蒲石河抽水蓄能电站水沙调度方案研究

郭红永，李明凯，杨 凯，王培杰，于思雨，高玺炜

（辽宁蒲石河抽水蓄能有限公司，辽宁省丹东市 118216）

蒲石河抽水蓄能电站水沙调度方案研究

郭红永，李明凯，杨 凯，王培杰，于思雨，高玺炜

（辽宁蒲石河抽水蓄能有限公司，辽宁省丹东市 118216）

抽水蓄能电站往往有两个独立的水库，不存在水沙调度的问题，而位于天然河道上的常规水电站的水沙调度往往只受天然入库流量，不受机组发电流量的影响，因此为了研究下水库中泥沙与抽水蓄能机组的相互影响，编制了抽水蓄能电站水沙调度方案。文章从水库泥沙特性、泥沙对机组影响、泥沙对上水库淤积、水库排沙后回蓄等方面进行了分析研究，综合比较各预设方案制定了符合现场实际的水沙调度方案，该方案对下水库处于天然河道的抽水蓄能电站有着借鉴和参考的意义。

抽水蓄能；过机泥沙；水库淤积；水沙调度；方案研究

辽宁蒲石河抽水蓄能电站下水库位于鸭绿江右岸的一条一级支流蒲石河上，蒲石河全长121.8km，河床多由砂卵石组成。下水库坝址位于蒲石河下游的王家街村附近，汛期受流域强降雨影响，下水库会产生短时的大洪峰流量，伴随着洪水流量的增大，入库的泥沙含量也急剧增大，为了减少泥沙对上、下水库淤积，对机组磨损的影响，需要制定下水库的水沙调度方案。本研究采用了下水库未建立大坝前坝址下游水文站的测量数据，通过试验模型比较，结合理论分析，对抽水蓄能电站的水沙调度方案进行了比选和研究。

1 泥沙特性

1.1 入库输沙量

蒲石河抽水蓄能电站在可研设计时通过建立分月水沙相关关系插补延长悬移质泥沙资料系列，推得1958～1993年共36年悬移质泥沙资料系列，据此统计多年平均入库悬移质输沙量为43.9×104t，多年平均含沙量为0.587kg/m3。推移质泥沙根据上游已建电站水库泥沙淤积测量成果，估算得多年平均推移质入库输沙量为13.3×104t。

1.2 悬移质泥沙颗粒级配

本流域开展过悬移质泥沙颗粒分析工作，蒲石河抽水蓄能电站可研设计始于1994年汛期，在水文站开展了悬移质泥沙颗粒分析，悬移质泥沙中值粒径为0.062mm，平均粒径为0.071mm。

1.3 床沙颗粒级配

蒲石河抽水蓄能电站可研设计时在下水库进/出水口附近进行了床沙取样及颗粒分析工作，床沙中值粒径为61.0mm。

1.4 入库泥沙特性

蒲石河流域泥沙主要为暴雨侵蚀地表所致，流域输沙过程与洪水过程相应，但沙量较洪量更为集中，主要集中在10～20h内，典型水沙过程线见图1。实测瞬时最大含沙量为19.0kg/m3，最大日平均含沙量为8.82kg/m3（1979年6月26日）。分析几个大水大沙年实测资料，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%。虽然流域多年平均含沙量为0.587kg/m3，但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。统计水文站1958～1993年日平均含沙量，含沙量大于0.5kg/m3的平均每年天数仅为3.9天，最多年份也仅为16天；含沙量大于1.0kg/m3的平均每年天数仅为1.9天，最多年份也仅为9天；其他时间几乎是清水。水文站含沙量大于某值出现天数见表1。蒲石河流域输沙量年际变化较大，实测最大年输沙量为164×104t（1985年），实测最小年输沙量为0.754×104t（1976年），二者相差达218倍。

