丹江口水庫對孤山航電樞紐工程規(guī)模參數(shù)選擇的影響分析

孟明星 袁玉 蔡淑兵

摘要：為科學(xué)合理地確定孤山航電樞紐工程規(guī)模指標(biāo)，需考慮下游已建丹江口水庫的影響。通過分析丹江口水庫水位變化規(guī)律，采用對比有、無丹江口水庫影響的研究思路，分析了丹江口水庫對孤山航電樞紐工程下游水位、水頭、發(fā)電、出力、額定水頭、下游最高通航水位等規(guī)模參數(shù)的影響。結(jié)果表明：丹江口水庫水位越高，孤山航電樞紐與下游水位有關(guān)的工程規(guī)模參數(shù)選擇受影響越大?？紤]丹江口水庫頂托影響確定的孤山航電樞紐工程規(guī)模參數(shù)更符合實(shí)際。

關(guān)鍵詞：水位頂托； 運(yùn)行水位； 額定水頭； 丹江口水庫； 孤山航電樞紐工程

中圖法分類號：TV737

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.06.002

文章編號：1006-0081（2023）06-0011-05

0 引 言

在天然狀態(tài)下，水庫下游的水位-出庫流量具有明顯的規(guī)律性，但是當(dāng)水庫下游與銜接梯級水庫有水位重疊時(shí)，下游銜接梯級水庫會產(chǎn)生頂托影響，使水庫下游斷面水位流量關(guān)系愈加復(fù)雜，增加了水庫勘測設(shè)計(jì)和調(diào)度運(yùn)行的難度。王俊鴻等［1］采用水動力模型對三峽水庫庫尾寸灘站選取入庫流量和壩前水位等主要因素，探究三峽壩前水位對庫尾水位的頂托影響。高耶等［2］以皂市水庫入庫站雁池水文站為例，分析水位流量關(guān)系受回水頂托影響的時(shí)間分布。水庫下游水位受頂托影響后，與之有關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)也應(yīng)考慮這種頂托影響。曹輝等［3］根據(jù)溪洛渡水電站蓄水后白鶴灘壩區(qū)不同水文站點(diǎn)的實(shí)測資料，研究溪洛渡水庫水位在600 m附近運(yùn)行時(shí)對白鶴灘壩區(qū)水位的影響。柳俊等［4］通過對有尾水位頂托的水電站群發(fā)電與水情資料的分析，建立不同庫水位和出庫流量情況下頂托對發(fā)電水頭影響的數(shù)值關(guān)系。陳金松等［5］通過有、無下游水電站兩種場景的研究，分析了下游水電站對上游水電站發(fā)電的影響。王現(xiàn)勛等［6］以三峽水電站為例，研究了受下游頂托影響的水電站中長期發(fā)電綜合出力系數(shù)動態(tài)變化特性及其影響因素。侯葉軍等［7］在新安江下游航道設(shè)計(jì)最高通航水位論證中考慮了下游富春江庫區(qū)回水影響。下游水庫的水位頂托還將影響上游水庫的調(diào)度運(yùn)行。趙志鵬等［8］在建立的梯級庫群整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）模型中考慮了回水頂托影響。陳歡［9］分析了葛洲壩對三峽的回水頂托作用，建立了考慮動庫容及回水頂托作用的三峽梯級短期優(yōu)化調(diào)度模型。

丹江口水庫是南水北調(diào)中線工程水源地，是漢江治理與保護(hù)的骨干工程。本文通過長系列統(tǒng)計(jì)分析丹江口水庫水位變化規(guī)律，研究了其對孤山航電樞紐工程規(guī)模參數(shù)選擇的影響。為便于分析研究，本文所述長系列采用1951年5月至2013年4月共62 a逐旬系列，水位采用黃海高程。

1 丹江口水庫水位變化規(guī)律分析

丹江口水庫工程在孤山航電樞紐壩址以下約180 km，控制流域面積9.52萬km2。1973年建成初期規(guī)模，2014年12月開始按后期規(guī)模運(yùn)行。丹江口水庫正常蓄水位168.23 m，汛限水位158.23 m（夏）至161.73 m（秋），死水位148.23 m，極限死水位143.23 m。預(yù)留防洪庫容110億m3（夏）至81.2（秋）億m3，興利調(diào)節(jié)庫容98.2億m3（主汛期）至190.5（汛后）億m3，總庫容339.1億m3。水庫具有防洪、供水、發(fā)電、航運(yùn)等綜合利用效益。

