海勃灣水利樞紐工程特征水位選擇

王曉云，劉武軍，張忠廣

(中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

1 工程概況

海勃灣水利樞紐工程是黃河治理開發(fā)規(guī)劃中確定的梯級(jí)工程之一，工程位于內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)的黃河干流上，壩址距烏海市區(qū)3km，上游距青銅峽水庫約230km，下游87km為已建的內(nèi)蒙古三盛公水利樞紐。工程任務(wù)為防凌、發(fā)電等綜合利用。海勃灣水電站正常蓄水位1076m，死水位1069m，裝機(jī)容量90MW，電站年平均發(fā)電量381.7GW·h。

2 特征水位選擇

海勃灣水利樞紐工程特征水位選擇主要包括正常蓄水位、死水位和汛期發(fā)電水位3個(gè)特征水位的選擇。

2.1 死水位選擇

工程死水位選擇以水庫泥沙沖淤物理模型試驗(yàn)等成果資料為基礎(chǔ)，同時(shí)考慮最小發(fā)電水頭、發(fā)電效益、泥沙淤積和防凌庫容等方面的要求。

1)最小發(fā)電水頭：

海勃灣樞紐電站采用貫流式機(jī)組，通過機(jī)組最小出力和最小發(fā)電水頭進(jìn)行分析，機(jī)組最小發(fā)電水頭為2.5m時(shí)，單機(jī)最小出力2.0MW。工程壩址處河底高程在1064-1066m之間，據(jù)此，電站可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電的最低水位為1069m。

2)發(fā)電效益：

滿足工程防凌需求，水庫應(yīng)盡可能具有較大的調(diào)節(jié)庫容，在正常蓄水位一定的條件下，死水位應(yīng)盡可能低，但較低的死水位會(huì)對(duì)發(fā)電效益造成一定的影響。同時(shí)考慮防凌需要和較大發(fā)電效益，工程以發(fā)電最低水位1069m作為死水位下限，擬定了1069m和1070m的2個(gè)死水位比選方案。

經(jīng)比選，隨著死水位抬高，工程發(fā)電量相應(yīng)增加，死水位從1069m抬高到1070m時(shí)，工程發(fā)電量增加10.4GW·h。同時(shí)，隨著死水位抬高，調(diào)節(jié)庫容相應(yīng)減小，水庫運(yùn)行10年后，死水位1070m方案與1069m方案相比，調(diào)節(jié)庫容減少約1520萬m3。

不同死水位比選方案各指標(biāo)比選結(jié)果見表1。

表1 不同死水位各指標(biāo)對(duì)比

3)泥沙淤積影響：

根據(jù)水庫造床流量要求，在水庫最低水位運(yùn)行時(shí)，其泄量應(yīng)≥2700 m3/s。海勃灣水庫泄水閘溢流堰采用平底寬頂堰型式，堰頂高程1065.0m，基本與河底持平，1069m可以滿足泄量2700m3/s的最低水位。閘前泥沙淤積高度約為1-3m，在水位1069m，以流量2700 m3/s開閘泄水排沙，閘前泥沙淤積情況不會(huì)影響死水位的選擇。

4)防凌庫容要求：

海勃灣水利樞紐工程的防凌保護(hù)范圍為壩址-三湖河口，根據(jù)各年不同的來水條件、氣溫條件和下游河段封河形勢(shì)，工程可對(duì)該河段的封開河形勢(shì)產(chǎn)生影響。海勃灣水庫重點(diǎn)解決了蹬口以上河段的防凌壓力。對(duì)三盛公樞紐至三湖河口段，通過水庫的防凌調(diào)度也可以達(dá)到部分消除或減輕該河段防凌壓力、減輕該河段凌災(zāi)損失的目的。

根據(jù)黃河內(nèi)蒙古河段的防凌要求，結(jié)合黃河水資源的統(tǒng)一管理和調(diào)度，海勃灣水庫開河期預(yù)留防凌應(yīng)急庫容約5000-8000萬m3，可以短期減小下泄流量或關(guān)閉泄水通道，為下游受災(zāi)河段的防凌搶險(xiǎn)創(chuàng)造必要的條件。

