巴基斯坦卡洛特水電站運行水位分析

蔡淑兵 安有貴 張利升

摘要：巴基斯坦卡洛特水電站是“一帶一路”倡議中首個大型水電投資建設項目，采用中國技術標準，由中國企業負責設計、建設和運營，意義重大。為保證工程規模合理、經濟可行且能長期有效發揮電站效益，針對調節庫容小、入庫沙量大等工程特點，總結了水庫運行水位選擇和排沙調度運行方式研究經驗，提出了合理可行的工程規劃方案。研究成果可為國外同類型水電站工程規模論證提供參考。

關鍵詞：水庫運行水位; 排沙調度; 工程規劃; 吉拉姆河; 卡洛特水電站; 巴基斯坦

中圖分類號：TV737文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.05.015

文章編號：1006 - 0081（2022）05 - 0085 - 04

0 引 言

巴基斯坦位于南亞次大陸西北部，與中國接壤，水資源較為豐富，可開發量約60 000 MW，開發潛力巨大。巴基斯坦境內河流泥沙含量普遍較大，如印度河平均含沙量2～3 kg/m3。20世紀70年代建成的塔貝拉等水庫，由于缺乏有效的排沙工程措施和排沙調度運行方式，水庫運行近40 a，泥沙淤積使庫容損失了30%以上[1]，導致水庫調節能力降低，影響了水庫效益的正常發揮和使用壽命。在巴基斯坦開發建設水電站需充分重視水庫泥沙對工程的影響，并將其作為重難點問題進行認真研究。本文以巴基斯坦卡洛特水電站為例，結合水庫泥沙特性，探討了電站運行水位及調度運行方式的選擇。

1 工程概況

卡洛特水電站位于巴基斯坦北部印度河支流吉拉姆河上，壩址坐落于旁遮普省境內卡洛特橋上游約1 km，下距已建曼格拉大壩約74 km，西距伊斯蘭堡直線距離約55 km，對外交通便利，區位優勢好。庫區地形狹窄，不具備形成較大庫容的條件，沿河兩岸零星分布少量房屋和耕地，無移民和環境制約因素。

壩址控制流域面積2.67萬km2，多年平均流量819 m3/s，多年平均懸移質含沙量1.28 kg/m3。工程的開發任務主要為發電，水庫正常蓄水位461 m，正常蓄水位以下庫容1.52億m3，死水位451 m，調節庫容0.49億m3，具有日調節能力，電站裝機容量720 MW（4×180 MW），多年平均年發電量約32億kW·h。卡洛特水電站是“一帶一路”倡議首個能源投資項目，工程于2015年正式開工建設，2021年11月下閘蓄水，預計2022年上半年全部機組將投產發電。

2 正常蓄水位選擇

2.1 河流規劃

吉拉姆（Jhelum）河梯級開發方案研究始于20世紀50年代，首先開發建設了曼格拉（Mangla）水庫。1984～1989年間，德國GTZ公司提出了曼格拉大壩以上河段梯級規劃方案。2008年5月，巴基斯坦私營電力和基礎設施委員會（PPIB）在總結以往相關規劃成果和梯級電站設計成果的基礎上，對吉拉姆河干流曼格拉大壩以上河段梯級開發方案進行了復核，提出吉拉姆河科哈拉（Kohala）至曼格拉河段規劃5級，自上而下依次為科哈拉、瑪爾（Mahl）、阿扎德帕坦（Azad Pattan）、卡洛特（Karot）和曼格拉等水電站，其中，曼格拉水電站已于1967年建成，2011年完成大壩加高。規劃梯級電站見表1。

2.2 正常蓄水位復核

在吉拉姆河梯級規劃方案中，卡洛特水電站正常蓄水位461 m，相應的庫沙比僅5.2，水庫泥沙對電站長期運行影響較大，從流域整體開發的角度考慮，有必要對卡洛特水電站正常蓄水位進行優化調整。

