十三陵水庫高水位下與抽水蓄能電廠防洪聯合調度分析

2022-12-02 00:41:18魏效鳳張立強

水利科技與經濟 2022年11期

魏效鳳，張立強，王萌，趙帥，余璐，王進

(北京市十三陵水庫管理處，北京 102200)

十三陵水庫作為市管中型水庫，是北京市內唯一一座有著多年保障抽水蓄能電廠發電運行任務的水庫。作為十三陵抽水蓄能電廠的下池，水庫在防洪調度方面有著與其實施聯合調度的條件。作為2008年北京奧運鐵人三項賽比賽場地，水庫與十三陵抽水蓄能電廠首次進行了防洪聯合調度的探索。2021年，在補水和強降雨疊加作用下，水庫水位達到了近20年來新高90 m，為防洪聯合調度[1]的具體實施增加了可能性。

1 工程基本情況

1.1 十三陵水庫情況

水庫位于北運河水系溫榆河支流東沙河上，1958年1月動工修建，同年6月30日竣工，是一座中型水庫，主要建筑物有大壩、溢洪道、輸水系統。大壩為黏土斜墻壩；溢洪道設于大壩右岸，設有1孔弧形鋼閘門；輸水系統由進水塔、3孔輸水管、閘閥室等組成，2004年修建應急補水工程占用了最右側輸水管；溢洪道和輸水系統均可向下游河道泄水。2003年，實施了水庫除險加固工程；2008年，是奧運鐵人三項賽比賽場地。水庫當前主要功能是保證東沙河下游地區的防洪安全和保障十三陵蓄能電廠發電用水。見圖1。

1.2 十三陵抽水蓄能電廠情況

十三陵抽水蓄能電廠[2](以下簡稱電廠)于1989年動工興建，1995年第一臺機組發電，1997年全部投產運行。安裝4臺單臺200 MW(即20×104kW)的混流可逆式水泵水輪機組，裝機總容量800 MW。電廠由上庫、引水系統、地下廠房、尾水道和下庫等組成，上庫修建在蟒山上寺溝溝頭，地下廠房深埋于蟒山巖體內，廠房內裝有抽水、發電兩用機組，利用已建成的十三陵水庫為下庫。其在京津唐電網中承擔調峰、填谷、調頻、調相任務，是緊急事故備用電源，還具有減少火電頻繁調整出力和開啟、降低煤耗的作用。

圖1 水庫主要水工建筑物平面位置示意圖

2 上下庫情況

上庫也稱天池，系利用蟒山山頂的天然溝道、采用開挖和筑壩方式興建，根據地形條件修建了主壩、副壩各1座。上庫庫區地質條件復雜，風化嚴重，透水性強，全部庫岸、庫底及主副壩均采用混凝土面板防滲護面。地下水位低，無天然徑流，無泄水建筑物。上庫總庫容445×104m3，正常蓄水位566 m，死水位531 m。

下庫即十三陵水庫(下稱水庫)，流域面積223 km2，上游有德勝口溝、錐石口溝、上下口溝和老君堂溝4條溝，于十三陵七孔橋上游匯合后入水庫。為解決水庫壩基滲漏問題，1969-1970年在距大壩軸線上游92 m處澆筑了一道地下混凝土防滲墻。電廠修建后，為保證其發電所需水量，1992年修建了庫尾混凝土防滲墻，用以阻擋水庫水沿古河道方向反向滲漏。水庫防洪標準為100年一遇洪水設計，2 000年一遇洪水校核，總庫容7 450×104m3，正常蓄水位和汛限水位均為93 m，死水位85 m。

上下庫落差481 m，電廠抽水放水運行時，當前水庫水位下有0.5～1.0 m的變幅。

3 水庫運行水位情況

3.1 往年運行水位情況

至2021年5月，水庫多年來一直處于死水位85 m上下運行。通過查閱水文資料，近20年(2001-2020年)，最高水位是2001年的87.78 m，其次是2019年的87.70 m和2018年的87.28 m，均遠遠低于水庫正常蓄水位93 m。為保障電廠正常運行所需水量，2004年建成實施了沙河應急補水工程，從下游向水庫反向補水。

3.2 2021年運行水位情況

2021年1月1日早8時，水庫總蓄水量(上池+下庫)1 332.6×104m3，庫水位85.58 m。2021年是建黨百年的重要年份，電廠運行保障任務艱巨。為保障建黨一百周年電廠發電運行任務所需的最低總蓄水量1 223×104m3(即上庫滿庫455×104m3，水庫死庫容778×104m3)，考慮蒸發等損失，下游沙河應急補水工程向十三陵水庫補水工作繼續實施，至7月24日停止補水；在沙河應急補水工程補水能力[3]不能再提升的情況下，5月20日又啟動實施了白河堡水庫向十三陵水庫跨流域補水工作，11月5日結束。

