蒲石河抽水蓄能电站水沙调度方式初探

张永胜，韩宏韬，麻长信，张 军，胡 鑫

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021；2.辽宁蒲石河抽水蓄能有限公司，辽宁 丹东 118216）

1 蒲石河流域洪水、泥沙的主要特性

蒲石河为鸭绿江下游右岸的一级支流，全长121.8 km，流域面积1 212 km2。蒲石河洪水一般发生在6月～9月，多由暴雨形成，且以7月、8月出现的次数最多，量级最大。蒲石河河道比降和坡面平均坡度均较大，加之地处辽东暴雨中心，致使其洪水过程具有陡涨陡落，峰高量大，一次洪水过程主要集中在1～2 d内，从起涨到峰顶约6～12 h，洪峰持续时间很短的特点。蒲石河流域泥沙主要源于暴雨对地表的侵蚀，蒲石河下游砬子沟水文站多年平均悬移质沙量为43.9万t，多年平均含沙量为0.587 kg/m3。流域输沙过程与洪水过程相应，但沙量较洪量更为集中，输沙量主要集中在几场大洪水过程中的几天内。例如，1979年最大一日输沙量约占年输沙量的70.3%，最大两日输沙量约占年输沙量的97.3%。

2 设计采取的主要工程措施

蒲石河抽水蓄能电站下水库坝址位于蒲石河下游王家街村附近，坝址以上集水面积为1 141 km2。下水库正常蓄水位66.00 m，总库容2 871万m3，死水位62.00 m，死库容1 616万m3，有效库容为1 255 万 m3。

蒲石河抽水蓄能电站下水库库沙比为68，库容系数仅为0.018，调节库容较小，如果仅采用维持正常蓄水位不变的调洪方式，50年后有效库容将因泥沙淤积损失28%以上。为减小有效库容淤损和下水库进、出水口泥沙淤积，充分发挥电站效益，工程设计采取了在坝址处主河槽布置泄流能力大、堰顶高程较低的泄洪排沙闸方案。泄洪排沙闸段全长136 m，堰顶高程48.00 m，共设置7孔泄洪排沙闸，校核洪水位时最大泄量为12 400 m3/s，与校核洪水标准入库洪峰流量12 400 m3/s（p=0.1%）一致。拟通过泄洪排沙闸的灵活调度运行，在大洪水时降低水库运行水位，使进、出水口上游河段接近河道的天然水流状态，达到大洪水时的大量来沙随洪水下泄，增加水库排沙比，减小库内泥沙淤积的目的。

3 启用水沙调度进行调水调沙的条件

（1）流域输沙过程与洪水过程相应，短时段含沙量较大，水沙极为集中。根据坝址下游约6 km的砬子沟水文站实测水沙资料统计，砬子沟站含沙量G过程与流量Q过程形状基本一致，沙峰出现时间与洪峰出现时间对应关系好，典型水沙过程线见图1。流域水沙集中，输沙量主要集中在几场大洪水过程中的几天内，其余绝大部分时间水流含沙量很小。砬子沟站1958年～1993年共36年资料统计显示，汛期6月～9月输沙量占全年输沙量的97.4%，其中共有59天出现瞬时洪峰流量大于1 000 m3/s，这59天的输沙量占36年总输沙量的76.4%。流域的水沙特性为电站开展水沙调度奠定了基础。即，通过洪水调节，达到调节泥沙的目的。

图1 砬子沟站典型水沙过程线

（2）水库不承担防洪任务，泄洪建筑物泄流能力大。根据设计采取的主要工程措施，蒲石河抽水蓄能电站以水库死水位62.00 m起调，设计洪水、校核洪水的调洪最高库水位均不超过正常蓄水位，因此洪水对工程本身的威胁并不大。如果采用汛期大洪水来临时降低库水位运用，假使遇到设计或校核标准洪水，其泄流能力满足大坝自身安全运行的要求，从而为水库灵活的排沙调度运行方式创造了条件。

（3）电站已建有完善的水情自动测报系统，可及时、准确掌握入库洪水。蒲石河抽水蓄能电站下水库坝址以上流域已建有完善的水情自动测报系统，洪水预报方案由降雨径流预报和新安江模型预报组成，又对预见期3、6 h和12 h 3种预报方案进行了论证，最终6 h预见期的降雨径流预报方案预报效果最好，其预报精度和预见期均能够满足预报调度的需要，为制定可操作性强的水沙调度方案提供了可能。

4 调度方案及实施效果分析

4.1 调度方案拟定

综合电站调水调沙条件分析成果，下水库宜采用非汛期抬高运行水位、汛期降低运行水位的 “蓄清排浑”运行方式。据此，按分级入库流量控制，拟定了4个运行方案 （见表1）。

