巴基斯坦卡洛特水電站運行水位分析

蔡淑兵 安有貴 張利升

摘要：巴基斯坦卡洛特水電站是“一帶一路”倡議中首個大型水電投資建設(shè)項目，采用中國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，由中國企業(yè)負(fù)責(zé)設(shè)計、建設(shè)和運營，意義重大。為保證工程規(guī)模合理、經(jīng)濟(jì)可行且能長期有效發(fā)揮電站效益，針對調(diào)節(jié)庫容小、入庫沙量大等工程特點，總結(jié)了水庫運行水位選擇和排沙調(diào)度運行方式研究經(jīng)驗，提出了合理可行的工程規(guī)劃方案。研究成果可為國外同類型水電站工程規(guī)模論證提供參考。

關(guān)鍵詞：水庫運行水位; 排沙調(diào)度; 工程規(guī)劃; 吉拉姆河; 卡洛特水電站; 巴基斯坦

中圖分類號：TV737文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.05.015

文章編號：1006 - 0081（2022）05 - 0085 - 04

0 引 言

巴基斯坦位于南亞次大陸西北部，與中國接壤，水資源較為豐富，可開發(fā)量約60 000 MW，開發(fā)潛力巨大。巴基斯坦境內(nèi)河流泥沙含量普遍較大，如印度河平均含沙量2～3 kg/m3。20世紀(jì)70年代建成的塔貝拉等水庫，由于缺乏有效的排沙工程措施和排沙調(diào)度運行方式，水庫運行近40 a，泥沙淤積使庫容損失了30%以上[1]，導(dǎo)致水庫調(diào)節(jié)能力降低，影響了水庫效益的正常發(fā)揮和使用壽命。在巴基斯坦開發(fā)建設(shè)水電站需充分重視水庫泥沙對工程的影響，并將其作為重難點問題進(jìn)行認(rèn)真研究。本文以巴基斯坦卡洛特水電站為例，結(jié)合水庫泥沙特性，探討了電站運行水位及調(diào)度運行方式的選擇。

1 工程概況

卡洛特水電站位于巴基斯坦北部印度河支流吉拉姆河上，壩址坐落于旁遮普省境內(nèi)卡洛特橋上游約1 km，下距已建曼格拉大壩約74 km，西距伊斯蘭堡直線距離約55 km，對外交通便利，區(qū)位優(yōu)勢好。庫區(qū)地形狹窄，不具備形成較大庫容的條件，沿河兩岸零星分布少量房屋和耕地，無移民和環(huán)境制約因素。

壩址控制流域面積2.67萬km2，多年平均流量819 m3/s，多年平均懸移質(zhì)含沙量1.28 kg/m3。工程的開發(fā)任務(wù)主要為發(fā)電，水庫正常蓄水位461 m，正常蓄水位以下庫容1.52億m3，死水位451 m，調(diào)節(jié)庫容0.49億m3，具有日調(diào)節(jié)能力，電站裝機(jī)容量720 MW（4×180 MW），多年平均年發(fā)電量約32億kW·h。卡洛特水電站是“一帶一路”倡議首個能源投資項目，工程于2015年正式開工建設(shè)，2021年11月下閘蓄水，預(yù)計2022年上半年全部機(jī)組將投產(chǎn)發(fā)電。

2 正常蓄水位選擇

2.1 河流規(guī)劃

吉拉姆（Jhelum）河梯級開發(fā)方案研究始于20世紀(jì)50年代，首先開發(fā)建設(shè)了曼格拉（Mangla）水庫。1984～1989年間，德國GTZ公司提出了曼格拉大壩以上河段梯級規(guī)劃方案。2008年5月，巴基斯坦私營電力和基礎(chǔ)設(shè)施委員會（PPIB）在總結(jié)以往相關(guān)規(guī)劃成果和梯級電站設(shè)計成果的基礎(chǔ)上，對吉拉姆河干流曼格拉大壩以上河段梯級開發(fā)方案進(jìn)行了復(fù)核，提出吉拉姆河科哈拉（Kohala）至曼格拉河段規(guī)劃5級，自上而下依次為科哈拉、瑪爾（Mahl）、阿扎德帕坦（Azad Pattan）、卡洛特（Karot）和曼格拉等水電站，其中，曼格拉水電站已于1967年建成，2011年完成大壩加高。規(guī)劃梯級電站見表1。

2.2 正常蓄水位復(fù)核

在吉拉姆河梯級規(guī)劃方案中，卡洛特水電站正常蓄水位461 m，相應(yīng)的庫沙比僅5.2，水庫泥沙對電站長期運行影響較大，從流域整體開發(fā)的角度考慮，有必要對卡洛特水電站正常蓄水位進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

