幸福水庫優(yōu)化調(diào)度運用

許月光，吳明官

(1.雞西市水務局，黑龍江雞西158100;2.黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱150080)

2011年11月由黑龍江農(nóng)墾勘測設(shè)計研究院編制的《黑龍江省綏化市北林區(qū)幸福水庫除險加固工程初步設(shè)計報告》，于2012年1月10日受黑龍江省水利廳委托，進行審查中發(fā)現(xiàn)該水庫是一座引水式渠道型水庫，因此，不能采用常規(guī)的方法進行設(shè)計和調(diào)度運用。故特提出了幸福水庫優(yōu)化調(diào)度運用方案。

1 工程概況

幸福水庫位于綏化市北林區(qū)雙河鎮(zhèn)西南村，距綏化市區(qū)35 km，呼蘭河中游右岸。該水庫利用幸福灌區(qū)引水渠修建而成，即由幸福渠首進水閘到灌溉節(jié)制閘之間6.75 km土堤圍成的引水式渠道型水庫。雙河灌區(qū)的30 km2區(qū)域內(nèi)排水泄入該水庫。

2 水文

幸福水庫壩址以上匯水面積30 km2，多年平均年徑流量240.3萬m3，多年平均年徑流深80.1 mm;灌溉保證率P= 75%相應的年徑流量72.1萬m3，變差系數(shù)0.98。

呼蘭河干流上的秦家水文站以上流域面積9 809 km2，幸福渠首位于秦家水文站上游約20 km左右處，秦家水文站～幸福渠首區(qū)間內(nèi)無較大的支流匯入，故幸福渠首以上流域面積接近于9 809 km2。多年平均年徑流量18.0億m3，多年平均年徑流深183.7 mm;灌溉保證率P=75%相應的年徑流量10.3億m3，變差系數(shù)0.58。

幸福水庫洪峰流量Cp=3.87，Cvm=2.42，Cs/Cv=2.25;最大1 d洪量B1=94.2，Cv1=2.34，Cs/Cv=2.25;最大3 d洪量B3=193.4，Cv3=1.83，Cs/Cv=2.25。設(shè)計洪水(P=5%)洪峰流量37.8 m3/s，最大1 d洪量181萬m3，最大3 d洪量348萬m3;校核洪水(P=1%)洪峰流量90.5 m3/s，最大1 d洪量423萬m3，最大3 d洪量702萬m3。

3 工程任務

幸福水庫是一座以灌溉為主，兼顧水力發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游等綜合利用的引水式、渠道型、平原性中型水庫。

該水庫原設(shè)計水田灌溉面積4 000 hm2，現(xiàn)狀實際水田灌溉面積4 600 hm2，消險加固工程竣工后設(shè)計水田灌溉面積4 600 hm2。原設(shè)計年發(fā)電量450萬kW·h，現(xiàn)狀實際年發(fā)電量300萬kW.h，除險后年發(fā)電量317萬kW·h。養(yǎng)魚水面0.031萬hm2，產(chǎn)魚量2.5萬kg/a。

4 設(shè)計標準及灌溉保證率

該水庫原設(shè)計洪水標準為20 a一遇，校核洪水標準為200 a一遇。按《防洪標準》(GB 50201－94)衡量，本水庫樞紐工程為Ⅲ等，規(guī)模為中型，而且壩高＜15 m，上下游水頭差＜10 m，因此，可按《防洪標準》中平原區(qū)確定設(shè)計洪水標準為20 a一遇，校核洪水標準為100 a一遇。

該水庫水田灌溉保證率取P=75%。

5 工程規(guī)模

幸福水庫原設(shè)計死水位156.5 m，相應死庫容184萬m3;現(xiàn)狀和本次設(shè)計死水位仍為156.5 m，相應死庫容174萬m3，比原設(shè)計少10萬m3(主要是泥沙淤積造成)。原設(shè)計正常蓄水位159.20 m，相應庫容942萬m3;現(xiàn)狀和本次設(shè)計正常蓄水位仍為509 m，相應庫容912萬m3，比原設(shè)計少30萬m3。水庫調(diào)節(jié)庫容原設(shè)計為758萬m3，現(xiàn)狀和本次設(shè)計水庫調(diào)節(jié)庫容738萬m3，比原設(shè)計少20萬m3。原設(shè)計、現(xiàn)狀、本次設(shè)計汛限水位均采用正常蓄水位159.20 m，原設(shè)計、現(xiàn)狀、本次設(shè)計均采用正常蓄水位159.20 m作為設(shè)計洪水位，原校核(P=0.5%)總庫容為1 235萬m3，校核洪水位約160.30 m，本次復核后校核(P=1%)總庫容為1038萬m3，校核洪水位約159.65 m。

該水庫原設(shè)計水田灌溉面積0.40萬hm2，現(xiàn)狀和本次設(shè)計水田灌溉面積0.46萬hm2，選擇的凈灌溉定額5 860.5 m3/hm2，灌溉水利用系數(shù)0.60，毛灌溉定額9 768 m3/hm2，灌溉保證率P=75%需水量為4 493.3萬m3。