根據(jù)丹江口水庫調(diào)度規(guī)程［10］，在汛期未發(fā)生洪水時(shí)，水庫按不高于防洪限制水位運(yùn)行：夏汛期6月21日至8月20日防洪限制水位為158.23 m；8月21～31日為夏汛期向秋汛期的過渡期；秋汛期為9月1日至10月10日，其中，9月1～30日防洪限制水位為161.73 m。10月1日起，視漢江汛情和水文氣象預(yù)報(bào)，逐步充蓄水庫，10日之后蓄至正常蓄水位168.23 m。丹江口水庫為多年調(diào)節(jié)水庫，采用水庫調(diào)度圖進(jìn)行長系列操作，水庫水位變化過程年內(nèi)分月統(tǒng)計(jì)見表1，長系列水位統(tǒng)計(jì)見圖1，長系列逐旬水位過程見圖2。

由表1可知，丹江口水庫在汛后10～12月多年平均水位較高，超過160 m。由圖1和圖2可見，長系列水位過程中，158.23～160.23 m區(qū)間水

位占比最大，近20%；156.23～158.23 m、160.23～162.23 m、162.23～164.23 m水位區(qū)間的占比也均超過10%。

2 對孤山航電樞紐壩址下游水位頂托影響

要分析丹江口水庫對孤山航電樞紐工程規(guī)模參數(shù)選擇的影響，首先應(yīng)確定丹江口水庫回水對孤山航電樞紐下游水位的頂托影響程度。本次研究基于實(shí)測庫區(qū)斷面資料，考慮庫區(qū)流量沿程分配，采用分段穩(wěn)定流計(jì)算方法推求丹江口水庫不同庫水位情況下，孤山壩址不同流量的水位-流量關(guān)系，成果見圖3。

孤山航電樞紐位于丹江口水庫庫尾，樞紐下游水位流量關(guān)系不再是一條單一的曲線，其下游水位不僅與流量有關(guān)，還與丹江口水庫壩前水位密切相關(guān)。因此，孤山航電樞紐壩址下游水位流量關(guān)系是一組以丹江口水庫壩前水位為參數(shù)的曲線簇。研究表明，丹江口水庫水位在155.23 m以下對孤山航電樞紐下游水位頂托影響很??；水位在155.23 m以上時(shí)，相同流量情況下，丹江口庫水位越高，孤山航電樞紐下游水位流量關(guān)系受影響越大；丹江口庫水位相同的情況下，流量越小，孤山航電樞紐下游水位流量關(guān)系受影響越大?？傮w看，受丹江口水庫頂托的孤山航電樞紐水位流量關(guān)系類似“掃帚”形。

3 規(guī)模參數(shù)選擇影響分析

3.1 發(fā)電水頭和發(fā)電量影響分析

3.1.1 發(fā)電水頭

正常運(yùn)行工況下，除主汛期預(yù)泄外，孤山航電樞紐水庫水位基本處于正常蓄水位177.23 m和死水位175 m之間，變化不大。由于丹江口庫水位變動幅度較大，且不同時(shí)期由于庫水位不同，對孤山航電樞紐工程可利用水頭影響程度不同?？紤]和不考慮丹江口水庫頂托影響下的孤山航電樞紐長系列水頭分布特點(diǎn)見圖4。

由圖4可見，考慮丹江口水庫頂托影響，孤山航電樞紐發(fā)電水頭（H）分段占比呈兩頭小、中間大的特點(diǎn)，即：低水頭段（小于11 m）和高水頭段（大于18 m）出現(xiàn)的幾率都很低，中間水頭段（12～18 m）出現(xiàn)幾率較高，尤以16～17 m水頭段出現(xiàn)的幾率最高，占比約22%；12～18 m水頭段合計(jì)占比約81%。不考慮丹江口水庫頂托影響，孤山航電樞紐發(fā)電水頭主要集中于14～18 m區(qū)間，其中16～17 m水頭段出現(xiàn)的幾率最高，占比超過38%，14～18 m水頭段合計(jì)占比約88%。總體看，考慮丹江口水庫頂托影響情況下，孤山航電樞紐高水頭段占比明顯減小。

3.1.2 發(fā)電量

考慮丹江口水庫頂托影響，進(jìn)行孤山電站長系列水能計(jì)算。不同水頭段發(fā)電量占比統(tǒng)計(jì)見圖5。由圖5可見，發(fā)電量主要集中在12～17 m水頭段，占比約為78%；低水頭段（12 m以下）和高水頭段（17 m以上）的電量占比分別約為15%、7%；14～15 m水頭段電量占比最高，約為20%；13～14 m、15～16 m、16～17 m等3個(gè)水頭段電量占比相差不大。

不考慮丹江口水庫頂托影響情況下，不同水頭段發(fā)電量占比統(tǒng)計(jì)見圖5。由圖5可見，發(fā)電量主要集中在13～17 m水頭段，占比約為81%；低水頭段（13 m以下）和高水頭段（17 m以上）的電量占比分別約為9%和10%。16～17 m水頭段電量占比最高，約為28%；15～16 m水頭段電量占比為23%，14～15 m水頭段電量占比19%，13～14 m、17～18 m等兩個(gè)水頭段電量占比相差不大。

