抽水蓄能電站水文設計分析與計算

李曉偉，謝 偉

(中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京100024)

抽水蓄能電站水文設計分析與計算

李曉偉，謝 偉

(中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京100024)

在進行抽水蓄能電站水文分析計算時，初期蓄水是徑流分析的重點，采用滑動平均法計算多年來水時，需要進行自相關檢驗；在下水庫調洪時，應考慮上水庫發電流量與設計洪水的組合，并以最不利組合作為設計依據；在泥沙淤積分析計算時，應合理確定過機沙量；由于抽水蓄能電站每日頻繁抽發，上水庫冬季以環庫冰帶和冰屑為主，冰厚應小于河道和常規水庫冰厚。

徑流自相關檢驗；設計洪水；過機沙量；冰厚；抽水蓄能電站

0 引 言

“采—發—輸—配—用—儲”是電網運行六大環節[1]，成熟的儲能技術主要是抽水蓄能。截至2014年，我國已建成多座抽水蓄能電站，還有許多電站在規劃設計中。已建或在建的項目有內蒙古呼和浩特、山西西龍池、山東文登、福建仙居、安徽績溪、廣東清遠等抽水蓄能電站。按下水庫是否為專用庫，抽水蓄能電站分為純抽水蓄能電站和混合式抽水蓄能電站[2]。

與常規水電站相比，抽水蓄能電站水文設計計算有其特殊性。常規水電站的水文計算已有相關規范[3]，而針對抽水蓄能電站的專業規范尚未出臺。本文結合工程設計實踐，探討了在抽水蓄能電站水文設計計算時，關于徑流、洪水、泥沙等方面發現的問題及解決對策。

1 徑 流

1.1 分析計算

常規水電站主要利用水量和落差獲得水能[4]，發電用水量較大；而抽水蓄能電站在電網負荷低谷時抽水，在高峰時發電，上下移動水體，除了蒸發滲漏等損失外基本不耗水。因此，抽水蓄能電站的運行基本不受天然徑流的影響[5]。抽水蓄能電站徑流設計主要是為初期蓄水服務，混合式抽水蓄能電站由于下水庫采用已建水庫，基本不存在水源不足問題。純抽水蓄能電站水源問題較為突出，尤其是水資源短缺地區。

馮慶華等[6]以安徽瑯琊山抽水蓄能電站下水庫為例，采用多種方法，將下水庫的徑流系列進行插補延長，并以長系列資料推求了設計年徑流；戴榮[7]以西北某抽水蓄能電站為例，利用GIS平臺繪制流域邊界，并加繪徑流深等值線圖，自動計算下水庫徑流深；白文博等[8]以廣東惠州、深圳和陽江3座抽水蓄能電站為例分析認為，由于上、下水庫高程差較大，降水量具有隨高程增加而逐漸增加的趨勢，應建立年均降水量與高程的關系，按等高線劃分流域，采用面積包圍法計算設計年徑流，進而確定徑流成果。

1.2 滑動平均法自相關檢驗

由于各種原因，初期蓄水時間往往需要2年以上，DL/T 5208—2005《抽水蓄能電站設計導則》規定：“在初期蓄水期，可選取保證率為75%的枯水年(或連續枯水年份)與50%的平水年份分別進行調節計算。”因此，常常需要提出連續n年75%的來水量。

由于水文過程的隨機性，我國常采用頻率分析法推求設計年徑流。為保持樣本獨立，一般設計時段以月、季、年為主。由于抽水蓄能電站初期蓄水一般大于1年，有時達到4年，如果進行獨立選樣，徑流系列會非常短。這時，可以采用滑動平均法推出徑流系列，但一定要檢查樣本是否還獨立，可采用自相關函數[9]來驗證。對任意隨機過程x，定義

(1)

式中，ρk為隨機過程x的自相關系數；Cov(xt,xt-k)為隨機變量xt與xt-k的協方差；D(xt)、D(xt-k)分別為隨機變量xt、xt-k的方差。

以尚志抽水蓄能電站為例，分別推求連續2年、3年、4年、5年和6年平均徑流的自相關系數(見圖1)。從圖1統計出各年份的自相關系數分別為0.61、0.77、0.80、0.85和0.89，4年及以上的滑動平均徑流系列的自相關系數大于0.8，呈顯著正相關。隨著滑動年份n的增加，自相關系數也增加，當初期蓄水時間較長時，滑動平均年徑流系列已經沒有獨立性。因此，這種計算方法只適用于2年～3年的滑動平均。

