甘肅皇城抽水蓄能電站取水口設計洪水計算與分析

王晴玉，王 鵬，武金慧，何 洋， 徐 俊， 張 璇

（1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065；2.陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710005）

1 工程概況

甘肅皇城抽水蓄能電站是《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃（2021 年～2035 年）》中甘肅省抽水蓄能規(guī)劃“十四五”重點實施項目,工程位于甘肅省張掖市肅南縣境內(nèi),距張掖市直線距離 185 km,距武威市直線距離 45 km,公路里程約 54 km。工程地處河西走廊,距離甘肅省負荷中心蘭州市以及河西走廊新能源基地近,地理位置優(yōu)越。

工程為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站,電站裝機容量1400 MW（4×350 MW）,設計年平均發(fā)電量 16.37 億kW·h,年抽水用電量21.83 億 kW·h,電站工期78 個月,本電站靜態(tài)總投資為920811.95 萬元,靜態(tài)單位千瓦投資為6577 元/kW。電站樞紐由上、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房、地面開關站等建筑物組成。電站建成后將承擔甘肅電網(wǎng)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用、儲能等任務。

2 流域概況

甘肅皇城抽水蓄能電站位于張掖市西營河流域內(nèi)。西營河屬于內(nèi)陸河石羊河水系,是石羊河最大的一級支流,西營河發(fā)源于祁連山北麓的冷龍嶺,上游分為東西兩支,東支寧昌河,發(fā)源于祁連山冷龍嶺北坡的假墻槽,自南向北流,流長45.8 km,源地海拔高程4500 m,干流平均坡降24.8‰；西支水管河,源于亂石窩腦子,自西南向東北流,流長35.6 km,源地海拔高程4300 m,干流平均坡降24.9‰。東、西兩支流在西營河林場處匯合后折向東北流稱西營河,上游河網(wǎng)發(fā)育,支流縱橫,山地陰坡面分布有天然林,牧草豐盛,植被較好,山區(qū)雨量較大,是流域的主要產(chǎn)流區(qū)。流域平均高度3312 m,河源不少山峰聳立在4500 m 以上,最高達5007 m,群峰終年積雪,有現(xiàn)代冰川,中上游森林茂密,下游及水管河以西山嶺光禿,巖石裸露,河床蜿蜒曲折,川谷相間,落差大,水力資源豐富。

甘肅皇城站點上水庫位于西營河左岸山頂處,無較大支溝匯入；下水庫壩址以上有兩條支溝匯入,分別為羅圈溝西溝與羅圈溝東溝,壩址以上匯水面積分別為3.8 km2和1.6 km2。上、下水庫均利用地形挖填形成。工程利用西營河水補水,取水口位于土塔河與西營河交匯處雙窯灣一號水電站下游約1 km處,集水面積1387 km2,取水口上游約11 km 處建有九條嶺水電站,雙窯灣一號水電站與九條嶺水電站均為無調(diào)節(jié)的徑流引水式水電站。取水口下游約10 km 處建有西營水庫,設計總庫容2350 萬m3,是一座以灌溉為主,兼顧防洪等綜合效益的中型水庫。本工程取水口不在西營水庫庫區(qū)范圍內(nèi),不受水庫回水影響。

3 暴雨洪水特性

西營河流域洪水主要由暴雨形成,它隨暴雨大小、河流集水面積、流域形狀、地形、自然植被等因素不同而不同,其洪水多為單峰型,峰型尖瘦,漲落陡峻,來勢猛,歷時短,多發(fā)生在6 月、7 月、8 月三個月份[1]。

