蒲石河抽水蓄能電站水沙調(diào)度方式初探

張永勝，韓宏韜，麻長信，張 軍，胡 鑫

（1.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021；2.遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118216）

1 蒲石河流域洪水、泥沙的主要特性

蒲石河為鴨綠江下游右岸的一級支流，全長121.8 km，流域面積1 212 km2。蒲石河洪水一般發(fā)生在6月～9月，多由暴雨形成，且以7月、8月出現(xiàn)的次數(shù)最多，量級最大。蒲石河河道比降和坡面平均坡度均較大，加之地處遼東暴雨中心，致使其洪水過程具有陡漲陡落，峰高量大，一次洪水過程主要集中在1～2 d內(nèi)，從起漲到峰頂約6～12 h，洪峰持續(xù)時間很短的特點(diǎn)。蒲石河流域泥沙主要源于暴雨對地表的侵蝕，蒲石河下游砬子溝水文站多年平均懸移質(zhì)沙量為43.9萬t，多年平均含沙量為0.587 kg/m3。流域輸沙過程與洪水過程相應(yīng)，但沙量較洪量更為集中，輸沙量主要集中在幾場大洪水過程中的幾天內(nèi)。例如，1979年最大一日輸沙量約占年輸沙量的70.3%，最大兩日輸沙量約占年輸沙量的97.3%。

2 設(shè)計(jì)采取的主要工程措施

蒲石河抽水蓄能電站下水庫壩址位于蒲石河下游王家街村附近，壩址以上集水面積為1 141 km2。下水庫正常蓄水位66.00 m，總庫容2 871萬m3，死水位62.00 m，死庫容1 616萬m3，有效庫容為1 255 萬 m3。

蒲石河抽水蓄能電站下水庫庫沙比為68，庫容系數(shù)僅為0.018，調(diào)節(jié)庫容較小，如果僅采用維持正常蓄水位不變的調(diào)洪方式，50年后有效庫容將因泥沙淤積損失28%以上。為減小有效庫容淤損和下水庫進(jìn)、出水口泥沙淤積，充分發(fā)揮電站效益，工程設(shè)計(jì)采取了在壩址處主河槽布置泄流能力大、堰頂高程較低的泄洪排沙閘方案。泄洪排沙閘段全長136 m，堰頂高程48.00 m，共設(shè)置7孔泄洪排沙閘，校核洪水位時最大泄量為12 400 m3/s，與校核洪水標(biāo)準(zhǔn)入庫洪峰流量12 400 m3/s（p=0.1%）一致。擬通過泄洪排沙閘的靈活調(diào)度運(yùn)行，在大洪水時降低水庫運(yùn)行水位，使進(jìn)、出水口上游河段接近河道的天然水流狀態(tài)，達(dá)到大洪水時的大量來沙隨洪水下泄，增加水庫排沙比，減小庫內(nèi)泥沙淤積的目的。

3 啟用水沙調(diào)度進(jìn)行調(diào)水調(diào)沙的條件

（1）流域輸沙過程與洪水過程相應(yīng)，短時段含沙量較大，水沙極為集中。根據(jù)壩址下游約6 km的砬子溝水文站實(shí)測水沙資料統(tǒng)計(jì)，砬子溝站含沙量G過程與流量Q過程形狀基本一致，沙峰出現(xiàn)時間與洪峰出現(xiàn)時間對應(yīng)關(guān)系好，典型水沙過程線見圖1。流域水沙集中，輸沙量主要集中在幾場大洪水過程中的幾天內(nèi)，其余絕大部分時間水流含沙量很小。砬子溝站1958年～1993年共36年資料統(tǒng)計(jì)顯示，汛期6月～9月輸沙量占全年輸沙量的97.4%，其中共有59天出現(xiàn)瞬時洪峰流量大于1 000 m3/s，這59天的輸沙量占36年總輸沙量的76.4%。流域的水沙特性為電站開展水沙調(diào)度奠定了基礎(chǔ)。即，通過洪水調(diào)節(jié)，達(dá)到調(diào)節(jié)泥沙的目的。

