不同地区抽水蓄能电站的设计洪水计算研究

余天尘

(河海大学，江苏 南京 210000)

1 抽水蓄能电站的发展现状

抽水蓄能电站不同于一般水力发电厂，是既能抽水工况运行，同时又能发电工况运行的特殊类水电站。目前，全球抽水蓄能电站总装机容量超1亿kW。近年来，我国抽水蓄能电站处于加快开发建设阶段，截止2018年底，我国抽水蓄能电站已经建成运行31座，总装机容量达到2 999万kW；在建33座，总装机容量为4 301万kW，抽水蓄能装机容量已跃居世界首位[1]。随着我国领导人提出2030年碳达峰、2060年碳中和的二氧化碳排放目标，2030年水平年我国非化石能源占一次能源的消费比重将达25%左右；2030年我国风电、太阳能发电总装机容量达12亿kW以上，由于大量风光可再生能源上网，且其随机性、波动性对电网安全稳定运行提出了更高要求，配套建设具有储能功能的抽水蓄能电站是大规模利用平清洁能源的重要支撑和必要前提，抽水蓄能电站规划建设迎来新的发展机遇。

2 抽水蓄能电站设计洪水计算特点

目前，抽水蓄能电站设计主要依据是《中华人民共和国能源行业标准——《抽水蓄能电站设计规范》(NB/T 10072—2018)》(以下简称《设计规范》)、《水电工程设计洪水计算规范》(NB/T 35046—2014))。根据《设计规范》，抽水蓄能电站可研阶段设计洪水计算主要内容包括暴雨洪水资料收集、设计洪水计算方法、设计洪水计算成果和成果合理性检查四个方面。设计洪水资料收集主要是指电站所在流域及临近流域水文站实测洪峰流量、雨量站实测短历时暴雨等长系列资料及历史洪水、特大暴雨调查资料；设计洪水计算方法一般由暴雨途径和流量途径两种，暴雨途径又细分为推理公式法和综合单位线法，要求采用多种方法、综合分析、合理选定；设计洪水成果包括洪峰、洪量和洪水过程线；成果合理性检查包括设计电站不同阶段设计成果对比和不同计算方法计算成果对比、流域上下游其他水利水电工程同频率设计洪水模数、洪水地区组成规律等方面进行对比分析，论证设计洪水成果的合理性。

抽水蓄能电站设计洪水计算包括上、下水库工程、补水工程、拦沙坝工程等设计洪水成果，其目的是满足工程设计防洪安全要求，保证电站安全稳定运行。预可行性研究阶段基本确定主要水文参数和成果，可行性研究阶段确定水文参数和水文成果。设计洪水成果直接影响到电站水工建筑物及泄洪设施布置型式、工程规模和工程投资，对电站单位投资、防洪安全等都有一定程度的影响。

一般抽水蓄能电站上水库集水面积较小，入库洪水量级相对较小，对电站的影响也相对较小。但下水库集水面积较大，入库天然洪水量级相对较大，并且存在入库天然洪水与电站发电流量相遭遇的不利工况，水库大坝工程及泄洪设施的规模即需要考虑洪水遭遇的最不利组合，还要考虑工程后不增加同频率条件下下游河道控制断面的天然洪水洪峰流量，避免造成人工洪水危害。

当上、下水库分别属于不同流域时，上、下水库全年设计洪水及分期设计洪水均需分别单独计算。当上、下水库属于同一个流域的上下游时，上、下水库入库设计洪水除了单独计算外，为了对比下水库下游河道控制断面工程前后洪水变化情况，下水库大坝下游控制断面设计洪水应包括上水库集水面积产生的洪水在内。下水库分期设计洪水也应该包括上水库集水面积产生的分期洪水。

综上所述，抽水蓄能电站水库设计洪水计算及洪水调节计算较常规水库而言更为复杂。

3 设计洪水计算方法

3.1 设计洪水计算方法及特点

推求设计洪水的常用方法有两种，即由流量资料推求设计洪水和由暴雨资料推求设计洪水；特殊情况下，当必须采用可能最大洪水作为非常运用洪水标准时，则由水文气象资料推求可能最大暴雨，然后计算可能最大洪水。

一般情况下，抽水蓄能电站上、下水库多处于流域上游山区，集水面积相对较小，没有水文测站，属无资料地区，临近小流域可能设立有雨量站。设计洪水计算方法基本采用暴雨途径推求。广东省采用推理公式法和综合单位线法同时计算设计洪水(包括洪峰、洪量及过程线)，当两种方法洪峰流量相差20%以内时，取对工程安全偏不利的设计洪水成果。福建省采用推理公式法计算设计洪水洪峰流量、24 h设计暴雨计算设计洪量、临近流域水文站实测大洪水过程线同频率放大推求设计洪水过程线。北方地区河南、甘肃、内蒙古、辽宁等省份抽水蓄能电站上、下水库设计洪水亦采用推理公式法计算，当采用拦沙坝泄洪排沙时，拦沙坝集水面积较大，需要采用流量途径计算设计洪水，但是蓄能专用下水库设计洪水仍然采用推理公式法进行计算。

