抽水蓄能電站水文設(shè)計(jì)分析與計(jì)算

李曉偉，謝 偉

(中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100024)

抽水蓄能電站水文設(shè)計(jì)分析與計(jì)算

李曉偉，謝 偉

(中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100024)

在進(jìn)行抽水蓄能電站水文分析計(jì)算時(shí)，初期蓄水是徑流分析的重點(diǎn)，采用滑動(dòng)平均法計(jì)算多年來水時(shí)，需要進(jìn)行自相關(guān)檢驗(yàn)；在下水庫調(diào)洪時(shí)，應(yīng)考慮上水庫發(fā)電流量與設(shè)計(jì)洪水的組合，并以最不利組合作為設(shè)計(jì)依據(jù)；在泥沙淤積分析計(jì)算時(shí)，應(yīng)合理確定過機(jī)沙量；由于抽水蓄能電站每日頻繁抽發(fā)，上水庫冬季以環(huán)庫冰帶和冰屑為主，冰厚應(yīng)小于河道和常規(guī)水庫冰厚。

徑流自相關(guān)檢驗(yàn)；設(shè)計(jì)洪水；過機(jī)沙量；冰厚；抽水蓄能電站

0 引 言

“采—發(fā)—輸—配—用—儲(chǔ)”是電網(wǎng)運(yùn)行六大環(huán)節(jié)[1]，成熟的儲(chǔ)能技術(shù)主要是抽水蓄能。截至2014年，我國已建成多座抽水蓄能電站，還有許多電站在規(guī)劃設(shè)計(jì)中。已建或在建的項(xiàng)目有內(nèi)蒙古呼和浩特、山西西龍池、山東文登、福建仙居、安徽績溪、廣東清遠(yuǎn)等抽水蓄能電站。按下水庫是否為專用庫，抽水蓄能電站分為純抽水蓄能電站和混合式抽水蓄能電站[2]。

與常規(guī)水電站相比，抽水蓄能電站水文設(shè)計(jì)計(jì)算有其特殊性。常規(guī)水電站的水文計(jì)算已有相關(guān)規(guī)范[3]，而針對抽水蓄能電站的專業(yè)規(guī)范尚未出臺。本文結(jié)合工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，探討了在抽水蓄能電站水文設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，關(guān)于徑流、洪水、泥沙等方面發(fā)現(xiàn)的問題及解決對策。

1 徑 流

1.1 分析計(jì)算

常規(guī)水電站主要利用水量和落差獲得水能[4]，發(fā)電用水量較大；而抽水蓄能電站在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)抽水，在高峰時(shí)發(fā)電，上下移動(dòng)水體，除了蒸發(fā)滲漏等損失外基本不耗水。因此，抽水蓄能電站的運(yùn)行基本不受天然徑流的影響[5]。抽水蓄能電站徑流設(shè)計(jì)主要是為初期蓄水服務(wù)，混合式抽水蓄能電站由于下水庫采用已建水庫，基本不存在水源不足問題。純抽水蓄能電站水源問題較為突出，尤其是水資源短缺地區(qū)。

馮慶華等[6]以安徽瑯琊山抽水蓄能電站下水庫為例，采用多種方法，將下水庫的徑流系列進(jìn)行插補(bǔ)延長，并以長系列資料推求了設(shè)計(jì)年徑流；戴榮[7]以西北某抽水蓄能電站為例，利用GIS平臺繪制流域邊界，并加繪徑流深等值線圖，自動(dòng)計(jì)算下水庫徑流深；白文博等[8]以廣東惠州、深圳和陽江3座抽水蓄能電站為例分析認(rèn)為，由于上、下水庫高程差較大，降水量具有隨高程增加而逐漸增加的趨勢，應(yīng)建立年均降水量與高程的關(guān)系，按等高線劃分流域，采用面積包圍法計(jì)算設(shè)計(jì)年徑流，進(jìn)而確定徑流成果。

1.2 滑動(dòng)平均法自相關(guān)檢驗(yàn)

由于各種原因，初期蓄水時(shí)間往往需要2年以上，DL/T 5208—2005《抽水蓄能電站設(shè)計(jì)導(dǎo)則》規(guī)定：“在初期蓄水期，可選取保證率為75%的枯水年(或連續(xù)枯水年份)與50%的平水年份分別進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算?！币虼耍３Ｐ枰岢鲞B續(xù)n年75%的來水量。

