鏡泊湖水庫(kù)綜合利用要求及調(diào)度研究

周 全，呂婷婷，李曉軍

（1.吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林長(zhǎng)春130012；2.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春130021）

1 工程概況

鏡泊湖水庫(kù)位于黑龍江省牡丹江市寧安縣境內(nèi)的松花江支流牡丹江中上游河段上，壩址距牡丹江市約110 km，距寧安縣城約50 km，交通便利。工程任務(wù)是以發(fā)電為主，兼顧下游灌溉、城市用水等綜合利用的大型水利樞紐工程。在黑龍江省電網(wǎng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)相、事故備用任務(wù)。水庫(kù)控制流域面積11820 km2，占牡丹江流域的31.0%，多年平均徑流量31.38×108m3，多年平均入庫(kù)流量100 m3/s。水庫(kù)正常蓄水位353.50 m，死水位341.0 m，100年一遇設(shè)計(jì)洪水位為354.65 m，1000年一遇校核洪水位為355.00 m，水庫(kù)總庫(kù)容為18.24×108m3。電站總裝機(jī)容量96 MW，原設(shè)計(jì)多年平均發(fā)電量3.2億kW·h。

針對(duì)鏡泊湖水庫(kù)的綜合利用要求，分析研究了鏡泊湖水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行方式，以確保能有效的發(fā)揮供水和發(fā)電效益，為恢復(fù)瀑布生態(tài)旅游景觀提供保障。隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，鏡泊湖水庫(kù)的重要性在不斷提升。

2 綜合利用要求

1）發(fā)電。黑龍江省電網(wǎng)是以火電為主的電網(wǎng)，與東北主網(wǎng)之間有2條500 kV和4條220 kV線路相連，目前已形成500 kV和220 kV電壓等級(jí)的主干電網(wǎng)。到2003年底，全省總裝機(jī)容量為11739.9 MW，其中火電裝機(jī)容量10868.5 MW，占系統(tǒng)總裝機(jī)容量的92.6%；水電為871.4 MW，僅占系統(tǒng)總裝機(jī)容量的7.4%。全省總發(fā)電量為493.8×108kW·h，其中火電發(fā)電量475.4×108kW·h，占全省總發(fā)電量的96.3%；水電發(fā)電量為18.43×108kW·h，只占全網(wǎng)總發(fā)電量的3.9%，是東北電網(wǎng)水電比重最低的省份之一。目前，黑龍江省電網(wǎng)峰谷差已達(dá)到3120 MW，由于水火電比例嚴(yán)重失調(diào)，調(diào)峰容量不足的矛盾更加突出。

鏡泊湖水電站是黑龍江省電網(wǎng)主要調(diào)峰電源，在黑龍江電網(wǎng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)相、事故備用任務(wù)，研究鏡泊湖水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行方式，能有效保證電站安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)緩解黑龍江省電網(wǎng)調(diào)峰能力不足的矛盾起到較大作用。

2）灌溉及城市用水。灌溉用水包括庫(kù)上引水及下游引水兩部分。鏡泊湖下游從牡丹江取水的農(nóng)田總灌溉面積已達(dá)到0.947萬(wàn)hm2，其中水田0.74萬(wàn)hm2，旱田0.187萬(wàn)hm2。城市用水主要是牡丹江市的用水，下游用戶均為無(wú)壩引水，考慮灌溉取水口水位要求，灌溉期水庫(kù)的控制放流量最大為70 m3/s。水庫(kù)上、下游各月灌溉及城市用水過(guò)程見(jiàn)下表1和表2。

表1 鏡泊湖水庫(kù)上游灌溉用水過(guò)程

表2 鏡泊湖水庫(kù)下游灌溉、城市及工業(yè)用水過(guò)程

3）瀑布景觀需水。吊水樓瀑布位于大壩下游1.5 km處，江水在火山口造成20 m的落差形成瀑布。豐水年份大壩全面溢流時(shí)，瀑布三面環(huán)水，最寬可達(dá)120 m，具有極高的觀賞價(jià)值，是實(shí)現(xiàn)鏡泊湖旅游收益的主要景觀。