總體看，考慮丹江口水庫頂托影響情況下，孤山航電樞紐高水頭段發(fā)電量占比明顯減小。

3.2 出力受阻影響分析

以額定水頭13.3 m為例，考慮和不考慮丹江口水庫頂托影響兩種情形下，根據(jù)長系列統(tǒng)計(jì)，孤山電站分月受阻旬?dāng)?shù)以及相應(yīng)的平均受阻容量見表2。

由表2可見，電站出力受阻主要出現(xiàn)在7～10月。不考慮丹江口水庫頂托影響時(shí)，孤山航電樞紐工程汛期流量較大，下游水位高，水頭相應(yīng)較小，造成出力受阻。考慮丹江口水庫頂托影響時(shí)，不僅孤山航電樞紐工程入庫流量大，且丹江口庫水位也較高，電站出力受阻旬?dāng)?shù)、受阻容量明顯增加，尤其是丹江口水庫水位較高的9月、10月，孤山電站受阻旬?dāng)?shù)分別增加24個(gè)和17個(gè)，受阻容量分別增加了3.95 MW和5.14 MW。

3.3 額定水頭的選擇

額定水頭是關(guān)系到機(jī)組參數(shù)和尺寸的確定、機(jī)組運(yùn)行性能和電站動能效益發(fā)揮以及電站投資的重要參數(shù)。若額定水頭較高，當(dāng)機(jī)組長時(shí)間低于額定水頭運(yùn)行時(shí)，會造成較大的受阻容量；若額定水頭較低，機(jī)組存在運(yùn)行穩(wěn)定問題，且在額定容量不變時(shí)，需加大水輪機(jī)直徑或相應(yīng)降低機(jī)組轉(zhuǎn)速，從而增加投資［11］。對于徑流式水電廠，水輪機(jī)額定水頭應(yīng)保證水電廠發(fā)足裝機(jī)容量。

由于丹江口水庫已建成運(yùn)行，孤山航電樞紐工程設(shè)計(jì)階段，額定水頭的選擇考慮了丹江口水庫的頂托影響。在此影響下，孤山電站滿發(fā)流量（1 500 m3/s左右）時(shí)，下游尾水位將隨著丹江口水庫水位的變化而變化。當(dāng)?shù)そ谒畮焖辉?58.23～162.23 m范圍變動時(shí)，孤山航電樞紐滿發(fā)流量1 500 m3/s相應(yīng)的下游水位范圍約為162.43～163.46 m。根據(jù)丹江口水庫水位頂托影響分析，將額定水頭設(shè)定在較高頻率頂托尾水位附近，有利于兼顧電站滿發(fā)裝機(jī)容量和減小受阻電量?？紤]丹江口水庫頂托影響，孤山電站長系列水能計(jì)算表明，在1 450～1 600 m3/s流量區(qū)間且滿發(fā)裝機(jī)容量180 MW［12］的水頭范圍為14.14～12.81 m，所以額定水頭應(yīng)在此范圍內(nèi)選取。

根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)階段擬定了13.0，13.3，13.6，13.9 m和14.2 m等5個(gè)額定水頭方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選。

（1） 從能量指標(biāo)來看，5個(gè)額定水頭方案之間年電量遞減值分別為0.031億，0.036億，0.039億kW·h和0.042億kW·h，隨著額定水頭提高，年電量隨之減少，方案間僅相差0.6%左右，差別均不大。

（2） 從受阻容量看，額定水頭13.0，13.3，13.6，13.9 m和14.2 m方案在62 a長系列中，受阻旬?dāng)?shù)分別為165旬、201旬、224旬、253旬、282旬，年平均受阻幾率分別為7.4%，9.0%，10.0%，11.3%和12.6%。在電力系統(tǒng)用電高峰的7月和8月，各額定水頭方案均出現(xiàn)不同程度受阻，高額定水頭13.9 m和14.2 m方案受阻幾率稍大。

（3） 從機(jī)組運(yùn)行條件看，額定水頭13.0，13.3，13.6，13.9 m和14.2 m這5個(gè)方案的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑在6.9～6.5 m之間，均在國內(nèi)現(xiàn)有已投運(yùn)燈泡貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪直徑范圍內(nèi)，不存在機(jī)組制造和運(yùn)輸難度的制約。通過調(diào)查統(tǒng)計(jì)，已建同類型水電站額定水頭與最大水頭的比值在0.692～0.889之間，孤山水電站各方案額定水頭與最大水頭的比值分別為0.678，0.694，0.710，0.725，0.741（表3），額定水頭13.0 m與最大水頭的比值偏低，其他額定水頭方案與最大水頭的比值均在統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)。從機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性來看，高額定水頭方案比低額定水頭方案略好。