根據卡洛特水電站正常蓄水位抬高對移民實物指標影響不大的特性，若將卡洛特與其上游的阿扎德帕坦合并為一級開發，將其正常蓄水位抬高至526 m，則正常蓄水位以下庫容可達7.5億m3左右，庫沙比約為26，水庫泥沙問題則比較容易解決。相應的最大壩高由95.5 m增至160 m左右，對于瀝青混凝土心墻堆石壩而言，已有成熟工程經驗可供借鑒。同時，正常蓄水位抬高還將大幅減少溢洪道開挖工程量，一座大壩較兩座大壩而言，工程量也將明顯減少。因此，將卡洛特與阿扎德帕坦兩級合并為一級開發，在技術和經濟上都是合理可行的，抬高卡洛特水電站正常蓄水位至526 m無疑是一個更好的選擇。

然而，卡洛特水電站和阿扎德帕坦水電站的開發權分別授予了不同的開發商，協調難度極大，且卡洛特水電站正常蓄水位461 m已通過巴基斯坦政府相關部門審查并獲得了廣泛認可。鑒于卡洛特水電站是“中巴經濟走廊”優先實施的能源項目之一，為有利于項目盡早開工建設，仍維持水庫正常蓄水位為461 m。

3 排沙運行水位選擇

卡洛特水電站壩址以上流域多年平均懸移質輸沙量3 315萬t，含沙量為1.28 kg/m3，屬中等含沙河流，但相對于庫容而言，入庫沙量較大且級配較粗，泥沙是卡洛特水電站規劃設計中面臨的最大難題。為此，在研究水庫排沙調度運行方式的基礎上，比選排沙運行水位，并采用一維、三維數學模型和1∶100正態整體物理模型試驗，驗證排沙效果。

3.1 水庫“蓄清排渾”調度運行方式

以控制水庫泥沙淤積為目的的水庫運用方式主要有蓄洪運用、蓄清排渾運用、緩洪運用和多庫聯合運用等類型[2-5]。借鑒中國在多沙河流上的長期研究成果[6-11]，結合該工程特點，選擇“蓄清排渾”的運用方式處理卡洛特水電站的水庫泥沙問題。“蓄清排渾”運用又可根據水庫的水沙條件和工程任務，采用以下幾種運行調度方案[12-13]。

（1） 汛期控制庫水位，汛末蓄水。根據水庫來水和來沙情況，在滿足水庫興利的前提下，設置排沙水位。汛期水庫控制在排沙水位運行，汛末蓄水運用。一般兼顧發電或有發電要求的水庫可采用這種運行方式。

（2） 汛期控制庫水位，相機排沙調度。水庫在汛期設置排沙水位，根據來水來沙情況，在泥沙含量不大的情況下，水庫在汛期控制庫水位運用;在含沙量大時，降低到最低排沙水位或是敞泄排沙。根據來水來沙和水庫使用要求確定排沙條件，當水量或沙量大于某一界限時，水庫水位降低至最低排沙水位運用;否則，水庫則在汛期控制水位運用。采用這種運行方式的水庫，由于汛期空庫或低水位排沙運用，水庫降低水位后減少發電或不能發電，可能要破壞水庫興利。

（3） 汛期敞泄，汛末蓄水。水庫在汛期打開底孔閘門，不控制水位，敞泄運用;汛末再關閉底孔閘門，水庫蓄水運用。如果沒有發電要求，以灌溉和防洪為主的水庫可采用這種運行方式。

3.2 排沙調度運行方式初擬

根據中國相關規程規范的要求，以保持調節庫容為主要目標的水庫，宜在汛期或部分汛期控制庫水位調沙，也可按分級流量控制庫水位調沙，或者不控制庫水位采用異重流或敞泄排沙等方式[14]。

由于卡洛特水電站發電水頭變幅大，若水庫采用汛期控制在排沙水位運行的方式，設置的排沙水位高，則難以達到排沙效果;設置的排沙水位低，則發電受阻較為嚴重或長期處于停機排沙狀態，電量損失大，此種運行方式對卡洛特水電站不適用。汛期空庫敞泄排沙是被認為解決庫區泥沙淤積行之有效的方法，但同樣對電站發電效益影響較大。

結合卡洛特水電站的特點，為兼顧發電與排沙，水庫宜采用汛期相機低水位排沙的運行方式。在汛期的主要來沙期間，當入庫流量超過擬定的排沙流量，將水庫水位降至排沙水位運行，以增大庫區水面比降和水流速度，從而利于水庫排沙走沙，以實現電站長期有效運行。

