淺析鍋浪蹺水電站汛末蓄水時機(jī)

李 衛(wèi) 起, 張 艷, 趙 圓 元

(四川水發(fā)勘測設(shè)計(jì)研究有限公司,四川 成都 610072)

1 電站概況

鍋浪蹺水電站位于四川省雅安市天全縣紫石鄉(xiāng)境內(nèi),所在流域?yàn)獒航嘁陆患壷Я魈烊?具有年調(diào)節(jié)能力,是天全河梯級電站中的龍頭電站,其開發(fā)任務(wù)主要為發(fā)電,兼顧下游減水河段生態(tài)環(huán)境用水。電站壩址以上控制流域面積為936 km2,多年平均流量49.7 m3/s,年徑流總量15.7億m3,壩址來水呈現(xiàn)出汛期(6～9月)來水集中且來水量大、汛后來水大幅減少的年內(nèi)分配規(guī)律。電站為二等大(Ⅱ)型工程,其設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為500 a一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)5 000 a一遇;電站正常蓄水位1 280.00 m,汛期限制水位1 270.00 m,設(shè)計(jì)洪水位1 280.56 m,校核洪水位1 282.34 m,死水位1 220.00 m,水庫總庫容1.84億m3,調(diào)節(jié)庫容1.31億m3,最大壩高186.30 m;電站總裝機(jī)容量210 MW,設(shè)計(jì)工況下電站多年平均發(fā)電量8.4億kW·h,其中汛期(6～9月)發(fā)電量5.0億kW·h,10～11月份發(fā)電量1.1億kW·h,枯期(12～5月)發(fā)電量約2.3億kW·h。該電站于2013年開工建設(shè),目前基本具備初期蓄水條件,預(yù)計(jì)2023年底全部建成投產(chǎn)發(fā)電。

2 來水量與蓄水時機(jī)

鍋浪蹺電站無防洪任務(wù),其調(diào)度運(yùn)行方式考慮電站安全等因素設(shè)置了汛期限制水位,初設(shè)階段設(shè)計(jì)工況下調(diào)度運(yùn)行方式提出,汛期(6～9月)水庫運(yùn)行水位控制在汛限水位1 270.00 m運(yùn)行,10月初水庫開始蓄水,至10月底蓄水至正常蓄水位1 280.00 m。從省內(nèi)已建類似電站的實(shí)際運(yùn)行情況看,汛限水位的設(shè)置往往會造成汛末前期棄水過多而汛后無水可蓄的被動局面。此外,從岷江流域近年來降水量時空變化趨勢看,其中、下游地區(qū)降水量自20世紀(jì)50年代以來均長期保持下降趨勢[1-2],該情況對電站蓄水十分不利,尤其是枯水年份更為突出。

汛限水位的運(yùn)行控制既關(guān)系到電站防洪安全的保障又決定了電站效益的發(fā)揮,因此,如何適時解除汛限水位的制約,合理科學(xué)地選擇蓄水時機(jī)尤為重要,使其在保障電站安全的同時,又能促進(jìn)電站發(fā)揮效益。水庫運(yùn)行至后汛期的某一時期,在此時分析此后洪水發(fā)生的可能性,并結(jié)合水庫自身防洪能力,在這一時期攔蓄洪水抬高水位以至解除之前汛限水位的制約,達(dá)到充分利用洪水資源的目的,這一時期稱為蓄水時機(jī)。根據(jù)四川省河流在后汛期洪水發(fā)生的多年統(tǒng)計(jì),得出其分布規(guī)律大多是隨著時間逐漸減小,但從實(shí)際的洪水調(diào)度考慮,每年面臨的洪水具有隨機(jī)性,突發(fā)性,洪水分布不完全符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律,有其洪水分布的個性。此時,若嚴(yán)格按照統(tǒng)一制定的汛限水位的單一設(shè)計(jì)值對水庫調(diào)度控制運(yùn)行,極有可能錯過蓄水時機(jī),造成無法保障防洪安全及電站效益減損的雙重?fù)p失。

本文將針對上述問題,從影響水庫蓄水時機(jī)的因素入手,通過分析天全河歷史洪水特性與流域氣象時空變化規(guī)律的相關(guān)關(guān)系,根據(jù)多年系列歷史洪水發(fā)生的時間、頻次及量級的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,結(jié)合電站自身防洪能力,分析其汛末蓄水時間提前至9月份的可行性,為進(jìn)一步優(yōu)化電站的調(diào)度運(yùn)行方式提供參考。

