“以庫代池”方案對柳洪水電站運行的影響

黃 波， 段志勇

(四川美姑河水電開發(fā)有限公司，四川成都 610072)

1 工程概述

柳洪水電站位于四川省涼山彝族自治州美姑縣柳洪鄉(xiāng)，是美姑河干流梯級規(guī)劃一庫五級開發(fā)方案中的第四級。柳洪水電站采用低閘引水式開發(fā)，總庫容65萬m3，設(shè)計水頭358 m，設(shè)計發(fā)電引用流量57 m3/s，裝機容量180 MW，保證出力34.7 MW，多年平均發(fā)電量8.45億 kW·h。

2 美姑河流域水文概況

美姑河為金沙江左岸的一級支流，地處大涼山腹地，發(fā)源于大涼山南麓(美姑縣)，于雷波縣上田壩鄉(xiāng)注入金沙江。美姑河干流全長170 km，落差2 983 m，集水面積3 183 km2。柳洪水電站閘址位于美姑河下游拉馬鄉(xiāng)瓦里村，集水面積2 215 km2。美姑河屬于典型的山區(qū)河流，河床強烈下切，自河源至河口由海拔3 855 m降為409 m。

美姑河流域?qū)俅ㄎ鞲咴瓪夂騾^(qū)，具有明顯的雨旱季節(jié)，每年的5～10月為雨季，12月至～翌年4月為旱季。根據(jù)美姑河拉馬水文站(位于柳洪水電站閘址上游約3 km處)的統(tǒng)計數(shù)據(jù):多年平均流量42.8 m3/s，徑流的年內(nèi)分配與降雨年內(nèi)分配基本相應(yīng)，豐水期(6～10月)多年平均流量為78.9 m3/s，占年徑流的 77.1%，枯水期(11 月～翌年5月)多年平均流量為16.9 m3/s，占年徑流的 22.9%。

美姑河流域洪水由降雨形成。流域內(nèi)群山環(huán)繞，相對高差大，地形地貌復(fù)雜，致使暴雨特征獨特:籠罩范圍小、歷時短(主雨時段集中在2～6 h以內(nèi))、強度大、多在夜間(主要在21∶00至次日02∶00之間)。由于流域內(nèi)山高坡陡、植被破壞，降水后產(chǎn)匯流作用快，加之其暴雨特性，美姑河流域洪水顯現(xiàn)出產(chǎn)流快、陡漲陡落的特征。往往一次暴雨過程在2～3 h內(nèi)完成，暴雨結(jié)束2～4 h后，柳洪水電站入庫流量便在半個小時內(nèi)從幾十m3/s漲至幾百m3/s。

美姑河流域內(nèi)由于砍伐嚴重、陡坡開荒，使林木植被覆蓋較差，土壤裸露，加之山高坡陡且多暴雨洪水，致使水土流失十分嚴重。每至雨季，地表徑流對大面積表土的沖蝕、河谷兩岸的塌方及泥石流便成為河流泥沙的主要來源。據(jù)統(tǒng)計，柳洪水電站閘址以上流域多年平均輸沙模數(shù)達1 150 t/km2，閘址處懸移質(zhì)多年平均年輸沙量為255萬t，多年平均含沙量為1.9 kg/m3，多年汛期平均含沙量為2.56 kg/m3;輸沙量與水流量對應(yīng)、沙峰與洪峰對應(yīng)，絕大部分集中在汛期(5～9月)，多年汛期平均輸沙量占全年輸沙量的97.7%。

3 以庫代池方案的具體特點

受地形限制，柳洪水電站在初步設(shè)計階段設(shè)計采用地下式沉沙池進行沉沙，為保證可靠性，將其設(shè)置為雙沉沙池;與沉沙池方案對應(yīng)的水庫運行方案為:多沙期(汛期，5～9月)，水庫水位在排沙水位高程1 293 m運行，以保證水庫不被泥沙淤積;少沙期(10月～翌年4月)，水庫在死水位至正常蓄水位高程1 305 m之間進行日調(diào)節(jié)運行。

由于地下沉沙池工程量大、投資大，設(shè)計結(jié)合柳洪水電站直河道型水庫的地形特征，參考國內(nèi)已有水電站用水庫進行沉沙的成功經(jīng)驗，遂在柳洪水電站施工階段取消了地下沉沙池，改由水庫沉沙，即“以庫代池”方案。與以庫代池方案對應(yīng)的水庫運行方案(經(jīng)模型試驗確定)為:

(1)在少沙期(10月～翌年4月)，抬高庫水位(蓄沙)運行，水庫在死水位高程1 296～正常蓄水位高程1 305 m之間進行日調(diào)節(jié)運行。

(2)在多沙期(汛期，5～9月)，當入庫流量小于250 m3/s且入庫含沙量小于7 kg/m3時，水庫水位維持在汛期沉沙水位高程1 299 m運行，使入庫懸移質(zhì)粗沙及推移質(zhì)泥沙在取水口以上庫區(qū)淤落;當入庫流量大于250 m3/s時，或者入庫含沙量大于7 kg/m3時，或者閘前泥沙淤積高程與取水口攔沙坎高程差小于0.5 m時，電站進行全停機敞泄(避峰、沖沙)運行，同時可以沖走水庫內(nèi)淤積的泥沙。

根據(jù)柳洪水電站的豐、中、枯水年入庫水沙資料統(tǒng)計計算，電站年均避峰約8 d;此外，汛初及汛末尚需分別敞泄沖沙1次(每次沖沙時間約6 h左右)，即:柳洪水電站以庫代池方案的年平均停機沖沙時間約為停3臺機204 h，損失汛期電量約3 700萬kW·h。