為便于水庫運行管理，分級流量及相應庫水位不宜設置過多，初步按兩級控制。在水庫降水位排沙期間，出庫水流含沙量將大幅增加，對水輪機的磨損危害大。因此，當庫水位較低時，可考慮電站停機排沙。在水庫排沙運行期間，若庫水位變幅速度過快，可能造成庫區不穩定、岸坡塌滑或危及大壩安全。根據庫岸地質條件，為穩妥起見，降水位和回蓄期間應每天控制水位變幅。

3.3 排沙調度方案擬定

根據典型水沙系列，對不同流量級的累計輸沙量進行統計，結果見圖1。多年平均情況下，入庫流量大于1 400，1 600 m3/s的天數分別為88，66 d，期間累計入庫沙量分別占年入庫沙量的74.2%，63.8%。入庫流量超過2 000 m3/s，平均每年出現的天數小于一個月，其中入庫流量大于2 000，2 200 m3/s的天數分別為28，15 d，期間累計入庫沙量分別占年入庫沙量的35.8%， 22.5%。

根據卡洛特水電站入庫水沙特性，初擬第一級排沙流量為1 400 m3/s，略大于機組滿發流量1 248 m3/s，小于該流量的累計入庫沙量約占年入庫沙量的75%，相應的排沙水位為456 m，對電站出力受阻影響小。

結合每天最大水位降幅和排沙水位的泄洪能力要求，初擬第二級排沙流量2 000，2100 m3/s和2 200 m3/s等3個方案，第二級排沙水位分別為451，446 m和441 m。采用一維和三維數學模型對各組合方案進行計算、分析和比較。方案擬定詳見表2。

3.4 排沙調度方案比選

從庫區及壩前泥沙淤積、調節庫容、發電量、水工布置等方面對第二級排沙流量和排沙水位組合方案進行了比選。按上游不建梯級電站的最不利工況，分析了排沙效果。主要比選結論如下。

（1） 壩前泥沙淤積高程主要取決于排沙水位。水庫運行20 a后基本達到沖淤平衡，排沙水位451，446 m和441 m方案的壩前泥沙淤積高程基本維持在435，430 m和425 m左右。

（2） 各方案剩余調節庫容基本相當。運行期前10 a，調節庫容損失速度較快，20 a后水庫調節庫容變化不大，可基本滿足日調節庫容需求。

（3） 同一排沙流量下，因電站停機排沙的時間基本相同，排沙水位變化對電站發電量影響差別不大;同一排沙水位下，排沙流量越小，電站停機排沙時間越長，對電站發電量影響越大。

（4） 對于排沙流量2 200 m3/s的方案，由于平均每年電站停機排沙時間僅11 d，電站進水口門前已經出現淤積，存在坍塌的風險。除排沙水位451 m方案外，其余各方案壩前泥沙淤積高程均低于電站進水口底板高程，能滿足壩前沖沙和電站進水口“門前清”要求，保證電站正常取水發電。

（5） 按照在排沙水位時泄洪排沙孔的泄流能力不小于2 a一遇洪峰流量[15]，對應樞紐總泄流能力不小于5 a一遇洪峰流量進行水工布置。排沙水位越高，所需泄洪排沙孔規模越小，對應工程投資也越少。從經濟性角度來看，排沙運行水位高的方案，投資相對較低。

綜上所述，從排沙效果和保證電站進水口“門前清”的角度分析，第二級排沙流量應低于2 200 m3/s，且排沙水位低的方案相對較優;從對發電量影響的角度分析，第二級排沙流量大、排沙水位高的方案發電量損失小。因此，綜合考慮工程運行安全，兼顧發電與排沙，推薦卡洛特水電站排沙流量按兩級控制，第一級排沙流量為1 400 m3/s，相應排沙水位為456 m;第二級流量為2 100 m3/s，相應排沙水位為446 m。具體排沙調度運行方式如下。

（1） 當入庫流量大于1 400 m3/s，但小于2 100 m3/s時，在盡量滿足電站機組滿發的情況下，允許水庫水位降至456 m運行。

（2） 當入庫流量大于2 100 m3/s，水庫降水位排沙，每日水位降幅初步按不超過5 m控制，直至排沙運行水位446 m，當水庫水位降至451 m以下，電站停機。