根據(jù)卡洛特水電站正常蓄水位抬高對移民實物指標(biāo)影響不大的特性，若將卡洛特與其上游的阿扎德帕坦合并為一級開發(fā)，將其正常蓄水位抬高至526 m，則正常蓄水位以下庫容可達(dá)7.5億m3左右，庫沙比約為26，水庫泥沙問題則比較容易解決。相應(yīng)的最大壩高由95.5 m增至160 m左右，對于瀝青混凝土心墻堆石壩而言，已有成熟工程經(jīng)驗可供借鑒。同時，正常蓄水位抬高還將大幅減少溢洪道開挖工程量，一座大壩較兩座大壩而言，工程量也將明顯減少。因此，將卡洛特與阿扎德帕坦兩級合并為一級開發(fā)，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都是合理可行的，抬高卡洛特水電站正常蓄水位至526 m無疑是一個更好的選擇。

然而，卡洛特水電站和阿扎德帕坦水電站的開發(fā)權(quán)分別授予了不同的開發(fā)商，協(xié)調(diào)難度極大，且卡洛特水電站正常蓄水位461 m已通過巴基斯坦政府相關(guān)部門審查并獲得了廣泛認(rèn)可。鑒于卡洛特水電站是“中巴經(jīng)濟(jì)走廊”優(yōu)先實施的能源項目之一，為有利于項目盡早開工建設(shè)，仍維持水庫正常蓄水位為461 m。

3 排沙運行水位選擇

卡洛特水電站壩址以上流域多年平均懸移質(zhì)輸沙量3 315萬t，含沙量為1.28 kg/m3，屬中等含沙河流，但相對于庫容而言，入庫沙量較大且級配較粗，泥沙是卡洛特水電站規(guī)劃設(shè)計中面臨的最大難題。為此，在研究水庫排沙調(diào)度運行方式的基礎(chǔ)上，比選排沙運行水位，并采用一維、三維數(shù)學(xué)模型和1∶100正態(tài)整體物理模型試驗，驗證排沙效果。

3.1 水庫“蓄清排渾”調(diào)度運行方式

以控制水庫泥沙淤積為目的的水庫運用方式主要有蓄洪運用、蓄清排渾運用、緩洪運用和多庫聯(lián)合運用等類型[2-5]。借鑒中國在多沙河流上的長期研究成果[6-11]，結(jié)合該工程特點，選擇“蓄清排渾”的運用方式處理卡洛特水電站的水庫泥沙問題?！靶钋迮艤啞边\用又可根據(jù)水庫的水沙條件和工程任務(wù)，采用以下幾種運行調(diào)度方案[12-13]。

（1） 汛期控制庫水位，汛末蓄水。根據(jù)水庫來水和來沙情況，在滿足水庫興利的前提下，設(shè)置排沙水位。汛期水庫控制在排沙水位運行，汛末蓄水運用。一般兼顧發(fā)電或有發(fā)電要求的水庫可采用這種運行方式。

（2） 汛期控制庫水位，相機(jī)排沙調(diào)度。水庫在汛期設(shè)置排沙水位，根據(jù)來水來沙情況，在泥沙含量不大的情況下，水庫在汛期控制庫水位運用;在含沙量大時，降低到最低排沙水位或是敞泄排沙。根據(jù)來水來沙和水庫使用要求確定排沙條件，當(dāng)水量或沙量大于某一界限時，水庫水位降低至最低排沙水位運用;否則，水庫則在汛期控制水位運用。采用這種運行方式的水庫，由于汛期空庫或低水位排沙運用，水庫降低水位后減少發(fā)電或不能發(fā)電，可能要破壞水庫興利。

（3） 汛期敞泄，汛末蓄水。水庫在汛期打開底孔閘門，不控制水位，敞泄運用;汛末再關(guān)閉底孔閘門，水庫蓄水運用。如果沒有發(fā)電要求，以灌溉和防洪為主的水庫可采用這種運行方式。

3.2 排沙調(diào)度運行方式初擬

根據(jù)中國相關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求，以保持調(diào)節(jié)庫容為主要目標(biāo)的水庫，宜在汛期或部分汛期控制庫水位調(diào)沙，也可按分級流量控制庫水位調(diào)沙，或者不控制庫水位采用異重流或敞泄排沙等方式[14]。

由于卡洛特水電站發(fā)電水頭變幅大，若水庫采用汛期控制在排沙水位運行的方式，設(shè)置的排沙水位高，則難以達(dá)到排沙效果;設(shè)置的排沙水位低，則發(fā)電受阻較為嚴(yán)重或長期處于停機(jī)排沙狀態(tài)，電量損失大，此種運行方式對卡洛特水電站不適用。汛期空庫敞泄排沙是被認(rèn)為解決庫區(qū)泥沙淤積行之有效的方法，但同樣對電站發(fā)電效益影響較大。