3 電站汛末蓄水時機(jī)分析

經(jīng)研究分析,蓄水時機(jī)主要受兩方面的影響,一方面是水庫泄洪能力和防洪庫容等因素的影響;另一方面是水文氣象特征和時空分布等與洪水相關(guān)的自然因素的影響。

3.1 洪水發(fā)生時間分布規(guī)律

為分析確定天全河洪水發(fā)生的分布規(guī)律,本文針對天全水文站1956～2020年共65年間洪水發(fā)生的時間和次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,結(jié)果表明,天全河歷年最大流量最早出現(xiàn)在6月21日,最晚出現(xiàn)于9月9日,以7、8兩月發(fā)生的頻次最高,這兩個月份共發(fā)生53次,占頻次總數(shù)的81.5%,9月份僅發(fā)生6次,占頻次總數(shù)的9.2%?？梢?隨著時間的推移,大洪水發(fā)生的頻率也在逐漸減小。天全水文站年最大流量各月發(fā)生頻次詳見表1。

表1 天全水文站年最大流量各月發(fā)生頻次統(tǒng)計(jì)表

9月份為主汛期的最后一個月,從表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果看,9月份發(fā)生大洪水的概率相對較小,那么,9月份若發(fā)生洪水,其發(fā)生時間、發(fā)生頻次以及量級又有何特性,本文以旬為單位細(xì)化了9月份時段劃分,以電站表孔及中孔的泄洪能力為標(biāo)準(zhǔn)細(xì)化了洪水量級,以上旬、中旬及下旬分別統(tǒng)計(jì)分析各旬最大流量發(fā)生時間、發(fā)生次數(shù)及洪水量級。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,65年長系列年中大于1 400 m3/s洪水僅5次,均發(fā)生在9月份上旬,9月份中旬、下旬洪水量級逐漸減小,大洪水發(fā)生的次數(shù)也在減小,天全水文站年9月份各旬最大流量統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 天全水文站年9月份各旬最大流量統(tǒng)計(jì)表

天全河洪水特性的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)一步說明洪水發(fā)生時間的集中性這一特點(diǎn),這為鍋浪蹺電站合理選擇蓄水時機(jī)提供了可能性。

3.2 流域洪水的氣象成因

西太平洋副熱帶高壓(下稱副高)是影響我國天氣的重要因素,也是向我國大陸輸送水汽的重要系統(tǒng),我國雨帶位置與此密切相關(guān)[3]。西南氣流自印度洋輸送至我國,形成了我國降水的主要來源,沿副高北上的暖濕氣流在副高的北側(cè)與南下的冷空氣相交,大范圍的陰雨天氣通常在此處形成,這也是我國大陸地區(qū)的重要降水帶。因此,我國降水帶與副高具有活動規(guī)律上的一致性,降水帶一般位于副高脊線以北約5～8個緯度。

副高的活動規(guī)律具有明顯的年際和季節(jié)變化特征,冬季時,副高脊線一般位于15 N附近,隨著時間推移,脊線向北緩慢移動,到6月中、下旬,脊線迅速北跳,在20 N～30 N之間擺動。至7月上、中旬,脊線再次北跳,躍到25 N以北地區(qū),并在25 N～30 N之間游移。七月底到8月初,脊線跨越30 N,到達(dá)最北的位置。從9月起,脊線開始自北向南退縮,9月上旬脊線回跳到25 N附近,10月上旬回跳到20 N以南地區(qū),從此結(jié)束了一年為周期的季節(jié)性南、北移動。副高隨季節(jié)變化做非勻速移動,通常北進(jìn)速度較慢,持續(xù)時間長,相反南退歷時短,移動速度快。除上述移動規(guī)律之外,通常北進(jìn)還伴有向西延伸,南退的同時向東退縮的規(guī)律。

天全河流域所處緯度在29 N～31 N間,統(tǒng)計(jì)分析流域內(nèi)氣象資料后得出:一般情況下,每年流域內(nèi)降雨量自4月逐月遞增,5～10月降雨量約占全年降雨量的80%,在這6個月中6～8月降雨量占比最大,其余月份相對較小,從10月開始,降雨量逐漸減小。