（3） 當入庫流量小于2 100 m3/s時，水庫開始充蓄，蓄水期間控制庫水位上漲率不超過10 m/d。當庫水位高于451 m，且發電水頭滿足機組安全運行要求時，電站開機運行;當庫水位達到456 m時，若入庫流量大于1 400 m3/s，水庫可維持在456 m運行，否則庫水位可逐步回蓄至正常蓄水位461 m。

4 死水位選擇

卡洛特水電站僅具有日調節性能，從壩前泥沙淤積高程、電站取水及發電最低水位要求、日調節庫容等方面，結合水庫排沙運行，選擇水庫死水位。

根據水庫泥沙淤積計算成果，采取排沙調度方案后，水庫運行20 a后壩前泥沙淤積高程約430 m。由于電站進水口流道底板高程431.5 m，考慮洞徑和發電所需最小淹沒深度后，滿足電站進水口安全運用的最低發電水位不應低于448.5 m。按泥沙沖淤平衡后的庫容曲線分析，滿足電站日調節庫容要求，水庫死水位應在458 m左右。

綜上分析，選擇水庫死水位為458 m即可滿足發電任務要求。結合水庫排沙調度運行水位，考慮留有一定的余度，并盡量減少水庫排沙運行期間對電站發電效益的影響及提高電站調度的靈活性，選擇水庫死水位為451 m。一般情況下，電站在庫水位461～458 m之間進行日調節運行;排沙期間，庫水位降至451 m時，電站仍能正常發電，當庫水位低于451 m時，電站停機。

5 經驗與啟示

總結卡洛特水電站運行水位選擇，對國外類似工程有如下經驗和啟示。

（1） 國外水電開發一般只針對單個電站。應從水能資源合理利用角度對梯級開發方案進行評估，對于明顯不合理的方案進行優化調整。

（2） 對于泥沙含量較大或庫沙比較小的水庫，泥沙問題是否得到妥善解決是項目成敗的關鍵。從工程規劃，到設計、建設、運營、管理等全生命周期都應將泥沙作為重難點問題進行研究。

（3） 水庫排沙調度運行方式有多種多樣，應結合項目開發任務和水沙特性，選擇適合的類型，有條件時還應采用數學模型與物理模型相結合的方式驗證排沙效果。

6 結 語

本文借鑒中國多沙河流的水庫規劃設計和排沙調度研究成果，以巴基斯坦卡洛特水電站為例，結合工程特點及水沙特性，選擇了水庫運行水位，采用了汛期相機低水位排沙的運行方式，初步擬定了電站排沙調度運行方式，可用于指導電站設計及水庫調度運行，也可為其他同類型電站的規劃設計和調度運行提供參考。但是，由于排沙時機的選擇與入庫水量密切相關，造成每年排沙次數和排沙時間存在差異，尤其是停機排沙時間的不確定，對電站和電網影響均較大，可結合購電協議中對電站每年排沙次數和排沙時間的要求，以及電站建成后實際泥沙淤積情況，進一步完善排沙調度運行方式。

參考文獻：

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[2] 胡春宏. 中國多沙河流水庫“蓄清排渾”運用方式的發展與實踐[J].水利學報，2015，47（3）：283-291.

[3] GB/T 50587-2010? 水庫調度設計規范[S].

[4] 劉繼祥.水庫運用方式研究與實踐[M]. 北京： 中國水利水電出版社， 2008.

[5] 涂啟華，楊賚斐.泥沙設計手冊[M]. 北京： 中國水利水電出版社，2006.

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[12] 魏向陽，楊會穎，孔純勝，等. 小浪底水庫汛期低水位排沙調度實踐分析[J]. 人民黃河，2020，42（7）：19-22.

[13] 韓其為. 水庫淤積[M].北京： 科學出版社， 2003.

[14] 胡蓉， 高霞. 新疆多沙河流水庫的運行方式淺析[J]. 河南水利與南水北調， 2011（11）： 37-38.

[15] NB/T 35049-2015 水電工程泥沙設計規范[S].

