巴基斯坦卡洛特水电站运行水位分析

蔡淑兵 安有贵 张利升

摘要：巴基斯坦卡洛特水电站是“一带一路”倡议中首个大型水电投资建设项目，采用中国技术标准，由中国企业负责设计、建设和运营，意义重大。为保证工程规模合理、经济可行且能长期有效发挥电站效益，针对调节库容小、入库沙量大等工程特点，总结了水库运行水位选择和排沙调度运行方式研究经验，提出了合理可行的工程规划方案。研究成果可为国外同类型水电站工程规模论证提供参考。

关键词：水库运行水位; 排沙调度; 工程规划; 吉拉姆河; 卡洛特水电站; 巴基斯坦

中图分类号：TV737文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.05.015

文章编号：1006 - 0081（2022）05 - 0085 - 04

0 引 言

巴基斯坦位于南亚次大陆西北部，与中国接壤，水资源较为丰富，可开发量约60 000 MW，开发潜力巨大。巴基斯坦境内河流泥沙含量普遍较大，如印度河平均含沙量2～3 kg/m3。20世纪70年代建成的塔贝拉等水库，由于缺乏有效的排沙工程措施和排沙调度运行方式，水库运行近40 a，泥沙淤积使库容损失了30%以上[1]，导致水库调节能力降低，影响了水库效益的正常发挥和使用寿命。在巴基斯坦开发建设水电站需充分重视水库泥沙对工程的影响，并将其作为重难点问题进行认真研究。本文以巴基斯坦卡洛特水电站为例，结合水库泥沙特性，探讨了电站运行水位及调度运行方式的选择。

1 工程概况

卡洛特水电站位于巴基斯坦北部印度河支流吉拉姆河上，坝址坐落于旁遮普省境内卡洛特桥上游约1 km，下距已建曼格拉大坝约74 km，西距伊斯兰堡直线距离约55 km，对外交通便利，区位优势好。库区地形狭窄，不具备形成较大库容的条件，沿河两岸零星分布少量房屋和耕地，无移民和环境制约因素。

坝址控制流域面积2.67万km2，多年平均流量819 m3/s，多年平均悬移质含沙量1.28 kg/m3。工程的开发任务主要为发电，水库正常蓄水位461 m，正常蓄水位以下库容1.52亿m3，死水位451 m，调节库容0.49亿m3，具有日调节能力，电站装机容量720 MW（4×180 MW），多年平均年发电量约32亿kW·h。卡洛特水电站是“一带一路”倡议首个能源投资项目，工程于2015年正式开工建设，2021年11月下闸蓄水，预计2022年上半年全部机组将投产发电。

2 正常蓄水位选择

2.1 河流规划

吉拉姆（Jhelum）河梯级开发方案研究始于20世纪50年代，首先开发建设了曼格拉（Mangla）水库。1984～1989年间，德国GTZ公司提出了曼格拉大坝以上河段梯级规划方案。2008年5月，巴基斯坦私营电力和基础设施委员会（PPIB）在总结以往相关规划成果和梯级电站设计成果的基础上，对吉拉姆河干流曼格拉大坝以上河段梯级开发方案进行了复核，提出吉拉姆河科哈拉（Kohala）至曼格拉河段规划5级，自上而下依次为科哈拉、玛尔（Mahl）、阿扎德帕坦（Azad Pattan）、卡洛特（Karot）和曼格拉等水电站，其中，曼格拉水电站已于1967年建成，2011年完成大坝加高。规划梯级电站见表1。

2.2 正常蓄水位复核

在吉拉姆河梯级规划方案中，卡洛特水电站正常蓄水位461 m，相应的库沙比仅5.2，水库泥沙对电站长期运行影响较大，从流域整体开发的角度考虑，有必要对卡洛特水电站正常蓄水位进行优化调整。

根据卡洛特水电站正常蓄水位抬高对移民实物指标影响不大的特性，若将卡洛特与其上游的阿扎德帕坦合并为一级开发，将其正常蓄水位抬高至526 m，则正常蓄水位以下库容可达7.5亿m3左右，库沙比约为26，水库泥沙问题则比较容易解决。相应的最大坝高由95.5 m增至160 m左右，对于沥青混凝土心墙堆石坝而言，已有成熟工程经验可供借鉴。同时，正常蓄水位抬高还将大幅减少溢洪道开挖工程量，一座大坝较两座大坝而言，工程量也将明显减少。因此，将卡洛特与阿扎德帕坦两级合并为一级开发，在技术和经济上都是合理可行的，抬高卡洛特水电站正常蓄水位至526 m无疑是一个更好的选择。

