不同地區(qū)抽水蓄能電站的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算研究

余天塵

(河海大學(xué)，江蘇 南京 210000)

1 抽水蓄能電站的發(fā)展現(xiàn)狀

抽水蓄能電站不同于一般水力發(fā)電廠，是既能抽水工況運(yùn)行，同時(shí)又能發(fā)電工況運(yùn)行的特殊類水電站。目前，全球抽水蓄能電站總裝機(jī)容量超1億kW。近年來(lái)，我國(guó)抽水蓄能電站處于加快開(kāi)發(fā)建設(shè)階段，截止2018年底，我國(guó)抽水蓄能電站已經(jīng)建成運(yùn)行31座，總裝機(jī)容量達(dá)到2 999萬(wàn)kW；在建33座，總裝機(jī)容量為4 301萬(wàn)kW，抽水蓄能裝機(jī)容量已躍居世界首位[1]。隨著我國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人提出2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和的二氧化碳排放目標(biāo)，2030年水平年我國(guó)非化石能源占一次能源的消費(fèi)比重將達(dá)25%左右；2030年我國(guó)風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)12億kW以上，由于大量風(fēng)光可再生能源上網(wǎng)，且其隨機(jī)性、波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高要求，配套建設(shè)具有儲(chǔ)能功能的抽水蓄能電站是大規(guī)模利用平清潔能源的重要支撐和必要前提，抽水蓄能電站規(guī)劃建設(shè)迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。

2 抽水蓄能電站設(shè)計(jì)洪水計(jì)算特點(diǎn)

目前，抽水蓄能電站設(shè)計(jì)主要依據(jù)是《中華人民共和國(guó)能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——《抽水蓄能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 10072—2018)》(以下簡(jiǎn)稱《設(shè)計(jì)規(guī)范》)、《水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》(NB/T 35046—2014))。根據(jù)《設(shè)計(jì)規(guī)范》，抽水蓄能電站可研階段設(shè)計(jì)洪水計(jì)算主要內(nèi)容包括暴雨洪水資料收集、設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法、設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果和成果合理性檢查四個(gè)方面。設(shè)計(jì)洪水資料收集主要是指電站所在流域及臨近流域水文站實(shí)測(cè)洪峰流量、雨量站實(shí)測(cè)短歷時(shí)暴雨等長(zhǎng)系列資料及歷史洪水、特大暴雨調(diào)查資料；設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法一般由暴雨途徑和流量途徑兩種，暴雨途徑又細(xì)分為推理公式法和綜合單位線法，要求采用多種方法、綜合分析、合理選定；設(shè)計(jì)洪水成果包括洪峰、洪量和洪水過(guò)程線；成果合理性檢查包括設(shè)計(jì)電站不同階段設(shè)計(jì)成果對(duì)比和不同計(jì)算方法計(jì)算成果對(duì)比、流域上下游其他水利水電工程同頻率設(shè)計(jì)洪水模數(shù)、洪水地區(qū)組成規(guī)律等方面進(jìn)行對(duì)比分析，論證設(shè)計(jì)洪水成果的合理性。

抽水蓄能電站設(shè)計(jì)洪水計(jì)算包括上、下水庫(kù)工程、補(bǔ)水工程、攔沙壩工程等設(shè)計(jì)洪水成果，其目的是滿足工程設(shè)計(jì)防洪安全要求，保證電站安全穩(wěn)定運(yùn)行。預(yù)可行性研究階段基本確定主要水文參數(shù)和成果，可行性研究階段確定水文參數(shù)和水文成果。設(shè)計(jì)洪水成果直接影響到電站水工建筑物及泄洪設(shè)施布置型式、工程規(guī)模和工程投資，對(duì)電站單位投資、防洪安全等都有一定程度的影響。