近幾年由于水庫(kù)長(zhǎng)時(shí)間低水位運(yùn)行，不能形成有效壩基滲流，造成大壩至電站尾水區(qū)間近7 km江道水流減小，破壞了自然景觀。根據(jù)觀測(cè)資料分析，當(dāng)壩上溢流量達(dá)到30 m3/s時(shí)，瀑布景觀寬度可達(dá)到60 m，基本可以形成一定規(guī)模的瀑布，因此，從水資源有效利用及盡量恢復(fù)瀑布景觀兩方面綜合考慮，將瀑布景觀的最大需水量控制在30 m3/s。考慮鏡泊湖旅游季節(jié)及日客流分布規(guī)律，結(jié)合下游生態(tài)環(huán)境用水要求，采用瀑布分季節(jié)、分時(shí)段控制引水。瀑布放流過(guò)程見(jiàn)表3。

表3 鏡泊湖瀑布暢流期各月逐旬需水情況

3 興利特征水位

1）正常蓄水位、死水位。該次鏡泊湖水庫(kù)調(diào)度研究正常蓄水位仍采用353.5 m、死水位341.0 m。

2）年控制運(yùn)用水位。在1977年調(diào)度設(shè)計(jì)中，水庫(kù)年消落水位在343～345 m之間，考慮徑流系列發(fā)生變化，已延長(zhǎng)到2002年，電廠對(duì)年控制運(yùn)用水位重新進(jìn)行研究，根據(jù)水庫(kù)現(xiàn)行調(diào)度運(yùn)用原則，經(jīng)動(dòng)能指標(biāo)分析比較，確定年控制運(yùn)用水位為347 m。

4 興利調(diào)節(jié)計(jì)算

4.1 基本資料

1）入庫(kù)徑流采用1952—2002年共計(jì)51年逐旬系列水文資料。

2）鏡泊湖水庫(kù)上游灌溉用水采用近10年平均值，見(jiàn)表1。

3）鏡泊湖水庫(kù)下游灌溉、城市用水采用近10年平均值，見(jiàn)表2。

4）鏡泊湖瀑布各月逐旬用水過(guò)程線，見(jiàn)表3。

5）水庫(kù)滲漏損失。a)現(xiàn)狀滲漏損失：鏡泊湖水庫(kù)堤壩位于火山噴發(fā)形成的玄武巖地區(qū)，滲漏較大。根據(jù)多年實(shí)際運(yùn)行觀測(cè)結(jié)果，水庫(kù)正常蓄水位353.5 m時(shí)，水庫(kù)滲漏流量為11.95 m3/s；年控制運(yùn)行水位347.0 m時(shí)，水庫(kù)滲漏流量為3.51 m3/s；多年平均運(yùn)行水位350.91 m時(shí)，水庫(kù)滲漏流量為8.62 m3/s。b)除險(xiǎn)加固后水庫(kù)滲漏損失：水庫(kù)正常蓄水位353.5 m時(shí)滲漏流量為4.77 m3/s；年控制運(yùn)行水位347.0 m時(shí)，水庫(kù)滲漏流量為1.16 m3/s；多年平均運(yùn)行水位351.12 m時(shí)，水庫(kù)滲漏流量為3.46 m3/s。

4.2 調(diào)節(jié)計(jì)算成果

根據(jù)推薦的調(diào)度方案及徑流系列進(jìn)行電站動(dòng)能效益計(jì)算。計(jì)算成果見(jiàn)表4。計(jì)算結(jié)果表明，通過(guò)電站發(fā)電出流及結(jié)合瀑布引水，能夠滿足下游灌溉及城市用水要求。在原調(diào)度圖情況下發(fā)電量為2.708×108kW·h，本次推薦調(diào)度圖情況下多年平均發(fā)電量2.744×108kW·h，增加發(fā)電量360×104kW·h。由于瀑布用水無(wú)法和發(fā)電相結(jié)合，需要設(shè)立單獨(dú)設(shè)施解決，即通過(guò)新建引水閘進(jìn)行放水。瀑布引水閘設(shè)計(jì)時(shí)，考慮較枯來(lái)水情況能夠保證向下游瀑布供水，取保證率P=75%相應(yīng)的5月份水位348.21 m做為進(jìn)水閘孔口尺寸的設(shè)計(jì)依據(jù)。進(jìn)水閘最大引水流量按30 m3/s考慮。通過(guò)引水閘控制能夠滿足瀑布用水需要。

