(hù)措施增強(qiáng)則工程投資增加,若渣場(chǎng)容量不夠則還需另尋渣場(chǎng),工程投資增加。根據(jù)鄯善抽水蓄能電站上水庫(kù)防排沙措施以及補(bǔ)水方式,上水庫(kù)泥沙問(wèn)題不嚴(yán)重,上水庫(kù)可不考慮泥沙淤積問(wèn)題,抽水挾沙可忽略不計(jì)。因此,本階段從盡可能減少棄渣,提高工程經(jīng)濟(jì)性方面考慮,上水庫(kù)正常蓄水位下限取2131 m,死水位下限取2097 m。

鄯善抽水蓄能電站水頭運(yùn)行范圍在565.3 m～640.9 m,按照目前水泵水輪機(jī)制造水頭范圍,并根據(jù)水泵水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速,從滿足電站水泵水輪機(jī)穩(wěn)定高效運(yùn)行考慮,水泵水輪機(jī)最大揚(yáng)程和最小水頭比值宜控制在1.15以下。根據(jù)裝機(jī)連續(xù)滿發(fā)小時(shí)數(shù)及裝機(jī)容量比選成果,鄯善抽水蓄能電站初選裝機(jī)容量140萬(wàn)kW,連續(xù)滿發(fā)小時(shí)數(shù)6 h,所需上水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容約647.6萬(wàn)m3左右。

綜合考慮上水庫(kù)地形地質(zhì)條件、機(jī)組運(yùn)行條件,根據(jù)上水庫(kù)所需調(diào)節(jié)庫(kù)容及庫(kù)盆土石方挖填平衡要求等,擬定三個(gè)上水庫(kù)特征水位（正常蓄水位/死水位）,見(jiàn)表3。各方案對(duì)應(yīng)的下水庫(kù)正常蓄水位和死水位均采用1520 m、1495 m。通過(guò)水量平衡和蓄能量計(jì)算,三個(gè)比選方案水能參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 鄯善抽蓄電站上水庫(kù)特征水位比選方案水能參數(shù)表

3個(gè)方案均滿足規(guī)劃發(fā)電規(guī)模,按照投資規(guī)模和發(fā)電時(shí)間的科學(xué)性,方案2（上水庫(kù)特征水位2134 m/2100 m）工程單位千瓦投資最小,經(jīng)濟(jì)性較好。所以選定方案2作為上水庫(kù)庫(kù)容特征水位。上水庫(kù)（推薦方案）挖填后庫(kù)容曲線見(jiàn)圖1。

圖1 鄯善抽水蓄能電站上水庫(kù)挖填后庫(kù)容曲線圖

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)分析探討,二塘溝河道徑流、泥沙和防洪對(duì)鄯善抽水蓄能電站上水庫(kù)特征水位沒(méi)有影響,冰凍氣溫有影響。根據(jù)庫(kù)區(qū)地形條件限制、庫(kù)盆開(kāi)挖特點(diǎn),在二塘溝河道左岸山頂寬緩溝道溝內(nèi)擴(kuò)挖及溝口筑壩形成上水庫(kù)方案科學(xué)可行。上水庫(kù)正常蓄水位2134 m,死水位2100 m,調(diào)節(jié)庫(kù)容647.6 萬(wàn)m3,滿足裝機(jī)容量140萬(wàn)kW連續(xù)滿發(fā)小時(shí)6 h,建設(shè)經(jīng)濟(jì)科學(xué)。上水庫(kù)運(yùn)行補(bǔ)水通過(guò)置換農(nóng)業(yè)灌溉水權(quán)取得,發(fā)電用水對(duì)二塘溝下游用水和河道生態(tài)基流沒(méi)有影響,可為類似水電站庫(kù)容確定提供借鑒。