一般抽水蓄能電站上水庫(kù)集水面積較小，入庫(kù)洪水量級(jí)相對(duì)較小，對(duì)電站的影響也相對(duì)較小。但下水庫(kù)集水面積較大，入庫(kù)天然洪水量級(jí)相對(duì)較大，并且存在入庫(kù)天然洪水與電站發(fā)電流量相遭遇的不利工況，水庫(kù)大壩工程及泄洪設(shè)施的規(guī)模即需要考慮洪水遭遇的最不利組合，還要考慮工程后不增加同頻率條件下下游河道控制斷面的天然洪水洪峰流量，避免造成人工洪水危害。

當(dāng)上、下水庫(kù)分別屬于不同流域時(shí)，上、下水庫(kù)全年設(shè)計(jì)洪水及分期設(shè)計(jì)洪水均需分別單獨(dú)計(jì)算。當(dāng)上、下水庫(kù)屬于同一個(gè)流域的上下游時(shí)，上、下水庫(kù)入庫(kù)設(shè)計(jì)洪水除了單獨(dú)計(jì)算外，為了對(duì)比下水庫(kù)下游河道控制斷面工程前后洪水變化情況，下水庫(kù)大壩下游控制斷面設(shè)計(jì)洪水應(yīng)包括上水庫(kù)集水面積產(chǎn)生的洪水在內(nèi)。下水庫(kù)分期設(shè)計(jì)洪水也應(yīng)該包括上水庫(kù)集水面積產(chǎn)生的分期洪水。

綜上所述，抽水蓄能電站水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算及洪水調(diào)節(jié)計(jì)算較常規(guī)水庫(kù)而言更為復(fù)雜。

3 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法

3.1 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法及特點(diǎn)

推求設(shè)計(jì)洪水的常用方法有兩種，即由流量資料推求設(shè)計(jì)洪水和由暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水；特殊情況下，當(dāng)必須采用可能最大洪水作為非常運(yùn)用洪水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，則由水文氣象資料推求可能最大暴雨，然后計(jì)算可能最大洪水。

一般情況下，抽水蓄能電站上、下水庫(kù)多處于流域上游山區(qū)，集水面積相對(duì)較小，沒(méi)有水文測(cè)站，屬無(wú)資料地區(qū)，臨近小流域可能設(shè)立有雨量站。設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法基本采用暴雨途徑推求。廣東省采用推理公式法和綜合單位線法同時(shí)計(jì)算設(shè)計(jì)洪水(包括洪峰、洪量及過(guò)程線)，當(dāng)兩種方法洪峰流量相差20%以內(nèi)時(shí)，取對(duì)工程安全偏不利的設(shè)計(jì)洪水成果。福建省采用推理公式法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水洪峰流量、24 h設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算設(shè)計(jì)洪量、臨近流域水文站實(shí)測(cè)大洪水過(guò)程線同頻率放大推求設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線。北方地區(qū)河南、甘肅、內(nèi)蒙古、遼寧等省份抽水蓄能電站上、下水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水亦采用推理公式法計(jì)算，當(dāng)采用攔沙壩泄洪排沙時(shí)，攔沙壩集水面積較大，需要采用流量途徑計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，但是蓄能專用下水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水仍然采用推理公式法進(jìn)行計(jì)算。

由暴雨途徑推求設(shè)計(jì)洪水，主要計(jì)算步驟包括設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算、設(shè)計(jì)洪水計(jì)算及設(shè)計(jì)洪水成果的合理性分析等。由流量途徑推求設(shè)計(jì)洪水，主要計(jì)算步驟包括設(shè)計(jì)洪峰、洪量計(jì)算、典型過(guò)程線選擇與放大，設(shè)計(jì)洪水成果的合理性分析等。

3.2 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算方法包括：

1) 根據(jù)設(shè)計(jì)依據(jù)雨量站實(shí)測(cè)長(zhǎng)系列短歷時(shí)暴雨資料(缺測(cè)時(shí)段采用參證站同時(shí)段觀測(cè)資料經(jīng)相關(guān)分析和插補(bǔ)延長(zhǎng))，采用P-Ⅲ頻率曲線經(jīng)適線法計(jì)算設(shè)計(jì)暴雨特征參數(shù)。