圖1 砬子溝站典型水沙過程線

（2）水庫不承擔(dān)防洪任務(wù)，泄洪建筑物泄流能力大。根據(jù)設(shè)計(jì)采取的主要工程措施，蒲石河抽水蓄能電站以水庫死水位62.00 m起調(diào)，設(shè)計(jì)洪水、校核洪水的調(diào)洪最高庫水位均不超過正常蓄水位，因此洪水對工程本身的威脅并不大。如果采用汛期大洪水來臨時降低庫水位運(yùn)用，假使遇到設(shè)計(jì)或校核標(biāo)準(zhǔn)洪水，其泄流能力滿足大壩自身安全運(yùn)行的要求，從而為水庫靈活的排沙調(diào)度運(yùn)行方式創(chuàng)造了條件。

（3）電站已建有完善的水情自動測報(bào)系統(tǒng)，可及時、準(zhǔn)確掌握入庫洪水。蒲石河抽水蓄能電站下水庫壩址以上流域已建有完善的水情自動測報(bào)系統(tǒng)，洪水預(yù)報(bào)方案由降雨徑流預(yù)報(bào)和新安江模型預(yù)報(bào)組成，又對預(yù)見期3、6 h和12 h 3種預(yù)報(bào)方案進(jìn)行了論證，最終6 h預(yù)見期的降雨徑流預(yù)報(bào)方案預(yù)報(bào)效果最好，其預(yù)報(bào)精度和預(yù)見期均能夠滿足預(yù)報(bào)調(diào)度的需要，為制定可操作性強(qiáng)的水沙調(diào)度方案提供了可能。

4 調(diào)度方案及實(shí)施效果分析

4.1 調(diào)度方案擬定

綜合電站調(diào)水調(diào)沙條件分析成果，下水庫宜采用非汛期抬高運(yùn)行水位、汛期降低運(yùn)行水位的 “蓄清排渾”運(yùn)行方式。據(jù)此，按分級入庫流量控制，擬定了4個運(yùn)行方案 （見表1）。

表1 下水庫擬定的水沙調(diào)度運(yùn)行方案

4.2 實(shí)施效果分析

采用考慮抽水蓄能電站抽放水運(yùn)行的一維不平衡輸沙數(shù)學(xué)模型，以蒲石河1958年～1993年共36年水沙系列為基礎(chǔ)進(jìn)行各方案水庫泥沙沖淤計(jì)算，從下水庫泥沙淤積量、過機(jī)沙量和粒徑、上水庫泥沙淤積量等3個方面分析蒲石河抽水蓄能電站下水庫水沙調(diào)度方案的實(shí)施效果。

（1）下水庫泥沙淤積量。不同方案泥沙淤積計(jì)算成果表明，運(yùn)行水位高，泥沙淤積量大，運(yùn)行水位低，泥沙淤積量小。由于各方案運(yùn)行水位相差較小，下水庫泥沙總淤積量相差相對不大，但有效庫容內(nèi)的泥沙淤積量相差較大。維持正常蓄水位不變的方案Ⅰ有效庫容內(nèi)泥沙淤積量最大，運(yùn)行50年有效庫容內(nèi)淤積量為358萬m3，占有效庫容的28.5%。采用汛期大洪水來臨時降低庫水位的方案Ⅲ、方案Ⅳ運(yùn)行方式，排沙比增大，庫內(nèi)淤積明顯減少，特別是有效庫容內(nèi)淤積量大幅度減少，方案Ⅲ運(yùn)行50年有效庫容內(nèi)淤積量為66.3萬m3，方案Ⅳ運(yùn)行50年有效庫容內(nèi)淤積量為33.3萬m3，較方案Ⅰ減小324.7萬m3，僅占有效庫容的2.65% （見表2）。

