黃河龍口水利樞紐對萬家寨水利樞紐反調(diào)節(jié)作用分析

王以圣 翁建平 田水娥 金 鵬

1 黃河萬家寨水利樞紐概況及電站運行對下游的影響

1.1 萬家寨水利樞紐概況

萬家寨水利樞紐位于黃河中游北干流的上段,左岸為山西省偏關(guān)縣,右岸為內(nèi)蒙古自治區(qū)準格爾旗。萬家寨水利樞紐的主要任務是供水結(jié)合發(fā)電調(diào)峰等綜合利用,同時兼有防洪、防凌作用。水庫正常蓄水位為977 m,最高蓄水位為980m,水庫總庫容8.96億m3,調(diào)節(jié)庫容4.45億m3。電站裝機容量為1080mW,安裝有6臺單機容量為180mW的水輪發(fā)電機組,設計年發(fā)電量27.5億kW?h。樞紐設計年供水量為14億m3,其中向內(nèi)蒙古自治區(qū)準格爾旗供水2億m3,向山西省供水12億m3。

1.2 電站運行對下游的影響

萬家寨水利樞紐主體工程于1994年11月開工,1998年10月下閘蓄水,1998年12月初第1臺機組正式并網(wǎng)發(fā)電,2000年12月全部6臺機組建成投產(chǎn)。萬家寨水電站在晉、蒙電網(wǎng)承擔調(diào)峰任務,根據(jù)晉、蒙電網(wǎng)電力電量平衡結(jié)果,萬家寨水電站日調(diào)峰發(fā)電時間為6～8 h,調(diào)峰運行時最大下泄流量為6臺機額定流量1806m3/s,而不發(fā)電時下泄流量為0,電站日下泄流量波動幅度很大。由于16～18 h/d不發(fā)電,致使萬家寨水利樞紐下游河道經(jīng)常斷流,這對下游河道灌溉引水產(chǎn)生不利的影響。為此,水利部黃河水利委員會水資源管理與調(diào)度局和黃河防汛總指揮部要求 “萬家寨水庫日平均泄流不小于100m3/s,瞬時最小流量不低于50m3/s”。但由于萬家寨水電站單機額定流量為301m3/s,機組設計最小發(fā)電流量約為120m3/s,受機組最小發(fā)電流量所限,萬家寨水電站調(diào)峰運行時難以滿足瞬時最小流量不低于50m3/s的要求。

2 黃河龍口水利樞紐概況

黃河龍口水利樞紐位于黃河北干流山西省河曲縣與內(nèi)蒙古自治區(qū)準格爾旗的交界處,上游25.6km是已建的萬家寨水利樞紐,下游75.5km處是已建的天橋水電站壩址。龍口水利樞紐的主要任務是對萬家寨水利樞紐調(diào)峰流量進行反調(diào)節(jié)、發(fā)電,兼有滯洪削峰等綜合利用。龍口水庫正常蓄水位為898m,汛限水位892m,死水位888m,水庫總庫容1.96億m3,調(diào)節(jié)庫容0.71億m3,龍口壩址多年平均流量為565m3/s。電站裝機容量為420mW,安裝有4臺單機容量為100mW、1臺單機容量為20MW水輪發(fā)電機組,電站多年平均發(fā)電量為13.02億kW?h。電站建成后接入山西和蒙西電網(wǎng),4臺大機組在電網(wǎng)中承擔調(diào)峰任務,1臺小機組在基荷發(fā)電運行,以滿足龍口電站瞬時下泄流量不小于50m3/s的要求。

龍口水利樞紐建成后,水庫回水末端在萬家寨水利樞紐壩址,龍口壩址—萬家寨壩址河段成為龍口水庫庫區(qū)。本次主要分析龍口水利樞紐建成后對龍口—天橋河段的反調(diào)節(jié)作用。

3 分析方法

4 邊界條件

4.1 上邊界條件

計算模型的上邊界條件為萬家寨水電站典型日下泄流量過程或龍口水電站典型日下泄流量過程。萬家寨和龍口水電站的設計保證率為P=90%。根據(jù)萬家寨和龍口水電站設計代表年(P=90%)1991年8月～1992年7月的出力過程,在晉蒙網(wǎng)2015年典型日負荷圖上進行電力電量平衡,計算得出萬家寨和龍口水電站的典型日下泄流量過程。

4.2 下邊界條件

計算模型要求下邊界條件為水位過程或水位—流量關(guān)系,本計算域的下邊界是天橋水庫,取天橋水庫的庫水位過程作為下游邊界條件。根據(jù)《黃河天橋水電站技術(shù)設計說明書》中的有關(guān)資料,天橋水庫壩前水位:7～9月為830m,10月上半月為832m,10月下半月～6月上半月為834m,6月下半月為832m。

4.3 初始條件

利用給定的起始上邊界條件進行模擬計算,當各斷面流量與起始流量相等時,此時對應的各斷面流量和水位即為初始條件。

4.4 斷面資料

從萬家寨壩下至天橋壩址之間,河段長度為101.1km,共有39個斷面,其中萬家寨壩下至龍口壩址河段長度25.6km,共有13個斷面,龍口壩址至天橋壩址共有26個斷面,河段長度75.5km。