2 下水库排沙运行方案研究

2.1 排沙运行方案拟定

蒲石河流域输沙过程与洪水过程相应，但沙量较洪量更为集中，大洪水年份入库输沙量主要集中在洪峰附近数小时内；下水库泄流能力很大，具备低水位大流量的排沙冲刷能力，且即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；由于蒲石河抽水蓄能电站不承担供水和下游防洪任务，下水库库容较小，汛期降低水位运行后，具备很快蓄水，并恢复到高水位运行的条件，对电站效益影响很小。综合以上条件分析，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”排沙运行方式。

根据流域洪水特性、输沙特性、水库特性和电站功能等条件，本次按分级流量控制，拟定了四个运行方案，具体见表2。

2.2 排沙运行方案比较

根据拟定的下水库排沙运行方案，以1958～1993年共36年系列为基础，利用建立的下水库泥沙冲淤数学模型分别进行不同运行方案运行36、50年的泥沙冲淤计算，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三个方面对比分析各方案的排沙效果。

下水库泥沙冲淤计算时，悬移质中的冲泻质不参与河床变形。床沙质与冲泻质的划分采用目前较常用的悬浮指标作为判别标准，悬浮指标大于或等于0.06时属于床沙质，悬浮指标小于0.06时属于冲泻质。悬移质泥沙冲淤判别标准采用恢复饱和系数a，当所有分组悬移质泥沙都冲刷时为河床显著冲刷，取a=1.0；当所有分组悬移质泥沙都淤积时为河床显著淤积，取a=0.25；当部分悬移质泥沙冲刷、部分悬移质泥沙淤积时，为河床冲淤交替，取a=0.50。

2.2.1 下水库泥沙淤积量

根据不同方案泥沙淤积计算成果分析，运行水位高，泥沙淤积量大，运行水位低，泥沙淤积量小，不同方案下水库淤积量成果见表3。虽然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。从表3可以看出，方案Ⅰ泥沙淤积量最大，运行50年总淤积量为1496×104m3（66.0m以下），悬移质泥沙排沙比为51.8%，有效库容内淤积量为358×104m3，占有效库容的28.5%。方案Ⅱ汛期运行水位较方案Ⅰ降低了0.64m，但库内淤积量没有显著改善。方案Ⅲ、方案Ⅳ采取了汛期大洪水时降低库水位的运行方式，排沙比增大，水库淤积量特别是有效库容内淤积量大幅度减少。方案Ⅳ运行50年总淤积量为769×104m3，悬移质泥沙排沙比为70.6%，有效库容内淤积量为33.3×104m3，仅占有效库容的2.65%。

综上可见，下水库采用汛期临时降低库水位的运行方式，可有效控制有效库容的淤积损失。

2.2.2 过机沙量和粒径

不同方案过机沙量和粒径计算成果见表4。由表可见，高水位运行方案过机沙量较小，颗粒组成较细，低水位运行方案过机沙量增大，颗粒组成略微变粗，且与天然状态的颗粒组成相近。由于蒲石河抽水蓄能电站为低水头枢纽，调节库容小，泄流能力大，大洪水期水库接近天然河道状态，而高含沙量主要集中在汛期大洪水期间的数小时内，因此不同水位运行方案对过机沙量和粒径的影响不明显。如方案Ⅰ在50年内最大过机含沙量为15.4kg/m3，方案Ⅳ为16.8 kg/m3，天然实测最大含沙量为19.0 kg/m3；方案Ⅰ在50年内过机泥沙中值粒径为0.053mm，方案Ⅳ为0.061mm，天然为0.062mm；方案Ⅰ运行50年过机总沙量为48.4×104t，方案Ⅳ为70.1×104t，方案Ⅳ较方案Ⅰ过机总沙量有一定幅度增加，但过机总沙量仍然很少，多年平均过机含沙量仅为0.0057kg/m3。

