永慶反調(diào)節(jié)水庫對豐滿水電站下游河段用水保障效果回顧與變化分析

張志福，張 倩，苗 強

(1.豐滿大壩重建工程建設局，吉林 吉林 132108;2.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引言

水電站在電網(wǎng)中主要承擔調(diào)峰、調(diào)頻、備用等任務，其發(fā)電流量急劇變化，將引起電站下游流量和水位的波動，為了減少或消除水電站調(diào)峰不穩(wěn)定流對水電站下游的供水、灌溉、航運和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的不利影響，充分發(fā)揮水電站在電網(wǎng)中的調(diào)峰作用，往往在水電站下游興建反調(diào)節(jié)水庫［1］。

1 豐滿水電站調(diào)峰運行對下游供水保障的影響

1.1 豐滿水電站概況

豐滿水電站是第二松花江干流的第3個梯級與控制性工程，上游距紅石水電站約153 km，下游距吉林市16 km。豐滿水庫正常蓄水位263.5 m，相應庫容88.49億m3，死水位242 m，調(diào)節(jié)庫容61.64億m3，具有多年調(diào)節(jié)性能。豐滿水電站于1937年4月正式開工，1943年第1臺機組發(fā)電，1953年一期工程建成，1992年完成二期擴建工程，1998年完成三期擴機工程，裝機容量達到1 002.5 MW［2］。為徹底解決豐滿水電站存在的安全隱患，在經(jīng)前期各階段設計論證與相關審批程序后，國家發(fā)改委于2012年10月核準了豐滿水電站全面治理(重建)工程。2013年5月1日豐滿水電站全面治理(重建)工程開工，預計2019年5月31日完工，重建工程結束后，新建電站的水庫調(diào)度方式基本保持不變，調(diào)峰性能有所增強。

1.2 豐滿水電站下游河段用水要求

(1)流域規(guī)劃用水要求。根據(jù)《松花江遼河流域水資源綜合開發(fā)利用規(guī)劃》(1992年)、《松花江、遼河流域水資源綜合規(guī)劃》(2010年)要求，豐滿水庫在枯水期壩下最小放流量調(diào)到150 m3/s，滿足吉林江段的環(huán)境用水要求即可。根據(jù)上述要求，豐滿水庫需保證150 m3/s的最小下泄流量。2000年在豐滿大壩下游15 km處修建了引松入長工程，每年向長春市引水3.08億m3，設計引水流量11 m3/s，故需要豐滿水庫最小下泄流量161 m3/s。同時根據(jù)《豐滿水電站大壩全面治理工程環(huán)境影響報告書》對電站下游江段最小生態(tài)、環(huán)境、河道外取用水要求計算分析，流域規(guī)劃確定的161 m3/s的最小下泄流量也基本符合豐滿下游吉林市區(qū)江段的最小用水要求。目前，豐滿水電站一直按照該要求發(fā)電運行。

(2)下游河段主要用水對象。豐滿水電站下游河段分布有大量的取用水設施，電站運行對水資源的調(diào)控作用顯著，因此需要兼顧各用水對象的需求情況。根據(jù)對下游河段現(xiàn)有主要取用水用戶調(diào)查成果，吉林市工業(yè)、生活取水口基本分布在豐滿下游約50 km的吉林市區(qū)江段范圍，均位于永慶壩下，下游取水量及取用流量較大設施有自來水一廠、自來水二廠、自來水三廠、自來水四廠、引松入長馬家泵站、吉化動力廠、吉林熱電廠、吉林鐵合金廠、吉林化肥廠、吉林松花江熱電廠、吉林化纖廠等20個單位。綜合考慮《吉林市水資源綜合規(guī)劃報告》中對吉林市用水量預測及“引松入長”工程取水要求，2020年豐滿下游河道外用水總需求約7.93億m3，相當于取水江段流量25.16 m3/s，占161 m3/s最小下泄流量的15.63%。

1.3 豐滿水電站調(diào)峰對下泄流量的影響

永慶反調(diào)節(jié)水庫建成前，豐滿水電站承擔60 MW電網(wǎng)基荷和每日調(diào)峰2次的運行任務［3］，維持最小249 m3/s的下泄流量;永慶水庫投入運行后，解放了豐滿水電站60 MW的基荷，豐滿水電站目前在東北電網(wǎng)中承擔一定的調(diào)峰任務。電站機組最大過流量為1 864 m3/s，最大調(diào)峰負荷為800 MW，最大調(diào)峰發(fā)電流量為1 040 m3/s，根據(jù)目前豐滿水電站在電網(wǎng)中的負荷位置，豐滿主要承擔10∶00～12∶00、16∶00～20∶00的發(fā)電任務，調(diào)峰過程中不均勻的下泄流量過程使下游河道流量、水位日內(nèi)變幅較大。