然而，卡洛特水电站和阿扎德帕坦水电站的开发权分别授予了不同的开发商，协调难度极大，且卡洛特水电站正常蓄水位461 m已通过巴基斯坦政府相关部门审查并获得了广泛认可。鉴于卡洛特水电站是“中巴经济走廊”优先实施的能源项目之一，为有利于项目尽早开工建设，仍维持水库正常蓄水位为461 m。

3 排沙运行水位选择

卡洛特水电站坝址以上流域多年平均悬移质输沙量3 315万t，含沙量为1.28 kg/m3，属中等含沙河流，但相对于库容而言，入库沙量较大且级配较粗，泥沙是卡洛特水电站规划设计中面临的最大难题。为此，在研究水库排沙调度运行方式的基础上，比选排沙运行水位，并采用一维、三维数学模型和1∶100正态整体物理模型试验，验证排沙效果。

3.1 水库“蓄清排浑”调度运行方式

以控制水库泥沙淤积为目的的水库运用方式主要有蓄洪运用、蓄清排浑运用、缓洪运用和多库联合运用等类型[2-5]。借鉴中国在多沙河流上的长期研究成果[6-11]，结合该工程特点，选择“蓄清排浑”的运用方式处理卡洛特水电站的水库泥沙问题。“蓄清排浑”运用又可根据水库的水沙条件和工程任务，采用以下几种运行调度方案[12-13]。

（1） 汛期控制庫水位，汛末蓄水。根据水库来水和来沙情况，在满足水库兴利的前提下，设置排沙水位。汛期水库控制在排沙水位运行，汛末蓄水运用。一般兼顾发电或有发电要求的水库可采用这种运行方式。

（2） 汛期控制库水位，相机排沙调度。水库在汛期设置排沙水位，根据来水来沙情况，在泥沙含量不大的情况下，水库在汛期控制库水位运用;在含沙量大时，降低到最低排沙水位或是敞泄排沙。根据来水来沙和水库使用要求确定排沙条件，当水量或沙量大于某一界限时，水库水位降低至最低排沙水位运用;否则，水库则在汛期控制水位运用。采用这种运行方式的水库，由于汛期空库或低水位排沙运用，水库降低水位后减少发电或不能发电，可能要破坏水库兴利。

（3） 汛期敞泄，汛末蓄水。水库在汛期打开底孔闸门，不控制水位，敞泄运用;汛末再关闭底孔闸门，水库蓄水运用。如果没有发电要求，以灌溉和防洪为主的水库可采用这种运行方式。

3.2 排沙调度运行方式初拟

根据中国相关规程规范的要求，以保持调节库容为主要目标的水库，宜在汛期或部分汛期控制库水位调沙，也可按分级流量控制库水位调沙，或者不控制库水位采用异重流或敞泄排沙等方式[14]。

由于卡洛特水電站发电水头变幅大，若水库采用汛期控制在排沙水位运行的方式，设置的排沙水位高，则难以达到排沙效果;设置的排沙水位低，则发电受阻较为严重或长期处于停机排沙状态，电量损失大，此种运行方式对卡洛特水电站不适用。汛期空库敞泄排沙是被认为解决库区泥沙淤积行之有效的方法，但同样对电站发电效益影响较大。

结合卡洛特水电站的特点，为兼顾发电与排沙，水库宜采用汛期相机低水位排沙的运行方式。在汛期的主要来沙期间，当入库流量超过拟定的排沙流量，将水库水位降至排沙水位运行，以增大库区水面比降和水流速度，从而利于水库排沙走沙，以实现电站长期有效运行。

为便于水库运行管理，分级流量及相应库水位不宜设置过多，初步按两级控制。在水库降水位排沙期间，出库水流含沙量将大幅增加，对水轮机的磨损危害大。因此，当库水位较低时，可考虑电站停机排沙。在水库排沙运行期间，若库水位变幅速度过快，可能造成库区不稳定、岸坡塌滑或危及大坝安全。根据库岸地质条件，为稳妥起见，降水位和回蓄期间应每天控制水位变幅。

