二灘水電站枯水期尾水水位流量關系研究

商云笛，韓先宇，吳文勇

（雅礱江流域水電開發有限公司，四川成都，610051）

0 引言

二灘水電站系以發電為主的雅礱江梯級開發的第一個水電站，是雅礱江初擬21級開發中的第20個梯級電站。它也是我國20世紀完建的最大水電站。電站位于四川省攀枝花市米易、鹽邊兩縣境內，下距市區46 km。電站樞紐由混凝土雙曲拱壩、泄洪建筑物、地下廠房、引水建筑物等組成。

雅礱江為金沙江最大支流，干流全長1 571 km，全流域面積13.6萬km2，壩址以上控制流域面積11.64萬km2，河口多年平均流量1 910 m3/s，多年平均年徑流量527億m3。壩區極端最低氣溫-0.4℃，極端最高氣溫41.0℃，多年平均氣溫19.7℃，最大風速18.3 m/s，多年平均相對濕度67%。

二灘水電站水庫正常高水位1 200 m，發電最低運行水位1 155 m，總庫容58億m3，有效庫容33.7億m3，正常蓄水位時水庫面積101 km2，正常蓄水位時回水長度145 km，庫容系數6.4%，屬季調節水庫，水量利用率76.6%。電站裝機容量3 300 MW（6×550 MW），多年平均發電量170億kWh，年利用小時5 162 h。

二灘水電站工程籌建時間為1987年9月—1991年8月，1991年9月14日正式發布開工令，1993年11月26日提前14 d實現了截流。主體工程從1993年12月開始施工，1998年5月1日電站正式下閘蓄水，同年8月第一臺機組正式并網發電，1999年12月2日全部機組投產，2000年12月完成樞紐工程竣工驗收，工程實際總投資282.63億元。

二灘水電站自1998年5月1日首次下閘蓄水，至今已正常運行近21年。近年來，二灘水電站采用多波束聲吶、水下無人潛航器、三維激光及現場調繪方式，對尾水河床的水下地形、岸坡地形進行了全覆蓋探測，發現多處岸坡淘蝕缺陷。為給尾水河床護岸修復等項目提供有利的施工條件，確保工程安全，有必要對二灘水電站尾水附近（二道壩出口處）的水位-流量關系進行研究。

1 發電流量及上游水庫影響分析

1.1 上、下游主要梯級電站

雅礱江二灘水電站上游調節性能較好的水庫有錦屏一級和兩河口兩座水庫。二灘水電站上、下游主要梯級水庫電站的基本參數見表1。

表1 二灘水電站上、下游主要梯級水庫電站基本參數Table 1 Parameters of the main hydropower stations upstream and downstream of Ertan hydropower station

1.1.1 兩河口水電站

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內的雅礱江干流上，電站壩址位于雅礱江干流與支流鮮水河的匯合口下游約2 km河段，下距雅江縣城約25 km，壩址控制流域面積6.57萬km2，占全流域的48%左右，壩址處多年平均流量670 m3/s。水庫正常蓄水位2 865 m，相應庫容101.5億m3，調節庫容65.6億m3，具有多年調節能力。電站裝機容量300萬kW，多年平均年發電量110.0億kWh，設計枯水年供水期（12月—翌年5月）平均出力113萬kW。兩河口水電站是雅礱江梯級開發的關鍵工程，它的興建將對雅礱江梯級全面開發建設起到實質性的推動和促進作用，并大大改善下游梯級電站的供電質量。2014年10月已獲準開工建設。

1.1.2 錦屏一級水電站

錦屏一級水電站位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣與木里縣交界處的雅礱江大河灣干流河段上，距河口358 km，是雅礱江卡拉-江口河段的控制性水庫電站。壩址以上集水面積102 560 km2，多年平均流量1 220 m3/s，水庫正常蓄水位1 880 m，死水位1 800 m，正常蓄水位以下庫容77.65億m3，調節庫容49.1億m3，具有年調節性能。電站裝機容量360萬kW，單獨運行的設計枯水年枯水期平均出力108.6萬kW。電站多年平均年發電量166.2億kWh，其中枯水期（12月—翌年4月）電量43.7億kWh，占全年的26.3%。通過水庫調節，將使設計枯水年枯水期平均流量由367 m3/s提高到678 m3/s，即提高天然流量84.7%。可增加雅礱江下游4個梯級電站設計枯水年枯期平均出力136.1萬kW，多年平均年發電量60.0億kWh。錦屏一級水電站機組已于2014年7月起全面投產運行。

1.1.3 錦屏二級水電站

錦屏二級位于四川省涼山州境內的雅礱江干流上，系雅礱江梯級開發的骨干電站，上游7.5 km處為具有年調節能力的錦屏一級水電站。電站正常蓄水位1 646 m，調節庫容480萬m3，具有日調節性能，裝機容量480萬kW，聯合運行設計枯水年枯水期平均出力151.8萬kW，多年平均年發電量242.3億kWh。錦屏二級水電站已于2014年全面投產。

1.1.4 官地水電站

官地水電站位于四川省涼山彝族自治州西昌市和鹽源縣交界的打羅村境內，壩址距西昌市的直線距離約30 km，公路里程約80 km，電站主要任務是發電。該電站控制流域面積11.01萬km2，多年平均流量1 430 m3/s。水庫正常蓄水位1 330 m，總庫容7.6億m3，具有日調節性能。電站裝機容量240萬kW，與錦屏一級和兩河口聯合運行保證出力107.6萬kW，多年平均年發電量達110.16億kWh。官地水電站于2013年全部投產發電。

