黑河三道灣水電站提高汛限水位運行分析

周國偉，盧小波

（1.甘肅電投河西水電開發(fā)有限責任公司,甘肅 張掖 734000；2.甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司,甘肅 蘭州 730000）

0 引言

水庫的汛限水位是直接影響水庫的興利效益和防洪風險的關鍵性特征,本質是用來協(xié)調水庫興利目標與防洪風險之間的矛盾關系[1]。在水資源供需矛盾極度突出的今天,協(xié)調防洪風險和興利目標之間對水資源的可持續(xù)利用具有現(xiàn)實而又深遠的意義[2]。

多年來,國內外許多學者對流域洪水資源化的分析方法與工程實踐進行了較深入的研究,并取得了良好的效果[3-6]。然而,長期以來,相關研究只注重安全防洪方面的理論研究與方法[7-9],對于如何在泄洪風險可控的前提下,充分挖掘興利目標的研究還很少。隨著我國電力市場化的推進和雙碳目標的提出,挖掘水庫興利效益不僅關系著水電站經(jīng)濟運行還影響著電力系統(tǒng)的優(yōu)化運行[10]。事實上,在水庫多年調度實踐后,在保證水庫及上下游防洪安全的前提下,轉變與更新汛限水位控制理念,以充分利用洪水資源是我國水資源利用與經(jīng)濟發(fā)展的要求,是科技發(fā)展的必然趨勢。

本文對黑河三道灣水電站汛限水位運行進行分析論證,以期得到能夠對沖調度風險和興利效益的汛限水位運行方案。本研究對于緩解區(qū)域水資源矛盾,充分利用黑河三道灣水庫汛期洪水資源、發(fā)揮水庫效益具有一定的科學價值和現(xiàn)實意義。

1 三道灣水電站概況

三道灣水電站地處甘肅省肅南裕固族自治縣境內的黑河上游,是黑河干流梯級水電規(guī)劃的第3 座水電站,電站設計引水流量98 m3/s,壩型為砼面板堆石壩,最大壩高48.7 m,壩頂高程2373.7 m,設計總裝機容量112 MW,設計年發(fā)電量為4.003 億kW·h,水庫總庫容530 萬m3,正常蓄水位2370.00 m,設計洪水位2368.21 m,校核洪水位2372.41 m。三道灣水電站特征參數(shù)見表1。

表1 三道灣水電站特征參數(shù)

三道灣水電站由2臺45 MW機組和1臺22 MW機組構成,工程的主要任務是發(fā)電,具有日調節(jié)功能,其中調節(jié)庫容170 萬m3,2009 年6 月正式投入運行。電站的泄水建筑物主要有一個泄洪排沙洞、一個正常溢洪道,一個非常溢洪道,設計洪水最大泄量1620 m3/s（50年一遇洪水標準）,校核最大泄量3080 m3/s（1000年一遇洪水標準）。三道灣水電站機組參數(shù)見表2。

表2 三道灣水電站機組參數(shù)

2 水電站調整汛限水位運行的必要性分析

三道灣水電站設計總庫容較小,是一座以發(fā)電為主要目的的日調節(jié)水電站,在電站的設計、運行、竣工驗收等階段均未設置汛限水位,最低運行水位2364.0 m是為滿足汛期排沙和日調節(jié)功能而設立的臨時運行水位,而非汛限水位。黑河三道灣水電站的汛期為5月1日~9月30日,應在汛限水位2364.0 m以下運行,與電站的原設計和實際運行方式不符,嚴重影響了電站的發(fā)電效益。

（1）現(xiàn)有運行方式分析

通過對黑河三道灣水電站汛期運行水位的研究,分析提高汛期汛限水位的合理性,對提高電站的發(fā)電效益非常有必要。因此,本文通過梳理三河灣水電站不同階段制定的運行方式,并與批復的汛限水位進行對比,現(xiàn)狀運行方式中主要存在以下問題：

1）三道灣水電站水庫是以抬高水位發(fā)電為目的,設置汛限水位與電站的原設計和實際運行方式不符,汛期可在保證大壩泄洪安全的前提下,盡量維持在高水位運行,使發(fā)電效益最大化；

2）黑河三道灣水電站最低運行水位2364.0 m,是基于排沙和正常發(fā)電而設立的臨時發(fā)電最低運行水位,電站運行單位可根據(jù)來水、來沙條件和庫區(qū)淤積情況,適時在汛期降低水位排沙,而非汛期限制水位；