由于水文過程的隨機(jī)性，我國常采用頻率分析法推求設(shè)計(jì)年徑流。為保持樣本獨(dú)立，一般設(shè)計(jì)時(shí)段以月、季、年為主。由于抽水蓄能電站初期蓄水一般大于1年，有時(shí)達(dá)到4年，如果進(jìn)行獨(dú)立選樣，徑流系列會(huì)非常短。這時(shí)，可以采用滑動(dòng)平均法推出徑流系列，但一定要檢查樣本是否還獨(dú)立，可采用自相關(guān)函數(shù)[9]來驗(yàn)證。對任意隨機(jī)過程x，定義

(1)

式中，ρk為隨機(jī)過程x的自相關(guān)系數(shù)；Cov(xt,xt-k)為隨機(jī)變量xt與xt-k的協(xié)方差；D(xt)、D(xt-k)分別為隨機(jī)變量xt、xt-k的方差。

以尚志抽水蓄能電站為例，分別推求連續(xù)2年、3年、4年、5年和6年平均徑流的自相關(guān)系數(shù)(見圖1)。從圖1統(tǒng)計(jì)出各年份的自相關(guān)系數(shù)分別為0.61、0.77、0.80、0.85和0.89，4年及以上的滑動(dòng)平均徑流系列的自相關(guān)系數(shù)大于0.8，呈顯著正相關(guān)。隨著滑動(dòng)年份n的增加，自相關(guān)系數(shù)也增加，當(dāng)初期蓄水時(shí)間較長時(shí)，滑動(dòng)平均年徑流系列已經(jīng)沒有獨(dú)立性。因此，這種計(jì)算方法只適用于2年～3年的滑動(dòng)平均。

圖1 滑動(dòng)平均年徑流深自相關(guān)系數(shù)

2 設(shè)計(jì)洪水

2.1 分析計(jì)算

抽水蓄能電站的設(shè)計(jì)洪水分上、下水庫設(shè)計(jì)洪水。純抽水蓄能電站一般建設(shè)在中小河流上，缺洪水資料，多屬小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算?；旌鲜匠樗钅茈娬疽话憷靡呀ㄏ滤畮?，設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法與常規(guī)水電基本一致。許多抽水蓄能電站上水庫采用瀝青混凝土面板進(jìn)行庫底和庫坡全面防滲，并在庫周設(shè)混凝土防浪墻，由此形成封閉的上水庫庫盆。上水庫形成人工流域邊界，庫周洪水不會(huì)進(jìn)庫，庫面降水直接產(chǎn)生徑流，徑流系數(shù)取為1，直接按設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪量。

舒曉娟[10]以廣州抽水蓄能電站為例，應(yīng)用推理公式法和單位線法計(jì)算電站下水庫設(shè)計(jì)洪水，并對2種方法進(jìn)行了比選；鄒浩等[11]以通化抽水蓄能電站為例，結(jié)合歷史洪水調(diào)查及現(xiàn)有實(shí)測資料，利用頻率分析法計(jì)算了下水庫設(shè)計(jì)洪水；萬貴生等[12]以黃鴨河天池抽水蓄能電站為例，采用暴雨推求洪水方法和水文比擬法計(jì)算下水庫壩址設(shè)計(jì)洪水并進(jìn)行比選。

2.2 設(shè)計(jì)洪水與發(fā)電流量組合

抽水蓄能電站流域面積一般較小，與發(fā)電流量Q發(fā)比較，下水庫的設(shè)計(jì)洪峰流量Q峰較小，而其發(fā)電流量Q發(fā)卻很大。此外，抽水蓄能電站上、下庫經(jīng)過廠房的壓力水道相連，上、下庫的水體在抽水和發(fā)電工況時(shí)相互交換，兩庫實(shí)際上是一個(gè)有機(jī)整體。因此，必須考慮設(shè)計(jì)洪水與發(fā)電流量的遭遇問題。