1.1.5 桐子林水電站

桐子林水電站是雅礱江干流開發最后一級，采用河床式開發。電站正常蓄水位1 015 m，調節庫容0.15億m3，具有日調節性能。電站裝機容量60萬kW。桐子林電站規模適中，對外交通方便，依托二灘水庫的調蓄作用，可減少施工導流工程量，降低工程造價。同時該工程具有對二灘電站日調峰泄流的反調節功能，可改善二灘電站下游由于調峰造成的環境影響。

1.2 上游水庫調蓄影響

二灘壩址1953年6月—2013年5月天然多年平均流量1 640 m3/s，其中平、枯水期（11月—翌年5月）月平均流量660 m3/s。考慮錦屏一級水電站對二灘水庫蓄放水的影響，二灘水電站平、枯水期平均流量為927 m3/s。

上游兩河口、錦屏一級水庫調節庫容共114.7億m3，建成后二灘平、枯水期（11月—翌年5月）平均流量為1 283 m3/s。

1.3 實測逐時出庫流量資料分析

根據2004—2015年系列枯水期（12月—翌年4月）二灘實測逐時出庫流量資料分析，枯水期出現過機組調峰滿發流量的情況。近年來，由于上游錦屏一級水電站年調節水庫的補償調蓄作用，以及上游錦屏二級、官地水電站的枯期調峰作用，二灘枯期平均出庫流量增大，出現機組滿發的次數增多。其中2015年4月30日18時最大出庫流量2 280 m3/s，2月27日17時最大出庫流量2 101 m3/s，2008年4月3日11時最大出庫流量2 149 m3/s，等等。

2 枯水期尾水水位流量關系分析

2.1 計算斷面

1999—2005 年對二灘水電站壩址下游河床開展變形觀測，結果表明：二灘水庫建成運行后，下游各橫斷面沖淤變化不大。因此，三灘大橋以上至二灘電站尾水河段采用2013年二灘尾水實測斷面結果和2015年三灘大橋處實測斷面結果，三灘大橋以下河段由于無近期測量的橫斷面，則采用桐子林水電站可研重編設計時的泥沙沖淤計算斷面。

計算河段內共布設斷面24個，各斷面間距120～2 020 m不等，平均斷面間距約821 m，其中二道壩—三灘大橋河段布置斷面7個，斷面間距在120～860 m，平均斷面間距287 m。

2.2 糙率

2016年1—2 月間，二灘電廠在二道壩下進行了水位觀測，根據該觀測資料及對應時刻的二灘出庫流量、桐子林壩前水位，點繪桐子林水庫蓄水初期不同壩前水位下二道壩處水位與流量分布圖，見圖1。對該關系進行分析，桐子林水庫不同壩前水位運行對二道壩處的洪水水位有一定影響，各壩前水位對應的流量分布呈條帶狀，且隨著壩前水位的抬高有所抬升。

圖1 桐子林水庫不同壩前水位下二灘尾水水位與流量分布Fig.1 Measured tail water levels and flow rates of Ertan hydropower station with different water levels upstream of Tongzilin hydropower station

根據桐子林水庫蓄水初期不同壩前水位下二灘尾水水位與流量分布圖，擬合了桐子林水庫蓄水初期不同壩前水位運行時二灘尾水水位-流量關系，見圖2。

根據擬定的桐子林水庫蓄水初期不同壩前水位時二灘尾水水位-流量關系，率定出桐子林蓄水初期不同壩前水位時二灘尾水河段的河道糙率略有差異，變化范圍0.047～0.072。

3 枯水期尾水水位計算

在桐子林水庫運行20年床面上，以桐子林枯水期壩前運行水位1 015 m起算，計算二灘下泄不同流量時的尾水水位。考慮到上游錦屏、官地水電站蓄水發電后，錦屏一級水庫的調蓄補償作用使二灘水電站枯水期發電流量大幅增加，正在建設的兩河口水電站投產后，二灘水電站枯期發電流量也將進一步增加，計算中考慮二灘水電站按4～6臺機組發電，則桐子林水庫雅礱江干流的入庫流量，即二灘下泄至河道流量相應為1 484 m3/s、1 855 m3/s和2 226 m3/s。

在桐子林水庫淤積20年床面上，計算得到不同工況下二道壩處回水水位，見表2。

表2 不同工況下二道壩處回水水位計算結果Table 2 Calculated raised water levels at the second dam under different conditions

計算結果表明：桐子林水庫淤積20年，以正常蓄水位1 015 m起算，桐子林水庫雅礱江干流的入庫流量分別為1 484 m3/s（4臺機發電流量）、1 855 m3/s（5臺機發電流量）和2 226 m3/s（6臺機發電流量）時，二道壩處回水水位分別為1 015.94 m、1 016.22 m和1 016.50 m。

4 結語

針對尾水河床護岸修復等對尾水水位有較高要求的施工項目，可以依據尾水水位流量關系，通過合理的運行和調度方式，控制電站發電出庫流量，進而控制尾水水位至施工需要水位以下，為施工項目創造干地施工條件，避免水下混凝土澆筑，并及降低施工模板和支撐的安裝難度及擋水難度，減小施工難度，降低施工安全風險，提高工程質量，縮短施工工期，減小工程投資。同時應注意選定對電站運行影響較小的時段開展施工，以減少因控制下游水位造成的電量損失。