3）2011 年國家電力監(jiān)管委員會大壩安全監(jiān)察中心進行竣工安全鑒定時,調洪計算確定的起調水位為正常蓄水位2370 m,當100 年一遇洪水入庫時,最高水位維持正常蓄水位2370 m不變,1000 年一遇校核洪水位2372.41 m,但未進行50年一遇設計洪水的調洪計算,設計洪水位仍采用設計階段確定的2368.21 m；

4）根據(jù)實際運行情況,水位降低后,進水口淹沒水深降低,進水口位置旋渦大,庫區(qū)污物很容易吸附在攔污柵條上,造成攔污柵壓差增大,影響大壩安全運行；同時污物很容易通過攔污柵進入引水洞從而導致發(fā)電機組導葉卡澀、影響機組安全運行；水位降低,存在機組運行工況不佳,影響發(fā)電機組安全運行。

（2）調整汛限水位的必要性分析

1）黑河三道灣水電站總庫容530 萬m3,裝機容量112 MW,額定水頭136.5 m,是一座以發(fā)電為主要目的的日調節(jié)水電站。電站自2003 年12 月開始設計至今,經(jīng)歷了設計、水工模型試驗、運行、竣工安全鑒定等階段,其運行方式也在不斷的總結和完善,目前運行單位上報的運行方式基本與竣工安全鑒定階段確定的運行方式一致,也較為符合黑河流域的洪水特性和項目本身的實際特點,2019 年張掖市水務局批復的運行方式與電站的設計和實際運行方式不符；

2）黑河三道灣水電站庫水位2364.0 m~2370.0 m之間的原始庫容為170 萬m3,淤積平衡后庫容為138 萬m3,電站可在此水位區(qū)間內進行日調節(jié)。在汛期,如長時間在2364.0 m以下運行,電站將無法滿足日調節(jié)功能；

3）根據(jù)實際運行情況,水位降低后,進水口淹沒水深降低,進水口位置旋渦大,庫區(qū)污物很容易吸附在攔污柵條上,造成攔污柵壓差增大,影響大壩安全運行；同時污物很容易通過攔污柵進入引水洞從而導致發(fā)電機組導葉卡澀、影響機組安全運行；長時間處于低水頭,發(fā)電水頭低于機組額定水頭,機組在偏離最佳效率區(qū)的不穩(wěn)定狀態(tài)下運行,不利于電站的安全穩(wěn)定運行；

4）汛期5月1日~9月30日,受汛限水位的影響,發(fā)電水頭低于機組額定水頭,出力受阻,致使電站不能完全發(fā)揮其發(fā)電效益；

綜上所述,為改善機組的運行條件,滿足日調節(jié)功能,提高黑河三道灣水電站的發(fā)電效益,在汛期保證電站防洪安全和排沙要求的前提下,合理確定汛期運行水位是十分必要的。

3 水電站汛期運行水位控制方案研究

黑河三道灣水電站設計階段并未設汛限水位,現(xiàn)狀汛限水位2364.0 m是為滿足排沙和日調節(jié)功能所設的最低運行水位。基于此,本研究在滿足水庫排沙、日調節(jié)功能和發(fā)電機組安全運行的基礎上,以不突破原有設計、校核洪水位為原則,分別擬定2364.0 m、2368.21 m、2370 m三種汛期運行水位進行方案論證。

1）對防洪安全的影響

以三道灣水電站批復的設計洪水位2368.21 m作為起調水位,即汛期水位保持在2368.21 m及以下運行,當入庫流量小于2368.21 m泄洪建筑物的最大泄量時,通過控制閘門開度,使下泄流量等于入庫流量,來多少泄多少,保持庫水位不變；當入庫流量大于2368.21 m相應泄洪能力時,閘門全開,按泄流能力下泄滯洪運用,直至水庫水位回落至2368.21 m。

當發(fā)生50年一遇（P=2%）設計洪水時,最大入庫流量為1620 m3/s,最大出庫流量為1620 m3/s,最高水位為2368.21 m,與設計洪水位一致；當發(fā)生1000 年一遇（P=0.1%）校核洪水時,最大入庫流量為3080 m3/s,最大出庫流量為2903 m3/s,最高水位為2372.33 m,較校核洪水位2372.41 m低0.08 m。從防洪安全角度出發(fā),黑河三道灣水電站的泄洪建筑物具有下泄相應標準洪水的能力。其中泄洪排沙洞+正常溢洪洞在設計洪水位2368.21 m時的最大泄量為1605 m3/s,略小于50 年一遇入庫設計洪水1620 m3/s,考慮非常溢洪洞局部開啟后,即可滿足50 年一遇設計洪水標準的下泄要求；泄洪排沙洞+正常溢洪洞+非常溢洪道在校核洪水位2370.41 m時的最大泄量為2910 m3/s（本次復核值）。