可見,天全河雨情及洪水的發(fā)生與副高的活動規(guī)律密切相關(guān),鑒于副高南退歷時短、速度快的特征,若不抓住時機(jī)進(jìn)行蓄水,則意味著可能錯失本年度最后一次攔蓄洪水資源的機(jī)會。因此,天全河若9月份發(fā)生洪水,則可以根據(jù)當(dāng)時的實(shí)際情況考慮蓄水。

3.3 泄洪能力和電站安全

鍋浪蹺電站具有0.37億m3的防洪庫容,其泄洪設(shè)施有表孔泄洪洞和中孔泄洪洞,正常蓄水位時中孔泄洪洞泄流能力約540 m3/s左右,表孔泄洪洞約857 m3/s左右,總泄流能力約1 400 m3/s左右。從9月份洪水發(fā)生的頻次看,9月中、下旬發(fā)生次數(shù)減少特別明顯,從量級看,基本都是小于1 400 m3/s的洪水,均低于電站的總泄流能力。

為研究分析9月中、下旬蓄水的安全性,本文采用后汛期(9月)設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行了調(diào)洪演算,結(jié)果表明,若遭遇后汛期500 a一遇洪水(洪峰流量為1 430 m3/s),從正常蓄水位1 280.00 m起調(diào),庫水位最高升至1 280.05 m;若遭遇后汛期5 000 a一遇校核洪水(洪峰流量為1 780 m3/s),庫水位最高升至1 281.18 m,均低于大壩校核洪水位。

綜上可見,鍋浪蹺電站汛末蓄水時機(jī)選擇在9月中、下旬為宜,從防洪角度分析也是安全的,實(shí)施時可結(jié)合當(dāng)?shù)厮榧疤鞖忸A(yù)報(bào)等情況具體安排。

4 準(zhǔn)確把握蓄水時機(jī) 充分發(fā)揮梯級電站整體效益

通過上述分析,若提前至9月中旬水庫蓄水至正常蓄水位,電站的發(fā)電水頭約提高4.2%,與設(shè)計(jì)工況相比,9月下旬至10月底電站可增加發(fā)電量約550萬kW·h,同時,其龍頭電站的年調(diào)節(jié)能力在枯期可得到充分的發(fā)揮。若9月份仍維持汛限水位運(yùn)行,10月份開始蓄水,如果發(fā)生前文所述無水可蓄或不能蓄滿的被動情況,電站水頭效益以及整個枯期的電量效益都將受到影響。以蓄水至1 275.00 m為例估算,10月、11月及12月等幾個月份至少有5 m水頭不能利用,同時,水庫蓄水量較蓄滿情況下減少約1 500萬m3,考慮上述情況后進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算,結(jié)果表明,電站較設(shè)計(jì)工況減少發(fā)電量約875萬kW·h,其下游已建腳基坪、干溪坡等8個梯級電站也將因此而減少發(fā)電量約1 300萬kW·h。

由此可見,鍋浪蹺電站的蓄滿程度對其自身以及下游梯級電站的發(fā)電效益起著非常顯著的作用,準(zhǔn)確把握蓄水時機(jī)是充分發(fā)揮梯級電站整體效益的關(guān)鍵。

5 結(jié) 語

流域洪水發(fā)生的隨機(jī)突發(fā)性對水電站調(diào)度運(yùn)行的蓄水時機(jī)確定有極大影響,會造成防洪安全問題及電站效益減損,通過分析天全河的洪水發(fā)生時間分布規(guī)律,明確了鍋浪蹺水電站具有選擇蓄水時機(jī)的可能性。由此分析天全河洪水的發(fā)生時機(jī)與流域氣象因素的相關(guān)性,論證了將9月中、下旬作為其蓄水時機(jī)的經(jīng)濟(jì)和防洪安全性。結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際水情雨情預(yù)報(bào)情況,將鍋浪蹺水電站的蓄水時機(jī)大致選擇在9月中、下旬具有合理性,可以保證防洪安全,保障鍋浪蹺水電站及下游梯級電站的整體發(fā)電效益的充分發(fā)揮,為進(jìn)一步優(yōu)化水電站的調(diào)度運(yùn)行方式提供了參考依據(jù)。