結(jié)合卡洛特水電站的特點，為兼顧發(fā)電與排沙，水庫宜采用汛期相機(jī)低水位排沙的運行方式。在汛期的主要來沙期間，當(dāng)入庫流量超過擬定的排沙流量，將水庫水位降至排沙水位運行，以增大庫區(qū)水面比降和水流速度，從而利于水庫排沙走沙，以實現(xiàn)電站長期有效運行。

為便于水庫運行管理，分級流量及相應(yīng)庫水位不宜設(shè)置過多，初步按兩級控制。在水庫降水位排沙期間，出庫水流含沙量將大幅增加，對水輪機(jī)的磨損危害大。因此，當(dāng)庫水位較低時，可考慮電站停機(jī)排沙。在水庫排沙運行期間，若庫水位變幅速度過快，可能造成庫區(qū)不穩(wěn)定、岸坡塌滑或危及大壩安全。根據(jù)庫岸地質(zhì)條件，為穩(wěn)妥起見，降水位和回蓄期間應(yīng)每天控制水位變幅。

3.3 排沙調(diào)度方案擬定

根據(jù)典型水沙系列，對不同流量級的累計輸沙量進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見圖1。多年平均情況下，入庫流量大于1 400，1 600 m3/s的天數(shù)分別為88，66 d，期間累計入庫沙量分別占年入庫沙量的74.2%，63.8%。入庫流量超過2 000 m3/s，平均每年出現(xiàn)的天數(shù)小于一個月，其中入庫流量大于2 000，2 200 m3/s的天數(shù)分別為28，15 d，期間累計入庫沙量分別占年入庫沙量的35.8%， 22.5%。

根據(jù)卡洛特水電站入庫水沙特性，初擬第一級排沙流量為1 400 m3/s，略大于機(jī)組滿發(fā)流量1 248 m3/s，小于該流量的累計入庫沙量約占年入庫沙量的75%，相應(yīng)的排沙水位為456 m，對電站出力受阻影響小。

結(jié)合每天最大水位降幅和排沙水位的泄洪能力要求，初擬第二級排沙流量2 000，2100 m3/s和2 200 m3/s等3個方案，第二級排沙水位分別為451，446 m和441 m。采用一維和三維數(shù)學(xué)模型對各組合方案進(jìn)行計算、分析和比較。方案擬定詳見表2。

3.4 排沙調(diào)度方案比選

從庫區(qū)及壩前泥沙淤積、調(diào)節(jié)庫容、發(fā)電量、水工布置等方面對第二級排沙流量和排沙水位組合方案進(jìn)行了比選。按上游不建梯級電站的最不利工況，分析了排沙效果。主要比選結(jié)論如下。

（1） 壩前泥沙淤積高程主要取決于排沙水位。水庫運行20 a后基本達(dá)到?jīng)_淤平衡，排沙水位451，446 m和441 m方案的壩前泥沙淤積高程基本維持在435，430 m和425 m左右。

（2） 各方案剩余調(diào)節(jié)庫容基本相當(dāng)。運行期前10 a，調(diào)節(jié)庫容損失速度較快，20 a后水庫調(diào)節(jié)庫容變化不大，可基本滿足日調(diào)節(jié)庫容需求。

（3） 同一排沙流量下，因電站停機(jī)排沙的時間基本相同，排沙水位變化對電站發(fā)電量影響差別不大;同一排沙水位下，排沙流量越小，電站停機(jī)排沙時間越長，對電站發(fā)電量影響越大。

（4） 對于排沙流量2 200 m3/s的方案，由于平均每年電站停機(jī)排沙時間僅11 d，電站進(jìn)水口門前已經(jīng)出現(xiàn)淤積，存在坍塌的風(fēng)險。除排沙水位451 m方案外，其余各方案壩前泥沙淤積高程均低于電站進(jìn)水口底板高程，能滿足壩前沖沙和電站進(jìn)水口“門前清”要求，保證電站正常取水發(fā)電。

（5） 按照在排沙水位時泄洪排沙孔的泄流能力不小于2 a一遇洪峰流量[15]，對應(yīng)樞紐總泄流能力不小于5 a一遇洪峰流量進(jìn)行水工布置。排沙水位越高，所需泄洪排沙孔規(guī)模越小，對應(yīng)工程投資也越少。從經(jīng)濟(jì)性角度來看，排沙運行水位高的方案，投資相對較低。

綜上所述，從排沙效果和保證電站進(jìn)水口“門前清”的角度分析，第二級排沙流量應(yīng)低于2 200 m3/s，且排沙水位低的方案相對較優(yōu);從對發(fā)電量影響的角度分析，第二級排沙流量大、排沙水位高的方案發(fā)電量損失小。因此，綜合考慮工程運行安全，兼顧發(fā)電與排沙，推薦卡洛特水電站排沙流量按兩級控制，第一級排沙流量為1 400 m3/s，相應(yīng)排沙水位為456 m;第二級流量為2 100 m3/s，相應(yīng)排沙水位為446 m。具體排沙調(diào)度運行方式如下。