圖1 滑動平均年徑流深自相關系數

2 設計洪水

2.1 分析計算

抽水蓄能電站的設計洪水分上、下水庫設計洪水。純抽水蓄能電站一般建設在中小河流上，缺洪水資料，多屬小流域設計洪水計算。混合式抽水蓄能電站一般利用已建下水庫，設計洪水計算方法與常規水電基本一致。許多抽水蓄能電站上水庫采用瀝青混凝土面板進行庫底和庫坡全面防滲，并在庫周設混凝土防浪墻，由此形成封閉的上水庫庫盆。上水庫形成人工流域邊界，庫周洪水不會進庫，庫面降水直接產生徑流，徑流系數取為1，直接按設計暴雨推求設計洪量。

舒曉娟[10]以廣州抽水蓄能電站為例，應用推理公式法和單位線法計算電站下水庫設計洪水，并對2種方法進行了比選；鄒浩等[11]以通化抽水蓄能電站為例，結合歷史洪水調查及現有實測資料，利用頻率分析法計算了下水庫設計洪水；萬貴生等[12]以黃鴨河天池抽水蓄能電站為例，采用暴雨推求洪水方法和水文比擬法計算下水庫壩址設計洪水并進行比選。

2.2 設計洪水與發電流量組合

抽水蓄能電站流域面積一般較小，與發電流量Q發比較，下水庫的設計洪峰流量Q峰較小，而其發電流量Q發卻很大。此外，抽水蓄能電站上、下庫經過廠房的壓力水道相連，上、下庫的水體在抽水和發電工況時相互交換，兩庫實際上是一個有機整體。因此，必須考慮設計洪水與發電流量的遭遇問題。

以山東某抽水蓄能電站為例，針對下水庫設計洪水(200年一遇)，對以下情況進行洪水調節計算。水庫起調水位按電站發電水量全部在上水庫，1 h、2 h、3 h、4 h和4.5 h發電水量在下水庫和所有發電水量都在下水庫等7種工況考慮。洪水過程與發電流量疊加，按照洪水過程線10 min逐時段滑動疊加，組合成多種水量過程進行下水庫洪水調節計算。2 h、3 h發電水量在下水庫的洪水調節計算過程見圖2。設計洪水與發電流量疊加洪水調節成果見表1。從表1可知，下水庫設計最高洪水位發生在已發電2 h或3 h后遭遇設計洪水，下水庫水位最高為最不利情況。在正常洪水調度情況下，最高設計洪水位為137.79 m。

圖2考慮發電流量后的洪水調節過程

表1 設計洪水與發電流量疊加洪水調節成果 m

3 泥 沙

3.1 分析計算

抽水蓄能電站的泥沙設計主要包括入庫沙量計算、淤積回水計算、過機沙量預測等內容。抽水蓄能電站對水質要求相當高，過機含沙量條件遠高于高水頭水電站。純抽水蓄能電站的上水庫在溝源修壩或山頂夷平面開挖與圍堤成庫，坡面匯流很少。泥沙來源主要是電站抽水時從下水庫挾帶而來，上水庫泥沙淤積計算可采用靜水或動水沉降法。

陳儲軍等[13]以常規的水庫淤積一維數學模型為基礎，增加了抽放水狀況相應模塊，對蒲石河抽水蓄能電站上、下水庫的淤積計算及過機泥沙進行了計算；劉書寶等[14]采用武漢大學一維不平衡輸沙數學模型分析了豐寧抽水蓄能電站的泥沙淤積，并對下水庫排沙措施進行了研究。

3.2 過機泥沙預測

目前，過機泥沙預測主要通過物理模型和數學模型確定，吳騰等[15]以寶泉抽水蓄能電站為例，通過建立物理模型，建立了入庫沙量和過機沙量的關系曲線。公式為

(2)

式中，S抽水為抽水過機含沙量；Dz為進出水累計淤積厚度；S入庫為入庫含沙量。

4 冰 情

4.1 分析計算

我國冬季寒冷地區均有河流冰情。冰情問題是指一般凍害之外的冰花、冰塊壅堵過水排冰通道，抬高水位，減小過流能力，又淹又凍或突然潰決冰水齊下，淹沖撞擠，對工程施工和運行可能造成的危害。目前，工程冰情分析計算方法主要有實測資料統計法、冰情特征圖表法和經驗公式法。