3.3 排沙调度方案拟定

根据典型水沙系列，对不同流量级的累计输沙量进行统计，结果见图1。多年平均情况下，入库流量大于1 400，1 600 m3/s的天数分别为88，66 d，期间累计入库沙量分别占年入库沙量的74.2%，63.8%。入库流量超过2 000 m3/s，平均每年出现的天数小于一个月，其中入库流量大于2 000，2 200 m3/s的天数分别为28，15 d，期间累计入库沙量分别占年入库沙量的35.8%， 22.5%。

根据卡洛特水电站入库水沙特性，初拟第一级排沙流量为1 400 m3/s，略大于机组满发流量1 248 m3/s，小于该流量的累计入库沙量约占年入库沙量的75%，相应的排沙水位为456 m，对电站出力受阻影响小。

结合每天最大水位降幅和排沙水位的泄洪能力要求，初拟第二级排沙流量2 000，2100 m3/s和2 200 m3/s等3个方案，第二级排沙水位分别为451，446 m和441 m。采用一维和三维数学模型对各组合方案进行计算、分析和比较。方案拟定详见表2。

3.4 排沙调度方案比选

从库区及坝前泥沙淤积、调节库容、发电量、水工布置等方面对第二级排沙流量和排沙水位组合方案进行了比选。按上游不建梯级电站的最不利工况，分析了排沙效果。主要比选结论如下。

（1） 坝前泥沙淤积高程主要取决于排沙水位。水库运行20 a后基本达到冲淤平衡，排沙水位451，446 m和441 m方案的坝前泥沙淤积高程基本维持在435，430 m和425 m左右。

（2） 各方案剩余调节库容基本相当。运行期前10 a，调节库容损失速度较快，20 a后水库调节库容变化不大，可基本满足日调节库容需求。

（3） 同一排沙流量下，因电站停机排沙的时间基本相同，排沙水位变化对电站发电量影响差别不大;同一排沙水位下，排沙流量越小，电站停机排沙时间越长，对电站发电量影响越大。

（4） 对于排沙流量2 200 m3/s的方案，由于平均每年电站停机排沙时间仅11 d，电站进水口门前已经出现淤积，存在坍塌的风险。除排沙水位451 m方案外，其余各方案坝前泥沙淤积高程均低于电站进水口底板高程，能满足坝前冲沙和电站进水口“门前清”要求，保证电站正常取水发电。

（5） 按照在排沙水位时泄洪排沙孔的泄流能力不小于2 a一遇洪峰流量[15]，对应枢纽总泄流能力不小于5 a一遇洪峰流量进行水工布置。排沙水位越高，所需泄洪排沙孔规模越小，对应工程投资也越少。从经济性角度来看，排沙运行水位高的方案，投资相对较低。

综上所述，从排沙效果和保证电站进水口“门前清”的角度分析，第二级排沙流量应低于2 200 m3/s，且排沙水位低的方案相对较优;从对发电量影响的角度分析，第二级排沙流量大、排沙水位高的方案发电量损失小。因此，综合考虑工程运行安全，兼顾发电与排沙，推荐卡洛特水电站排沙流量按两级控制，第一级排沙流量为1 400 m3/s，相应排沙水位为456 m;第二级流量为2 100 m3/s，相应排沙水位为446 m。具体排沙调度运行方式如下。

（1） 当入库流量大于1 400 m3/s，但小于2 100 m3/s时，在尽量满足电站机组满发的情况下，允许水库水位降至456 m运行。

（2） 当入库流量大于2 100 m3/s，水库降水位排沙，每日水位降幅初步按不超过5 m控制，直至排沙运行水位446 m，当水库水位降至451 m以下，电站停机。

（3） 当入库流量小于2 100 m3/s时，水库开始充蓄，蓄水期间控制库水位上涨率不超过10 m/d。当库水位高于451 m，且发电水头满足机组安全运行要求时，电站开机运行;当库水位达到456 m时，若入库流量大于1 400 m3/s，水库可维持在456 m运行，否则库水位可逐步回蓄至正常蓄水位461 m。