各运行方案最大过机含沙量虽然很大，方案Ⅳ可达16.8 kg/m3，但高含沙量出现历时极短。以方案Ⅳ为例，统计过机含沙量大于某值出现时间（成果见表5），由表5可见，50年内过机含沙量大于15kg/m3总历时仅为2小时；大于5.0kg/m3总历时为22h；大于1.0 kg/m3总历时为140h，平均每年仅为2.8h，最多年份也仅为16h；大于0.1kg/m3平均每年为38h，不到2天，最多年份为60h，不到2天。

2.2.3 上水库泥沙淤积量

各方案上水库淤积量均很小，运行50年上水库总淤积量在13×104～24×104t之间，方案Ⅳ上水库淤积量为20×104t，仅占上水库调节库容的2%，多年平均淤积量仅为0.4×104t，对上水库有效库容无明显影响。上水库泥沙淤积量计算成果见表6。

2.3 水库回蓄方案分析

为保证电站正常运行，采用汛期降低库水位排沙运行，需要在洪水过后退水阶段回蓄水量，已满足发电用水要求，否则将影响电站经济效益的发挥。为此，需选择恰当的时机回蓄水量，并具有较高的保证程度。本次以运行水位最低的方案Ⅳ进行回蓄方案分析。

2.3.1 回蓄方案拟定

根据流域的径流特性、洪水特性、水库特性和电站用水过程，本次拟定了2个回蓄方案。

方案1：下水库回蓄起始水位为死水位62.00m，洪峰过后退水阶段入库流量小于500m3/s下闸蓄水。

方案2：下水库回蓄起始水位为死水位62.00m，洪峰过后退水阶段入库流量小于600m3/s下闸蓄水。

2.3.2 回蓄阶段控制下泄流量

下水库坝址以下包括下游河道生态环境用水、下游居民生活生产（大棚及鱼塘）用水、下游已建电站用水等。

根据下水库蓄水验收阶段调查分析成果：下游生态环境对最小流量要求为1.54 m3/s，沿江两岸居民生活用水约为5m3/s，蔬菜大棚灌溉取水水位要求流量5～10 m3/s。下游两个小水电站均为径流式电站，机组最大引用流量37.64m3/s，下水库按37.64 m3/s控制下泄时，可基本满足下游综合用水要求。

本次分析，回蓄阶段以不影响下游用水要求为原则，按37.64m3/s控制下泄。

2.3.3 回蓄可靠性分析

（1）回蓄水量。本次选取37场入库洪峰流量大于600m3/s实测洪水摘录资料，按拟定的回蓄方案，分析回蓄至66.00m水位时（含冰库容、备用库容）的回蓄时间。各方案回蓄时间统计成果见表7。

由表7可见，方案1平均回蓄时间为10.4h，最长回蓄时间为15h（1992年），最短回蓄时间为8h；方案2平均回蓄时间为8.5h，最长回蓄时间为12h（1992年），最短回蓄时间为7h；各方案均可满足蓄水要求。上述回蓄时间按62.00～66.00m之间的有效库容1255×104m3计算，如扣除冰库容、备用库容水量，则即有864×104m3水量就能保证电站正常运行，因此回蓄水量是有保证的。

（2）回蓄阶段下水库水位。回蓄阶段遇抽水工况，如果下水库水位低于死水位，则可能影响电站正常抽水运行。本次按回蓄起始时刻下水库水位处于死水位时，遭遇电站按最大抽水流量连续抽水运行6h的最不利工况分析下水库可能达到的水位。

电站最大抽水流量为388.2m3/s，满足下游综合用水要求控泄流量为37.64m3/s，为保证抽水工况下水库水位不低于死水位，则需回蓄阶段的前6h时段平均入库流量不小于425.84m3/s。统计前述37场洪水退水过程线，方案1回蓄阶段前6h时段平均入库流量小于425.84m3/s的洪水有18场，而方案2则仅有1场（1992年，连续抽水6h后下水库水位降至61.80m）。