0 引 言

巴基斯坦位于南亞次大陸西北部，與中國接壤，水資源較為豐富，可開發量約60 000 MW，開發潛力巨大。巴基斯坦境內河流泥沙含量普遍較大，如印度河平均含沙量2～3 kg/m3。20世紀70年代建成的塔貝拉等水庫，由于缺乏有效的排沙工程措施和排沙調度運行方式，水庫運行近40 a，泥沙淤積使庫容損失了30%以上[1]，導致水庫調節能力降低，影響了水庫效益的正常發揮和使用壽命。在巴基斯坦開發建設水電站需充分重視水庫泥沙對工程的影響，并將其作為重難點問題進行認真研究。本文以巴基斯坦卡洛特水電站為例，結合水庫泥沙特性，探討了電站運行水位及調度運行方式的選擇。

1 工程概況

卡洛特水電站位于巴基斯坦北部印度河支流吉拉姆河上，壩址坐落于旁遮普省境內卡洛特橋上游約1 km，下距已建曼格拉大壩約74 km，西距伊斯蘭堡直線距離約55 km，對外交通便利，區位優勢好。庫區地形狹窄，不具備形成較大庫容的條件，沿河兩岸零星分布少量房屋和耕地，無移民和環境制約因素。

壩址控制流域面積2.67萬km2，多年平均流量819 m3/s，多年平均懸移質含沙量1.28 kg/m3。工程的開發任務主要為發電，水庫正常蓄水位461 m，正常蓄水位以下庫容1.52億m3，死水位451 m，調節庫容0.49億m3，具有日調節能力，電站裝機容量720 MW（4×180 MW），多年平均年發電量約32億kW·h。卡洛特水電站是“一帶一路”倡議首個能源投資項目，工程于2015年正式開工建設，2021年11月下閘蓄水，預計2022年上半年全部機組將投產發電。

2 正常蓄水位選擇

2.1 河流規劃

吉拉姆（Jhelum）河梯級開發方案研究始于20世紀50年代，首先開發建設了曼格拉（Mangla）水庫。1984～1989年間，德國GTZ公司提出了曼格拉大壩以上河段梯級規劃方案。2008年5月，巴基斯坦私營電力和基礎設施委員會（PPIB）在總結以往相關規劃成果和梯級電站設計成果的基礎上，對吉拉姆河干流曼格拉大壩以上河段梯級開發方案進行了復核，提出吉拉姆河科哈拉（Kohala）至曼格拉河段規劃5級，自上而下依次為科哈拉、瑪爾（Mahl）、阿扎德帕坦（Azad Pattan）、卡洛特（Karot）和曼格拉等水電站，其中，曼格拉水電站已于1967年建成，2011年完成大壩加高。規劃梯級電站見表1。

表1 吉拉姆河規劃梯級電站特性

Tab.1 Characteristics of planned cascade hydropower projects on Jhelum River

[電站名稱 正常蓄水位/m 裝機容量/MW 調節性能 開發方式 科哈拉 900 1100 日調節 引水式 瑪爾 585 700 日調節 壩式 阿扎德帕坦 526 640 日調節 壩式 卡洛特 461 720 日調節 壩式 ]

2.2 正常蓄水位復核

在吉拉姆河梯級規劃方案中，卡洛特水電站正常蓄水位461 m，相應的庫沙比僅5.2，水庫泥沙對電站長期運行影響較大，從流域整體開發的角度考慮，有必要對卡洛特水電站正常蓄水位進行優化調整。

根據卡洛特水電站正常蓄水位抬高對移民實物指標影響不大的特性，若將卡洛特與其上游的阿扎德帕坦合并為一級開發，將其正常蓄水位抬高至526 m，則正常蓄水位以下庫容可達7.5億m3左右，庫沙比約為26，水庫泥沙問題則比較容易解決。相應的最大壩高由95.5 m增至160 m左右，對于瀝青混凝土心墻堆石壩而言，已有成熟工程經驗可供借鑒。同時，正常蓄水位抬高還將大幅減少溢洪道開挖工程量，一座大壩較兩座大壩而言，工程量也將明顯減少。因此，將卡洛特與阿扎德帕坦兩級合并為一級開發，在技術和經濟上都是合理可行的，抬高卡洛特水電站正常蓄水位至526 m無疑是一個更好的選擇。

