黑河三道湾水电站提高汛限水位运行分析

周国伟，卢小波

（1.甘肃电投河西水电开发有限责任公司,甘肃 张掖 734000；2.甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司,甘肃 兰州 730000）

0 引言

水库的汛限水位是直接影响水库的兴利效益和防洪风险的关键性特征,本质是用来协调水库兴利目标与防洪风险之间的矛盾关系[1]。在水资源供需矛盾极度突出的今天,协调防洪风险和兴利目标之间对水资源的可持续利用具有现实而又深远的意义[2]。

多年来,国内外许多学者对流域洪水资源化的分析方法与工程实践进行了较深入的研究,并取得了良好的效果[3-6]。然而,长期以来,相关研究只注重安全防洪方面的理论研究与方法[7-9],对于如何在泄洪风险可控的前提下,充分挖掘兴利目标的研究还很少。随着我国电力市场化的推进和双碳目标的提出,挖掘水库兴利效益不仅关系着水电站经济运行还影响着电力系统的优化运行[10]。事实上,在水库多年调度实践后,在保证水库及上下游防洪安全的前提下,转变与更新汛限水位控制理念,以充分利用洪水资源是我国水资源利用与经济发展的要求,是科技发展的必然趋势。

本文对黑河三道湾水电站汛限水位运行进行分析论证,以期得到能够对冲调度风险和兴利效益的汛限水位运行方案。本研究对于缓解区域水资源矛盾,充分利用黑河三道湾水库汛期洪水资源、发挥水库效益具有一定的科学价值和现实意义。

1 三道湾水电站概况

三道湾水电站地处甘肃省肃南裕固族自治县境内的黑河上游,是黑河干流梯级水电规划的第3 座水电站,电站设计引水流量98 m3/s,坝型为砼面板堆石坝,最大坝高48.7 m,坝顶高程2373.7 m,设计总装机容量112 MW,设计年发电量为4.003 亿kW·h,水库总库容530 万m3,正常蓄水位2370.00 m,设计洪水位2368.21 m,校核洪水位2372.41 m。三道湾水电站特征参数见表1。

表1 三道湾水电站特征参数

三道湾水电站由2台45 MW机组和1台22 MW机组构成,工程的主要任务是发电,具有日调节功能,其中调节库容170 万m3,2009 年6 月正式投入运行。电站的泄水建筑物主要有一个泄洪排沙洞、一个正常溢洪道,一个非常溢洪道,设计洪水最大泄量1620 m3/s（50年一遇洪水标准）,校核最大泄量3080 m3/s（1000年一遇洪水标准）。三道湾水电站机组参数见表2。

表2 三道湾水电站机组参数

2 水电站调整汛限水位运行的必要性分析

三道湾水电站设计总库容较小,是一座以发电为主要目的的日调节水电站,在电站的设计、运行、竣工验收等阶段均未设置汛限水位,最低运行水位2364.0 m是为满足汛期排沙和日调节功能而设立的临时运行水位,而非汛限水位。黑河三道湾水电站的汛期为5月1日~9月30日,应在汛限水位2364.0 m以下运行,与电站的原设计和实际运行方式不符,严重影响了电站的发电效益。

（1）现有运行方式分析

通过对黑河三道湾水电站汛期运行水位的研究,分析提高汛期汛限水位的合理性,对提高电站的发电效益非常有必要。因此,本文通过梳理三河湾水电站不同阶段制定的运行方式,并与批复的汛限水位进行对比,现状运行方式中主要存在以下问题：

1）三道湾水电站水库是以抬高水位发电为目的,设置汛限水位与电站的原设计和实际运行方式不符,汛期可在保证大坝泄洪安全的前提下,尽量维持在高水位运行,使发电效益最大化；

2）黑河三道湾水电站最低运行水位2364.0 m,是基于排沙和正常发电而设立的临时发电最低运行水位,电站运行单位可根据来水、来沙条件和库区淤积情况,适时在汛期降低水位排沙,而非汛期限制水位；

3）2011 年国家电力监管委员会大坝安全监察中心进行竣工安全鉴定时,调洪计算确定的起调水位为正常蓄水位2370 m,当100 年一遇洪水入库时,最高水位维持正常蓄水位2370 m不变,1000 年一遇校核洪水位2372.41 m,但未进行50年一遇设计洪水的调洪计算,设计洪水位仍采用设计阶段确定的2368.21 m；