综上分析，按方案1回蓄下水库有近一半年份水位会出现低于死水位情况，水位保证程度不高。方案2则仅有1年水位低于死水位，最低水位61.80m，仍较进水口防涡梁顶高2.30m，对电站抽水运行影响很小。方案2满足回蓄阶段的水位运行条件。

2.3.4 回蓄方案选择

采用汛期降低库水位排沙运行方案，回蓄可靠性是评价排沙运行方案优劣的重要依据。通过两种回蓄方案的比较分析，方案2无论从回蓄水量上，还是从不利遭遇组合情况下水位运行条件，均能满足电站正常运行要求。因此，回蓄方案选择方案2，即：下水库回蓄起始水位为死水位62.00m，洪峰过后退水阶段入库流量小于600m3/s下闸蓄水，控制下泄流量37.64m3/s。

2.4 排沙运行方案选择

蒲石河抽水蓄能电站的泥沙问题主要表现在下水库有效库容淤积损失、过机沙量和粒径两个方面。根据拟定的四种排沙运行方案下水库有效库容淤积量、过机沙量和粒径、上水库淤积量的分析成果，下水库采用汛期临时降低库水位的运行方式，可有效控制有效库容的淤积损失，且对过机沙量和粒径、上水库淤积量的影响不明显。

比较各排沙运行方案成果：方案Ⅳ运行50年，悬移质泥沙排沙比可达70.6%，有效库容内淤积量为33.3×104m3，仅占有效库容的2.65%，减淤效果最好；方案Ⅳ过机沙量和粒径成果与其他方案相比无明显差别，高含沙量过机历时极短，大于1.0 kg/m3总历时为140h，平均每年2.8h，最多年份也仅为16h，可满足水轮机磨蚀耐久性要求；蒲石河流域水量充沛，以方案Ⅳ遭遇最不利工况考虑，回蓄水量和回蓄阶段下水库水位均能满足电站正常运行要求。

因此，下水库的排沙运行方案采用方案Ⅳ成果，即：非汛期坝前水位保持66.0m不变；汛期入库流量小于500m3/s时，坝前水位保持65.36m不变；汛期入库流量大于500m3/s时，库水位滞后4h降为62.0m；洪峰过后退水阶段入库流量小于600m3/s时下闸蓄水，直至回蓄至正常高水位。

3 下水库水沙调度方案编制

3.1 编制原则

蒲石河抽水蓄能电站不承担下游防洪任务，下水库水沙调度方案围绕保证工程自身安全前提下，依据前述分析确定的减小下水库有效库容淤积损失排沙运行方案编制。下水库水沙调度方案编制原则如下：

（1）水沙调度方案实施时间为汛期（6月1日～9月30日）。

（2）蒲石河抽水蓄能电站不承担下游防洪任务。

（3）洪峰过后，下水库回蓄阶段，考虑坝址以下综合用水要求，最小下泄流量按37.64m3/s控制。

（4）30年一遇（洪峰流量6570 m3/s）以下洪水，小孤山电站机组参与下水库泄洪，最大发电流量采用37.12m3/s；30年一遇及以上洪水，小孤山电站机组不参与下水库泄洪。

（5）有利于抽水蓄能电站发电效益。

3.2 水沙调度方案制定

为尽可能争取抽水蓄能电站发电效益，提高上、下水库发电水头差，汛期采用不考虑冰库容的运行方式。下水库水沙调度具体如下：

3.2.1 6月1日至9月30日期间

（1）当入库流量小于或等于500m3/s，或入库流量虽然大于500 m3/s，但其后4h平均入库流量小于600m3/s时，水库按来多少泄多少放流，保持上、下水库总发电蓄水量1029×104m3（发电库容与备用库容水量之和）不变。

（2）当入库流量大于500m3/s，且其后4h平均入库流量大于600m3/s时，按其后4h净入库水量（天然入库水量加发电放水量或减抽水水量）与当前水位至死水位之间的库容之和折算后的平均流量控制下泄，在4h之内将水库水位均匀放空至死水位62.0m。