表2 蒲石河下水庫泥沙淤積量成果

（2）過機(jī)沙量和粒徑。下水庫低水位運(yùn)行方案與高水位運(yùn)行方案相比，過機(jī)沙量有所增加，顆粒組成略有變粗，但不同方案對過機(jī)沙量和粒徑的影響不明顯，且總的過機(jī)沙量不大。以方案Ⅳ為例：運(yùn)行50年過機(jī)總沙量為70.1萬t，多年平均過機(jī)含沙量僅為0.005 7 kg/m3；最大過機(jī)含沙量為16.8 kg/m3，小于天然實(shí)測最大含沙量19.0 kg/m3，且高含沙出現(xiàn)的歷時極短，50年內(nèi)過機(jī)含沙量大于15 kg/m3總歷時僅為2 h，大于5.0 kg/m3的總歷時為22 h，大于1.0 kg/m3的總歷時為140 h，平均每年僅為2.8 h；運(yùn)行50年過機(jī)泥沙中值粒徑為0.061 mm，與天然狀態(tài)的顆粒組成 （中值粒徑為0.061 mm）相近。蒲石河抽水蓄能電站下水庫不同運(yùn)行方案過機(jī)沙量和粒徑計(jì)算成果見表3。

表3 過機(jī)沙量和粒徑計(jì)算成果

（3）上水庫泥沙淤積量。蒲石河抽水蓄能電站下水庫各運(yùn)行方案上水庫的淤積量均很小，運(yùn)行50年上水庫總淤積量在13萬～24萬t之間，方案Ⅳ上水庫淤積量為20萬t，僅占上水庫調(diào)節(jié)庫容的2%，多年平均淤積量僅為0.4萬t，對上水庫有效庫容無明顯影響 （見表4）。

表4 上水庫泥沙淤積量成果

（4）實(shí)施效果分析。由不同水沙調(diào)度方案的水庫泥沙沖淤計(jì)算成果可知，采用汛期大洪水來臨時降低庫水位至死水位的運(yùn)行方式，排沙比明顯增大，庫內(nèi)淤積明顯減少，特別是有效庫容淤損大幅度減少，僅為33.3萬～66.3萬m3；而且降低水位運(yùn)行對過機(jī)沙量和粒徑影響不明顯，可滿足水泵水輪機(jī)組運(yùn)行要求。由此可見，如果水庫采用合理的水沙調(diào)度運(yùn)用方式，在汛期適時地降低水位運(yùn)用，對減少水庫有效庫容的淤積是有效的。

5 風(fēng)險分析

由前述分析可知，采用合理的水沙調(diào)度運(yùn)行方式可使下水庫庫內(nèi)淤積明顯減少，特別是有效庫容淤損大幅度減少。但啟用水沙調(diào)度進(jìn)行調(diào)水調(diào)沙，亦存在一定的風(fēng)險：

（1）本流域水沙非常集中，高含沙水流主要集中在汛期大洪水期間的數(shù)小時內(nèi)，充分利用該特點(diǎn)合理進(jìn)行水沙調(diào)度可以達(dá)到較理想的減淤效果。但如果在大洪水來臨時泄洪排沙閘開啟不及時，將導(dǎo)致水庫水位無法及時降低，使高含沙水流挾帶的泥沙大量淤積在有效庫容內(nèi)，水庫淤積損失嚴(yán)重。特別是在水庫運(yùn)用初期，該種風(fēng)險更大。

（2）采用汛期大洪水來臨時降低庫水位排沙運(yùn)行，需要在洪水過后退水階段盡快回蓄水量，以滿足發(fā)電用水要求。本流域洪水過程漲落急劇，洪水歷時較短。如果在退水階段選擇的回蓄時機(jī)不恰當(dāng)，則存在不能保證電站正常用水而影響電站經(jīng)濟(jì)效益發(fā)揮的風(fēng)險。

6 結(jié)語

本文所作分析表明，蒲石河抽水蓄能電站采用汛期大洪水來臨時降低庫水位至死水位的運(yùn)行方式，排沙比明顯增大，庫內(nèi)淤積明顯減少，特別是有效庫容淤積損失大幅度減少。如果水庫采用合理的水沙調(diào)度運(yùn)用方式，對減少水庫有效庫容淤積是有效的；但啟用水沙調(diào)度進(jìn)行調(diào)水調(diào)沙，亦存在一定潛在風(fēng)險，建議下一步根據(jù)流域的水沙特性和水庫運(yùn)行特點(diǎn)開展水沙調(diào)度專題研究，制定完整、具體且可操作性強(qiáng)的水沙調(diào)度方案，用于指導(dǎo)水庫的實(shí)際調(diào)度。