而豐滿水電站下游河段供水要求河道內(nèi)保持一定的水位，以保證取用水設施能夠按用水要求引水，在豐滿水電站調(diào)峰停機期間，壩下部分河段存在河底出露，將對下游河段用水對象產(chǎn)生不利影響;為保證通航水位及航運安全，要求河道內(nèi)瞬時水位變幅很小，而豐滿水電站調(diào)峰運行時，短時間內(nèi)下泄流量迅速變化，對下游航運產(chǎn)生不利影響;同時水電站調(diào)峰運行可能造成下游河段間歇性減脫水河段，將對下游生態(tài)環(huán)境帶來不利影響。

2 永慶水庫對豐滿水電站的反調(diào)節(jié)作用回顧

2.1 永慶反調(diào)節(jié)水庫概況

豐滿水庫為多年調(diào)節(jié)型水庫，對壩址下游河段徑流年內(nèi)變化調(diào)節(jié)作用明顯，電站在電網(wǎng)中主要承擔調(diào)峰任務，日內(nèi)下泄流量變化較大。為保證豐滿水電站滿足下游最小流量的要求，同時充分發(fā)揮其調(diào)峰作用，在豐滿大壩下游10.3 km處修建了永慶反調(diào)節(jié)水庫，永慶水庫上游水位與豐滿發(fā)電廠尾水相銜接，為日調(diào)節(jié)性能，正常蓄水位192.2 m，相應庫容1 036萬m3，死水位189.3 m，調(diào)節(jié)庫容828萬m3［2］。永慶反調(diào)節(jié)水庫于2002年9月19日開工建設，2005年11月12日投入試運行，2006年永慶反調(diào)節(jié)水庫工程竣工，豐滿水電站成為完全調(diào)峰電廠，發(fā)電時間由過去的24 h基荷發(fā)電放流，變?yōu)槊咳?次調(diào)峰發(fā)電。

2.2 永慶水庫反調(diào)節(jié)性能

永慶水庫設置有828萬m3的反調(diào)節(jié)庫容，根據(jù)水庫的設計要求，需保證豐滿水電站在兩次調(diào)峰期間停機13個小時的情況下，持續(xù)保障下游最小下泄流量滿足161 m3/s的要求。

根據(jù)永慶反調(diào)節(jié)水庫的設計能力，在豐滿發(fā)電廠停機狀態(tài)下，從正常蓄水位開始消落到死水位，實際能夠滿足下游最小流量進行放流的時間為14小時，要求豐滿水電站每天必須進行兩次調(diào)峰，在第一次調(diào)峰(保證永慶水庫蓄滿)停機后，14個小時之內(nèi)至少再調(diào)一次峰，以補充永慶反調(diào)節(jié)水庫調(diào)節(jié)庫容的不足。

目前，豐滿水電站運行中調(diào)峰間隔時間均不超過13小時，永慶反調(diào)節(jié)水庫則通過自動流量控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閘門開度，對下泄流量進行控制，當永慶庫區(qū)水位在正常蓄水位以下時，則按照最小161 m3/s進行放流;當水位高于正常蓄水位時，則通過溢流壩段進行敞流。

2.3 永慶水庫對下游用水的保障效果

豐滿水電站在水庫運行中確定了日均下泄流量不低于161 m3/s的調(diào)度原則，但由于豐滿水電站在電網(wǎng)中主要承擔調(diào)峰任務，日內(nèi)下泄流量變化較大。為保證豐滿水電站下游能夠持續(xù)滿足最小下泄流量的要求，不受電站調(diào)峰運行影響，同時充分發(fā)揮其調(diào)峰效益，2005年在豐滿大壩下游10.3 km處修建了永慶反調(diào)節(jié)水庫，設置有828萬m3的反調(diào)節(jié)庫容。通過永慶反調(diào)節(jié)水庫與豐滿水電站調(diào)峰運行相結合，豐滿的出庫流量能夠經(jīng)過永慶調(diào)蓄后均勻下泄，進一步保障了最小下泄流量的持續(xù)穩(wěn)定。

根據(jù)永慶反調(diào)節(jié)水庫下游吉林市水文站1995年～2008年的最小實測流量統(tǒng)計可知，在1995年～2004年期間，除1995年～1996年、1999年～2000年等時段，其余年份吉林市區(qū)江段全年中至少有3個月出現(xiàn)最小實測流量低于161 m3/s的情況，實測最小值為117 m3/s。在2005年～2008年，永慶反調(diào)節(jié)水庫修建以后，吉林市區(qū)江段僅2005年12月、2008年10月出現(xiàn)最小實測流量低于161 m3/s的情況，實測最小值為147 m3/s(根據(jù)對永慶反調(diào)節(jié)水庫實際操作記錄調(diào)查，兩次小流量出現(xiàn)，均為閘門試驗操作原因，且影響時間較短)。可見，永慶反調(diào)節(jié)水庫正常運行的情況下，對提高豐滿下游最小流量發(fā)揮了較大作用，基本不會出現(xiàn)下泄流量低于最小流量要求的情況。