4 死水位选择

卡洛特水电站仅具有日调节性能，从坝前泥沙淤积高程、电站取水及发电最低水位要求、日调节库容等方面，结合水库排沙运行，选择水库死水位。

根据水库泥沙淤积计算成果，采取排沙调度方案后，水库运行20 a后坝前泥沙淤积高程约430 m。由于电站进水口流道底板高程431.5 m，考虑洞径和发电所需最小淹没深度后，满足电站进水口安全运用的最低发电水位不应低于448.5 m。按泥沙冲淤平衡后的库容曲线分析，满足电站日调节库容要求，水库死水位应在458 m左右。

综上分析，选择水库死水位为458 m即可满足发电任务要求。结合水库排沙调度运行水位，考虑留有一定的余度，并尽量减少水库排沙运行期间对电站发电效益的影响及提高电站调度的灵活性，选择水库死水位为451 m。一般情况下，电站在库水位461～458 m之间进行日调节运行;排沙期间，库水位降至451 m时，电站仍能正常发电，当库水位低于451 m时，电站停机。

5 经验与启示

总结卡洛特水电站运行水位选择，对国外类似工程有如下经验和启示。

（1） 国外水电开发一般只针对单个电站。应从水能资源合理利用角度对梯级开发方案进行评估，对于明显不合理的方案进行优化调整。

（2） 对于泥沙含量较大或库沙比较小的水库，泥沙问题是否得到妥善解决是项目成败的关键。从工程规划，到设计、建设、运营、管理等全生命周期都应将泥沙作为重难点问题进行研究。

（3） 水库排沙调度运行方式有多种多样，应结合项目开发任务和水沙特性，选择适合的类型，有条件时还应采用数学模型与物理模型相结合的方式验证排沙效果。

6 结 语

本文借鉴中国多沙河流的水库规划设计和排沙调度研究成果，以巴基斯坦卡洛特水电站为例，结合工程特点及水沙特性，选择了水库运行水位，采用了汛期相机低水位排沙的运行方式，初步拟定了电站排沙调度运行方式，可用于指导电站设计及水库调度运行，也可为其他同类型电站的规划设计和调度运行提供参考。但是，由于排沙时机的选择与入库水量密切相关，造成每年排沙次数和排沙时间存在差异，尤其是停机排沙时间的不确定，对电站和电网影响均较大，可结合购电协议中对电站每年排沙次数和排沙时间的要求，以及电站建成后实际泥沙淤积情况，进一步完善排沙调度运行方式。

参考文献：

[1] Muharnmad S， Hazrat U. 水库淤积管理的挑战——塔贝拉大坝工程案例[C]// 大坝技术及长效性能研究进展.北京：中国水利水电出版社，2011：609-613.

[2] 胡春宏. 中国多沙河流水库“蓄清排浑”运用方式的发展与实践[J].水利学报，2015，47（3）：283-291.

[3] GB/T 50587-2010  水库调度设计规范[S].

[4] 刘继祥.水库运用方式研究与实践[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 2008.

[5] 涂启华，杨赉斐.泥沙设计手册[M]. 北京： 中国水利水电出版社，2006.

[6] 韩其为，杨小庆.我国水库泥沙淤积研究综述[J]. 中国水利水电科学研究院学报， 2003（3）： 5-14.

[7] 童思陈，周建军.“蓄清排浑”水库运用方式与淤积过程关系探讨[J]. 水力发电学报，2006，25（2）： 27-30.

[8] 林秉南，周建军. 三峡工程泥沙调度[J]. 中国工程科学，2004，6（4）：30-33.

[9] 张金良，胡春宏，刘继祥. 多沙河流水库“蓄清调浑”运用方式及其设计技术[J].水利学报，2022，53（1）：1-10.

[10] 葉辉辉，高学平，贠振星，等.水库调度运行方式对水库泥沙淤积的影响[J].长江科学院院报，2015，32（1）：1-5，10.

[11] 赵妮. 新疆多泥沙河流水库泥沙处理措施[J]. 水利规划与设计， 2020（1）：147-151.