2021年，北京市汛期降水較往年偏多、偏強，為近20年最多。十三陵水庫也不例外，汛期水庫流域平均降水量683 mm，遠遠超過556 mm的多年平均降水量。汛期水庫降雨過程共計35次，經觀測統計，近440×104m3雨洪水進入了庫區。

在降水和補水兩種情況作用下，水庫總蓄水量持續上升，至11月8日早8時水庫蓄水總量達到2 603×104m3，水庫水位90.87 m(若電廠將上池水全部放入水庫發電，則水庫水位達到91.81 m)，與5月20日早8時總蓄水量1 307×104m3相比，累計增容1 296×104m3。2021年，是水庫除險加固完成后的第一次高水位運行，也是近20年來第一次超過90 m水位運行。

4 防洪聯合調度分析

2022年1-4月，水庫總蓄水量基本維持在2 440×104～2 460×104m3左右，水庫水位在90.20 m上下。若2022年汛期降雨頻次、強度同去年相當或略低于去年水平，則水庫水位達到汛限水位的可能性非常大，因此要提前做好水庫洪水調度方案。當汛期遇有洪水時，與電廠的聯合調度[4-5]尤為重要，利用其抽水、放水流量大的特點，可在短時間內降低或者抬高水庫水位，從而緩解防洪壓力。

4.1 水庫調度原則

1) 水庫防洪安全：確保大壩安全，水庫水位不得超過汛限水位即正常蓄水位運行。

2) 下游東沙河防洪安全：盡最大可能減輕洪災損失。

3) 在保障防洪安全下兼顧電廠發電。

4.2 實施聯合調度措施分析

4.2.1 加強雨水情觀測

水庫上游有4條天然河道，共設置4個雨量遙測點，分別為果莊雨量遙測點、碓臼峪雨量遙測點、上口雨量遙測點、老君堂雨量遙測點。此外，可通過市水文總站設立在錐石口村的水位、雨量自動觀測設備和設立在德勝口溝燕子口村附近的測驗斷面掌握雨水情信息。

及時收集統計流域雨水情信息，當水庫及上游流域發生降雨時，實時監測雨水情。監測人員及時掌握流域內的降雨情況，并密切關注降雨趨勢，隨時提供各項監測數據，為制定科學的洪水調度方案提供依據。

4.2.2 洪水預報做支撐

洪水預報是科學合理進行洪水調度的重要支撐，而洪水預報最關鍵的是預報精度和預見期，參數的合理性對洪水預報精度有直接影響。水庫現有系統模型預報和人工簡易洪水預報兩種方式，洪水預報系統[6]建設完成時，由于缺少入庫洪水資料，系統模型參數主要依據1998年洪水情況設定；人工簡易洪水預報使用概化三角形法。經過預報成果比對，兩種預報方式的預報成果相差較大，且均與實際來洪量有不小的出入。根據流域特點及影響產匯流各項因素變化情況，查閱近5年水庫洪水預報成果及實際來洪量，特別是2021年汛期的每一次預報成果，總結分析，對參數進行率定，不斷完善模型。同時，2022年汛期，結合雨水情和監測信息，加強滾動式預報，嘗試對洪水預報進行實時校正，進一步提高洪水預報精度。

4.2.3 聯合調度方案

水庫在確保防洪安全前提下，結合下游東沙河防洪排水安全，洪水調度按庫水位分級控泄：庫水位低于93.0 m時，不下泄；庫水位達到或超過93.0 m時，控泄100 m3/s；庫水位超過96.0 m時，控泄280 m3/s；庫水位超過 98.1 m時，溢洪道閘門最大開啟敞泄泄洪。

每年7月下旬和8月上旬(即“七下八上”)是北京的主汛期，是一年中降雨最多、最集中且強度最強的時期，易產生洪水，該時段是與電廠聯合調度[7]的關鍵時期，提前與電廠溝通協調好適時預留上池庫容。密切關注天氣預報情況，根據預報及實時雨水情，做滾動式洪水預報，依據預報成果，商定洪水調度方案。當預報有洪水入庫[8]、庫水位將達到94 m時，可在水位達到93 m后，首先通過溢洪道和輸水洞小流量泄水，騰出庫容；其次是在洪峰入庫前，與電廠進行聯合調度，利用電廠上池預留的100×104m3庫容作調節庫容，適時抽水到上池，降低水庫水位；三是洪峰入庫后，電廠將上池水放入水庫中，抬高下庫水位，增大下泄量；最后水位降至93.20～93.30 m左右時，再次進行電廠抽水到上池的調度，降低水庫水位。

與電廠實施聯合調度是利用其4臺機組抽水、放水速度快的特點，適時啟動抽水、放水，以在短時間內降低或抬高水庫水位，縮短洪水影響時間，從而緩解高水位對壩體的浸泡壓力，降低安全風險。經計算，100×104m3水由上池放下來的時間約為1.5 h，由水庫抽到上池的時間約為2 h。見表1。