2) 采用當(dāng)?shù)亍侗┯甑戎稻€圖》查算設(shè)計(jì)暴雨特征參數(shù)。

3) 對(duì)比上述兩種方法暴雨特征參數(shù)計(jì)算的不同頻率設(shè)計(jì)暴雨成果，或在復(fù)雜情況下計(jì)算不同頻率設(shè)計(jì)洪水、經(jīng)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算，選擇對(duì)工程防洪安全最不利的入庫(kù)洪水對(duì)應(yīng)的暴雨特征參數(shù)作為設(shè)計(jì)暴雨特征參數(shù)采用值。

3.3 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)暴雨特征參數(shù)，采用推理公式和綜合單位線或當(dāng)?shù)厥∈幸?guī)定普遍采用的計(jì)算方法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，多種方法對(duì)比，選擇對(duì)工程防洪安全偏不利的洪水成果作為推薦采用的設(shè)計(jì)洪水成果。設(shè)計(jì)洪水成果一般包括不同頻率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)洪峰流量、設(shè)計(jì)洪量和設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線3部分。

1) 南方地區(qū)實(shí)例

南方地區(qū)以福建云霄抽水蓄能電站為例簡(jiǎn)要說(shuō)明設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法。

云霄抽蓄上、下水庫(kù)集水面積均較小，適合華東特小流域推理公式和福建沿海地區(qū)推理公式法。兩種方法計(jì)算原理如下。

① 華東特小流域推理公式法

(1)

匯流參數(shù)m采用Ⅱ-2類：

(2)

式中Qm為設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；Ht為t時(shí)段內(nèi)的最大降水量，mm；τ為流域匯流時(shí)間，h；m為匯流參數(shù)；F為設(shè)計(jì)斷面的集水面積，km2；L為設(shè)計(jì)斷面以上主河長(zhǎng)，km；J為設(shè)計(jì)斷面河道平均坡降。

② 福建沿海地區(qū)推理公式法

基本計(jì)算公式與華東特小流域推理公式相同，匯流參數(shù)m采用福建省修正過(guò)的經(jīng)驗(yàn)公式：

(3)

當(dāng)θ≥1.5時(shí)，m=0.053θ0.809。

當(dāng)θ<1.5時(shí)，m=0.063θ0.384。

由分析計(jì)算可知，2000年一遇校核洪水洪峰流量福建沿海推理公式法的成果上、下庫(kù)分別為133 m3/s、988 m3/s，略大于華東特小流域法對(duì)應(yīng)的108.8 m3/s和888.2 m3/s，且考慮到本工程上、下庫(kù)均位于福建沿海地區(qū)，因此，上、下水庫(kù)均采用福建沿海推理公式法成果。

2) 北方地區(qū)實(shí)例

北方地區(qū)以內(nèi)蒙古芝瑞抽水蓄能電站為例簡(jiǎn)要說(shuō)明設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法。

芝瑞蓄能電站上水庫(kù)由人工通過(guò)挖填方式形成，集水面積即為整個(gè)庫(kù)盆面積， 上水庫(kù)集水面積為 0.268 km2。 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算時(shí)不計(jì)水量損失，1 000年一遇設(shè)計(jì)洪水洪量根據(jù)20 h設(shè)計(jì)暴雨218 mm乘以集水面積為5.84萬(wàn)m3。

芝瑞蓄能電站下水庫(kù)位于百岔河中游，壩址以上集水面積為579 km2，由攔沙壩和攔河壩組成，攔沙壩的功能是泄洪排沙到下水庫(kù)攔河壩下游河道，保證1 000年一遇校核標(biāo)準(zhǔn)以下洪水及泥沙不進(jìn)入下水庫(kù)。攔河壩設(shè)計(jì)洪水由流域萬(wàn)安水文站(控制集水面積為1 353 km2)的設(shè)計(jì)洪水成果通過(guò)水文比擬法求得，攔河壩/萬(wàn)安水文站200年一遇設(shè)計(jì)、1 000年一遇校核洪水洪峰流量分別為795 m3/s、1 260 m3/s和1 400 m3/s、2 200 m3/s。