[12] 魏向阳，杨会颖，孔纯胜，等. 小浪底水库汛期低水位排沙调度实践分析[J]. 人民黄河，2020，42（7）：19-22.

[13] 韩其为. 水库淤积[M].北京： 科学出版社， 2003.

[14] 胡蓉， 高霞. 新疆多沙河流水库的运行方式浅析[J]. 河南水利与南水北调， 2011（11）： 37-38.

[15] NB/T 35049-2015 水电工程泥沙设计规范[S].

0 引 言

巴基斯坦位于南亚次大陆西北部，与中国接壤，水资源较为丰富，可开发量约60 000 MW，开发潜力巨大。巴基斯坦境内河流泥沙含量普遍较大，如印度河平均含沙量2～3 kg/m3。20世纪70年代建成的塔贝拉等水库，由于缺乏有效的排沙工程措施和排沙调度运行方式，水库运行近40 a，泥沙淤积使库容损失了30%以上[1]，导致水库调节能力降低，影响了水库效益的正常发挥和使用寿命。在巴基斯坦开发建设水电站需充分重视水库泥沙对工程的影响，并将其作为重难点问题进行认真研究。本文以巴基斯坦卡洛特水电站为例，结合水库泥沙特性，探讨了电站运行水位及调度运行方式的选择。

1 工程概况

卡洛特水电站位于巴基斯坦北部印度河支流吉拉姆河上，坝址坐落于旁遮普省境内卡洛特桥上游约1 km，下距已建曼格拉大坝约74 km，西距伊斯兰堡直线距离约55 km，对外交通便利，区位优势好。库区地形狭窄，不具备形成较大库容的条件，沿河两岸零星分布少量房屋和耕地，无移民和环境制约因素。

坝址控制流域面积2.67万km2，多年平均流量819 m3/s，多年平均悬移质含沙量1.28 kg/m3。工程的开发任务主要为发电，水库正常蓄水位461 m，正常蓄水位以下库容1.52亿m3，死水位451 m，调节库容0.49亿m3，具有日调节能力，电站装机容量720 MW（4×180 MW），多年平均年发电量约32亿kW·h。卡洛特水电站是“一带一路”倡议首个能源投资项目，工程于2015年正式开工建设，2021年11月下闸蓄水，预计2022年上半年全部机组将投产发电。

2 正常蓄水位选择

2.1 河流规划

吉拉姆（Jhelum）河梯级开发方案研究始于20世纪50年代，首先开发建设了曼格拉（Mangla）水库。1984～1989年间，德国GTZ公司提出了曼格拉大坝以上河段梯级规划方案。2008年5月，巴基斯坦私营电力和基础设施委员会（PPIB）在总结以往相关规划成果和梯级电站设计成果的基础上，对吉拉姆河干流曼格拉大坝以上河段梯级开发方案进行了复核，提出吉拉姆河科哈拉（Kohala）至曼格拉河段规划5级，自上而下依次为科哈拉、玛尔（Mahl）、阿扎德帕坦（Azad Pattan）、卡洛特（Karot）和曼格拉等水电站，其中，曼格拉水电站已于1967年建成，2011年完成大坝加高。规划梯级电站见表1。

表1 吉拉姆河规划梯级电站特性

Tab.1 Characteristics of planned cascade hydropower projects on Jhelum River

[电站名称 正常蓄水位/m 装机容量/MW 调节性能 开发方式 科哈拉 900 1100 日调节 引水式 玛尔 585 700 日调节 坝式 阿扎德帕坦 526 640 日调节 坝式 卡洛特 461 720 日调节 坝式 ]

2.2 正常蓄水位复核

在吉拉姆河梯级规划方案中，卡洛特水电站正常蓄水位461 m，相应的库沙比仅5.2，水库泥沙对电站长期运行影响较大，从流域整体开发的角度考虑，有必要对卡洛特水电站正常蓄水位进行优化调整。