綜上所述，永慶反調(diào)節(jié)水庫對豐滿水電站調(diào)峰的不穩(wěn)定流進行反調(diào)節(jié)，保證下泄流量穩(wěn)定，保證河道水位，滿足下游河段取用水設施正常取水，保障下游用水、滿足航運要求，下游河道保障一定的水流量，滿足下游生態(tài)環(huán)境對水質(zhì)的要求。永慶反調(diào)節(jié)水庫不僅保證上游水電站在電網(wǎng)中的調(diào)峰作用，帶來了經(jīng)濟效益，更為重要的是保障下游河段用水，為下游帶來了巨大的環(huán)境效益和社會效益。

3 豐滿水電站重建后對反調(diào)節(jié)運行方式的影響

3.1 豐滿水電站調(diào)峰性能變化情況

豐滿水電站重建后裝機容量由現(xiàn)有的1 002.4 MW增加到1 480 MW，調(diào)峰能力有所增強。最大發(fā)電流量由現(xiàn)狀的1 864m3/s增加到2 940 m3/s，最大調(diào)峰負荷由現(xiàn)狀約800 MW增加到1 275 MW，最大調(diào)峰流量由現(xiàn)狀的約1 000 m3/s增加到2 020 m3/s。根據(jù)運行期典型日負荷狀況，豐滿水電站承擔調(diào)峰任務的時段主要為10∶00～11∶00、16∶00～21∶00，總共調(diào)峰運行時間不到6小時，在豐滿水電站調(diào)峰停機期間，永慶庫尾2.4 km范圍內(nèi)將出現(xiàn)最長5小時的減脫水河段。調(diào)峰時間縮短、流量增大，調(diào)峰性能增強會造成日內(nèi)下泄流量的不均勻分配，加大壩下河段的流量、水位變幅。

3.2 永慶水庫調(diào)節(jié)性能變化情況

永慶水庫設有828萬m3的反調(diào)節(jié)庫容，豐滿水電站重建后永慶水庫仍按照保證下游最小161 m3/s流量的反調(diào)節(jié)方式運行，根據(jù)工程設計單位中水東北勘測設計研究有限公司對永慶反調(diào)節(jié)水庫庫容的復核，在考慮吉林市近期規(guī)劃的永慶庫區(qū)沿岸“清水綠帶”堤防工程的建設，以及壩址下移、庫區(qū)阿什砂礫石料場開采、回填等影響的情況下，豐滿水電站重建后永慶水庫反調(diào)節(jié)庫容將減小為783萬m3，反調(diào)節(jié)能力將有所降低。

3.3 運行期對下游用水的保障效果分析

在豐滿水電站運行期典型日調(diào)峰方式的制定過程中，已經(jīng)考慮永慶反調(diào)節(jié)水庫的調(diào)節(jié)能力和操作方式。根據(jù)永慶反調(diào)節(jié)水庫運行期典型日豐滿調(diào)峰過程中出庫流量情況(見表1)，結合永慶反調(diào)節(jié)水庫的運行方式，計算出典型日下豐滿、永慶水庫出庫流量過程，見圖1。

根據(jù)上述不同典型日豐滿、永慶出庫流量過程分析可知，豐滿水電站每天應承擔兩次調(diào)峰任務，調(diào)峰間隔時間最長為13 h，以補充永慶反調(diào)節(jié)庫容。在豐水年夏季典型日，豐滿持續(xù)發(fā)電泄流，永慶出庫流量均大于最小流量要求;在平水年夏季典型日，利用永慶水庫的反調(diào)節(jié)作用，能夠?qū)⒆钚∠滦沽髁吭黾拥?74 m3/s;在枯水年夏季典型日，以及冬季典型日，通過永慶水庫的反調(diào)節(jié)作用，能夠滿足下游最小161 m3/s下泄流量的保障要求。

4 結語

永慶水庫為豐滿水電站的反調(diào)節(jié)水庫，旨在解放豐滿水電站基荷同時保障下游城市和環(huán)境用水需求。豐滿水電站重建后裝機容量增加，調(diào)峰能力增強，下泄流量日內(nèi)變化過程較現(xiàn)狀更加明顯，調(diào)峰期間永慶庫區(qū)水位、流量變幅增大。永慶反調(diào)節(jié)水庫將豐滿水電站運行調(diào)峰產(chǎn)生的不均勻泄流蓄積后均勻下泄，確保下泄流量不低于161 m3/s最小流量的要求，下游河道流量波動幅度減小，水流條件得到改善。在枯水期保證其放流量，滿足下游江段及吉林市的環(huán)境用水達到相應標準［5］。本文回顧分析了永慶反調(diào)節(jié)水庫對保障下游河段用水的效果，永慶水庫不僅保證上游水電站在電網(wǎng)中的調(diào)峰作用，為上游水電站增加了調(diào)峰發(fā)電效益，而且保障了下游河段用水，為下游帶來了巨大的環(huán)境效益和社會效益。

表1 典型日豐滿、永慶水庫下泄流量關系 單位:m3/s

圖1 典型日豐滿、永慶水庫出庫流量過程

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