表4 徑流調(diào)節(jié)計(jì)算成果

5 水庫(kù)運(yùn)行方式

5.1 水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行原則

1）電站在枯水期時(shí)，根據(jù)調(diào)度圖確定的保證出力運(yùn)行范圍進(jìn)行運(yùn)行，即水位在時(shí)段初位于保證出力區(qū)時(shí)，按保證出力22 MW運(yùn)行；水位位于破壞保證出力區(qū)時(shí)，按0.7倍保證出力運(yùn)行；水位位于加大保證出力區(qū)時(shí)，按相應(yīng)倍比或滿機(jī)運(yùn)行。

2）灌溉期5—8月，水庫(kù)首先滿足下游用水要求，即通過(guò)瀑布引水、發(fā)電放流及滲漏，來(lái)滿足下游灌溉、城市及工業(yè)用水，多余來(lái)水量蓄庫(kù)或加大電站出力運(yùn)行。

3）旅游期5—10月中旬，瀑布用水按規(guī)定進(jìn)行引水，放水規(guī)則見(jiàn)表3。

5.2 水庫(kù)多年運(yùn)行特性

1）發(fā)電量特性及裝機(jī)利用情況。鏡泊湖電站多年平均發(fā)電量為2.744×108kW·h，多年平均利用小時(shí)數(shù)為2858 h。在51年系列中年發(fā)電量以1986年為最大，即4.024×108kW·h，年利用小時(shí)數(shù)為4192 h；在51年系列中年發(fā)電量以1978年為最小，即0.509×108kW·h，年利用小時(shí)數(shù)為530 h。

2）棄水量及水量利用系數(shù)。鏡泊湖水電站在51年運(yùn)行中，有147個(gè)旬產(chǎn)生棄水，年平均棄水量為5.81億m3，多年平均水量利用系數(shù)為81.6%。

5.3 瀑布改造期3—6月份水庫(kù)水位調(diào)度分析

根據(jù)工程導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)要求，水庫(kù)水位按10%頻率來(lái)水考慮計(jì)算水庫(kù)水位。

牡丹江流域6—9月份為主汛期，因此6月份水位應(yīng)按主汛期洪水標(biāo)準(zhǔn)考慮，相應(yīng)10%頻率洪水位為354.21 m，下泄流量為2143 m3/s；施工組織設(shè)計(jì)中，為便于干地施工，要求5月份水位控制在347 m以下，因此考慮10%分期施工洪水情況，推算出水庫(kù)各時(shí)段控制水位及電站機(jī)組相應(yīng)出流情況：3月初水位控制在348.3 m，3月1—31日電站機(jī)組全天按160 m3/s發(fā)電；4月初水位控制在344.4 m，4月1—30日電站機(jī)組全天按160 m3/s發(fā)電；5月初水位控制在342.7 m，5月1—10日電站機(jī)組全天按160 m3/s發(fā)電；5月11—31日水位控制在347 m，電站機(jī)組全天按200 m3/s發(fā)電。

鏡泊湖水庫(kù)實(shí)際年運(yùn)行水位統(tǒng)計(jì)：在1951—2001年系列中，按10%頻率計(jì)，3月初庫(kù)水位為348.3 m，4月初庫(kù)水位為344.4 m，5月初庫(kù)水位為342.7 m，5月末庫(kù)水位為347 m，均低于推算要求的349.4 m，能夠滿足瀑布改造期施工組織對(duì)水庫(kù)水位的要求。