然而，卡洛特水電站和阿扎德帕坦水電站的開發權分別授予了不同的開發商，協調難度極大，且卡洛特水電站正常蓄水位461 m已通過巴基斯坦政府相關部門審查并獲得了廣泛認可。鑒于卡洛特水電站是“中巴經濟走廊”優先實施的能源項目之一，為有利于項目盡早開工建設，仍維持水庫正常蓄水位為461 m。

3 排沙運行水位選擇

卡洛特水電站壩址以上流域多年平均懸移質輸沙量3 315萬t，含沙量為1.28 kg/m3，屬中等含沙河流，但相對于庫容而言，入庫沙量較大且級配較粗，泥沙是卡洛特水電站規劃設計中面臨的最大難題。為此，在研究水庫排沙調度運行方式的基礎上，比選排沙運行水位，并采用一維、三維數學模型和1∶100正態整體物理模型試驗，驗證排沙效果。

3.1 水庫“蓄清排渾”調度運行方式

以控制水庫泥沙淤積為目的的水庫運用方式主要有蓄洪運用、蓄清排渾運用、緩洪運用和多庫聯合運用等類型[2-5]。借鑒中國在多沙河流上的長期研究成果[6-11]，結合該工程特點，選擇“蓄清排渾”的運用方式處理卡洛特水電站的水庫泥沙問題。“蓄清排渾”運用又可根據水庫的水沙條件和工程任務，采用以下幾種運行調度方案[12-13]。

（1） 汛期控制庫水位，汛末蓄水。根據水庫來水和來沙情況，在滿足水庫興利的前提下，設置排沙水位。汛期水庫控制在排沙水位運行，汛末蓄水運用。一般兼顧發電或有發電要求的水庫可采用這種運行方式。

（2） 汛期控制庫水位，相機排沙調度。水庫在汛期設置排沙水位，根據來水來沙情況，在泥沙含量不大的情況下，水庫在汛期控制庫水位運用;在含沙量大時，降低到最低排沙水位或是敞泄排沙。根據來水來沙和水庫使用要求確定排沙條件，當水量或沙量大于某一界限時，水庫水位降低至最低排沙水位運用;否則，水庫則在汛期控制水位運用。采用這種運行方式的水庫，由于汛期空庫或低水位排沙運用，水庫降低水位后減少發電或不能發電，可能要破壞水庫興利。

（3） 汛期敞泄，汛末蓄水。水庫在汛期打開底孔閘門，不控制水位，敞泄運用;汛末再關閉底孔閘門，水庫蓄水運用。如果沒有發電要求，以灌溉和防洪為主的水庫可采用這種運行方式。

3.2 排沙調度運行方式初擬

根據中國相關規程規范的要求，以保持調節庫容為主要目標的水庫，宜在汛期或部分汛期控制庫水位調沙，也可按分級流量控制庫水位調沙，或者不控制庫水位采用異重流或敞泄排沙等方式[14]。

由于卡洛特水電站發電水頭變幅大，若水庫采用汛期控制在排沙水位運行的方式，設置的排沙水位高，則難以達到排沙效果;設置的排沙水位低，則發電受阻較為嚴重或長期處于停機排沙狀態，電量損失大，此種運行方式對卡洛特水電站不適用。汛期空庫敞泄排沙是被認為解決庫區泥沙淤積行之有效的方法，但同樣對電站發電效益影響較大。

結合卡洛特水電站的特點，為兼顧發電與排沙，水庫宜采用汛期相機低水位排沙的運行方式。在汛期的主要來沙期間，當入庫流量超過擬定的排沙流量，將水庫水位降至排沙水位運行，以增大庫區水面比降和水流速度，從而利于水庫排沙走沙，以實現電站長期有效運行。

為便于水庫運行管理，分級流量及相應庫水位不宜設置過多，初步按兩級控制。在水庫降水位排沙期間，出庫水流含沙量將大幅增加，對水輪機的磨損危害大。因此，當庫水位較低時，可考慮電站停機排沙。在水庫排沙運行期間，若庫水位變幅速度過快，可能造成庫區不穩定、岸坡塌滑或危及大壩安全。根據庫岸地質條件，為穩妥起見，降水位和回蓄期間應每天控制水位變幅。