海勃灣水利樞紐工程主要任務(wù)為防凌，在一個(gè)相對(duì)較長的時(shí)段內(nèi)具有較大的調(diào)節(jié)庫容對(duì)水庫發(fā)揮應(yīng)有的防凌效益是非常必要的。因此，充分考慮最小發(fā)電水頭、泥沙淤積、防凌需求等要求，最終選擇具有較大調(diào)節(jié)庫容又能夠滿足泄水2700m3/s流量的1069m作為海勃灣水庫死水位[1]。

2.2 正常蓄水位選擇

在死水位確定的前提下，正常蓄水位越高，水庫調(diào)節(jié)庫容越大，對(duì)樞紐發(fā)揮防凌功能、增加發(fā)電效益更加有益。但同時(shí)，較高的正常蓄水位會(huì)增加樞紐主體工程投資，增大水庫的淹沒范圍，造成工程總體投資及社會(huì)影響的增加。

在不影響工程上游干渠排水口的基礎(chǔ)上，工程論證擬定了1075m、1076m和1077m等3個(gè)正常蓄水位的比選方案，采用差額投資經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率法進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)合理性分析。

經(jīng)比選，隨著正常蓄水位的抬高，發(fā)電量和調(diào)節(jié)庫容都會(huì)隨之增加。水位每抬高1m，發(fā)電量依次增加45.6GW·h和37.9GW·h，即1077m正常蓄水位方案發(fā)電量最大，達(dá)419.6GW·h。隨著正常蓄水位的抬高，運(yùn)行10年后的調(diào)節(jié)庫容也在隨之增大，分別為1.82億m3和2.65億m3。

不同正常蓄水位工程電能指標(biāo)及調(diào)節(jié)庫容計(jì)算結(jié)果詳見表2。

表2 不同正常蓄水位方案電能、庫容指標(biāo)

正常蓄水位的增加會(huì)相應(yīng)引起工程投資和淹沒賠償費(fèi)用大幅提高。經(jīng)分析，1076m正常蓄水位方案工程總投資比1075m方案增加0.45億元，1077m方案比1076m方案增加3.75億元，增加的主要是移民補(bǔ)償投資，達(dá)3.05億元。經(jīng)差額投資經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率分析，正常蓄水位從1076m抬高到1077m，差額投資內(nèi)部收益率僅6.6%，低于社會(huì)折現(xiàn)率，顯然是不經(jīng)濟(jì)的。但正常蓄水位從1075m抬高到1076m，差額投資內(nèi)部收益率達(dá)35.0%，遠(yuǎn)大于社會(huì)折現(xiàn)率，顯然正常蓄水位1076m方案較1075m、1077m方案更加經(jīng)濟(jì)合理。

工程不同正常蓄水位比選方案的差額投資經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率分析結(jié)果見表3。

表3 不同正常蓄水位方案差額投資經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率分析結(jié)果

綜合考慮工程開發(fā)任務(wù)要求、工程投資經(jīng)濟(jì)合理性等因素，海勃灣水利樞紐工程正常蓄水位擬定為1076m。

2.3 汛期發(fā)電水位

黃河是多泥沙河流，特別是汛期含沙量更大，抬高汛期發(fā)電最高水位可以增加電站發(fā)電量，但會(huì)造成庫區(qū)泥沙淤積的增加，使有效庫容減小。考慮水庫防凌需求和發(fā)電效益等因素，水庫應(yīng)盡量滿足近期(10a左右)防護(hù)下游河道大部分凌災(zāi)的需求，同時(shí)樞紐要具有較高的發(fā)電效益。為了盡量提高工程汛期發(fā)電效益，同時(shí)保持一定的有效防凌庫容，滿足防凌要求，水庫汛期調(diào)度原則擬定為：入庫水沙較小時(shí)，水庫宜在較高水位運(yùn)行，獲得較多的電量效益；入庫水沙較大時(shí)，水庫宜降低水位運(yùn)行，在發(fā)電的同時(shí)，泄水排沙，盡量減少水庫泥沙淤積，以獲得較大的調(diào)節(jié)庫容。