劉連希等[16]通過對十三陵抽水蓄能電站的研究認為，一臺機組至少每日抽水、發電2個循環，利用往復水流形成低速流場，可以有效避免冰蓋形成。劉書寶等[17]以荒溝抽水蓄能電站為例研究認為，由于上水庫動力因素活躍，不可能形成穩定的封凍冰蓋，結凍形態由環庫岸冰帶、環庫碎冰帶和庫內懸浮冰蓋組成。呂明治等[18]通過對十三陵、張河灣、西龍池、蒲石河和呼和浩特等5座已建抽水蓄能電站水庫冰情開展的原型監測認為，冰厚主要受氣溫、電站運行臺次頻率及庫水位變化情況等因素影響。

實踐證明，只要抽水蓄能電站冬季合理運行，上水庫就不會形成完全冰蓋，以環庫冰帶、冰屑為主。抽水蓄能電站的最大冰厚應比河流、常規水庫的冰厚小。

4.2 計算實例

我國常用的天然河道最大冰厚經驗公式為

him=8.3Φ-278

(3)

式中，him為最大冰厚；Φ為緯度(資料范圍為36°～54°)。

在我國東北、華北天然河道冰厚增長經驗公式為

hi=k(∑t)a

(4)

式中，hi為∑t時的冰厚，∑t為累積日平均氣溫絕對值，從穩定轉負日起算；k為經驗系數;a為經驗指數，東北地區k=2.0～2.3，a=0.50～0.56，華北地區k=2.6～2.3，a=0.50～0.56。

以尚志抽水蓄能電站為例，上庫正常蓄水位558 m，下庫正常蓄水位332 m，尚志氣象站海拔189.7 m。首先將尚志氣象站1981年～2010年日平均氣溫按高程每上升100 m下降0.6 ℃修正至上水庫，再用公式(4)計算逐年最大冰厚(見圖3)，并與一面坡水文站同期資料對比。

圖3 尚志抽水蓄能電站逐年最大冰厚

尚志抽水蓄能電站位于北緯45°32′，根據公式(3)計算多年平均最大冰厚為1.10 m，與公式(4)計算結果1.08 m和實測資料1.00 m相近。以上都是針對天然河道冰厚而言的，抽水蓄能電站的冰厚應小于河道冰厚，即便按最小值1 m考慮也是安全的。

5 結 語

本文結合抽水蓄能電站設計實踐，分析了其水文分析計算的特點，得出以下結論：

(1)徑流分析的重點是初期蓄水，一般使用滑動平均法計算來水，此時需要對系列進行自相關性檢驗，該法一般以2年～3年為宜。

(2)抽水蓄能電站一般建設在中小流域上，當上水庫為封閉庫盆時，徑流系數應取1；在下水庫調洪時，應考慮上水庫發電流量與設計洪水的組合，并取最不利工況作為設計依據。

(3)泥沙設計除常規的淤積回水計算，預測過機泥沙量是重點，目前仍沒有成熟的預測方法，可借鑒類似工程的入庫沙量與過機沙量關系曲線進行預測。

(4)抽水蓄能電站冰情原型觀測表明，因電站的頻繁抽發，形成往復水流，上水庫很難形成冰封，以環庫冰帶和冰屑為主，冰厚應小于河流和常規水庫冰厚。

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(責任編輯楊 健)

Hydrologic Analysis and Computation for Pumped-storage Power Station

LI Xiaowei, XIE Wei

(PowerChian Beijing Engineering Corporation Limited, Beijing 100024, China)

In hydrologic analysis and computation for pumped-storage power station, the initial filling of reservoir is the focus of runoff analysis, and when the moving average method is used to calculate runoff process for more than one year, the autocorrelation test should be done first. The flood routing of lower reservoir should consider a composition of power generation flow and design flood, and the most unfavorable result should be selected. In the calculation of sediment siltation, the sediment passing through the turbine should be determined reasonably. The ice forms in upper reservoir in winter are mainly ice around the reservoir bank and ice pieces due to frequently pumping and generation of pumped-storage station, so the ice thickness will be less than conventional reservoir and natural rivers．

runoff autocorrelation test; design flood; sediment passing through the turbine; ice thickness; pumped-storage power station

2015- 06- 18

李曉偉(1976—)，女，黑龍江佳木斯人，高級工程師，從事水電工程水文設計、水文水資源研究工作．

TV743

A

0559- 9342(2015)12- 0025- 04