經(jīng)調洪計算后,各方案在校核標準的最高水位均低于已批復的校核洪水位,各方案計算所需壩頂均低于設計壩頂,再考慮防浪墻后,尚有一定的安全裕度。故本次提出的三個汛期運行水位方案均滿足大壩防洪安全的需要。

2）對汛期排沙的影響

從汛期排沙運行角度出發(fā),方案一在汛期長時間保持低水位2364.0 m運行,確實有利于在汛期排除更多的泥沙,但黑河三道灣水電站“庫小沙大”,一個汛期泥沙即可淤至發(fā)電進水口底板高程（2350.0 m）,且泄洪排沙洞形成的沖刷漏斗容積較小,易淤積填滿。考慮到泄洪排沙洞在2364.0 m高程時水頭較低、流速較小,電站在實際運行時,采用每隔3年~5年在主汛期根據(jù)入庫洪水的含沙情況,利用中小洪水降低水庫水位至高程2364.0 m或更低進行低水位、大流量間歇性沖沙2天~3天的運行方式,排沙效果明顯,基本能夠實現(xiàn)電站進水口“門前清”。因此,從排沙角度考慮,無需在汛期長時間保持在2364.0 m運行。

3）對水庫功能的影響

從滿足機組穩(wěn)定運行和水庫日調節(jié)功能角度出發(fā),黑河三道灣水電站庫水位2364.0 m~2370.0 m之間的原始庫容為170 萬m3,淤積平衡后庫容為138 萬m3。方案一在汛期長時間處于2364.0 m運行,發(fā)電水頭低于機組額定水頭,機組在偏離最佳效率區(qū)的不穩(wěn)定狀態(tài)下運行,不利于電站機組的安全穩(wěn)定運行,也無法滿足電站的日調節(jié)功能。

4）對發(fā)電效益的影響

從發(fā)電效益角度出發(fā),方案三在汛期維持在正常蓄水位2370.0 m運行,最大限度的利用汛期大流量、高水頭進行發(fā)電,而且現(xiàn)狀壩頂亦滿足防洪要求,但50 年一遇設計洪水位較已批復的設計洪水位高1.19 m,會引起工程規(guī)模發(fā)生變化。

綜合考慮后,在保證黑河三道灣水電站防洪運行安全和原批復設計、校核洪水位不變的前提下,本次推薦方案二,即汛期的最高運行水位確定為2368.21 m。

4 結論

為提高汛期水資源利用率,本文以黑河三道灣水電站為研究對象,提出了一般水電站工程調整汛限水位分析的研究路線,以水電站防洪風險和興利目標為核心,對三道灣水電站汛限水位運行方案進行研究,在現(xiàn)行設計運行規(guī)則基礎上,實現(xiàn)對汛限水位的復核,最終驗證了可行方案的合理性。

1）通過本文的論述可知,黑河三道灣水電站調整汛期汛限水位是必要且可行的,因電站在設計、安全鑒定過程中均未設有汛限水位,現(xiàn)有的最低運行水位2364.0 m是基于排沙和正常發(fā)電而設立的臨時運行水位,而非汛期限制水位。

2）根據(jù)黑河鶯落峽水文站實測洪水資料分析,年最大洪水均發(fā)生在6月~9月,其中7月發(fā)生的頻率占57.7%、8月發(fā)生的頻率占28.2%、6月和9月發(fā)生的頻率各占7.04%,5月可在正常蓄水位運行,黑河三道灣水電站設計洪水位2368.21 m、校核洪水位2372.41 m時,各泄洪建筑物均可滿足下泄相應頻率洪水的要求。

3）據(jù)本次調洪復核計算,以設計洪水位2368.21 m起調時,50 年一遇設計標準下最大入庫流量為1620 m3/s,最高水位為2368.21 m,與原設計洪水位一致；1000 年一遇校核標準下最大入庫流量為3080 m3/s,最大出庫流量為2903 m3/s,最高水位為2372.33 m,較校核洪水位2372.41 m低0.08 m；本次復核后,仍維持已批復的設計、校核洪水位不變。

4）黑河三道灣水電站工程設計壩頂高程確定為2373.70 m,防浪墻頂高程為2374.90 m,經(jīng)本次復核,計算所需壩頂?shù)陀谠O計壩頂,再考慮防浪墻后,尚有一定的安全裕度,汛期在設計洪水為2368.21 m運行滿足大壩防洪安全的需要。

5）黑河三道灣水電站的汛期調整為6月~9月,5月電站可在正常蓄水位運行；汛期在2368.21 m運行,利用中小洪水不定期降低水位排沙的運行方式,可滿足三道灣水電站所需的日調節(jié)庫容和進水口“門前清”的要求；汛限水位為2368.21 m。