3.3 排沙調度方案擬定

根據典型水沙系列，對不同流量級的累計輸沙量進行統計，結果見圖1。多年平均情況下，入庫流量大于1 400，1 600 m3/s的天數分別為88，66 d，期間累計入庫沙量分別占年入庫沙量的74.2%，63.8%。入庫流量超過2 000 m3/s，平均每年出現的天數小于一個月，其中入庫流量大于2 000，2 200 m3/s的天數分別為28，15 d，期間累計入庫沙量分別占年入庫沙量的35.8%， 22.5%。

圖1 輸沙量累計曲線

Fig. 1 Accumulative curve of sediment discharge

根據卡洛特水電站入庫水沙特性，初擬第一級排沙流量為1 400 m3/s，略大于機組滿發流量1 248 m3/s，小于該流量的累計入庫沙量約占年入庫沙量的75%，相應的排沙水位為456 m，對電站出力受阻影響小。

結合每天最大水位降幅和排沙水位的泄洪能力要求，初擬第二級排沙流量2 000，2100 m3/s和2 200 m3/s等3個方案，第二級排沙水位分別為451，446 m和441 m。采用一維和三維數學模型對各組合方案進行計算、分析和比較。方案擬定詳見表2。

表2 各方案主要參數

Tab. 2 Main parameters of each scheme

[方案

編號 第一級 第二級 流量/（m3·s-1） 水位/m 流量/（m3·s-1） 水位/m 1 1400 456 2000 446 2 2100 451 3 446 4 441 5 2200 446 ]

3.4 排沙調度方案比選

從庫區及壩前泥沙淤積、調節庫容、發電量、水工布置等方面對第二級排沙流量和排沙水位組合方案進行了比選。按上游不建梯級電站的最不利工況，分析了排沙效果。主要比選結論如下。

（1） 壩前泥沙淤積高程主要取決于排沙水位。水庫運行20 a后基本達到沖淤平衡，排沙水位451，446 m和441 m方案的壩前泥沙淤積高程基本維持在435，430 m和425 m左右。

（2） 各方案剩余調節庫容基本相當。運行期前10 a，調節庫容損失速度較快，20 a后水庫調節庫容變化不大，可基本滿足日調節庫容需求。

（3） 同一排沙流量下，因電站停機排沙的時間基本相同，排沙水位變化對電站發電量影響差別不大;同一排沙水位下，排沙流量越小，電站停機排沙時間越長，對電站發電量影響越大。

（4） 對于排沙流量2 200 m3/s的方案，由于平均每年電站停機排沙時間僅11 d，電站進水口門前已經出現淤積，存在坍塌的風險。除排沙水位451 m方案外，其余各方案壩前泥沙淤積高程均低于電站進水口底板高程，能滿足壩前沖沙和電站進水口“門前清”要求，保證電站正常取水發電。

（5） 按照在排沙水位時泄洪排沙孔的泄流能力不小于2 a一遇洪峰流量[15]，對應樞紐總泄流能力不小于5 a一遇洪峰流量進行水工布置。排沙水位越高，所需泄洪排沙孔規模越小，對應工程投資也越少。從經濟性角度來看，排沙運行水位高的方案，投資相對較低。

綜上所述，從排沙效果和保證電站進水口“門前清”的角度分析，第二級排沙流量應低于2 200 m3/s，且排沙水位低的方案相對較優;從對發電量影響的角度分析，第二級排沙流量大、排沙水位高的方案發電量損失小。因此，綜合考慮工程運行安全，兼顧發電與排沙，推薦卡洛特水電站排沙流量按兩級控制，第一級排沙流量為1 400 m3/s，相應排沙水位為456 m;第二級流量為2 100 m3/s，相應排沙水位為446 m。具體排沙調度運行方式如下。

（1） 當入庫流量大于1 400 m3/s，但小于2 100 m3/s時，在盡量滿足電站機組滿發的情況下，允許水庫水位降至456 m運行。

（2） 當入庫流量大于2 100 m3/s，水庫降水位排沙，每日水位降幅初步按不超過5 m控制，直至排沙運行水位446 m，當水庫水位降至451 m以下，電站停機。

