紅山水庫(kù)特征水位選擇及初期蓄水分析

周彥青

(新疆金溝河流域管理局，新疆 沙灣 832100)

特征水位是水庫(kù)規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，選取合理與否直接關(guān)系到水庫(kù)的安全運(yùn)行與效益發(fā)揮[1-2]。紅山水庫(kù)位于新疆塔城地區(qū)沙灣市博爾通古鄉(xiāng)，是以灌溉、防洪、工業(yè)供水為首要任務(wù)的水利樞紐工程，其次為兼顧發(fā)電，水庫(kù)建成后，下游灌區(qū)受益灌溉面積5606.67 hm2，可每年新增工業(yè)供水量3358.1萬m3，將金溝河下游防護(hù)對(duì)象的防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到30 a一遇，水庫(kù)電站裝機(jī)容量 8 MW，每年可向沙灣市電網(wǎng)輸送2113萬kW·h的電量。

1 水庫(kù)特征水位選擇

1.1 死水位選擇

紅山水庫(kù)是以灌溉、防洪、工業(yè)供水為首要任務(wù)的水利樞紐工程，其次為兼顧發(fā)電。金溝河是北疆地區(qū)泥沙含量較大的河流之一，水庫(kù)建成后泥沙淤積對(duì)水庫(kù)的影響是較大的[3]。死水位的確定主要從以下四個(gè)方面考慮。

(1)下游灌區(qū)引水對(duì)水庫(kù)最低運(yùn)行水位的要求。紅山水庫(kù)下游灌區(qū)引水口位于壩址下游河道上，水庫(kù)下泄農(nóng)業(yè)灌溉水是通過渠首引入灌區(qū)。金溝河引水渠首距水庫(kù)距離約1.3 km，引水渠首灌溉設(shè)計(jì)引水位820 m，而紅山水庫(kù)壩址斷面河底高程為827 m，高于下游灌區(qū)灌溉渠首設(shè)計(jì)引水水位。因此，下游灌區(qū)引水對(duì)紅山水庫(kù)最低運(yùn)行水位沒有限制要求。

(2)泥沙淤積要求。在考慮水庫(kù)供水、沖沙等調(diào)度運(yùn)用方式的前提下，進(jìn)行了水庫(kù)泥沙沖淤計(jì)算，水庫(kù)運(yùn)行30年后平均淤積高程約為853 m，庫(kù)水位853 m 對(duì)應(yīng)容積為298萬m3，淤積后853 m以下水庫(kù)庫(kù)容已十分有限。

(3)水工布置要求。根據(jù)水工建筑物設(shè)計(jì)方案，導(dǎo)流兼泄洪洞洞口高3.5 m，發(fā)電洞洞口高3.0 m，由于兩洞交叉布置，兩洞間巖層安全凈距要求為6.5 m，為了滿足發(fā)電洞有壓流要求還需洞口淹沒水深3.0 m，因此水工布置水深要求共計(jì)為16.0 m。結(jié)合壩址河床高程827.0 m，滿足水工要求布置的最低水位為843.0 m。

(4)機(jī)組發(fā)電運(yùn)行的要求。電站采用堤壩式開發(fā)，水庫(kù)消落深度的選擇對(duì)電站運(yùn)行影響較大，消落深度過大會(huì)造成機(jī)組受阻，在高水位情況下會(huì)產(chǎn)生機(jī)組震蕩的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。工程任務(wù)兼顧發(fā)電，在考慮灌溉供水、工業(yè)供水滿足的前提下，按55%消落深度考慮為最低方案，因此水庫(kù)最低死水位不得低于852 m。

綜合考慮以上因素，以泥沙淤積、水工布置和機(jī)組發(fā)電運(yùn)行要求確定紅山水庫(kù)死水位最低為853 m。

1.2 正常蓄水位選擇

紅山水庫(kù)承擔(dān)下游灌區(qū)的灌溉和區(qū)域工業(yè)供水任務(wù)。通過長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，滿足灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水和工業(yè)供水要求所需調(diào)節(jié)庫(kù)容為2960萬m3，淤積30年對(duì)應(yīng)水位為887 m，相應(yīng)原始庫(kù)容為4737萬m3。紅山水庫(kù)滿足灌溉用水要求的最低正常蓄水位不能低于887 m。在滿足灌溉用水要求的前提下，紅山水庫(kù)的防洪高水位為887 m。在滿足流域灌溉、工業(yè)供水、防洪要求的前提下，考慮紅山水庫(kù)正常蓄水位的抬高可增加水庫(kù)的調(diào)節(jié)庫(kù)容和發(fā)電水頭，以887 m為基本方案，按水位2 m間隔擬定887 m、889 m、891 m、893 m四組正常蓄水位方案進(jìn)行比選，各方案死水位均為853 m。紅山水庫(kù)不同正常蓄水位參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 紅山水庫(kù)不同正常蓄水位參數(shù)