甘肅皇城抽水蓄能電站上、下水庫洪水均由高強度、局地、短歷時暴雨產(chǎn)生,具有暴漲暴落、峰高量小、歷時較短等特點。

4 歷史洪水

1965 年甘肅省水利廳設計院在西營河潘家莊四溝橋（集雨面積1455 km2）對四溝嘴水文站（已撤站）河段歷史洪水進行調(diào)查,調(diào)查村莊兩個,被訪者五人,調(diào)查到歷史洪水按大小順序排列為1895 年、1945 年、1923 年、1900 年,其中1895 年洪水拉垮四溝橋,給人們留下深刻印象。四溝橋始建于咸豐初年（1851 年）,迄今120 余年,除1895 年洪水將橋拉垮外,再沒有被洪水淹過。1945 年洪水雖為70 歲老人所見最大,但小于調(diào)查期以后的1969 年洪水；1923 年、1900 年洪水大小有混淆不清現(xiàn)象。1971 年5 月4 日甘肅省水文總站又在西營河鏵尖公社（集雨面積1047 km2）對西營河鏵尖河段歷史洪水進行了較為詳細的調(diào)查,據(jù)三位老人談,較大的洪水有1924 年、1933 年、1945 年,除1945 年指認一個洪痕外,其它各年均無洪痕,由于該地系深山區(qū),人煙稀少,僅散居著極少的牧民,未能調(diào)查到1895 年洪水。同年4 月9 日對響水河河口（集雨面積140 km2）河段洪水進行調(diào)查,該河是西營河鏵尖河段下游的一級支流,測得1895 年歷史洪水196 m3/s,由此推算得鏵尖河段1895 年歷史特大洪水611 m3/s。根據(jù)鄰近河流調(diào)查的歷史洪水及本流域上、下游的調(diào)查情況,對洪水發(fā)生的年份及量級進行了全面系統(tǒng)的考證分析。分析結果認為1895 年洪水屬西營河歷史上的一場特大洪水,1945 年洪水屬石羊河水系普降的一場較大洪水, 但小于1969 年洪水, 其他調(diào)查年份的洪水量級均小于前兩場洪水, 成果見表1。

表1 西營河歷史洪水調(diào)查成果表

1895 年洪水,認為是咸豐初年（1851 年）以來的最大洪水,則洪水重現(xiàn)期為171 年。1895 年洪水,認為是1895 年以來的最大洪水,其重現(xiàn)期為127 年。據(jù)此,1895 年洪水的重現(xiàn)期確定為127 年～171 年。1945 年洪水小于1969 年洪水,不做歷史洪水處理。

5 水文站設計洪水

5.1 九條嶺水文站資料情況

九條嶺水文站位于石羊河水系西營河上游,地處張掖市肅南裕固族自治縣皇城鎮(zhèn)九條嶺煤礦,控制流域面積1077 km2,屬國家重要水文站、中央報汛站、國家水質監(jiān)測站、區(qū)域代表站[2]。該站于1972 年1 月設立,測驗符合水文測驗相關規(guī)范要求,測驗成果經(jīng)甘肅省水文水資源局整編,資料整編符合規(guī)范要求。

該站流量測驗河段基本順直,兩岸有人工漿砌石堤壩,水流集中,卵石河床,河床穩(wěn)定,歷年測驗斷面穩(wěn)定,控制良好,水位流量關系線呈穩(wěn)定的單一線關系,影響河道流量的各水力因素相對穩(wěn)定,測站控制良好,符合測驗河道穩(wěn)定、水流平穩(wěn)的控制特性,水位、流量資料可靠,精度較高[3]。本次研究收集到九條嶺水文站自1972 年建站至2020 年實測洪水資料,系列長度為49 年。

5.2 設計洪水計算

根據(jù)九條嶺水文站1972 年～2020 年實測洪水資料,同時考慮歷史特大洪水（1895 年Q=611 m3/s）組成不連續(xù)系列,進行設計洪水計算。經(jīng)驗頻率以《水電工程設計洪水計算規(guī)范》（NB/T 35046-2014）中的公式進行估算；用矩法初估統(tǒng)計參數(shù),采用P-Ⅲ型頻率曲線適線確定統(tǒng)計參數(shù)。

