黄河龙口水利枢纽对万家寨水利枢纽反调节作用分析

王以圣 翁建平 田水娥 金 鹏

1 黄河万家寨水利枢纽概况及电站运行对下游的影响

1.1 万家寨水利枢纽概况

万家寨水利枢纽位于黄河中游北干流的上段,左岸为山西省偏关县,右岸为内蒙古自治区准格尔旗。万家寨水利枢纽的主要任务是供水结合发电调峰等综合利用,同时兼有防洪、防凌作用。水库正常蓄水位为977 m,最高蓄水位为980m,水库总库容8.96亿m3,调节库容4.45亿m3。电站装机容量为1080mW,安装有6台单机容量为180mW的水轮发电机组,设计年发电量27.5亿kW◦h。枢纽设计年供水量为14亿m3,其中向内蒙古自治区准格尔旗供水2亿m3,向山西省供水12亿m3。

1.2 电站运行对下游的影响

万家寨水利枢纽主体工程于1994年11月开工,1998年10月下闸蓄水,1998年12月初第1台机组正式并网发电,2000年12月全部6台机组建成投产。万家寨水电站在晋、蒙电网承担调峰任务,根据晋、蒙电网电力电量平衡结果,万家寨水电站日调峰发电时间为6～8 h,调峰运行时最大下泄流量为6台机额定流量1806m3/s,而不发电时下泄流量为0,电站日下泄流量波动幅度很大。由于16～18 h/d不发电,致使万家寨水利枢纽下游河道经常断流,这对下游河道灌溉引水产生不利的影响。为此,水利部黄河水利委员会水资源管理与调度局和黄河防汛总指挥部要求 “万家寨水库日平均泄流不小于100m3/s,瞬时最小流量不低于50m3/s”。但由于万家寨水电站单机额定流量为301m3/s,机组设计最小发电流量约为120m3/s,受机组最小发电流量所限,万家寨水电站调峰运行时难以满足瞬时最小流量不低于50m3/s的要求。

2 黄河龙口水利枢纽概况

黄河龙口水利枢纽位于黄河北干流山西省河曲县与内蒙古自治区准格尔旗的交界处,上游25.6km是已建的万家寨水利枢纽,下游75.5km处是已建的天桥水电站坝址。龙口水利枢纽的主要任务是对万家寨水利枢纽调峰流量进行反调节、发电,兼有滞洪削峰等综合利用。龙口水库正常蓄水位为898m,汛限水位892m,死水位888m,水库总库容1.96亿m3,调节库容0.71亿m3,龙口坝址多年平均流量为565m3/s。电站装机容量为420mW,安装有4台单机容量为100mW、1台单机容量为20MW水轮发电机组,电站多年平均发电量为13.02亿kW◦h。电站建成后接入山西和蒙西电网,4台大机组在电网中承担调峰任务,1台小机组在基荷发电运行,以满足龙口电站瞬时下泄流量不小于50m3/s的要求。

龙口水利枢纽建成后,水库回水末端在万家寨水利枢纽坝址,龙口坝址—万家寨坝址河段成为龙口水库库区。本次主要分析龙口水利枢纽建成后对龙口—天桥河段的反调节作用。

3 分析方法

4 边界条件

4.1 上边界条件

计算模型的上边界条件为万家寨水电站典型日下泄流量过程或龙口水电站典型日下泄流量过程。万家寨和龙口水电站的设计保证率为P=90%。根据万家寨和龙口水电站设计代表年(P=90%)1991年8月～1992年7月的出力过程,在晋蒙网2015年典型日负荷图上进行电力电量平衡,计算得出万家寨和龙口水电站的典型日下泄流量过程。

4.2 下边界条件

计算模型要求下边界条件为水位过程或水位—流量关系,本计算域的下边界是天桥水库,取天桥水库的库水位过程作为下游边界条件。根据《黄河天桥水电站技术设计说明书》中的有关资料,天桥水库坝前水位:7～9月为830m,10月上半月为832m,10月下半月～6月上半月为834m,6月下半月为832m。

4.3 初始条件

利用给定的起始上边界条件进行模拟计算,当各断面流量与起始流量相等时,此时对应的各断面流量和水位即为初始条件。

4.4 断面资料

从万家寨坝下至天桥坝址之间,河段长度为101.1km,共有39个断面,其中万家寨坝下至龙口坝址河段长度25.6km,共有13个断面,龙口坝址至天桥坝址共有26个断面,河段长度75.5km。