下水庫(kù)集水面積為攔沙壩和攔河壩之間的范圍，為3.7 km2。直接用設(shè)計(jì)暴雨乘以集水面積得到設(shè)計(jì)洪量，1 000年一遇設(shè)計(jì)洪量為80.7萬(wàn)m3。

3.4 設(shè)計(jì)洪水成果合理性分析

統(tǒng)計(jì)并分析設(shè)計(jì)流域鄰近地區(qū)不同水利工程設(shè)計(jì)洪水成果、各實(shí)測(cè)站點(diǎn)年最大洪峰流量、最大 24 h暴雨、24 h洪量統(tǒng)計(jì)參數(shù)，計(jì)算地區(qū)的洪峰洪量模數(shù)，對(duì)比同一地區(qū)的各站點(diǎn)不同控制集水面積對(duì)應(yīng)的洪峰模數(shù)分布規(guī)律是否符合當(dāng)?shù)乇┯旰樗匦院土饔虻匦蔚孛蔡卣鳌⒑樗畢R集傳播等水文分布規(guī)律，一般隨著集水面積增加同頻率洪峰模數(shù)呈遞減趨勢(shì)。

與預(yù)可研計(jì)算結(jié)果對(duì)比，進(jìn)一步分析說(shuō)明本階段設(shè)計(jì)洪水成果的合理性。

4 多宗抽水蓄能電站設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果合理性檢查方法

山東某抽水蓄能電站[3]下庫(kù)為已建成的綜合利用水庫(kù)，設(shè)計(jì)洪水采用瞬時(shí)單位線法、推理公式法計(jì)算,上庫(kù)集水面積較小，設(shè)計(jì)洪水采用推理公式法計(jì)算。經(jīng)多種方法設(shè)計(jì)洪水成果對(duì)比和與已建成水庫(kù)除險(xiǎn)加固階段的設(shè)計(jì)洪水成果對(duì)比來(lái)檢查選定設(shè)計(jì)洪水成果的合理性。

黃鴨河天池抽水蓄能電站[4]設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法包括《河南省中小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水圖集》(1984年)查算法和水文站實(shí)測(cè)洪峰資料水文比擬法推算，通過(guò)比較兩種方法計(jì)算結(jié)果的合理性以及與周邊河道洪水特性的匹配性，最終得出圖表查算法計(jì)算結(jié)果較為可靠，與相關(guān)專題報(bào)告中的天池壩址洪水成果接近。

安徽桐城抽水蓄能電站[5]的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算分為上庫(kù)壩址設(shè)計(jì)洪水和下庫(kù)壩址設(shè)計(jì)洪水，上庫(kù)集水面積約為0.934 km2，采用水面洪水、陸面洪水分開(kāi)計(jì)算的方法，洪峰疊加得到水庫(kù)相應(yīng)頻率的設(shè)計(jì)洪水；對(duì)集水面積較小的設(shè)計(jì)洪水，這種計(jì)算方法更加精確。下庫(kù)集水面積約為17.22 km2，通過(guò)線性瞬時(shí)單位線模型推算設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線。計(jì)算結(jié)果符合地區(qū)綜合特性。

陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能電站[6]在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于工程位置較偏僻，且沒(méi)有實(shí)測(cè)水文資料。上水庫(kù)集水面積僅1.4 km2，其正常蓄水位對(duì)應(yīng)水面面積占總集水面積的27%，因此。在選擇暴雨資料采用推理公式法推求設(shè)計(jì)洪水的同時(shí)，考慮陸地與水面洪水洪量分別計(jì)算后疊加，其成果大于單純陸地計(jì)算值，更加符合工程產(chǎn)匯流實(shí)際情況，且成果偏于安全。下水庫(kù)集水面積為181 km2，采用流量途徑推求設(shè)計(jì)洪水，通過(guò)對(duì)比同頻率(64 a重現(xiàn)期)設(shè)計(jì)洪水洪峰流量(980 m3/s)和歷史洪痕洪水(906 m3/s)，數(shù)值接近且由一定安全裕度，據(jù)此說(shuō)明設(shè)計(jì)洪水成果的合理性。