（1） 當(dāng)入庫流量大于1 400 m3/s，但小于2 100 m3/s時，在盡量滿足電站機(jī)組滿發(fā)的情況下，允許水庫水位降至456 m運行。

（2） 當(dāng)入庫流量大于2 100 m3/s，水庫降水位排沙，每日水位降幅初步按不超過5 m控制，直至排沙運行水位446 m，當(dāng)水庫水位降至451 m以下，電站停機(jī)。

（3） 當(dāng)入庫流量小于2 100 m3/s時，水庫開始充蓄，蓄水期間控制庫水位上漲率不超過10 m/d。當(dāng)庫水位高于451 m，且發(fā)電水頭滿足機(jī)組安全運行要求時，電站開機(jī)運行;當(dāng)庫水位達(dá)到456 m時，若入庫流量大于1 400 m3/s，水庫可維持在456 m運行，否則庫水位可逐步回蓄至正常蓄水位461 m。

4 死水位選擇

卡洛特水電站僅具有日調(diào)節(jié)性能，從壩前泥沙淤積高程、電站取水及發(fā)電最低水位要求、日調(diào)節(jié)庫容等方面，結(jié)合水庫排沙運行，選擇水庫死水位。

根據(jù)水庫泥沙淤積計算成果，采取排沙調(diào)度方案后，水庫運行20 a后壩前泥沙淤積高程約430 m。由于電站進(jìn)水口流道底板高程431.5 m，考慮洞徑和發(fā)電所需最小淹沒深度后，滿足電站進(jìn)水口安全運用的最低發(fā)電水位不應(yīng)低于448.5 m。按泥沙沖淤平衡后的庫容曲線分析，滿足電站日調(diào)節(jié)庫容要求，水庫死水位應(yīng)在458 m左右。

綜上分析，選擇水庫死水位為458 m即可滿足發(fā)電任務(wù)要求。結(jié)合水庫排沙調(diào)度運行水位，考慮留有一定的余度，并盡量減少水庫排沙運行期間對電站發(fā)電效益的影響及提高電站調(diào)度的靈活性，選擇水庫死水位為451 m。一般情況下，電站在庫水位461～458 m之間進(jìn)行日調(diào)節(jié)運行;排沙期間，庫水位降至451 m時，電站仍能正常發(fā)電，當(dāng)庫水位低于451 m時，電站停機(jī)。

5 經(jīng)驗與啟示

總結(jié)卡洛特水電站運行水位選擇，對國外類似工程有如下經(jīng)驗和啟示。

（1） 國外水電開發(fā)一般只針對單個電站。應(yīng)從水能資源合理利用角度對梯級開發(fā)方案進(jìn)行評估，對于明顯不合理的方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

（2） 對于泥沙含量較大或庫沙比較小的水庫，泥沙問題是否得到妥善解決是項目成敗的關(guān)鍵。從工程規(guī)劃，到設(shè)計、建設(shè)、運營、管理等全生命周期都應(yīng)將泥沙作為重難點問題進(jìn)行研究。

（3） 水庫排沙調(diào)度運行方式有多種多樣，應(yīng)結(jié)合項目開發(fā)任務(wù)和水沙特性，選擇適合的類型，有條件時還應(yīng)采用數(shù)學(xué)模型與物理模型相結(jié)合的方式驗證排沙效果。

6 結(jié) 語

本文借鑒中國多沙河流的水庫規(guī)劃設(shè)計和排沙調(diào)度研究成果，以巴基斯坦卡洛特水電站為例，結(jié)合工程特點及水沙特性，選擇了水庫運行水位，采用了汛期相機(jī)低水位排沙的運行方式，初步擬定了電站排沙調(diào)度運行方式，可用于指導(dǎo)電站設(shè)計及水庫調(diào)度運行，也可為其他同類型電站的規(guī)劃設(shè)計和調(diào)度運行提供參考。但是，由于排沙時機(jī)的選擇與入庫水量密切相關(guān)，造成每年排沙次數(shù)和排沙時間存在差異，尤其是停機(jī)排沙時間的不確定，對電站和電網(wǎng)影響均較大，可結(jié)合購電協(xié)議中對電站每年排沙次數(shù)和排沙時間的要求，以及電站建成后實際泥沙淤積情況，進(jìn)一步完善排沙調(diào)度運行方式。

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0 引 言

巴基斯坦位于南亞次大陸西北部，與中國接壤，水資源較為豐富，可開發(fā)量約60 000 MW，開發(fā)潛力巨大。巴基斯坦境內(nèi)河流泥沙含量普遍較大，如印度河平均含沙量2～3 kg/m3。20世紀(jì)70年代建成的塔貝拉等水庫，由于缺乏有效的排沙工程措施和排沙調(diào)度運行方式，水庫運行近40 a，泥沙淤積使庫容損失了30%以上[1]，導(dǎo)致水庫調(diào)節(jié)能力降低，影響了水庫效益的正常發(fā)揮和使用壽命。在巴基斯坦開發(fā)建設(shè)水電站需充分重視水庫泥沙對工程的影響，并將其作為重難點問題進(jìn)行認(rèn)真研究。本文以巴基斯坦卡洛特水電站為例，結(jié)合水庫泥沙特性，探討了電站運行水位及調(diào)度運行方式的選擇。