4.5 河道糙率

河曲水文站位于龙口水利枢纽坝址下游约25.8km处,河道糙率根据2010年3月河曲水文站实测流量和本次模型计算流量过程进行率定,经过综合分析计算选定的河段主槽糙率为0.03,滩地糙率为0.05。

5 反调节作用分析

5.1 减少流量波动幅度、改善下游河道的水流条件

根据万家寨水利枢纽和龙口水利枢纽冬季典型日下泄流量过程,进行一维非恒定流模拟计算,计算结果见图1～3和表1。

图1 龙口—天桥河道最大流量对比图

图2 龙口坝址冬季典型日流量对比图

图3 天桥入库冬季典型日流量对比图

表1 龙口—天桥河段冬季典型日流量比较表 m3/s

从图和表中可以看出:

(1)由于龙口—天桥河道对电站日调峰非恒定流的坦化作用,河道自上而下,最大流量逐渐变小。以龙口建成前河道流量为例,龙口坝址最大流量为1687 m3/s,天桥入库断面最大流量为1155m3/s,流量减少532m3/s。

(2)龙口水利枢纽建成后与建成前相比,龙口坝址和天桥入库冬季典型日最大流量减小,最小流量增加,水流波动幅度减小。以天桥入库为例,龙口建成前最大流量为1155m3/s,龙口建成后最大流量为996m3/s,最大流量减小159m3/s;龙口建成前最小流量为200m3/s,龙口建成后最小流量为222m3/s,最小流量增加22m3/s;龙口建成前流量波动幅度为955m3/s,龙口建成后流量波动幅度为774m3/s,流量波动幅度减小181m3/s。

5.2 改善下游农业灌溉泵站取水口的引水条件

龙口坝址至天桥坝址河道长75.5km,河道两岸共有39座中小型扬水站,其中右岸内蒙古准格尔旗有17座扬水站,扬水站取水口高程在850～860m之间,装机容量约1.66万kW,灌溉耕地300.67 hm2(0.451万亩),每年从黄河取水量约为108万m3;左岸山西省河曲县有22座扬水站,扬水站取水口高程在840～858m之间,灌溉面积约为3333.33 hm2(5万亩),每年从黄河最大取水量1515万 m3。

由于龙口下游河道农业灌溉用水在夏季,因此,选用夏季典型日河道最小流量进行分析,图4为龙口—天桥河道夏季典型日最小流量对比图,从图4可以看出,无论是龙口建成前还是建成后,河道自上而下,最小流量值逐渐增大,但龙口建成后河道沿程流量明显大于龙口建成前,龙口建成前河道流量较小,特别是龙口坝址—河曲水文站河段,河道几乎断流,其最小流量不到20m3/s,甚至有些河段小于10m3/s,而龙口建成后,由于龙口水电站建有1台小机组,其瞬时下泄流量不小于60m3/s,使得龙口水利枢纽建成后河道流量明显高于龙口建成前,其中龙口坝址—河曲水文站河段,河道流量增加尤为明显,流量增加40m3/s以上,这对改善龙口下游河道两岸灌区灌溉引水条件起着重要的作用。

5.3 可减小天桥水电站弃水,增加天桥水电站发电量

图4 龙口—天桥河道最小流量对比图

天桥水电站是黄河北干流上第一座径流式电站,天桥水库库尾距龙口水利枢纽坝址约52km,天桥水库正常蓄水位为834m,死水位828m,水电站装机容量为128mW,额定流量为884m3/s。天桥水电站原设计是一座日调节的径流式电站,在山西电网中承担调峰任务(弃水调峰)。由于水库泥沙淤积严重,目前水库的有效库容仅为2000万m3左右,电站在系统中基荷运行。

从图3和表1可以看出,龙口水利枢纽建成后,天桥水库入库流量更加均匀,冬季典型日最大流量减少159m3/s,最小流量增加22m3/s。龙口建成前,天桥水电站冬季典型日发电量为188万kW◦h,而龙口建成后,由于天桥弃水量减少,并且电站可以保持高水位运行,天桥水电站日发电量略有增加,为193万kW◦h,日发电量增加了5万kW◦h。

6 结 语

龙口水利枢纽建成后,万家寨—龙口河段河道变成龙口水库库区,该段河道两岸灌区取水条件得到改善;由于龙口水利枢纽的反调节作用,龙口—天桥河段河道流量波动幅度减小,下游河道的水流条件得到改善,同时由于龙口水电站瞬时下泄流量不小于60m3/s,该段河道最小流量有较大幅度增加,河道两岸农业灌溉泵站取水条件得到明显改善,天桥水电站弃水减少,发电量增加。