福建云霄抽水蓄能電站上、下水庫(kù)集水面積分別為2.06 km2和14.64 km2，采用暴雨途徑推求設(shè)計(jì)洪水洪峰流量和洪水總量，通過(guò)臨近彰江流域水文站實(shí)測(cè)最大一場(chǎng)洪水過(guò)程線同頻率放大后得到上、下水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線?？裳须A段設(shè)計(jì)洪水分別依據(jù)暴雨法和流量法推求，設(shè)計(jì)洪峰上水庫(kù)流量法成果大于暴雨法，下水庫(kù)暴雨法成果大于流量法；設(shè)計(jì) 24 h 洪量上、下水庫(kù)暴雨法成果均大于流量法。由于上水庫(kù)規(guī)模和安全主要受洪量控制，從對(duì)工程偏安全角度考慮，云霄抽水蓄能電站上、下水庫(kù)設(shè)計(jì)洪峰和 24 h 洪量均采用暴雨法成果。統(tǒng)計(jì)并分析設(shè)計(jì)流域鄰近地區(qū)各站年最大洪峰、最大 24 h 洪量統(tǒng)計(jì)參數(shù)，可以看出沿海地區(qū)的洪峰模數(shù)普遍大于內(nèi)陸地區(qū)的洪峰模數(shù)，同一地區(qū)的站點(diǎn)，控制面積越小其洪峰模數(shù)越大?？裳须A段上、下水庫(kù)設(shè)計(jì)洪峰、洪量成果符合地區(qū)的變化規(guī)律，符合福建省東南部的暴雨的分布特性，設(shè)計(jì)成果基本合理。

河南洛寧抽蓄上、下水庫(kù)以上流域無(wú)實(shí)測(cè)洪水資料，水庫(kù)控制流域面積較小，采用小流域推理公式法用暴雨資料推算洪水。設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線采用臨近流域下河村實(shí)測(cè)洪水過(guò)程線同頻率放大得到。通過(guò)與本流域及臨近流域多項(xiàng)已建水利工程設(shè)計(jì)共洪水成果對(duì)比，分析本工程設(shè)計(jì)洪水成果的合理性。

芝瑞抽蓄攔河壩設(shè)計(jì)洪水成果合理性分析采用《內(nèi)蒙古水文計(jì)算手冊(cè)》推薦的內(nèi)蒙古公式1、內(nèi)蒙古公式2及水文比擬法等多種方法計(jì)算成果對(duì)比分析，成果接近，并與已經(jīng)建成投產(chǎn)運(yùn)行的呼和浩特抽蓄設(shè)計(jì)洪水成果相比，符合地區(qū)分布規(guī)律，得出設(shè)計(jì)洪水成果合理性結(jié)論。

5 結(jié)語(yǔ)

1) 抽水蓄能電站設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法包括暴雨途徑和流量途徑等多種方法，堅(jiān)持資料齊全、多種方法對(duì)比，最后選擇對(duì)工程防洪安全偏不利的設(shè)計(jì)洪水成果。根據(jù)暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水方法包括推理公式法、綜合單位線法等。

2) 進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算時(shí)，應(yīng)進(jìn)行歷史特大暴雨、特大洪水的調(diào)查工作，其成果應(yīng)符合抽水蓄能電站所在地區(qū)暴雨洪水特征和地區(qū)分布規(guī)律，保證設(shè)計(jì)洪水成果的合理性。

本文通過(guò)對(duì)安徽桐城和山東某抽蓄電站地處華東、陜西鎮(zhèn)安抽蓄電站地處西北、黃鴨河天池抽蓄電站、地處華中河南洛寧、華北內(nèi)蒙古芝瑞、華東云霄抽水蓄能電站(位于福建沿海)等南北方不同地區(qū)不同暴雨洪水特性的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法和成果的初步分析，有共性的內(nèi)容也有獨(dú)特的處理方法，對(duì)今后我國(guó)抽水蓄能電站設(shè)計(jì)洪水計(jì)算有所裨益。