海勃湾水利枢纽工程特征水位选择

2021-04-12王晓云刘武军张忠广

黑龙江水利科技 2021年2期

王晓云，刘武军，张忠广

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

1 工程概况

海勃湾水利枢纽工程是黄河治理开发规划中确定的梯级工程之一，工程位于内蒙古自治区境内的黄河干流上，坝址距乌海市区3km，上游距青铜峡水库约230km，下游87km为已建的内蒙古三盛公水利枢纽。工程任务为防凌、发电等综合利用。海勃湾水电站正常蓄水位1076m，死水位1069m，装机容量90MW，电站年平均发电量381.7GW·h。

2 特征水位选择

海勃湾水利枢纽工程特征水位选择主要包括正常蓄水位、死水位和汛期发电水位3个特征水位的选择。

2.1 死水位选择

工程死水位选择以水库泥沙冲淤物理模型试验等成果资料为基础，同时考虑最小发电水头、发电效益、泥沙淤积和防凌库容等方面的要求。

1)最小发电水头：

海勃湾枢纽电站采用贯流式机组，通过机组最小出力和最小发电水头进行分析，机组最小发电水头为2.5m时，单机最小出力2.0MW。工程坝址处河底高程在1064-1066m之间，据此，电站可以正常运转发电的最低水位为1069m。

2)发电效益：

满足工程防凌需求，水库应尽可能具有较大的调节库容，在正常蓄水位一定的条件下，死水位应尽可能低，但较低的死水位会对发电效益造成一定的影响。同时考虑防凌需要和较大发电效益，工程以发电最低水位1069m作为死水位下限，拟定了1069m和1070m的2个死水位比选方案。

经比选，随着死水位抬高，工程发电量相应增加，死水位从1069m抬高到1070m时，工程发电量增加10.4GW·h。同时，随着死水位抬高，调节库容相应减小，水库运行10年后，死水位1070m方案与1069m方案相比，调节库容减少约1520万m3。

不同死水位比选方案各指标比选结果见表1。

表1 不同死水位各指标对比

3)泥沙淤积影响：

根据水库造床流量要求，在水库最低水位运行时，其泄量应≥2700 m3/s。海勃湾水库泄水闸溢流堰采用平底宽顶堰型式，堰顶高程1065.0m，基本与河底持平，1069m可以满足泄量2700m3/s的最低水位。闸前泥沙淤积高度约为1-3m，在水位1069m，以流量2700 m3/s开闸泄水排沙，闸前泥沙淤积情况不会影响死水位的选择。

4)防凌库容要求：

海勃湾水利枢纽工程的防凌保护范围为坝址-三湖河口，根据各年不同的来水条件、气温条件和下游河段封河形势，工程可对该河段的封开河形势产生影响。海勃湾水库重点解决了蹬口以上河段的防凌压力。对三盛公枢纽至三湖河口段，通过水库的防凌调度也可以达到部分消除或减轻该河段防凌压力、减轻该河段凌灾损失的目的。

根据黄河内蒙古河段的防凌要求，结合黄河水资源的统一管理和调度，海勃湾水库开河期预留防凌应急库容约5000-8000万m3，可以短期减小下泄流量或关闭泄水通道，为下游受灾河段的防凌抢险创造必要的条件。

海勃湾水利枢纽工程主要任务为防凌，在一个相对较长的时段内具有较大的调节库容对水库发挥应有的防凌效益是非常必要的。因此，充分考虑最小发电水头、泥沙淤积、防凌需求等要求，最终选择具有较大调节库容又能够满足泄水2700m3/s流量的1069m作为海勃湾水库死水位[1]。

2.2 正常蓄水位选择

在死水位确定的前提下，正常蓄水位越高，水库调节库容越大，对枢纽发挥防凌功能、增加发电效益更加有益。但同时，较高的正常蓄水位会增加枢纽主体工程投资，增大水库的淹没范围，造成工程总体投资及社会影响的增加。

在不影响工程上游干渠排水口的基础上，工程论证拟定了1075m、1076m和1077m等3个正常蓄水位的比选方案，采用差额投资经济内部收益率法进行了经济合理性分析。

经比选，随着正常蓄水位的抬高，发电量和调节库容都会随之增加。水位每抬高1m，发电量依次增加45.6GW·h和37.9GW·h，即1077m正常蓄水位方案发电量最大，达419.6GW·h。随着正常蓄水位的抬高，运行10年后的调节库容也在随之增大，分别为1.82亿m3和2.65亿m3。

不同正常蓄水位工程电能指标及调节库容计算结果详见表2。

表2 不同正常蓄水位方案电能、库容指标

正常蓄水位的增加会相应引起工程投资和淹没赔偿费用大幅提高。经分析，1076m正常蓄水位方案工程总投资比1075m方案增加0.45亿元，1077m方案比1076m方案增加3.75亿元，增加的主要是移民补偿投资，达3.05亿元。经差额投资经济内部收益率分析，正常蓄水位从1076m抬高到1077m，差额投资内部收益率仅6.6%，低于社会折现率，显然是不经济的。但正常蓄水位从1075m抬高到1076m，差额投资内部收益率达35.0%，远大于社会折现率，显然正常蓄水位1076m方案较1075m、1077m方案更加经济合理。

工程不同正常蓄水位比选方案的差额投资经济内部收益率分析结果见表3。

表3 不同正常蓄水位方案差额投资经济内部收益率分析结果

综合考虑工程开发任务要求、工程投资经济合理性等因素，海勃湾水利枢纽工程正常蓄水位拟定为1076m。

2.3 汛期发电水位

黄河是多泥沙河流，特别是汛期含沙量更大，抬高汛期发电最高水位可以增加电站发电量，但会造成库区泥沙淤积的增加，使有效库容减小。考虑水库防凌需求和发电效益等因素，水库应尽量满足近期(10a左右)防护下游河道大部分凌灾的需求，同时枢纽要具有较高的发电效益。为了尽量提高工程汛期发电效益，同时保持一定的有效防凌库容，满足防凌要求，水库汛期调度原则拟定为：入库水沙较小时，水库宜在较高水位运行，获得较多的电量效益；入库水沙较大时，水库宜降低水位运行，在发电的同时，泄水排沙，尽量减少水库泥沙淤积，以获得较大的调节库容。

根据以上调度原则，经泥沙淤积分析及水库调节计算，当汛期来水含沙量<3kg时，水库水位在1076m运行。当来水含沙量>10kg或日平均来水流量>2700m3/s时，水位降至1069m泄水排沙；7月、9月当来水含沙量>3kg或来水日平均流量大于冲沙临界流量1500 m3/s时，水位降至1074m运行；8月份，一般来水的含沙量较大，多是由于上游梯级青铜峡电站排沙所致，此时为了尽量减少水库淤积，当来水含沙量>3kg时，水库降低水位至1071m，在降低库水位的过程中，水库以≤2700 m3/s流量泄水。综合分析比较后确定水库在该水位运行10a后的调节库容为1.82亿m3[2]。

从远期来看，随着海渤湾水库泥沙的不断淤积，水库的调节库容将不断减小。但随着大柳树水利枢纽工程的开发建设，内蒙古河段的防凌形势将会发生根本性的改变，凌汛期对下游河道流量的控泄基本上可以由大柳树水利枢纽承担，海勃湾水库就可以配合上游的控制性工程调节下泄水量的基础上，提高汛期发电水位，尽量发挥工程发电效益。