1 工程概況

卡洛特水電站位于巴基斯坦北部印度河支流吉拉姆河上，壩址坐落于旁遮普省境內(nèi)卡洛特橋上游約1 km，下距已建曼格拉大壩約74 km，西距伊斯蘭堡直線距離約55 km，對外交通便利，區(qū)位優(yōu)勢好。庫區(qū)地形狹窄，不具備形成較大庫容的條件，沿河兩岸零星分布少量房屋和耕地，無移民和環(huán)境制約因素。

壩址控制流域面積2.67萬km2，多年平均流量819 m3/s，多年平均懸移質(zhì)含沙量1.28 kg/m3。工程的開發(fā)任務(wù)主要為發(fā)電，水庫正常蓄水位461 m，正常蓄水位以下庫容1.52億m3，死水位451 m，調(diào)節(jié)庫容0.49億m3，具有日調(diào)節(jié)能力，電站裝機(jī)容量720 MW（4×180 MW），多年平均年發(fā)電量約32億kW·h。卡洛特水電站是“一帶一路”倡議首個能源投資項目，工程于2015年正式開工建設(shè)，2021年11月下閘蓄水，預(yù)計2022年上半年全部機(jī)組將投產(chǎn)發(fā)電。

2 正常蓄水位選擇

2.1 河流規(guī)劃

吉拉姆（Jhelum）河梯級開發(fā)方案研究始于20世紀(jì)50年代，首先開發(fā)建設(shè)了曼格拉（Mangla）水庫。1984～1989年間，德國GTZ公司提出了曼格拉大壩以上河段梯級規(guī)劃方案。2008年5月，巴基斯坦私營電力和基礎(chǔ)設(shè)施委員會（PPIB）在總結(jié)以往相關(guān)規(guī)劃成果和梯級電站設(shè)計成果的基礎(chǔ)上，對吉拉姆河干流曼格拉大壩以上河段梯級開發(fā)方案進(jìn)行了復(fù)核，提出吉拉姆河科哈拉（Kohala）至曼格拉河段規(guī)劃5級，自上而下依次為科哈拉、瑪爾（Mahl）、阿扎德帕坦（Azad Pattan）、卡洛特（Karot）和曼格拉等水電站，其中，曼格拉水電站已于1967年建成，2011年完成大壩加高。規(guī)劃梯級電站見表1。

表1 吉拉姆河規(guī)劃梯級電站特性

Tab.1 Characteristics of planned cascade hydropower projects on Jhelum River

[電站名稱 正常蓄水位/m 裝機(jī)容量/MW 調(diào)節(jié)性能 開發(fā)方式 科哈拉 900 1100 日調(diào)節(jié) 引水式 瑪爾 585 700 日調(diào)節(jié) 壩式 阿扎德帕坦 526 640 日調(diào)節(jié) 壩式 卡洛特 461 720 日調(diào)節(jié) 壩式 ]

2.2 正常蓄水位復(fù)核

在吉拉姆河梯級規(guī)劃方案中，卡洛特水電站正常蓄水位461 m，相應(yīng)的庫沙比僅5.2，水庫泥沙對電站長期運行影響較大，從流域整體開發(fā)的角度考慮，有必要對卡洛特水電站正常蓄水位進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

根據(jù)卡洛特水電站正常蓄水位抬高對移民實物指標(biāo)影響不大的特性，若將卡洛特與其上游的阿扎德帕坦合并為一級開發(fā)，將其正常蓄水位抬高至526 m，則正常蓄水位以下庫容可達(dá)7.5億m3左右，庫沙比約為26，水庫泥沙問題則比較容易解決。相應(yīng)的最大壩高由95.5 m增至160 m左右，對于瀝青混凝土心墻堆石壩而言，已有成熟工程經(jīng)驗可供借鑒。同時，正常蓄水位抬高還將大幅減少溢洪道開挖工程量，一座大壩較兩座大壩而言，工程量也將明顯減少。因此，將卡洛特與阿扎德帕坦兩級合并為一級開發(fā)，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都是合理可行的，抬高卡洛特水電站正常蓄水位至526 m無疑是一個更好的選擇。

然而，卡洛特水電站和阿扎德帕坦水電站的開發(fā)權(quán)分別授予了不同的開發(fā)商，協(xié)調(diào)難度極大，且卡洛特水電站正常蓄水位461 m已通過巴基斯坦政府相關(guān)部門審查并獲得了廣泛認(rèn)可。鑒于卡洛特水電站是“中巴經(jīng)濟(jì)走廊”優(yōu)先實施的能源項目之一，為有利于項目盡早開工建設(shè)，仍維持水庫正常蓄水位為461 m。