（3） 當入庫流量小于2 100 m3/s時，水庫開始充蓄，蓄水期間控制庫水位上漲率不超過10 m/d。當庫水位高于451 m，且發電水頭滿足機組安全運行要求時，電站開機運行;當庫水位達到456 m時，若入庫流量大于1 400 m3/s，水庫可維持在456 m運行，否則庫水位可逐步回蓄至正常蓄水位461 m。

4 死水位選擇

卡洛特水電站僅具有日調節性能，從壩前泥沙淤積高程、電站取水及發電最低水位要求、日調節庫容等方面，結合水庫排沙運行，選擇水庫死水位。

根據水庫泥沙淤積計算成果，采取排沙調度方案后，水庫運行20 a后壩前泥沙淤積高程約430 m。由于電站進水口流道底板高程431.5 m，考慮洞徑和發電所需最小淹沒深度后，滿足電站進水口安全運用的最低發電水位不應低于448.5 m。按泥沙沖淤平衡后的庫容曲線分析，滿足電站日調節庫容要求，水庫死水位應在458 m左右。

綜上分析，選擇水庫死水位為458 m即可滿足發電任務要求。結合水庫排沙調度運行水位，考慮留有一定的余度，并盡量減少水庫排沙運行期間對電站發電效益的影響及提高電站調度的靈活性，選擇水庫死水位為451 m。一般情況下，電站在庫水位461～458 m之間進行日調節運行;排沙期間，庫水位降至451 m時，電站仍能正常發電，當庫水位低于451 m時，電站停機。

5 經驗與啟示

總結卡洛特水電站運行水位選擇，對國外類似工程有如下經驗和啟示。

（1） 國外水電開發一般只針對單個電站。應從水能資源合理利用角度對梯級開發方案進行評估，對于明顯不合理的方案進行優化調整。

（2） 對于泥沙含量較大或庫沙比較小的水庫，泥沙問題是否得到妥善解決是項目成敗的關鍵。從工程規劃，到設計、建設、運營、管理等全生命周期都應將泥沙作為重難點問題進行研究。

（3） 水庫排沙調度運行方式有多種多樣，應結合項目開發任務和水沙特性，選擇適合的類型，有條件時還應采用數學模型與物理模型相結合的方式驗證排沙效果。

6 結 語

本文借鑒中國多沙河流的水庫規劃設計和排沙調度研究成果，以巴基斯坦卡洛特水電站為例，結合工程特點及水沙特性，選擇了水庫運行水位，采用了汛期相機低水位排沙的運行方式，初步擬定了電站排沙調度運行方式，可用于指導電站設計及水庫調度運行，也可為其他同類型電站的規劃設計和調度運行提供參考。但是，由于排沙時機的選擇與入庫水量密切相關，造成每年排沙次數和排沙時間存在差異，尤其是停機排沙時間的不確定，對電站和電網影響均較大，可結合購電協議中對電站每年排沙次數和排沙時間的要求，以及電站建成后實際泥沙淤積情況，進一步完善排沙調度運行方式。

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（編輯：唐湘茜）

Analysis on operation water level of Karot Hydropower Station in Pakistan

CAI Shubing，AN Yougui，ZHANG Lisheng

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract： Karot Hydropower Station is the first large-scale hydropower construction project of the Belt and Road Initiative， and the project is of great significance with designed， constructed and operated by Chinese technical standards and Chinese enterprises. In order to ensure that the project scale is reasonable， economically feasible and long-term function playing effectively of power generation benefits， this paper summarizes research experience on selection of reservoir operational water level and sediment releasing operation by considering the reservoir characteristics of small regulation capacity and large sediment inflow， and puts forward a reasonable and feasible project planning scheme， which can provide a certain reference for the project scale demonstration of similar hydropower projects abroad.

Key words：reservoir operation water level; sediment releasing operation; hydropower project planning; Jhelum River; Karot Hydropower Station; Pakistan

（編輯：唐湘茜）

收稿日期：2021-08-10

基金項目：國家重點研發計劃（2016YFC0402309）

作者簡介：蔡淑兵，男，高級工程師，碩士，主要從事水利水電規劃設計工作。E-mail：caishubing@cjwsjy.com.cn