表1 下水库拟定的水沙调度运行方案

4.2 实施效果分析

采用考虑抽水蓄能电站抽放水运行的一维不平衡输沙数学模型，以蒲石河1958年～1993年共36年水沙系列为基础进行各方案水库泥沙冲淤计算，从下水库泥沙淤积量、过机沙量和粒径、上水库泥沙淤积量等3个方面分析蒲石河抽水蓄能电站下水库水沙调度方案的实施效果。

（1）下水库泥沙淤积量。不同方案泥沙淤积计算成果表明，运行水位高，泥沙淤积量大，运行水位低，泥沙淤积量小。由于各方案运行水位相差较小，下水库泥沙总淤积量相差相对不大，但有效库容内的泥沙淤积量相差较大。维持正常蓄水位不变的方案Ⅰ有效库容内泥沙淤积量最大，运行50年有效库容内淤积量为358万m3，占有效库容的28.5%。采用汛期大洪水来临时降低库水位的方案Ⅲ、方案Ⅳ运行方式，排沙比增大，库内淤积明显减少，特别是有效库容内淤积量大幅度减少，方案Ⅲ运行50年有效库容内淤积量为66.3万m3，方案Ⅳ运行50年有效库容内淤积量为33.3万m3，较方案Ⅰ减小324.7万m3，仅占有效库容的2.65% （见表2）。

表2 蒲石河下水库泥沙淤积量成果

（2）过机沙量和粒径。下水库低水位运行方案与高水位运行方案相比，过机沙量有所增加，颗粒组成略有变粗，但不同方案对过机沙量和粒径的影响不明显，且总的过机沙量不大。以方案Ⅳ为例：运行50年过机总沙量为70.1万t，多年平均过机含沙量仅为0.005 7 kg/m3；最大过机含沙量为16.8 kg/m3，小于天然实测最大含沙量19.0 kg/m3，且高含沙出现的历时极短，50年内过机含沙量大于15 kg/m3总历时仅为2 h，大于5.0 kg/m3的总历时为22 h，大于1.0 kg/m3的总历时为140 h，平均每年仅为2.8 h；运行50年过机泥沙中值粒径为0.061 mm，与天然状态的颗粒组成 （中值粒径为0.061 mm）相近。蒲石河抽水蓄能电站下水库不同运行方案过机沙量和粒径计算成果见表3。

表3 过机沙量和粒径计算成果

（3）上水库泥沙淤积量。蒲石河抽水蓄能电站下水库各运行方案上水库的淤积量均很小，运行50年上水库总淤积量在13万～24万t之间，方案Ⅳ上水库淤积量为20万t，仅占上水库调节库容的2%，多年平均淤积量仅为0.4万t，对上水库有效库容无明显影响 （见表4）。

表4 上水库泥沙淤积量成果

（4）实施效果分析。由不同水沙调度方案的水库泥沙冲淤计算成果可知，采用汛期大洪水来临时降低库水位至死水位的运行方式，排沙比明显增大，库内淤积明显减少，特别是有效库容淤损大幅度减少，仅为33.3万～66.3万m3；而且降低水位运行对过机沙量和粒径影响不明显，可满足水泵水轮机组运行要求。由此可见，如果水库采用合理的水沙调度运用方式，在汛期适时地降低水位运用，对减少水库有效库容的淤积是有效的。

5 风险分析

由前述分析可知，采用合理的水沙调度运行方式可使下水库库内淤积明显减少，特别是有效库容淤损大幅度减少。但启用水沙调度进行调水调沙，亦存在一定的风险：

（1）本流域水沙非常集中，高含沙水流主要集中在汛期大洪水期间的数小时内，充分利用该特点合理进行水沙调度可以达到较理想的减淤效果。但如果在大洪水来临时泄洪排沙闸开启不及时，将导致水库水位无法及时降低，使高含沙水流挟带的泥沙大量淤积在有效库容内，水库淤积损失严重。特别是在水库运用初期，该种风险更大。

（2）采用汛期大洪水来临时降低库水位排沙运行，需要在洪水过后退水阶段尽快回蓄水量，以满足发电用水要求。本流域洪水过程涨落急剧，洪水历时较短。如果在退水阶段选择的回蓄时机不恰当，则存在不能保证电站正常用水而影响电站经济效益发挥的风险。

6 结语

本文所作分析表明，蒲石河抽水蓄能电站采用汛期大洪水来临时降低库水位至死水位的运行方式，排沙比明显增大，库内淤积明显减少，特别是有效库容淤积损失大幅度减少。如果水库采用合理的水沙调度运用方式，对减少水库有效库容淤积是有效的；但启用水沙调度进行调水调沙，亦存在一定潜在风险，建议下一步根据流域的水沙特性和水库运行特点开展水沙调度专题研究，制定完整、具体且可操作性强的水沙调度方案，用于指导水库的实际调度。