3 排沙運行水位選擇

卡洛特水電站壩址以上流域多年平均懸移質(zhì)輸沙量3 315萬t，含沙量為1.28 kg/m3，屬中等含沙河流，但相對于庫容而言，入庫沙量較大且級配較粗，泥沙是卡洛特水電站規(guī)劃設(shè)計中面臨的最大難題。為此，在研究水庫排沙調(diào)度運行方式的基礎(chǔ)上，比選排沙運行水位，并采用一維、三維數(shù)學(xué)模型和1∶100正態(tài)整體物理模型試驗，驗證排沙效果。

3.1 水庫“蓄清排渾”調(diào)度運行方式

以控制水庫泥沙淤積為目的的水庫運用方式主要有蓄洪運用、蓄清排渾運用、緩洪運用和多庫聯(lián)合運用等類型[2-5]。借鑒中國在多沙河流上的長期研究成果[6-11]，結(jié)合該工程特點，選擇“蓄清排渾”的運用方式處理卡洛特水電站的水庫泥沙問題?！靶钋迮艤啞边\用又可根據(jù)水庫的水沙條件和工程任務(wù)，采用以下幾種運行調(diào)度方案[12-13]。

（1） 汛期控制庫水位，汛末蓄水。根據(jù)水庫來水和來沙情況，在滿足水庫興利的前提下，設(shè)置排沙水位。汛期水庫控制在排沙水位運行，汛末蓄水運用。一般兼顧發(fā)電或有發(fā)電要求的水庫可采用這種運行方式。

（2） 汛期控制庫水位，相機(jī)排沙調(diào)度。水庫在汛期設(shè)置排沙水位，根據(jù)來水來沙情況，在泥沙含量不大的情況下，水庫在汛期控制庫水位運用;在含沙量大時，降低到最低排沙水位或是敞泄排沙。根據(jù)來水來沙和水庫使用要求確定排沙條件，當(dāng)水量或沙量大于某一界限時，水庫水位降低至最低排沙水位運用;否則，水庫則在汛期控制水位運用。采用這種運行方式的水庫，由于汛期空庫或低水位排沙運用，水庫降低水位后減少發(fā)電或不能發(fā)電，可能要破壞水庫興利。

（3） 汛期敞泄，汛末蓄水。水庫在汛期打開底孔閘門，不控制水位，敞泄運用;汛末再關(guān)閉底孔閘門，水庫蓄水運用。如果沒有發(fā)電要求，以灌溉和防洪為主的水庫可采用這種運行方式。

3.2 排沙調(diào)度運行方式初擬

根據(jù)中國相關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求，以保持調(diào)節(jié)庫容為主要目標(biāo)的水庫，宜在汛期或部分汛期控制庫水位調(diào)沙，也可按分級流量控制庫水位調(diào)沙，或者不控制庫水位采用異重流或敞泄排沙等方式[14]。

由于卡洛特水電站發(fā)電水頭變幅大，若水庫采用汛期控制在排沙水位運行的方式，設(shè)置的排沙水位高，則難以達(dá)到排沙效果;設(shè)置的排沙水位低，則發(fā)電受阻較為嚴(yán)重或長期處于停機(jī)排沙狀態(tài)，電量損失大，此種運行方式對卡洛特水電站不適用。汛期空庫敞泄排沙是被認(rèn)為解決庫區(qū)泥沙淤積行之有效的方法，但同樣對電站發(fā)電效益影響較大。

結(jié)合卡洛特水電站的特點，為兼顧發(fā)電與排沙，水庫宜采用汛期相機(jī)低水位排沙的運行方式。在汛期的主要來沙期間，當(dāng)入庫流量超過擬定的排沙流量，將水庫水位降至排沙水位運行，以增大庫區(qū)水面比降和水流速度，從而利于水庫排沙走沙，以實現(xiàn)電站長期有效運行。

為便于水庫運行管理，分級流量及相應(yīng)庫水位不宜設(shè)置過多，初步按兩級控制。在水庫降水位排沙期間，出庫水流含沙量將大幅增加，對水輪機(jī)的磨損危害大。因此，當(dāng)庫水位較低時，可考慮電站停機(jī)排沙。在水庫排沙運行期間，若庫水位變幅速度過快，可能造成庫區(qū)不穩(wěn)定、岸坡塌滑或危及大壩安全。根據(jù)庫岸地質(zhì)條件，為穩(wěn)妥起見，降水位和回蓄期間應(yīng)每天控制水位變幅。