(1)從動(dòng)能指標(biāo)分析。隨著水庫(kù)正常蓄水位的抬高，各方案的多年平均年發(fā)電量在增加，但方案之間的電量增量有限且逐漸減小。

(2)從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析。從表1可以看出，正常蓄水位為887 m、889 m、891 m 和893 m方案的淹沒補(bǔ)償投資分別為4028.58萬元、4249.36萬元、4445.13萬元、4635.53萬元，投資差分別為220.78萬元、195.77萬元、190.40萬元，從水庫(kù)淹沒投資差可以看出，隨著正常蓄水位的變化，投資差額變化不大。因此，水庫(kù)淹沒補(bǔ)償對(duì)正常蓄水位不存在制約因素；從經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值及經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率看，方案一凈現(xiàn)值及經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率均最大，方案一較其他方案優(yōu)。

綜上所述，本工程在滿足灌溉及工業(yè)供水任務(wù)的前提下，結(jié)合環(huán)境影響、地形地質(zhì)和工程建設(shè)技術(shù)條件，從水庫(kù)動(dòng)能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面分析，通過增加工程正常蓄水位來增加工程電站發(fā)電量，電量的增加較小，方案一凈現(xiàn)值及經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率最大，因此，確定水庫(kù)正常蓄水位為887 m。

1.3 水庫(kù)汛限水位確定

紅山水庫(kù)工程位于金溝河出山口處，其下游河道無大的洪溝匯入。根據(jù)金溝河現(xiàn)狀防洪工程情況分析，結(jié)合金溝河各河段河道過流能力，選取紅山水庫(kù)斷面下游河道防洪控制斷面為金溝河渠首斷面，按照斷面過流能力，確定金溝河下游河段的安全泄量為211 m3/s。紅山水庫(kù)工程采用防洪庫(kù)容與興利庫(kù)容完全結(jié)合的方式，確定紅山水庫(kù)工程的汛限水位為884.89 m。

(1)防洪高水位。按照興利與防洪完全結(jié)合的防洪方案要求，水庫(kù)防洪高水位為正常蓄水位[4]，洪水調(diào)節(jié)以水庫(kù)汛限水位884.89 m為起調(diào)水位，對(duì)30 a一遇的洪水進(jìn)行調(diào)洪演算，壩前最高水位為887 m。紅山水庫(kù)的防洪高水位為887.00 m，防洪庫(kù)容為336萬m3。

(2)設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位。根據(jù)水庫(kù)規(guī)模和壩型，紅山水庫(kù)的設(shè)計(jì)洪水頻率為100 a一遇。以水庫(kù)汛限水位884.89 m為起調(diào)水位，對(duì)100 a一遇的洪水進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，壩前最高水位為887.53 m。紅山水庫(kù)的設(shè)計(jì)洪水位為887.53 m，攔洪庫(kù)容383萬m3；以水庫(kù)汛限水位884.89為起調(diào)水位，對(duì)2000 a一遇洪水進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，壩前最高水位為890.04 m。紅山水庫(kù)的校核洪水位為890.04 m，水庫(kù)調(diào)洪庫(kù)容750萬m3。

2 初期蓄水分析

初期蓄水期間紅山水庫(kù)壩址下游的用水主要為金溝河灌區(qū)的灌溉用水和下游河道的生態(tài)基流。紅山水庫(kù)壩址下游的生態(tài)基流用水枯水期(11月—次年4月)為壩址斷面多年平均流量的10%(1.12 m3/s)，豐水期(5—10月)為壩址斷面多年平均流量的30%(3.36 m3/s)。