以山東某抽水蓄能電站為例，針對下水庫設(shè)計(jì)洪水(200年一遇)，對以下情況進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算。水庫起調(diào)水位按電站發(fā)電水量全部在上水庫，1 h、2 h、3 h、4 h和4.5 h發(fā)電水量在下水庫和所有發(fā)電水量都在下水庫等7種工況考慮。洪水過程與發(fā)電流量疊加，按照洪水過程線10 min逐時(shí)段滑動(dòng)疊加，組合成多種水量過程進(jìn)行下水庫洪水調(diào)節(jié)計(jì)算。2 h、3 h發(fā)電水量在下水庫的洪水調(diào)節(jié)計(jì)算過程見圖2。設(shè)計(jì)洪水與發(fā)電流量疊加洪水調(diào)節(jié)成果見表1。從表1可知，下水庫設(shè)計(jì)最高洪水位發(fā)生在已發(fā)電2 h或3 h后遭遇設(shè)計(jì)洪水，下水庫水位最高為最不利情況。在正常洪水調(diào)度情況下，最高設(shè)計(jì)洪水位為137.79 m。

圖2考慮發(fā)電流量后的洪水調(diào)節(jié)過程

表1 設(shè)計(jì)洪水與發(fā)電流量疊加洪水調(diào)節(jié)成果 m

3 泥 沙

3.1 分析計(jì)算

抽水蓄能電站的泥沙設(shè)計(jì)主要包括入庫沙量計(jì)算、淤積回水計(jì)算、過機(jī)沙量預(yù)測等內(nèi)容。抽水蓄能電站對水質(zhì)要求相當(dāng)高，過機(jī)含沙量條件遠(yuǎn)高于高水頭水電站。純抽水蓄能電站的上水庫在溝源修壩或山頂夷平面開挖與圍堤成庫，坡面匯流很少。泥沙來源主要是電站抽水時(shí)從下水庫挾帶而來，上水庫泥沙淤積計(jì)算可采用靜水或動(dòng)水沉降法。

陳儲(chǔ)軍等[13]以常規(guī)的水庫淤積一維數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，增加了抽放水狀況相應(yīng)模塊，對蒲石河抽水蓄能電站上、下水庫的淤積計(jì)算及過機(jī)泥沙進(jìn)行了計(jì)算；劉書寶等[14]采用武漢大學(xué)一維不平衡輸沙數(shù)學(xué)模型分析了豐寧抽水蓄能電站的泥沙淤積，并對下水庫排沙措施進(jìn)行了研究。

3.2 過機(jī)泥沙預(yù)測

目前，過機(jī)泥沙預(yù)測主要通過物理模型和數(shù)學(xué)模型確定，吳騰等[15]以寶泉抽水蓄能電站為例，通過建立物理模型，建立了入庫沙量和過機(jī)沙量的關(guān)系曲線。公式為

(2)

式中，S抽水為抽水過機(jī)含沙量；Dz為進(jìn)出水累計(jì)淤積厚度；S入庫為入庫含沙量。

4 冰 情

4.1 分析計(jì)算

我國冬季寒冷地區(qū)均有河流冰情。冰情問題是指一般凍害之外的冰花、冰塊壅堵過水排冰通道，抬高水位，減小過流能力，又淹又凍或突然潰決冰水齊下，淹沖撞擠，對工程施工和運(yùn)行可能造成的危害。目前，工程冰情分析計(jì)算方法主要有實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)法、冰情特征圖表法和經(jīng)驗(yàn)公式法。

劉連希等[16]通過對十三陵抽水蓄能電站的研究認(rèn)為，一臺機(jī)組至少每日抽水、發(fā)電2個(gè)循環(huán)，利用往復(fù)水流形成低速流場，可以有效避免冰蓋形成。劉書寶等[17]以荒溝抽水蓄能電站為例研究認(rèn)為，由于上水庫動(dòng)力因素活躍，不可能形成穩(wěn)定的封凍冰蓋，結(jié)凍形態(tài)由環(huán)庫岸冰帶、環(huán)庫碎冰帶和庫內(nèi)懸浮冰蓋組成。呂明治等[18]通過對十三陵、張河灣、西龍池、蒲石河和呼和浩特等5座已建抽水蓄能電站水庫冰情開展的原型監(jiān)測認(rèn)為，冰厚主要受氣溫、電站運(yùn)行臺次頻率及庫水位變化情況等因素影響。