3.3 排沙調(diào)度方案擬定

根據(jù)典型水沙系列，對不同流量級的累計輸沙量進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見圖1。多年平均情況下，入庫流量大于1 400，1 600 m3/s的天數(shù)分別為88，66 d，期間累計入庫沙量分別占年入庫沙量的74.2%，63.8%。入庫流量超過2 000 m3/s，平均每年出現(xiàn)的天數(shù)小于一個月，其中入庫流量大于2 000，2 200 m3/s的天數(shù)分別為28，15 d，期間累計入庫沙量分別占年入庫沙量的35.8%， 22.5%。

圖1 輸沙量累計曲線

Fig. 1 Accumulative curve of sediment discharge

根據(jù)卡洛特水電站入庫水沙特性，初擬第一級排沙流量為1 400 m3/s，略大于機(jī)組滿發(fā)流量1 248 m3/s，小于該流量的累計入庫沙量約占年入庫沙量的75%，相應(yīng)的排沙水位為456 m，對電站出力受阻影響小。

結(jié)合每天最大水位降幅和排沙水位的泄洪能力要求，初擬第二級排沙流量2 000，2100 m3/s和2 200 m3/s等3個方案，第二級排沙水位分別為451，446 m和441 m。采用一維和三維數(shù)學(xué)模型對各組合方案進(jìn)行計算、分析和比較。方案擬定詳見表2。

表2 各方案主要參數(shù)

Tab. 2 Main parameters of each scheme

[方案

編號 第一級 第二級 流量/（m3·s-1） 水位/m 流量/（m3·s-1） 水位/m 1 1400 456 2000 446 2 2100 451 3 446 4 441 5 2200 446 ]

3.4 排沙調(diào)度方案比選

從庫區(qū)及壩前泥沙淤積、調(diào)節(jié)庫容、發(fā)電量、水工布置等方面對第二級排沙流量和排沙水位組合方案進(jìn)行了比選。按上游不建梯級電站的最不利工況，分析了排沙效果。主要比選結(jié)論如下。

（1） 壩前泥沙淤積高程主要取決于排沙水位。水庫運行20 a后基本達(dá)到?jīng)_淤平衡，排沙水位451，446 m和441 m方案的壩前泥沙淤積高程基本維持在435，430 m和425 m左右。

（2） 各方案剩余調(diào)節(jié)庫容基本相當(dāng)。運行期前10 a，調(diào)節(jié)庫容損失速度較快，20 a后水庫調(diào)節(jié)庫容變化不大，可基本滿足日調(diào)節(jié)庫容需求。

（3） 同一排沙流量下，因電站停機(jī)排沙的時間基本相同，排沙水位變化對電站發(fā)電量影響差別不大;同一排沙水位下，排沙流量越小，電站停機(jī)排沙時間越長，對電站發(fā)電量影響越大。

（4） 對于排沙流量2 200 m3/s的方案，由于平均每年電站停機(jī)排沙時間僅11 d，電站進(jìn)水口門前已經(jīng)出現(xiàn)淤積，存在坍塌的風(fēng)險。除排沙水位451 m方案外，其余各方案壩前泥沙淤積高程均低于電站進(jìn)水口底板高程，能滿足壩前沖沙和電站進(jìn)水口“門前清”要求，保證電站正常取水發(fā)電。

（5） 按照在排沙水位時泄洪排沙孔的泄流能力不小于2 a一遇洪峰流量[15]，對應(yīng)樞紐總泄流能力不小于5 a一遇洪峰流量進(jìn)行水工布置。排沙水位越高，所需泄洪排沙孔規(guī)模越小，對應(yīng)工程投資也越少。從經(jīng)濟(jì)性角度來看，排沙運行水位高的方案，投資相對較低。

綜上所述，從排沙效果和保證電站進(jìn)水口“門前清”的角度分析，第二級排沙流量應(yīng)低于2 200 m3/s，且排沙水位低的方案相對較優(yōu);從對發(fā)電量影響的角度分析，第二級排沙流量大、排沙水位高的方案發(fā)電量損失小。因此，綜合考慮工程運行安全，兼顧發(fā)電與排沙，推薦卡洛特水電站排沙流量按兩級控制，第一級排沙流量為1 400 m3/s，相應(yīng)排沙水位為456 m;第二級流量為2 100 m3/s，相應(yīng)排沙水位為446 m。具體排沙調(diào)度運行方式如下。

（1） 當(dāng)入庫流量大于1 400 m3/s，但小于2 100 m3/s時，在盡量滿足電站機(jī)組滿發(fā)的情況下，允許水庫水位降至456 m運行。

（2） 當(dāng)入庫流量大于2 100 m3/s，水庫降水位排沙，每日水位降幅初步按不超過5 m控制，直至排沙運行水位446 m，當(dāng)水庫水位降至451 m以下，電站停機(jī)。

