淺析紫坪鋪水庫調(diào)峰對下游河道的影響

李衛(wèi)起，朱靈芝

(四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都，610072)

1 工程概況

紫坪鋪水利樞紐工程位于四川省成都市西北60余千米的岷江上游，其下游6km是聞名于世的都江堰水利樞紐工程。紫坪鋪水庫于2005年建成運(yùn)行至今已有近20a時(shí)間，在供水、防洪、發(fā)電及環(huán)保等方面均取得了良好的效益，為地方經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展做出了突出的貢獻(xiàn)。

紫坪鋪水庫作為川西電網(wǎng)的重要支撐電源點(diǎn)，承擔(dān)著調(diào)峰調(diào)頻調(diào)壓的任務(wù)，機(jī)組出力在日內(nèi)有峰谷變化，對下游河道造成波動(dòng)影響是不可避免的。紫坪鋪水庫具有季調(diào)節(jié)能力，按不完全年調(diào)節(jié)方式運(yùn)行。本文分別從汛期、枯期調(diào)節(jié)過程中選擇出具有代表性的典型日調(diào)度過程，計(jì)算分析電站調(diào)峰時(shí)下游河道代表斷面流量、水深等方面的變化特點(diǎn)，便于能夠直觀地認(rèn)識其影響程度，為今后優(yōu)化水庫的調(diào)度運(yùn)行方式提供參考依據(jù)。因平水期水庫主要任務(wù)是蓄水，水庫依據(jù)都江堰需水計(jì)劃和電網(wǎng)調(diào)度計(jì)劃利用電站機(jī)組向下游供水發(fā)電，與枯期供水發(fā)電方式比較類似，因此，本文不再選擇平水期調(diào)度過程單獨(dú)計(jì)算分析。

2 調(diào)度運(yùn)行方式

2.1 調(diào)度運(yùn)行方式

供水與發(fā)電相結(jié)合是紫坪鋪水庫最基本的調(diào)度運(yùn)行方式，汛期6-9月份水庫維持在汛限水位850m運(yùn)行，來水除供水發(fā)電外，多余水量由泄洪設(shè)施下泄；10-11月份按都江堰需水供水發(fā)電，多余水量蓄入庫中，并逐步蓄水至正常蓄水位877m；12-次年5月份按都江堰需水計(jì)劃供水發(fā)電，庫水位逐漸消落至死水位817m；供水期末根據(jù)來水情況再回蓄至汛限水位850m運(yùn)行。

2.2 調(diào)度運(yùn)行協(xié)調(diào)機(jī)制

“電調(diào)服從水調(diào)”是紫坪鋪水庫調(diào)度運(yùn)行的基本原則，每年年底，都江堰水利發(fā)展中心結(jié)合當(dāng)年岷江來水、灌區(qū)實(shí)際用水等情況，制定次年灌區(qū)需水計(jì)劃并提供給紫坪鋪公司，紫坪鋪公司據(jù)此折算機(jī)組出力并提出發(fā)電計(jì)劃建議提交至四川省電力調(diào)度控制中心，后者則據(jù)此制定發(fā)電調(diào)度計(jì)劃。

在日內(nèi)調(diào)度運(yùn)行方式協(xié)調(diào)方面，紫坪鋪公司提前一天給都江堰水利發(fā)展中心提供次日逐時(shí)調(diào)度計(jì)劃，都江堰水利發(fā)展中心則據(jù)此提前制定閘群調(diào)度方案，以應(yīng)對紫坪鋪調(diào)峰造成的來水波動(dòng)，保障閘群的運(yùn)行安全及供水安全。

3 調(diào)峰對下游河道的影響分析

紫坪鋪電站尾水至都江堰魚嘴河道長4.4km，平均寬度160m，平均比降2‰。本文選擇紫坪鋪站作為代表斷面，從水面寬、流速、水深等方面，根據(jù)該斷面水位流量關(guān)系曲線計(jì)算分析機(jī)組調(diào)峰在該斷面造成的波動(dòng)影響。該斷面位于岷江干流白沙河匯口上游處，不受白沙河來水的干擾，計(jì)算分析成果具有較好的代表性。

3.1 汛期典型日運(yùn)行情況

汛期洪水經(jīng)岷江上游各級水庫調(diào)蓄之后，大級別洪水減少，小級別洪水相應(yīng)增加，紫坪鋪水庫攔蓄800m3/s～1100m3/s的小洪水成為常態(tài)[1]。水庫為維持汛限水位850m運(yùn)行，則需要頻繁調(diào)節(jié)來水，一般情況下由4臺機(jī)組和泄洪設(shè)施完成。但由于沖沙放空洞、泄洪排沙洞均為高水頭高流速隧洞，流速高達(dá)45m/s，為國內(nèi)流速最高的輸水隧洞，高速水流產(chǎn)生的水力學(xué)問題及小開度泄流產(chǎn)生的空蝕作用給大壩造成極大的安全隱患，實(shí)際運(yùn)用中應(yīng)盡量避免采用頻繁調(diào)節(jié)閘門的方式來達(dá)到控制下泄流量的目的[2]。鑒于此，水庫主要運(yùn)用機(jī)組頻繁調(diào)節(jié)小級別洪水。