根据卡洛特水电站正常蓄水位抬高对移民实物指标影响不大的特性，若将卡洛特与其上游的阿扎德帕坦合并为一级开发，将其正常蓄水位抬高至526 m，则正常蓄水位以下库容可达7.5亿m3左右，库沙比约为26，水库泥沙问题则比较容易解决。相应的最大坝高由95.5 m增至160 m左右，对于沥青混凝土心墙堆石坝而言，已有成熟工程经验可供借鉴。同时，正常蓄水位抬高还将大幅减少溢洪道开挖工程量，一座大坝较两座大坝而言，工程量也将明显减少。因此，将卡洛特与阿扎德帕坦两级合并为一级开发，在技术和经济上都是合理可行的，抬高卡洛特水电站正常蓄水位至526 m无疑是一个更好的选择。

然而，卡洛特水电站和阿扎德帕坦水电站的开发权分别授予了不同的开发商，协调难度极大，且卡洛特水电站正常蓄水位461 m已通过巴基斯坦政府相关部门审查并获得了广泛认可。鉴于卡洛特水电站是“中巴经济走廊”优先实施的能源项目之一，为有利于项目尽早开工建设，仍维持水库正常蓄水位为461 m。

3 排沙运行水位选择

卡洛特水电站坝址以上流域多年平均悬移质输沙量3 315万t，含沙量为1.28 kg/m3，属中等含沙河流，但相对于库容而言，入库沙量较大且级配较粗，泥沙是卡洛特水电站规划设计中面临的最大难题。为此，在研究水库排沙调度运行方式的基础上，比选排沙运行水位，并采用一维、三维数学模型和1∶100正态整体物理模型试验，验证排沙效果。

3.1 水库“蓄清排浑”调度运行方式

以控制水库泥沙淤积为目的的水库运用方式主要有蓄洪运用、蓄清排浑运用、缓洪运用和多库联合运用等类型[2-5]。借鉴中国在多沙河流上的长期研究成果[6-11]，结合该工程特点，选择“蓄清排浑”的运用方式处理卡洛特水电站的水库泥沙问题。“蓄清排浑”运用又可根据水库的水沙条件和工程任务，采用以下几种运行调度方案[12-13]。

（1） 汛期控制库水位，汛末蓄水。根据水库来水和来沙情况，在满足水库兴利的前提下，设置排沙水位。汛期水库控制在排沙水位运行，汛末蓄水运用。一般兼顾发电或有发电要求的水库可采用这种运行方式。

（2） 汛期控制库水位，相机排沙调度。水库在汛期设置排沙水位，根据来水来沙情况，在泥沙含量不大的情况下，水库在汛期控制库水位运用;在含沙量大时，降低到最低排沙水位或是敞泄排沙。根据来水来沙和水库使用要求确定排沙条件，当水量或沙量大于某一界限时，水库水位降低至最低排沙水位运用;否则，水库则在汛期控制水位运用。采用这种运行方式的水库，由于汛期空库或低水位排沙运用，水库降低水位后减少发电或不能发电，可能要破坏水库兴利。

（3） 汛期敞泄，汛末蓄水。水库在汛期打开底孔闸门，不控制水位，敞泄運用;汛末再关闭底孔闸门，水库蓄水运用。如果没有发电要求，以灌溉和防洪为主的水库可采用这种运行方式。

3.2 排沙调度运行方式初拟

根据中国相关规程规范的要求，以保持调节库容为主要目标的水库，宜在汛期或部分汛期控制库水位调沙，也可按分级流量控制库水位调沙，或者不控制库水位采用异重流或敞泄排沙等方式[14]。

由于卡洛特水电站发电水头变幅大，若水库采用汛期控制在排沙水位运行的方式，设置的排沙水位高，则难以达到排沙效果;设置的排沙水位低，则发电受阻较为严重或长期处于停机排沙状态，电量损失大，此种运行方式对卡洛特水电站不适用。汛期空库敞泄排沙是被认为解决库区泥沙淤积行之有效的方法，但同样对电站发电效益影响较大。

结合卡洛特水电站的特点，为兼顾发电与排沙，水库宜采用汛期相机低水位排沙的运行方式。在汛期的主要来沙期间，当入库流量超过拟定的排沙流量，将水库水位降至排沙水位运行，以增大库区水面比降和水流速度，从而利于水库排沙走沙，以实现电站长期有效运行。