實(shí)踐證明，只要抽水蓄能電站冬季合理運(yùn)行，上水庫就不會(huì)形成完全冰蓋，以環(huán)庫冰帶、冰屑為主。抽水蓄能電站的最大冰厚應(yīng)比河流、常規(guī)水庫的冰厚小。

4.2 計(jì)算實(shí)例

我國常用的天然河道最大冰厚經(jīng)驗(yàn)公式為

him=8.3Φ-278

(3)

式中，him為最大冰厚；Φ為緯度(資料范圍為36°～54°)。

在我國東北、華北天然河道冰厚增長經(jīng)驗(yàn)公式為

hi=k(∑t)a

(4)

式中，hi為∑t時(shí)的冰厚，∑t為累積日平均氣溫絕對值，從穩(wěn)定轉(zhuǎn)負(fù)日起算；k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù);a為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，東北地區(qū)k=2.0～2.3，a=0.50～0.56，華北地區(qū)k=2.6～2.3，a=0.50～0.56。

以尚志抽水蓄能電站為例，上庫正常蓄水位558 m，下庫正常蓄水位332 m，尚志氣象站海拔189.7 m。首先將尚志氣象站1981年～2010年日平均氣溫按高程每上升100 m下降0.6 ℃修正至上水庫，再用公式(4)計(jì)算逐年最大冰厚(見圖3)，并與一面坡水文站同期資料對比。

圖3 尚志抽水蓄能電站逐年最大冰厚

尚志抽水蓄能電站位于北緯45°32′，根據(jù)公式(3)計(jì)算多年平均最大冰厚為1.10 m，與公式(4)計(jì)算結(jié)果1.08 m和實(shí)測資料1.00 m相近。以上都是針對天然河道冰厚而言的，抽水蓄能電站的冰厚應(yīng)小于河道冰厚，即便按最小值1 m考慮也是安全的。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合抽水蓄能電站設(shè)計(jì)實(shí)踐，分析了其水文分析計(jì)算的特點(diǎn)，得出以下結(jié)論：

(1)徑流分析的重點(diǎn)是初期蓄水，一般使用滑動(dòng)平均法計(jì)算來水，此時(shí)需要對系列進(jìn)行自相關(guān)性檢驗(yàn)，該法一般以2年～3年為宜。

(2)抽水蓄能電站一般建設(shè)在中小流域上，當(dāng)上水庫為封閉庫盆時(shí)，徑流系數(shù)應(yīng)取1；在下水庫調(diào)洪時(shí)，應(yīng)考慮上水庫發(fā)電流量與設(shè)計(jì)洪水的組合，并取最不利工況作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

(3)泥沙設(shè)計(jì)除常規(guī)的淤積回水計(jì)算，預(yù)測過機(jī)泥沙量是重點(diǎn)，目前仍沒有成熟的預(yù)測方法，可借鑒類似工程的入庫沙量與過機(jī)沙量關(guān)系曲線進(jìn)行預(yù)測。

(4)抽水蓄能電站冰情原型觀測表明，因電站的頻繁抽發(fā)，形成往復(fù)水流，上水庫很難形成冰封，以環(huán)庫冰帶和冰屑為主，冰厚應(yīng)小于河流和常規(guī)水庫冰厚。

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(責(zé)任編輯楊 健)

Hydrologic Analysis and Computation for Pumped-storage Power Station

LI Xiaowei, XIE Wei

(PowerChian Beijing Engineering Corporation Limited, Beijing 100024, China)

In hydrologic analysis and computation for pumped-storage power station, the initial filling of reservoir is the focus of runoff analysis, and when the moving average method is used to calculate runoff process for more than one year, the autocorrelation test should be done first. The flood routing of lower reservoir should consider a composition of power generation flow and design flood, and the most unfavorable result should be selected. In the calculation of sediment siltation, the sediment passing through the turbine should be determined reasonably. The ice forms in upper reservoir in winter are mainly ice around the reservoir bank and ice pieces due to frequently pumping and generation of pumped-storage station, so the ice thickness will be less than conventional reservoir and natural rivers．

runoff autocorrelation test; design flood; sediment passing through the turbine; ice thickness; pumped-storage power station

2015- 06- 18

李曉偉(1976—)，女，黑龍江佳木斯人，高級工程師，從事水電工程水文設(shè)計(jì)、水文水資源研究工作．

TV743

A

0559- 9342(2015)12- 0025- 04