汛期典型日調(diào)度過程以2019年7月7日為例，該日紫坪鋪電站根據(jù)上游來水變化自上午8時(shí)之后每1～2小時(shí)調(diào)整一次出力，該日上游來水日均入庫流量800m3/s，水庫通過4臺機(jī)組及沖沙閘下泄水量維持汛限水位850m平穩(wěn)運(yùn)行。沖沙閘為全開模式，泄流量為313m3/s，其余水量通過機(jī)組下泄。

該日安排4臺機(jī)組調(diào)峰，最大出力75.58萬kW，發(fā)電流量793m3/s，水庫最大下泄流量1106m3/s，此時(shí)下游代表斷面寬168m，平均流速2.84m3/s，最大水深4.54m；低谷時(shí)段最小出力33.99萬kW，發(fā)電流量406m3/s，水庫最小下泄流量719m3/s，此時(shí)下游代表斷面寬160m，平均流速2.53m3/s，平均水深1.79m，最大水深4.07m。機(jī)組調(diào)峰與最小出力時(shí)相比，代表斷面流量相差387m3/s，水位變幅0.47m。汛期典型日代表斷面水位變幅特征見表1。

表1 汛期典型日代表斷面水位變幅特征

為分析汛期小級別洪水情況下下游河道波動(dòng)的極端情況，假定兩種情況進(jìn)行計(jì)算分析。第一種情況是該日調(diào)峰出力保持不變，低谷時(shí)段按一臺機(jī)組出力考慮，多余水量通過沖沙閘與泄洪洞下泄，考慮到泄洪洞局開控泄的不安全性采用全開大排的方式下泄；第二種情況是該日調(diào)峰出力保持不變，低谷時(shí)段仍按一臺機(jī)組出力考慮，同時(shí)允許庫水位短時(shí)上浮超汛限水位運(yùn)行，即不對來水調(diào)節(jié)。

第一種情況下水庫最大下泄流量17626m3/s，下游代表斷面寬171m，平均流速3.06m3/s，最大水深5.32m，與調(diào)峰時(shí)相比，代表斷面流量相差656m3/s，水位變幅0.78m，見表2。

表2 情況一代表斷面水位變幅特征

第二種情況下水庫下泄流量199m3/s，此時(shí)下游代表斷面寬78m，平均流速1.22m3/s，最大水深2.78m，與調(diào)峰時(shí)相比，代表斷面流量相差907m3/s，水位變幅1.76m，見表3。

表3 情況二代表斷面水位變幅特征

3.2 枯期典型日運(yùn)行情況

枯水期水庫主要任務(wù)為供水、發(fā)電，水庫主要通過機(jī)組以不低于保證出力16.8WM供水發(fā)電，電站最大出力與最小出力往往相差較大，因此，電站是否參與調(diào)峰對下游河道的影響最為突出。這種影響主要集中于每年11-次年1月份，水庫調(diào)峰次數(shù)以及變幅達(dá)到了一年之最[3]。

枯水期典型日調(diào)度過程以2019年1月4日為例，該日4臺機(jī)組參與調(diào)峰，當(dāng)日最大負(fù)荷70.3萬kW，發(fā)電流量655m3/s，此時(shí)代表斷面水面寬160m，平均流速2.36m3/s，最大水深3.81m；最小出力19.14萬kW，發(fā)電流量174m3/s，代表斷面水面寬78m，平均流速1.22m3/s，平均水深1.79m，最大水深2.78m。機(jī)組調(diào)峰與最小出力時(shí)相比，代表斷面流量相差481m3/s，水位變幅1.03m，見表4。

表4 枯水期典型日代表斷面水位變幅特征

4 結(jié)論及建議

通過分析可以看出，汛期水庫有防洪任務(wù)，下游河道波動(dòng)主要由電站調(diào)峰以及水庫對小級別洪水的調(diào)節(jié)等因素疊加造成，代表斷面波動(dòng)變幅在0.47m～1.76m左右；枯期水庫無防洪任務(wù)，下游河道波動(dòng)主要由電站出力峰谷變化造成，波動(dòng)幅度約0.93m左右。此外，不同斷面因河道比降、斷面形狀的不同，河道波動(dòng)的幅度可能存在很大差別，以上結(jié)果僅代表所選斷面波動(dòng)情況。

目前，紫坪鋪水庫采用四川電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電控制AGC模式運(yùn)行后，電站運(yùn)行減少了人工干預(yù)，電站調(diào)峰更加隨機(jī)，增加了對下游河道的影響和都江堰閘群調(diào)度工作的難度。因此，建議紫坪鋪公司與都發(fā)中心加強(qiáng)協(xié)作，加大技術(shù)措施研究和投入，建立智能聯(lián)動(dòng)的運(yùn)行調(diào)度系統(tǒng)，使兩工程的運(yùn)行調(diào)度更加協(xié)調(diào)統(tǒng)一。