4）根据实际运行情况,水位降低后,进水口淹没水深降低,进水口位置旋涡大,库区污物很容易吸附在拦污栅条上,造成拦污栅压差增大,影响大坝安全运行；同时污物很容易通过拦污栅进入引水洞从而导致发电机组导叶卡涩、影响机组安全运行；水位降低,存在机组运行工况不佳,影响发电机组安全运行。

（2）调整汛限水位的必要性分析

1）黑河三道湾水电站总库容530 万m3,装机容量112 MW,额定水头136.5 m,是一座以发电为主要目的的日调节水电站。电站自2003 年12 月开始设计至今,经历了设计、水工模型试验、运行、竣工安全鉴定等阶段,其运行方式也在不断的总结和完善,目前运行单位上报的运行方式基本与竣工安全鉴定阶段确定的运行方式一致,也较为符合黑河流域的洪水特性和项目本身的实际特点,2019 年张掖市水务局批复的运行方式与电站的设计和实际运行方式不符；

2）黑河三道湾水电站库水位2364.0 m~2370.0 m之间的原始库容为170 万m3,淤积平衡后库容为138 万m3,电站可在此水位区间内进行日调节。在汛期,如长时间在2364.0 m以下运行,电站将无法满足日调节功能；

3）根据实际运行情况,水位降低后,进水口淹没水深降低,进水口位置旋涡大,库区污物很容易吸附在拦污栅条上,造成拦污栅压差增大,影响大坝安全运行；同时污物很容易通过拦污栅进入引水洞从而导致发电机组导叶卡涩、影响机组安全运行；长时间处于低水头,发电水头低于机组额定水头,机组在偏离最佳效率区的不稳定状态下运行,不利于电站的安全稳定运行；

4）汛期5月1日~9月30日,受汛限水位的影响,发电水头低于机组额定水头,出力受阻,致使电站不能完全发挥其发电效益；

综上所述,为改善机组的运行条件,满足日调节功能,提高黑河三道湾水电站的发电效益,在汛期保证电站防洪安全和排沙要求的前提下,合理确定汛期运行水位是十分必要的。

3 水电站汛期运行水位控制方案研究

黑河三道湾水电站设计阶段并未设汛限水位,现状汛限水位2364.0 m是为满足排沙和日调节功能所设的最低运行水位。基于此,本研究在满足水库排沙、日调节功能和发电机组安全运行的基础上,以不突破原有设计、校核洪水位为原则,分别拟定2364.0 m、2368.21 m、2370 m三种汛期运行水位进行方案论证。

1）对防洪安全的影响

以三道湾水电站批复的设计洪水位2368.21 m作为起调水位,即汛期水位保持在2368.21 m及以下运行,当入库流量小于2368.21 m泄洪建筑物的最大泄量时,通过控制闸门开度,使下泄流量等于入库流量,来多少泄多少,保持库水位不变；当入库流量大于2368.21 m相应泄洪能力时,闸门全开,按泄流能力下泄滞洪运用,直至水库水位回落至2368.21 m。

当发生50年一遇（P=2%）设计洪水时,最大入库流量为1620 m3/s,最大出库流量为1620 m3/s,最高水位为2368.21 m,与设计洪水位一致；当发生1000 年一遇（P=0.1%）校核洪水时,最大入库流量为3080 m3/s,最大出库流量为2903 m3/s,最高水位为2372.33 m,较校核洪水位2372.41 m低0.08 m。从防洪安全角度出发,黑河三道湾水电站的泄洪建筑物具有下泄相应标准洪水的能力。其中泄洪排沙洞+正常溢洪洞在设计洪水位2368.21 m时的最大泄量为1605 m3/s,略小于50 年一遇入库设计洪水1620 m3/s,考虑非常溢洪洞局部开启后,即可满足50 年一遇设计洪水标准的下泄要求；泄洪排沙洞+正常溢洪洞+非常溢洪道在校核洪水位2370.41 m时的最大泄量为2910 m3/s（本次复核值）。