（3）当水库水位消落至死水位62.0m后，入库流量仍大于600m3/s时：

1）净入库流量（入库流量加发电放流流量或减抽水流量）小于或等于死水位62.0m相应泄流能力时，按净入库流量控制下泄。

2）净入库流量（入库流量加发电放流流量或减抽水流量）大于死水位62.0m相应泄流能力时，按泄流能力下泄，直至库水位回落至死水位。

（4）洪峰过后，入库流量小于或等于600m3/s时，按下游综合用水要求水量37.64m3/s控制下泄，余水全部回蓄，直至上、下水库总发电蓄水量等于1029×104m3（发电库容与备用库容水量）。

3.2.2 9月30日至下水库封冻前

入库流量小于下游综合用水要求水量37.64m3/s时，水库按来多少泄多少放流；入库流量大于37.64m3/s时，按37.64m3/s控制下泄，余水全部回蓄，直至上、下水库当前水位至死水位间的蓄水量等于1255×104m3（发电库容发864×104m3、备用库容165×104m3、冰库容226×104m3之和）。

3.2.3 下水库冰冻开始融化至冰冻完全融化后

冰库容通过下水库坝后机组逐渐放流，将水库蓄水量逐渐下降至1029×104m3。

[1]张永胜，韩宏韬，麻长信，张军，胡鑫 ．蒲石河抽水蓄能电站水沙调度方式初探[J]． 水力发电，2012，38 ．（05）：7-9．ZHANG Yongsheng， HAN Hongtao， MA Changxin，ZHANG Jun， HU Xin．Study on Water sediment regulation in PUSHIHE pumped storage power station[J]．Water Power，2012，38．（05）：7-9．

[2]向波，宋刚福，周婷，周晓蔚 ．抽水蓄能电站水沙调度研究[J]．水力发电学报，2012，31（04）：89-93．XIANG Bo， SONG Gangfu， ZHOU Ting，ZHOU Xiaowei．Water sediment regulation of pumped storage power station[J]．Journal Of Hydroelectric Engineering，2012，31（04）：89-93．

2017-06-01

2017-08-05

郭红永（1987—），男，助理工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站技术管理。E-mail：976788359@qq．com．

李明凯（1987—），男，助理工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站技术管理。E-mail：513673914@qq．com

杨 凯，（1987—），男，助理工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站技术管理。E-mail：609919994@qq．com

王培杰，（1987—），男，助理工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站技术管理。E-mail：641524694@qq．com

于思雨，（19992—），女，助理工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站技术管理。E-mail：282913205@qq．com

高玺炜（1991—），男，助理工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站技术管理。E-mail：56733343@qq．com

Pushihe Pumped Storage Power Station Water and Sediment Control Scheme

GUO Hongyong，LI Mingkai，YANG Kai，WANG Peijie，YU Siyu，GAO Xiwei
（Liaoning Pushihe Pumped Storage Co.，Ltd， Dandong 118216，China）

Pumped storage power station tend to have two separate reservoirs， water and sediment scheduling problem does not exist， water and sediment scheduling of the regulation station located on a natural river is often affected by natural inflow only， without generating units flow， so in order to study of mutual influence of reservoir sediment and pumped storage units， working out the pumped storage power station water and sediment scheduling scheme. Articles from the reservoir sediment characteristics， sediment impact on the unit， sediment on the reservoir sedimentation， sediment back to the reservoir storage and other aspects of analysis， comprehensive comparison of each preset programming scheduling scheme in line with the water and sediment of the actual site， the program for the lower reservoir of natural river in the pumped storage power station with a reference for meaning.

pumped storage； sediment passing through turbine；reservoir sedimentation； reservoir sedimentation； scheme

TK71

A学科代码：407．30

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．018