（4） 從與上游白河電站流量匹配看，額定水頭13.0，13.3，13.6，13.9 m和14.2 m這5個(gè)方案的機(jī)組滿發(fā)流量分別為1 577，1 541，1 507，1 475 m3/s和1 444 m3/s（表3）。額定水頭13.0 m和13.3 m與上游白河電站滿發(fā)流量（1 521 m3/s）匹配較好，額定水頭13.9 m和14.2 m則匹配稍差。

（5） 從工程投資看，額定水頭抬高，轉(zhuǎn)輪直徑減小，機(jī)電設(shè)備及安裝費(fèi)用和廠房土建工程投資呈降低趨勢。額定水頭13.0，13.3，13.6，13.9 m和14.2 m這5個(gè)方案間的投資分別減少1 070萬元、1 968萬元、1 312萬元、880萬元，從節(jié)省工程投資來看，以高額定水頭方案有利。

綜合考慮水頭分布特點(diǎn)、各水頭段電量分布規(guī)律、機(jī)組容量盡量少受阻以及機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的要求，并兼顧考慮與上游白河水電站的流量匹配關(guān)系及下游丹江口水庫頂托影響，額定水頭13.3 m方案的綜合指標(biāo)較優(yōu)，相應(yīng)保證率為72.7%，與最大水頭比值為0.694。

3.4 下游最高通航水位影響分析

孤山航電樞紐工程通航建筑物為船閘，上游通航水位主要受壩前水位影響，下游通航水位需考慮丹江口水庫頂托影響。根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，樞紐通航建筑物下游最高通航水位應(yīng)采用規(guī)定洪水重現(xiàn)期計(jì)算的樞紐下泄最大流量所對應(yīng)的最高水位。當(dāng)樞紐下游有梯級銜接時(shí)，應(yīng)采用下一梯級的上游設(shè)計(jì)最高通航水位，并計(jì)入動庫容的水位抬高值。

孤山航電樞紐工程下游最高通航水位取丹江口水庫最高通航水位168.23 m情況下、孤山樞紐下泄最大設(shè)計(jì)通航流量3 000 m3/s時(shí)孤山壩址下游受丹江口水庫頂托影響情況下的水位。根據(jù)孤山壩址水位流量關(guān)系曲線，此時(shí)孤山航電樞紐工程下游最高通航水位169.10 m。若不考慮丹江口水庫頂托影響，孤山航電樞紐工程下泄最大設(shè)計(jì)通航流量3 000 m3/s時(shí)相應(yīng)下游水位為164 m，即考慮丹江口水庫頂托影響后，孤山航電樞紐工程下游最高通航水位抬高了5.1 m。

4 結(jié) 語

目前，長江干流和主要支流已開發(fā)建設(shè)了一大批大中型樞紐工程。新規(guī)劃建設(shè)的樞紐，特別是有綜合利用任務(wù)的樞紐需考慮的因素較多，因此勘測設(shè)計(jì)邊界條件十分復(fù)雜，需考慮上游水庫調(diào)蓄和下游水庫水位頂托。本文通過分析丹江口水庫水位變化規(guī)律，以及對孤山航電樞紐工程部分規(guī)模參數(shù)的影響，提出了樞紐勘測設(shè)計(jì)階段考慮下游已建樞紐頂托影響的研究思路，可為在大型骨干樞紐庫尾修建的樞紐工程規(guī)模的參數(shù)選擇提供借鑒。

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（編輯：李 慧）

Influence analysis of Danjiangkou Reservoir on selection of project scaleparameters of Gushan Navigation and Hydropower Project

MENG Mingxing，YUAN Yu，CAI Shubing

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

Abstract：

In order to scientifically and reasonably determine project scale parameters of Gushan Navigation and Hydropower Project，it is necessary to consider the influence of Danjiangkou Reservoir which has been built downstream.By analyzing the variation law of water level of Danjiangkou Reservoir，the influence of the reservoir on scale parameters such as water level，water head，power generation，output，rated water head and the maximum navigable water level of the downstream of Gushan Navigation and Hydropower Project was analyzed by comparative study of two senarios with and without the reservoir.The results showed that the higher the water level of Danjiangkou Reservoir was，the greater the influence on the selection of project scale parameters related to the downstream water level of the project.The scale parameters of the project would be more reasonable by considering the influence of back water of Danjiangkou Reservoir．

Key words：

backwater； operation water level；rated water head； Danjiangkou Reservoir； Gushan Navigation and Hydropower Project