由暴雨途径推求设计洪水，主要计算步骤包括设计暴雨计算、设计洪水计算及设计洪水成果的合理性分析等。由流量途径推求设计洪水，主要计算步骤包括设计洪峰、洪量计算、典型过程线选择与放大，设计洪水成果的合理性分析等。

3.2 设计暴雨计算

设计暴雨计算方法包括：

1) 根据设计依据雨量站实测长系列短历时暴雨资料(缺测时段采用参证站同时段观测资料经相关分析和插补延长)，采用P-Ⅲ频率曲线经适线法计算设计暴雨特征参数。

2) 采用当地《暴雨等值线图》查算设计暴雨特征参数。

3) 对比上述两种方法暴雨特征参数计算的不同频率设计暴雨成果，或在复杂情况下计算不同频率设计洪水、经洪水调节计算，选择对工程防洪安全最不利的入库洪水对应的暴雨特征参数作为设计暴雨特征参数采用值。

3.3 设计洪水计算

根据设计暴雨特征参数，采用推理公式和综合单位线或当地省市规定普遍采用的计算方法计算设计洪水，多种方法对比，选择对工程防洪安全偏不利的洪水成果作为推荐采用的设计洪水成果。设计洪水成果一般包括不同频率对应的设计洪峰流量、设计洪量和设计洪水过程线3部分。

1) 南方地区实例

南方地区以福建云霄抽水蓄能电站为例简要说明设计洪水计算方法。

云霄抽蓄上、下水库集水面积均较小，适合华东特小流域推理公式和福建沿海地区推理公式法。两种方法计算原理如下。

① 华东特小流域推理公式法

(1)

汇流参数m采用Ⅱ-2类：

(2)

式中Qm为设计洪峰流量，m3/s；Ht为t时段内的最大降水量，mm；τ为流域汇流时间，h；m为汇流参数；F为设计断面的集水面积，km2；L为设计断面以上主河长，km；J为设计断面河道平均坡降。

② 福建沿海地区推理公式法

基本计算公式与华东特小流域推理公式相同，汇流参数m采用福建省修正过的经验公式：

(3)

当θ≥1.5时，m=0.053θ0.809。

当θ<1.5时，m=0.063θ0.384。

由分析计算可知，2000年一遇校核洪水洪峰流量福建沿海推理公式法的成果上、下库分别为133 m3/s、988 m3/s，略大于华东特小流域法对应的108.8 m3/s和888.2 m3/s，且考虑到本工程上、下库均位于福建沿海地区，因此，上、下水库均采用福建沿海推理公式法成果。

2) 北方地区实例

北方地区以内蒙古芝瑞抽水蓄能电站为例简要说明设计洪水计算方法。

芝瑞蓄能电站上水库由人工通过挖填方式形成，集水面积即为整个库盆面积， 上水库集水面积为 0.268 km2。 设计洪水计算时不计水量损失，1 000年一遇设计洪水洪量根据20 h设计暴雨218 mm乘以集水面积为5.84万m3。

芝瑞蓄能电站下水库位于百岔河中游，坝址以上集水面积为579 km2，由拦沙坝和拦河坝组成，拦沙坝的功能是泄洪排沙到下水库拦河坝下游河道，保证1 000年一遇校核标准以下洪水及泥沙不进入下水库。拦河坝设计洪水由流域万安水文站(控制集水面积为1 353 km2)的设计洪水成果通过水文比拟法求得，拦河坝/万安水文站200年一遇设计、1 000年一遇校核洪水洪峰流量分别为795 m3/s、1 260 m3/s和1 400 m3/s、2 200 m3/s。

下水库集水面积为拦沙坝和拦河坝之间的范围，为3.7 km2。直接用设计暴雨乘以集水面积得到设计洪量，1 000年一遇设计洪量为80.7万m3。

3.4 设计洪水成果合理性分析

统计并分析设计流域邻近地区不同水利工程设计洪水成果、各实测站点年最大洪峰流量、最大 24 h暴雨、24 h洪量统计参数，计算地区的洪峰洪量模数，对比同一地区的各站点不同控制集水面积对应的洪峰模数分布规律是否符合当地暴雨洪水特性和流域地形地貌特征、洪水汇集传播等水文分布规律，一般随着集水面积增加同频率洪峰模数呈递减趋势。