（3） 當(dāng)入庫流量小于2 100 m3/s時，水庫開始充蓄，蓄水期間控制庫水位上漲率不超過10 m/d。當(dāng)庫水位高于451 m，且發(fā)電水頭滿足機(jī)組安全運行要求時，電站開機(jī)運行;當(dāng)庫水位達(dá)到456 m時，若入庫流量大于1 400 m3/s，水庫可維持在456 m運行，否則庫水位可逐步回蓄至正常蓄水位461 m。

4 死水位選擇

卡洛特水電站僅具有日調(diào)節(jié)性能，從壩前泥沙淤積高程、電站取水及發(fā)電最低水位要求、日調(diào)節(jié)庫容等方面，結(jié)合水庫排沙運行，選擇水庫死水位。

根據(jù)水庫泥沙淤積計算成果，采取排沙調(diào)度方案后，水庫運行20 a后壩前泥沙淤積高程約430 m。由于電站進(jìn)水口流道底板高程431.5 m，考慮洞徑和發(fā)電所需最小淹沒深度后，滿足電站進(jìn)水口安全運用的最低發(fā)電水位不應(yīng)低于448.5 m。按泥沙沖淤平衡后的庫容曲線分析，滿足電站日調(diào)節(jié)庫容要求，水庫死水位應(yīng)在458 m左右。

綜上分析，選擇水庫死水位為458 m即可滿足發(fā)電任務(wù)要求。結(jié)合水庫排沙調(diào)度運行水位，考慮留有一定的余度，并盡量減少水庫排沙運行期間對電站發(fā)電效益的影響及提高電站調(diào)度的靈活性，選擇水庫死水位為451 m。一般情況下，電站在庫水位461～458 m之間進(jìn)行日調(diào)節(jié)運行;排沙期間，庫水位降至451 m時，電站仍能正常發(fā)電，當(dāng)庫水位低于451 m時，電站停機(jī)。

5 經(jīng)驗與啟示

總結(jié)卡洛特水電站運行水位選擇，對國外類似工程有如下經(jīng)驗和啟示。

（1） 國外水電開發(fā)一般只針對單個電站。應(yīng)從水能資源合理利用角度對梯級開發(fā)方案進(jìn)行評估，對于明顯不合理的方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

（2） 對于泥沙含量較大或庫沙比較小的水庫，泥沙問題是否得到妥善解決是項目成敗的關(guān)鍵。從工程規(guī)劃，到設(shè)計、建設(shè)、運營、管理等全生命周期都應(yīng)將泥沙作為重難點問題進(jìn)行研究。

（3） 水庫排沙調(diào)度運行方式有多種多樣，應(yīng)結(jié)合項目開發(fā)任務(wù)和水沙特性，選擇適合的類型，有條件時還應(yīng)采用數(shù)學(xué)模型與物理模型相結(jié)合的方式驗證排沙效果。

6 結(jié) 語

本文借鑒中國多沙河流的水庫規(guī)劃設(shè)計和排沙調(diào)度研究成果，以巴基斯坦卡洛特水電站為例，結(jié)合工程特點及水沙特性，選擇了水庫運行水位，采用了汛期相機(jī)低水位排沙的運行方式，初步擬定了電站排沙調(diào)度運行方式，可用于指導(dǎo)電站設(shè)計及水庫調(diào)度運行，也可為其他同類型電站的規(guī)劃設(shè)計和調(diào)度運行提供參考。但是，由于排沙時機(jī)的選擇與入庫水量密切相關(guān)，造成每年排沙次數(shù)和排沙時間存在差異，尤其是停機(jī)排沙時間的不確定，對電站和電網(wǎng)影響均較大，可結(jié)合購電協(xié)議中對電站每年排沙次數(shù)和排沙時間的要求，以及電站建成后實際泥沙淤積情況，進(jìn)一步完善排沙調(diào)度運行方式。

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（編輯：唐湘茜）

Analysis on operation water level of Karot Hydropower Station in Pakistan

CAI Shubing，AN Yougui，ZHANG Lisheng

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract： Karot Hydropower Station is the first large-scale hydropower construction project of the Belt and Road Initiative， and the project is of great significance with designed， constructed and operated by Chinese technical standards and Chinese enterprises. In order to ensure that the project scale is reasonable， economically feasible and long-term function playing effectively of power generation benefits， this paper summarizes research experience on selection of reservoir operational water level and sediment releasing operation by considering the reservoir characteristics of small regulation capacity and large sediment inflow， and puts forward a reasonable and feasible project planning scheme， which can provide a certain reference for the project scale demonstration of similar hydropower projects abroad.

Key words：reservoir operation water level; sediment releasing operation; hydropower project planning; Jhelum River; Karot Hydropower Station; Pakistan

（編輯：唐湘茜）

收稿日期：2021-08-10

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2016YFC0402309）

作者簡介：蔡淑兵，男，高級工程師，碩士，主要從事水利水電規(guī)劃設(shè)計工作。E-mail：caishubing@cjwsjy.com.cn