为便于水库运行管理，分级流量及相应库水位不宜设置过多，初步按两级控制。在水库降水位排沙期间，出库水流含沙量将大幅增加，对水轮机的磨损危害大。因此，当库水位较低时，可考虑电站停机排沙。在水库排沙运行期间，若库水位变幅速度过快，可能造成库区不稳定、岸坡塌滑或危及大坝安全。根据库岸地质条件，为稳妥起见，降水位和回蓄期间应每天控制水位变幅。

3.3 排沙调度方案拟定

根据典型水沙系列，对不同流量级的累计输沙量进行统计，结果见图1。多年平均情况下，入库流量大于1 400，1 600 m3/s的天数分别为88，66 d，期间累计入库沙量分别占年入库沙量的74.2%，63.8%。入库流量超过2 000 m3/s，平均每年出现的天数小于一个月，其中入库流量大于2 000，2 200 m3/s的天数分别为28，15 d，期间累计入库沙量分别占年入库沙量的35.8%， 22.5%。

图1 输沙量累计曲线

Fig. 1 Accumulative curve of sediment discharge

根据卡洛特水电站入库水沙特性，初拟第一级排沙流量为1 400 m3/s，略大于机组满发流量1 248 m3/s，小于该流量的累计入库沙量约占年入库沙量的75%，相应的排沙水位为456 m，对电站出力受阻影响小。

结合每天最大水位降幅和排沙水位的泄洪能力要求，初拟第二级排沙流量2 000，2100 m3/s和2 200 m3/s等3个方案，第二级排沙水位分别为451，446 m和441 m。采用一维和三维数学模型对各组合方案进行计算、分析和比较。方案拟定详见表2。

表2 各方案主要参数

Tab. 2 Main parameters of each scheme

[方案

编号 第一级 第二级 流量/（m3·s-1） 水位/m 流量/（m3·s-1） 水位/m 1 1400 456 2000 446 2 2100 451 3 446 4 441 5 2200 446 ]

3.4 排沙調度方案比选

从库区及坝前泥沙淤积、调节库容、发电量、水工布置等方面对第二级排沙流量和排沙水位组合方案进行了比选。按上游不建梯级电站的最不利工况，分析了排沙效果。主要比选结论如下。

（1） 坝前泥沙淤积高程主要取决于排沙水位。水库运行20 a后基本达到冲淤平衡，排沙水位451，446 m和441 m方案的坝前泥沙淤积高程基本维持在435，430 m和425 m左右。

（2） 各方案剩余调节库容基本相当。运行期前10 a，调节库容损失速度较快，20 a后水库调节库容变化不大，可基本满足日调节库容需求。

（3） 同一排沙流量下，因电站停机排沙的时间基本相同，排沙水位变化对电站发电量影响差别不大;同一排沙水位下，排沙流量越小，电站停机排沙时间越长，对电站发电量影响越大。

（4） 对于排沙流量2 200 m3/s的方案，由于平均每年电站停机排沙时间仅11 d，电站进水口门前已经出现淤积，存在坍塌的风险。除排沙水位451 m方案外，其余各方案坝前泥沙淤积高程均低于电站进水口底板高程，能满足坝前冲沙和电站进水口“门前清”要求，保证电站正常取水发电。

（5） 按照在排沙水位时泄洪排沙孔的泄流能力不小于2 a一遇洪峰流量[15]，对应枢纽总泄流能力不小于5 a一遇洪峰流量进行水工布置。排沙水位越高，所需泄洪排沙孔规模越小，对应工程投资也越少。从经济性角度来看，排沙运行水位高的方案，投资相对较低。

综上所述，从排沙效果和保证电站进水口“门前清”的角度分析，第二级排沙流量应低于2 200 m3/s，且排沙水位低的方案相对较优;从对发电量影响的角度分析，第二级排沙流量大、排沙水位高的方案发电量损失小。因此，综合考虑工程运行安全，兼顾发电与排沙，推荐卡洛特水电站排沙流量按两级控制，第一级排沙流量为1 400 m3/s，相应排沙水位为456 m;第二级流量为2 100 m3/s，相应排沙水位为446 m。具体排沙调度运行方式如下。

（1） 当入库流量大于1 400 m3/s，但小于2 100 m3/s时，在尽量满足电站机组满发的情况下，允许水库水位降至456 m运行。

（2） 当入库流量大于2 100 m3/s，水库降水位排沙，每日水位降幅初步按不超过5 m控制，直至排沙运行水位446 m，当水库水位降至451 m以下，电站停机。