2.1 初期蓄水時(shí)間的選擇

金溝河徑流年際變化不大，年內(nèi)變化明顯，豐水期(5—10月)水量占全年水量的85%以上，其中6—8月來水特別集中，水量約占全年來水量的70%。從徑流特性來看，如果在6—9月下閘蓄水，雖然水庫(kù)蓄水速度較快，但對(duì)大壩沉降觀測(cè)不利及工程馬上就面臨度汛，度汛風(fēng)險(xiǎn)較大；如果在汛末下閘蓄水，到第二年才會(huì)面臨度汛，在此期間有時(shí)間對(duì)工程進(jìn)行觀測(cè)，并制定度汛計(jì)劃，對(duì)工程安全運(yùn)行較為有利故選取汛后時(shí)點(diǎn)開始水庫(kù)初蓄。此外，根據(jù)工程施工進(jìn)度計(jì)劃，紅山水庫(kù)第四年10月底泄洪建筑物才能滿足過流要求。故本階段紅山水庫(kù)的初期蓄水時(shí)間選擇在汛后的11月1日。

2.2 初期蓄水的原則和目標(biāo)

依據(jù)紅山水庫(kù)壩址斷面徑流特性、水庫(kù)庫(kù)容特性、下游綜合用水要求及施工計(jì)劃等資料，結(jié)合生態(tài)基流的要求，制定紅山水庫(kù)初期蓄水原則。

(1)不影響已建工程的效益和下游綜合用水要求。以壩址斷面保證下泄生態(tài)基流為前提，當(dāng)天然來水大于下游綜合用水要求時(shí)，水庫(kù)下泄過程按照現(xiàn)狀年下游用水過程下泄，其余水量蓄入水庫(kù)；在水庫(kù)正常發(fā)揮供水效益之前，天然來水小于下游用水要求時(shí)，水庫(kù)不蓄水，水庫(kù)按照天然來水過程放水[5]。

(2)初期蓄水期間，由于導(dǎo)流洞已通水，故起蓄水位按照導(dǎo)流洞底板高程考慮，蓄水目標(biāo)水位分別為死水位、汛限水位、正常蓄水位。蓄水終止水位為887 m(水庫(kù)正常蓄水位)。

2.3 初期蓄水分析

紅山水庫(kù)初期蓄水目標(biāo)為正常蓄水位，根據(jù)初期蓄水的原則和下閘時(shí)間，分別對(duì)P=75%、P=50%典型一年組進(jìn)行初期蓄水計(jì)算，計(jì)算成果詳見表2。

表2 紅山水庫(kù)初期蓄水計(jì)算成果

紅山水庫(kù)在11月1日下閘蓄水，汛后蓄水可減少工程施工風(fēng)險(xiǎn)，蓄水時(shí)機(jī)較為合適。紅山水庫(kù)蓄水期間，可通過導(dǎo)流泄洪兼沖沙洞(底板高程827.32 m)放水，滿足下游綜合用水要求和生態(tài)基流的要求。由表1可以看出，在來水頻率75%的情況下，紅山水庫(kù)蓄水至死水位853 m需要時(shí)間為105 d，蓄水至正常蓄水位887 m需要時(shí)間為289 d；來水頻率50%的情況下，紅山水庫(kù)蓄水至死水位853 m需要時(shí)間為71 d，蓄水至正常蓄水位887 m需要時(shí)間為277 d。

3 結(jié) 論

(1)紅山水庫(kù)以灌溉、防洪、工業(yè)供水兼顧發(fā)電為主要任務(wù)的水利樞紐工程，從泥沙淤積、水工布置和機(jī)組發(fā)電運(yùn)行要求，確定紅山水庫(kù)死水位最低為853 m；從水庫(kù)發(fā)電量、淹沒投資、總投資、經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值和內(nèi)部收益率等方面比選確定水庫(kù)正常蓄水位為887 m。在不影響興利要求的前提下，確定水庫(kù)汛限水位884.89 m，確定設(shè)計(jì)洪水位887.53 m，校核洪水位890.04 m。

(2)依據(jù)紅山水庫(kù)壩址斷面徑流特性、水庫(kù)庫(kù)容特性、下游綜合用水要求及施工計(jì)劃等資料，結(jié)合生態(tài)基流的要求，制定紅山水庫(kù)初期蓄水方案。在來水頻率75%的情況下，紅山水庫(kù)蓄水至死水位853 m需要時(shí)間為105 d，蓄水至正常蓄水位887 m需要時(shí)間為289 d；來水頻率50%的情況下，紅山水庫(kù)蓄水至死水位853 m需要時(shí)間為71 d，蓄水至正常蓄水位887 m需要時(shí)間為277 d。