与预可研计算结果对比，进一步分析说明本阶段设计洪水成果的合理性。

4 多宗抽水蓄能电站设计洪水计算成果合理性检查方法

山东某抽水蓄能电站[3]下库为已建成的综合利用水库，设计洪水采用瞬时单位线法、推理公式法计算,上库集水面积较小，设计洪水采用推理公式法计算。经多种方法设计洪水成果对比和与已建成水库除险加固阶段的设计洪水成果对比来检查选定设计洪水成果的合理性。

黄鸭河天池抽水蓄能电站[4]设计洪水计算方法包括《河南省中小流域设计暴雨洪水图集》(1984年)查算法和水文站实测洪峰资料水文比拟法推算，通过比较两种方法计算结果的合理性以及与周边河道洪水特性的匹配性，最终得出图表查算法计算结果较为可靠，与相关专题报告中的天池坝址洪水成果接近。

安徽桐城抽水蓄能电站[5]的设计洪水计算分为上库坝址设计洪水和下库坝址设计洪水，上库集水面积约为0.934 km2，采用水面洪水、陆面洪水分开计算的方法，洪峰叠加得到水库相应频率的设计洪水；对集水面积较小的设计洪水，这种计算方法更加精确。下库集水面积约为17.22 km2，通过线性瞬时单位线模型推算设计洪水过程线。计算结果符合地区综合特性。

陕西镇安抽水蓄能电站[6]在设计过程中，由于工程位置较偏僻，且没有实测水文资料。上水库集水面积仅1.4 km2，其正常蓄水位对应水面面积占总集水面积的27%，因此。在选择暴雨资料采用推理公式法推求设计洪水的同时，考虑陆地与水面洪水洪量分别计算后叠加，其成果大于单纯陆地计算值，更加符合工程产汇流实际情况，且成果偏于安全。下水库集水面积为181 km2，采用流量途径推求设计洪水，通过对比同频率(64 a重现期)设计洪水洪峰流量(980 m3/s)和历史洪痕洪水(906 m3/s)，数值接近且由一定安全裕度，据此说明设计洪水成果的合理性。

福建云霄抽水蓄能电站上、下水库集水面积分别为2.06 km2和14.64 km2，采用暴雨途径推求设计洪水洪峰流量和洪水总量，通过临近彰江流域水文站实测最大一场洪水过程线同频率放大后得到上、下水库设计洪水过程线。可研阶段设计洪水分别依据暴雨法和流量法推求，设计洪峰上水库流量法成果大于暴雨法，下水库暴雨法成果大于流量法；设计 24 h 洪量上、下水库暴雨法成果均大于流量法。由于上水库规模和安全主要受洪量控制，从对工程偏安全角度考虑，云霄抽水蓄能电站上、下水库设计洪峰和 24 h 洪量均采用暴雨法成果。统计并分析设计流域邻近地区各站年最大洪峰、最大 24 h 洪量统计参数，可以看出沿海地区的洪峰模数普遍大于内陆地区的洪峰模数，同一地区的站点，控制面积越小其洪峰模数越大。可研阶段上、下水库设计洪峰、洪量成果符合地区的变化规律，符合福建省东南部的暴雨的分布特性，设计成果基本合理。

河南洛宁抽蓄上、下水库以上流域无实测洪水资料，水库控制流域面积较小，采用小流域推理公式法用暴雨资料推算洪水。设计洪水过程线采用临近流域下河村实测洪水过程线同频率放大得到。通过与本流域及临近流域多项已建水利工程设计共洪水成果对比，分析本工程设计洪水成果的合理性。

芝瑞抽蓄拦河坝设计洪水成果合理性分析采用《内蒙古水文计算手册》推荐的内蒙古公式1、内蒙古公式2及水文比拟法等多种方法计算成果对比分析，成果接近，并与已经建成投产运行的呼和浩特抽蓄设计洪水成果相比，符合地区分布规律，得出设计洪水成果合理性结论。

5 结语

1) 抽水蓄能电站设计洪水计算方法包括暴雨途径和流量途径等多种方法，坚持资料齐全、多种方法对比，最后选择对工程防洪安全偏不利的设计洪水成果。根据暴雨资料推求设计洪水方法包括推理公式法、综合单位线法等。

2) 进行设计洪水计算时，应进行历史特大暴雨、特大洪水的调查工作，其成果应符合抽水蓄能电站所在地区暴雨洪水特征和地区分布规律，保证设计洪水成果的合理性。

本文通过对安徽桐城和山东某抽蓄电站地处华东、陕西镇安抽蓄电站地处西北、黄鸭河天池抽蓄电站、地处华中河南洛宁、华北内蒙古芝瑞、华东云霄抽水蓄能电站(位于福建沿海)等南北方不同地区不同暴雨洪水特性的设计洪水计算方法和成果的初步分析，有共性的内容也有独特的处理方法，对今后我国抽水蓄能电站设计洪水计算有所裨益。