经调洪计算后,各方案在校核标准的最高水位均低于已批复的校核洪水位,各方案计算所需坝顶均低于设计坝顶,再考虑防浪墙后,尚有一定的安全裕度。故本次提出的三个汛期运行水位方案均满足大坝防洪安全的需要。

2）对汛期排沙的影响

从汛期排沙运行角度出发,方案一在汛期长时间保持低水位2364.0 m运行,确实有利于在汛期排除更多的泥沙,但黑河三道湾水电站“库小沙大”,一个汛期泥沙即可淤至发电进水口底板高程（2350.0 m）,且泄洪排沙洞形成的冲刷漏斗容积较小,易淤积填满。考虑到泄洪排沙洞在2364.0 m高程时水头较低、流速较小,电站在实际运行时,采用每隔3年~5年在主汛期根据入库洪水的含沙情况,利用中小洪水降低水库水位至高程2364.0 m或更低进行低水位、大流量间歇性冲沙2天~3天的运行方式,排沙效果明显,基本能够实现电站进水口“门前清”。因此,从排沙角度考虑,无需在汛期长时间保持在2364.0 m运行。

3）对水库功能的影响

从满足机组稳定运行和水库日调节功能角度出发,黑河三道湾水电站库水位2364.0 m~2370.0 m之间的原始库容为170 万m3,淤积平衡后库容为138 万m3。方案一在汛期长时间处于2364.0 m运行,发电水头低于机组额定水头,机组在偏离最佳效率区的不稳定状态下运行,不利于电站机组的安全稳定运行,也无法满足电站的日调节功能。

4）对发电效益的影响

从发电效益角度出发,方案三在汛期维持在正常蓄水位2370.0 m运行,最大限度的利用汛期大流量、高水头进行发电,而且现状坝顶亦满足防洪要求,但50 年一遇设计洪水位较已批复的设计洪水位高1.19 m,会引起工程规模发生变化。

综合考虑后,在保证黑河三道湾水电站防洪运行安全和原批复设计、校核洪水位不变的前提下,本次推荐方案二,即汛期的最高运行水位确定为2368.21 m。

4 结论

为提高汛期水资源利用率,本文以黑河三道湾水电站为研究对象,提出了一般水电站工程调整汛限水位分析的研究路线,以水电站防洪风险和兴利目标为核心,对三道湾水电站汛限水位运行方案进行研究,在现行设计运行规则基础上,实现对汛限水位的复核,最终验证了可行方案的合理性。

1）通过本文的论述可知,黑河三道湾水电站调整汛期汛限水位是必要且可行的,因电站在设计、安全鉴定过程中均未设有汛限水位,现有的最低运行水位2364.0 m是基于排沙和正常发电而设立的临时运行水位,而非汛期限制水位。

2）根据黑河莺落峡水文站实测洪水资料分析,年最大洪水均发生在6月~9月,其中7月发生的频率占57.7%、8月发生的频率占28.2%、6月和9月发生的频率各占7.04%,5月可在正常蓄水位运行,黑河三道湾水电站设计洪水位2368.21 m、校核洪水位2372.41 m时,各泄洪建筑物均可满足下泄相应频率洪水的要求。

3）据本次调洪复核计算,以设计洪水位2368.21 m起调时,50 年一遇设计标准下最大入库流量为1620 m3/s,最高水位为2368.21 m,与原设计洪水位一致；1000 年一遇校核标准下最大入库流量为3080 m3/s,最大出库流量为2903 m3/s,最高水位为2372.33 m,较校核洪水位2372.41 m低0.08 m；本次复核后,仍维持已批复的设计、校核洪水位不变。

4）黑河三道湾水电站工程设计坝顶高程确定为2373.70 m,防浪墙顶高程为2374.90 m,经本次复核,计算所需坝顶低于设计坝顶,再考虑防浪墙后,尚有一定的安全裕度,汛期在设计洪水为2368.21 m运行满足大坝防洪安全的需要。

5）黑河三道湾水电站的汛期调整为6月~9月,5月电站可在正常蓄水位运行；汛期在2368.21 m运行,利用中小洪水不定期降低水位排沙的运行方式,可满足三道湾水电站所需的日调节库容和进水口“门前清”的要求；汛限水位为2368.21 m。