該發(fā)電站于 1972年開始并網(wǎng)發(fā)電，設(shè)計裝機容量800 kW，現(xiàn)已運行近40 a，安裝4臺單機容量200 kW水輪發(fā)電機組，單機額定流量7 m3/s，發(fā)電流量為28 m3/s，現(xiàn)狀年發(fā)電量300萬kW·h，多年平均年發(fā)電量340萬kW·h，保證率P=75%來水年發(fā)電量317萬kW·h。

6 主要建筑物

6.1 土壩工程

該水庫土壩為均質(zhì)壩，壩頂長度6.75 km，最大壩高5.86 m，平均壩高4.5 m，平均壩頂寬度4 m，現(xiàn)狀壩頂高程160.16～162.55 m。

土壩共分上、下兩段，上段(2.75 km)為呼蘭河干流防洪堤段，無護坡，壩體沖刷破壞嚴重;下段(4 km)為水庫土壩段，有護坡，高程157.0～158.5 m為塊石護坡，高程158.5～159.4 m為混凝土塊護坡。

6.2 灌溉閘

該閘位于大壩樁號6+750處，閘底高程為156.5 m，共3孔，每孔凈寬2.3 m，設(shè)計過閘流量16 m3/s。

6.3 發(fā)電閘

現(xiàn)狀發(fā)電閘兼作泄洪閘，位于大壩樁號6+700處，共4孔，每孔凈寬3.6 m，總凈寬14.4 m，堰頂高程159.20 m。總裝機容量800 kW，安裝4臺單機容量200 kW水輪發(fā)電機組，單機額定流量7 m3/s，發(fā)電流量為28 m3/s，現(xiàn)狀年發(fā)電量300萬kW·h，多年平均年發(fā)電量340萬kW·h。

發(fā)電閘進口高程155.97 m，正常蓄水位159.20 m，發(fā)電水頭為159.20－155.97 m=3.23 m，按總裝機容量800 kW估算，該水電站的出力系數(shù)為7.5左右。

6.4 溢洪道

該溢洪道位于大壩樁號6+700處，現(xiàn)水電站的上部，堰頂高程159.20 m，堰頂凈寬15 m，該泄洪建筑物為有閘開敞式溢洪道，下游無控泄要求。

6.5 幸福渠首

幸福渠首進水閘已列入《幸福灌區(qū)渠首樞紐除險加固工程初步設(shè)計》中，故本次消險加固中不進行評價及設(shè)計。渠首進水閘正常引水流量為33 m3/s，加大引水流量約40 m3/s左右。

7 水庫優(yōu)化調(diào)度

幸福水庫是一座以農(nóng)田灌溉為主，兼顧水力發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游等綜合利用的引水式、渠道型、平原性中型水庫，故在確保農(nóng)田灌溉和水庫本身防洪安全的前提下，盡量多發(fā)電。單純從水庫本身防洪安全角度考慮，庫水位應該越低越安全，而從水力發(fā)電增加效益方面考慮，庫水位應該越高越好。因此，該水庫具體調(diào)度運用中興利(灌溉、發(fā)電)和水庫本身防洪是需要協(xié)調(diào)的一對矛盾，應該尋求較優(yōu)的調(diào)度運用方式來解決這一矛盾，具體的調(diào)度運用方式如下:

7.1 興利調(diào)度

7.1.1 灌溉期發(fā)電

每年進入灌溉期(4月中旬—8月下旬)后，當呼蘭河干流來水流量Qt≤10 m3/s(P=75%情況下灌溉臨界期最大灌溉流量)時，幸福渠首進水閘全部開啟，并開啟灌溉閘后按正常灌溉供水流量放水，但必須停止發(fā)電;當呼蘭河干流來水流量10 m3/s＜Qt≤38 m3/s(4臺發(fā)電機組滿負荷發(fā)電流量28 m3/s+灌溉臨界期最大灌溉流量10 m3/s)時，幸福渠首進水閘全部開啟，并開啟灌溉閘后按正常灌溉供水流量放水，同時先開啟一臺機組發(fā)電，若庫水位逐漸上升，則再開啟一臺機組發(fā)電，否則關(guān)閉一臺機組發(fā)電，一直到庫水位始終保持在正常蓄水位159.20 m為止;當呼蘭河干流來水流量Qt＞38 m3/s時，幸福渠首進水閘的引水流量控制在38 m3/s左右，并開啟灌溉閘后按正常灌溉供水流量放水，同時開啟全部機組滿負荷發(fā)電，庫水位始終保持在正常蓄水位159.20 m不變?yōu)楹谩?/p>