4.5 河道糙率

河曲水文站位于龍口水利樞紐壩址下游約25.8km處,河道糙率根據(jù)2010年3月河曲水文站實測流量和本次模型計算流量過程進行率定,經(jīng)過綜合分析計算選定的河段主槽糙率為0.03,灘地糙率為0.05。

5 反調(diào)節(jié)作用分析

5.1 減少流量波動幅度、改善下游河道的水流條件

根據(jù)萬家寨水利樞紐和龍口水利樞紐冬季典型日下泄流量過程,進行一維非恒定流模擬計算,計算結(jié)果見圖1～3和表1。

圖1 龍口—天橋河道最大流量對比圖

圖2 龍口壩址冬季典型日流量對比圖

圖3 天橋入庫冬季典型日流量對比圖

表1 龍口—天橋河段冬季典型日流量比較表 m3/s

從圖和表中可以看出:

(1)由于龍口—天橋河道對電站日調(diào)峰非恒定流的坦化作用,河道自上而下,最大流量逐漸變小。以龍口建成前河道流量為例,龍口壩址最大流量為1687 m3/s,天橋入庫斷面最大流量為1155m3/s,流量減少532m3/s。

(2)龍口水利樞紐建成后與建成前相比,龍口壩址和天橋入庫冬季典型日最大流量減小,最小流量增加,水流波動幅度減小。以天橋入庫為例,龍口建成前最大流量為1155m3/s,龍口建成后最大流量為996m3/s,最大流量減小159m3/s;龍口建成前最小流量為200m3/s,龍口建成后最小流量為222m3/s,最小流量增加22m3/s;龍口建成前流量波動幅度為955m3/s,龍口建成后流量波動幅度為774m3/s,流量波動幅度減小181m3/s。

5.2 改善下游農(nóng)業(yè)灌溉泵站取水口的引水條件

龍口壩址至天橋壩址河道長75.5km,河道兩岸共有39座中小型揚水站,其中右岸內(nèi)蒙古準格爾旗有17座揚水站,揚水站取水口高程在850～860m之間,裝機容量約1.66萬kW,灌溉耕地300.67 hm2(0.451萬畝),每年從黃河取水量約為108萬m3;左岸山西省河曲縣有22座揚水站,揚水站取水口高程在840～858m之間,灌溉面積約為3333.33 hm2(5萬畝),每年從黃河最大取水量1515萬 m3。

由于龍口下游河道農(nóng)業(yè)灌溉用水在夏季,因此,選用夏季典型日河道最小流量進行分析,圖4為龍口—天橋河道夏季典型日最小流量對比圖,從圖4可以看出,無論是龍口建成前還是建成后,河道自上而下,最小流量值逐漸增大,但龍口建成后河道沿程流量明顯大于龍口建成前,龍口建成前河道流量較小,特別是龍口壩址—河曲水文站河段,河道幾乎斷流,其最小流量不到20m3/s,甚至有些河段小于10m3/s,而龍口建成后,由于龍口水電站建有1臺小機組,其瞬時下泄流量不小于60m3/s,使得龍口水利樞紐建成后河道流量明顯高于龍口建成前,其中龍口壩址—河曲水文站河段,河道流量增加尤為明顯,流量增加40m3/s以上,這對改善龍口下游河道兩岸灌區(qū)灌溉引水條件起著重要的作用。

5.3 可減小天橋水電站棄水,增加天橋水電站發(fā)電量

圖4 龍口—天橋河道最小流量對比圖

天橋水電站是黃河北干流上第一座徑流式電站,天橋水庫庫尾距龍口水利樞紐壩址約52km,天橋水庫正常蓄水位為834m,死水位828m,水電站裝機容量為128mW,額定流量為884m3/s。天橋水電站原設計是一座日調(diào)節(jié)的徑流式電站,在山西電網(wǎng)中承擔調(diào)峰任務(棄水調(diào)峰)。由于水庫泥沙淤積嚴重,目前水庫的有效庫容僅為2000萬m3左右,電站在系統(tǒng)中基荷運行。

從圖3和表1可以看出,龍口水利樞紐建成后,天橋水庫入庫流量更加均勻,冬季典型日最大流量減少159m3/s,最小流量增加22m3/s。龍口建成前,天橋水電站冬季典型日發(fā)電量為188萬kW?h,而龍口建成后,由于天橋棄水量減少,并且電站可以保持高水位運行,天橋水電站日發(fā)電量略有增加,為193萬kW?h,日發(fā)電量增加了5萬kW?h。

6 結(jié) 語

龍口水利樞紐建成后,萬家寨—龍口河段河道變成龍口水庫庫區(qū),該段河道兩岸灌區(qū)取水條件得到改善;由于龍口水利樞紐的反調(diào)節(jié)作用,龍口—天橋河段河道流量波動幅度減小,下游河道的水流條件得到改善,同時由于龍口水電站瞬時下泄流量不小于60m3/s,該段河道最小流量有較大幅度增加,河道兩岸農(nóng)業(yè)灌溉泵站取水條件得到明顯改善,天橋水電站棄水減少,發(fā)電量增加。