為滿足水庫實時調(diào)度要求，在原水情測報系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了泥沙測報系統(tǒng):自動實時測報入庫含沙量(拉馬水文站)、過機含沙量(尾水渠)、人工測報入庫含沙量(拉馬水文站)、出庫含沙量(閘前1#監(jiān)測斷面)及過機含沙量(取水口)。

4 以庫代池對電站運行的影響

在嚴格執(zhí)行水庫運行方案的情況下，以庫代池方案的沉沙效果是能夠滿足設(shè)計要求的。但是，根據(jù)筆者在實際的水庫調(diào)度和電站運行工作經(jīng)驗看，柳洪水電站以庫代池方案在水庫調(diào)度和電站發(fā)電運行方面存在一些問題或不足:

(1)全停機次數(shù)過多，運行操作量大。由于每年需要進行10次左右(主要集中在6～8月)的全停機敞泄，這使得汛期電站的運行操作量大增，每次全停機敞泄的操作過程需要1～2 h，全停機敞泄后的蓄水發(fā)電操作過程也需要1～2 h。大量的操作工作，加之這些操作由于美姑河洪水來勢非常陡急的緣故也往往非常緊急，從而給電站的安全生產(chǎn)帶來一定影響，操作越多，出錯的可能性也就越大。一般來講，水電站都在汛期前完成設(shè)備檢修維護工作，汛期盡量利用來水多發(fā)電，盡量減少設(shè)備操作。

(2)泥沙實時監(jiān)測困難。對于用水庫沉沙的以庫代池方案來講，實時入庫含沙量是水庫調(diào)度中最重要的信息之一。在柳洪水電站閘址上游約3 km處的拉馬水文站的含沙量既能代表柳洪水電站的入庫泥沙含量，也有一定的預(yù)報時間。但是原泥沙測報系統(tǒng)設(shè)計方案中的泥沙實時測量設(shè)備因現(xiàn)場環(huán)境不滿足設(shè)備工作條件而無法投入實時監(jiān)測;據(jù)向設(shè)計院了解，目前國內(nèi)外均無符合現(xiàn)場環(huán)境的泥沙實時測量設(shè)備。

(3)影響電網(wǎng)電量平衡和電站發(fā)電量。柳洪水電站裝機180 MW，占四川電網(wǎng)系統(tǒng)負荷的比重并不大，但是電網(wǎng)負荷在一天之中變化大，特別是峰谷比值越來越大。由于流域內(nèi)強降雨多發(fā)生在夜間，導(dǎo)致柳洪水電站在白天電網(wǎng)高峰負荷時段全停機概率較大，而此時電網(wǎng)也缺少發(fā)電能力。另一方面，四川電網(wǎng)內(nèi)遇大洪水需要全停機避峰的水電裝機容量高達數(shù)百萬千瓦，一旦發(fā)生大范圍的洪水，將極大的影響四川電網(wǎng)的電量平衡，特別是主暴雨期也是電網(wǎng)負荷高峰期的7、8月份。由于各水電站全停機避峰(洪峰或沙峰)是不可確定準確時間的緊急事件，電網(wǎng)方面在突然失去這些發(fā)電能力后，必須盡快安排其它發(fā)電機組頂替發(fā)電;當全停機避峰水電站避峰完畢、恢復(fù)發(fā)電能力時，電網(wǎng)方面就要安排一些機組停機，以便讓這些水電的機組發(fā)電，從而也加大了電網(wǎng)安排協(xié)調(diào)的難度。因為電網(wǎng)內(nèi)不是所有機組都可以隨時開停機增減負荷，特別是火電機組;再者，恢復(fù)發(fā)電時，由于電網(wǎng)安排負荷困難，避峰完畢的水電站一般不能馬上恢復(fù)滿發(fā)，加之蓄水發(fā)電操作消耗的時間等，電站全停機避峰損失的電量會比理論計算值大。

(4)汛期入庫含沙量大于7 kg/m3時全停機的條件設(shè)置過于簡單。在實際運行中，發(fā)生過入庫流量只有14 m3/s，但泥沙含量卻高達24 kg/m3的情況。此時，按照水庫運行方案，需要全停機;但是，由水力學(xué)知識可知，在這樣小的流量下水庫沉沙率遠高于設(shè)計要求。水庫沉沙能否滿足過機要求，實際上是由入庫流量和入庫含沙量兩個條件共同決定的，其臨界值為一條二維曲線。筆者認為:應(yīng)根據(jù)水力學(xué)理論計算和模型試驗結(jié)果在入庫流量和入庫含沙量的二維平面上繪制出水庫的各種運行區(qū)域，如日調(diào)節(jié)區(qū)、沉沙區(qū)、沖沙區(qū)等，指導(dǎo)水庫的調(diào)度和發(fā)電運行。

5 結(jié)語

柳洪水電站實施的以庫代池方案總體上來講其運行效果是良好的，但是，也加重了水庫調(diào)度、運行操作和電力營銷等方面的工作。柳洪水電站以庫代池方案實施時，偏重于理想化的理論情況，對實際運用情況考慮不足;而水電站的運行周期長達幾十年甚至上百年。水電站實施以庫代池方案時，應(yīng)充分考慮電站水情、泥沙監(jiān)測、水庫調(diào)度和生產(chǎn)運行各方面的情況。