（3） 当入库流量小于2 100 m3/s时，水库开始充蓄，蓄水期间控制库水位上涨率不超过10 m/d。当库水位高于451 m，且发电水头满足机组安全运行要求时，电站开机运行;当库水位达到456 m时，若入库流量大于1 400 m3/s，水库可维持在456 m运行，否则库水位可逐步回蓄至正常蓄水位461 m。

4 死水位选择

卡洛特水电站仅具有日调节性能，从坝前泥沙淤积高程、电站取水及发电最低水位要求、日调节库容等方面，结合水库排沙运行，选择水库死水位。

根据水库泥沙淤积计算成果，采取排沙调度方案后，水库运行20 a后坝前泥沙淤积高程约430 m。由于电站进水口流道底板高程431.5 m，考虑洞径和发电所需最小淹没深度后，满足电站进水口安全运用的最低发电水位不应低于448.5 m。按泥沙冲淤平衡后的库容曲线分析，满足电站日调节库容要求，水库死水位应在458 m左右。

综上分析，选择水库死水位为458 m即可满足发电任务要求。结合水库排沙调度运行水位，考虑留有一定的余度，并尽量减少水库排沙运行期间对电站发电效益的影响及提高电站调度的灵活性，选择水库死水位为451 m。一般情况下，电站在库水位461～458 m之间进行日调节运行;排沙期间，库水位降至451 m时，电站仍能正常发电，当库水位低于451 m时，电站停机。

5 经验与启示

总结卡洛特水电站运行水位选择，对国外类似工程有如下经验和启示。

（1） 国外水电开发一般只针对单个电站。应从水能资源合理利用角度对梯级开发方案进行评估，对于明显不合理的方案进行优化调整。

（2） 对于泥沙含量较大或库沙比较小的水库，泥沙问题是否得到妥善解决是项目成败的关键。从工程规划，到设计、建设、运营、管理等全生命周期都应将泥沙作为重难点问题进行研究。

（3） 水库排沙调度运行方式有多种多样，应结合项目开发任务和水沙特性，选择适合的类型，有条件时还应采用数学模型与物理模型相结合的方式验证排沙效果。

6 结 语

本文借鉴中国多沙河流的水库规划设计和排沙调度研究成果，以巴基斯坦卡洛特水电站为例，结合工程特点及水沙特性，选择了水库运行水位，采用了汛期相机低水位排沙的运行方式，初步拟定了电站排沙调度运行方式，可用于指导电站设计及水库调度运行，也可为其他同类型电站的规划设计和调度运行提供参考。但是，由于排沙时机的选择与入库水量密切相关，造成每年排沙次数和排沙时间存在差异，尤其是停机排沙时间的不确定，对电站和电网影响均较大，可结合购电协议中对电站每年排沙次数和排沙时间的要求，以及电站建成后实际泥沙淤积情况，进一步完善排沙调度运行方式。

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[15] NB/T 35049-2015 水电工程泥沙设计规范[S].

（编辑：唐湘茜）

Analysis on operation water level of Karot Hydropower Station in Pakistan

CAI Shubing，AN Yougui，ZHANG Lisheng

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract： Karot Hydropower Station is the first large-scale hydropower construction project of the Belt and Road Initiative， and the project is of great significance with designed， constructed and operated by Chinese technical standards and Chinese enterprises. In order to ensure that the project scale is reasonable， economically feasible and long-term function playing effectively of power generation benefits， this paper summarizes research experience on selection of reservoir operational water level and sediment releasing operation by considering the reservoir characteristics of small regulation capacity and large sediment inflow， and puts forward a reasonable and feasible project planning scheme， which can provide a certain reference for the project scale demonstration of similar hydropower projects abroad.

Key words：reservoir operation water level; sediment releasing operation; hydropower project planning; Jhelum River; Karot Hydropower Station; Pakistan

（编辑：唐湘茜）

收稿日期：2021-08-10

基金项目：国家重点研发计划（2016YFC0402309）

作者简介：蔡淑兵，男，高级工程师，硕士，主要从事水利水电规划设计工作。E-mail：caishubing@cjwsjy.com.cn