根據(jù)以上調(diào)度原則，經(jīng)泥沙淤積分析及水庫調(diào)節(jié)計(jì)算，當(dāng)汛期來水含沙量<3kg時(shí)，水庫水位在1076m運(yùn)行。當(dāng)來水含沙量>10kg或日平均來水流量>2700m3/s時(shí)，水位降至1069m泄水排沙；7月、9月當(dāng)來水含沙量>3kg或來水日平均流量大于沖沙臨界流量1500 m3/s時(shí)，水位降至1074m運(yùn)行；8月份，一般來水的含沙量較大，多是由于上游梯級(jí)青銅峽電站排沙所致，此時(shí)為了盡量減少水庫淤積，當(dāng)來水含沙量>3kg時(shí)，水庫降低水位至1071m，在降低庫水位的過程中，水庫以≤2700 m3/s流量泄水。綜合分析比較后確定水庫在該水位運(yùn)行10a后的調(diào)節(jié)庫容為1.82億m3[2]。

從遠(yuǎn)期來看，隨著海渤灣水庫泥沙的不斷淤積，水庫的調(diào)節(jié)庫容將不斷減小。但隨著大柳樹水利樞紐工程的開發(fā)建設(shè)，內(nèi)蒙古河段的防凌形勢(shì)將會(huì)發(fā)生根本性的改變，凌汛期對(duì)下游河道流量的控泄基本上可以由大柳樹水利樞紐承擔(dān)，海勃灣水庫就可以配合上游的控制性工程調(diào)節(jié)下泄水量的基礎(chǔ)上，提高汛期發(fā)電水位，盡量發(fā)揮工程發(fā)電效益。

3 調(diào)度運(yùn)行方式

海勃灣水利樞紐任務(wù)是防凌、發(fā)電等綜合利用。黃河是一條多泥沙河流，特別是汛期，入庫沙量占全年輸沙量的68%以上。因此汛期水庫有一個(gè)科學(xué)合理的運(yùn)行方式， 對(duì)水庫保持一定的防凌庫容，發(fā)揮應(yīng)有的防凌效益具有重要的意義。

汛期，當(dāng)上游來水含沙量<3kg時(shí)，水庫水位在1076m運(yùn)行。

7月、9月當(dāng)來水含沙量>3kg或來水日平均流量>1500 m3/s時(shí)，水位降至1074m運(yùn)行，當(dāng)來水含沙量>10kg或日平均來水流量>2700 m3/s時(shí)，水位降至1069m泄水排沙。

8月份，一般來水的含沙量較大，最大含沙量超過20kg，歷時(shí)約10-20天，當(dāng)來水含沙量>3kg時(shí)，海渤灣水庫此時(shí)降低水位至1071m運(yùn)行，當(dāng)來水含沙量>10kg或日平均來水流量>2700 m3/s時(shí)，水位降至1069m泄水排沙。

10月份是汛期的后期，又是蓄水期起始月。水庫應(yīng)盡快將水位蓄至正常蓄水位，以便使機(jī)組能夠發(fā)滿額定出力，提高發(fā)電效益。

11月-3月為凌汛期。封河期為11-12月，由于要向下游河道補(bǔ)水，封河期開始時(shí)水庫蓄至正常蓄水位；開河期為2-3月，由于控泄要求，水庫需要攔蓄部分上游來水，開河期開河前水庫盡量降至死水位。3月開河后水位盡快升至正常蓄水位。

凌汛期過后的4-6月為發(fā)電的大好時(shí)機(jī)，為了充分利用水能，水庫盡量維持在正常蓄水位運(yùn)行。

海勃灣水庫調(diào)度圖見圖1。

圖1 海勃灣水庫調(diào)度圖

4 結(jié) 語

水利樞紐特征水位的選擇決定水庫的調(diào)節(jié)性能、效益、工程投資、淹沒等指標(biāo)，是工程規(guī)模論證的重中之重。

海勃灣水利樞紐工程經(jīng)濟(jì)合理的特征水位選擇，可配合龍羊峽、劉家峽水庫的防凌調(diào)度，與下游堤防工程共同構(gòu)成比較完善的防凌工程體系，減輕下游河段的防凌負(fù)擔(dān)，減少凌災(zāi)損失；水電站利用天然水能發(fā)電，為當(dāng)?shù)卦黾右惶幥鍧嵖煽康碾娫袋c(diǎn)，提高了電網(wǎng)供電能力。

黃河海勃灣水利樞紐工程對(duì)黃河水能資源利用、優(yōu)化配置和河道綜合治理，優(yōu)化水資源配置格局起到重要的作用，可有效助推黃河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展。