7.1.2 非灌溉期發(fā)電

每年進入灌溉期結(jié)束后(9—10月)，當呼蘭河干流來水流量Qt＞28 m3/s(最大發(fā)電流量4×7 m3/s)時，幸福渠首進水閘引水流量控制在28 m3/s左右，并開啟全部機組滿負荷發(fā)電，庫水位始終保持在正常蓄水位159.20 m不變;當呼蘭河干流來水流量Qt≤28 m3/s(4臺發(fā)電機組滿負荷發(fā)電流量28 m3/s)時，幸福渠首進水閘全部開啟，并先開啟一臺機組發(fā)電，若庫水位逐漸上升，則再開啟一臺機組發(fā)電，否則關(guān)閉一臺機組發(fā)電，一直到庫水位始終保持在正常蓄水位159.20 m為止。

7.2 防洪調(diào)度

每年進入汛期(7—8月)后，根據(jù)秦家水文站的實測降雨量資料，進行關(guān)閉或開啟幸福渠首處進水閘門，因此，每年汛期必須派專人24 h值班。

當秦家雨量站實測到的降雨量為30～50 mm時，關(guān)閉部分進水閘門，降雨量P＞50 mm時，關(guān)閉所有的進水閘門。

在關(guān)閉進水閘門后，灌溉閘門正常開啟，P=75%保證率情況下，灌溉期供水流量4～10 m3/s;發(fā)電閘門也正常開啟，發(fā)電流量為28 m3/s(4臺發(fā)電機組滿負荷發(fā)電流量28 m3/s);正常灌溉和發(fā)電流量合計為38 m3/s左右，并參與泄洪。這時若庫水位Ht持續(xù)下降約0.20 m左右至159.0 m時，說明入庫洪水流量小于正常灌溉和發(fā)電流量38 m3/s，則開啟部分進水閘補水至庫水位Ht達到正常蓄水位159.20m為止，當溢流堰頂出現(xiàn)溢流時，逐漸關(guān)閉已打開的渠首進水閘門，控制補水至庫水位Ht始終保持在正常蓄水位159.20 m為好。

在這種情況下，當發(fā)生設(shè)計洪水(P=5%)時，即設(shè)計洪峰流量37.8 m3/s，最大1 d洪量181萬m3，最大3 d洪量348萬m3，經(jīng)調(diào)洪計算結(jié)果，設(shè)計最高洪水位159.20 m(正常蓄水位)，相應庫容為912萬m3，最大下泄流量38 m3/s。

當發(fā)生校核洪水(P=1%)時，即校核洪峰流量90.5 m3/s，最大1 d洪量423萬m3，最大3 d洪量702萬m3，水庫調(diào)洪演算過程如下:

該水庫起調(diào)水位為159.20 m(正常蓄水位H正)，在幸福渠首進水閘關(guān)閉，開啟灌溉閘和發(fā)電閘門后正常放流的情況下，當來水流量Qt≤38 m3/s時，庫水位Ht下降至H1，相應庫容V1=V正－△V1，下泄流量q1=38 m3/s。

當來水流量Qt＞38 m3/s時，庫水位Ht上升至H2，相應庫容V2=V1+△W1=V正－△V1+△W1，∵△V1=△W1，∴V2=V正，H2=H正=159.20 m，下泄流量q2=38 m3/s。

當來水流量Qt≥q3時，庫水位Ht繼續(xù)上升至H3＞159.20 m，相應庫容V3=V正+△V2，這時段內(nèi)溢洪道有下泄流量q溢，故最大的下泄流量qmax=q3=38 m3/s+q溢，因此，H3=Hmax(最高洪水位)，V3=Vmax(最大庫容)，q3=qmax(最大下泄流量)。

當來水流量38 m3/s≤Qt＜q3時，庫水位 Ht下降至H4=H正=159.20 m，相應庫容V4=V3－△W2=V正+△V2－△W2，∵△V2=△W2，∴V4=V正，這時溢洪道和灌溉、發(fā)電閘的泄流量，從qt逐漸減小至38 m3/s。

當來水流量Qt＜38 m3/s時，為了保持庫水位Ht=H正= 159.20 m，立即開啟渠首進水閘后，控制引水流量Q引，使入庫流量Qt+Q引=38 m3/s。

經(jīng)調(diào)洪計算結(jié)果，當發(fā)生校核洪水(P=1%)時，初步估算的最高洪水位H1%＜159.65 m，最大庫容V1%＜1 038萬m3，最大下泄流量q1%＜38+8=46 m3/s。

幸福水庫現(xiàn)狀壩頂高程160.16～162.55 m，故在校核洪水位159.65 m情況下，現(xiàn)狀壩頂高程超高為0.51～2.90 m，平均超高約 1.705 m。幸福水庫現(xiàn)狀最低處壩頂高程(160.16 m)滿足不了水庫本身的防洪要求，因此，進行加高培厚大壩是非常必要的。

［1］ 黑龍江農(nóng)墾勘測設(shè)計研究院.黑龍江省綏化市北林區(qū)幸福水庫除險加固工程初步設(shè)計報告［R］.哈爾濱:黑龍江農(nóng)墾勘測設(shè)計研究院，2011.