對不連序系列,經(jīng)驗頻率計算的公式具體可表述如下：

1）a 個特大洪水的經(jīng)驗頻率為：

2）n-l 個連序洪水的經(jīng)驗頻率為：

式中：PM為第M 位特大洪水的經(jīng)驗頻率；N 為調(diào)查考證期；a 為在N 年中連續(xù)順序位的特大洪水項數(shù)；n 為實測洪水系列項數(shù)；l 為實測洪水系列中抽出作特大洪水處理的項數(shù)；pm為實測系列第m 項的經(jīng)驗頻率。

經(jīng)計算,九條嶺水文站設計洪水成果見表2,頻率曲線圖見圖1。

圖1 九條嶺水文站年最大洪峰流量頻率曲線圖

表2 九條嶺水文站設計洪水成果表

5.3 成果合理性分析

將本次計算的九條嶺水文站設計洪水成果與《甘肅省肅南縣西營河九條嶺水電站工程初步設計報告》（2008 年）（以下簡稱《九條嶺水電站初設報告》）成果進行對比分析,其對比表見表3。

表3 九條嶺水文站設計洪水成果表

根據(jù)表3 可知,本次計算的九條嶺水文站設計洪水成果較《九條嶺水電站初設報告》成果相差-3.10%～4.59%之間。隨著水文站資料系列的延長,洪水均值減小,但CV增加,致使各頻率洪峰流量設計值較《九條嶺水電站初設報告》整體偏大。從工程安全考慮,最終采用本次計算得到的九條嶺水文站設計洪水成果。

6 取水口設計洪水

工程取水口位于土塔河與西營河交匯處雙窯灣一號水電站下游約1 km 處,距上游九條嶺水文站約12 km。本次采用水文比擬法計算取水口處設計洪水,公式如下：

式中：Q取水口、Q水文站分別為取水口、水文站設計洪水,m3/s；F取水口、F水文站分別為取水口、水文站集水面積,km2；取水口、水文站集水面積分別為1387km2和1077km2：n 為面積指數(shù),取1。

經(jīng)計算,工程取水口設計洪水成果見表4。

表4 甘肅皇城站點取水口設計洪水成果表

7 取水口分期設計洪水

根據(jù)九條嶺水文站1972 年～2020 年逐月最大流量繪制九條嶺水文站歷年逐月最大流量散布圖,見圖2。根據(jù)九條嶺水文站多年實測資料統(tǒng)計,洪水大多發(fā)生在6 月～9 月,因此將6 月～9 月劃分為汛期；4 月～5 月由于上游冰川融雪產(chǎn)生洪水,因此將4 月～5 月劃分為汛前過渡期；10 月～2 月水量基本平穩(wěn),劃分為枯水期；3 月水量開始增長,根據(jù)施工實際需要,單獨劃分為一期。

圖2 九條嶺水文站歷年逐月最大流量散布圖

汛期（6 月～9 月）以外的時段均按不跨期原則進行選樣,定時段獨立選取九條嶺水文站最大流量,組成各時段最大流量系列。經(jīng)驗頻率以《水電工程設計洪水計算規(guī)范》中的公式進行估算；用矩法初估統(tǒng)計參數(shù),采用P-Ⅲ型頻率曲線適線確定統(tǒng)計參數(shù),得到九條嶺水文站非汛期各分期的設計洪水,頻率曲線圖見圖3 ～圖5,汛期（6 月～9 月）的設計洪水直接采用年最大設計洪水成果,九條嶺水文站分期設計洪水成果見表5。

圖3 九條嶺水文站年10 月1 日～翌年2 月28 日最大洪峰流量頻率曲線

圖4 九條嶺水文站年3 月1 日～3 月31 日最大洪峰流量頻率曲線

圖5 九條嶺水文站年4 月1 日～5 月31 日最大洪峰流量頻率曲線

表5 九條嶺水文站分期設計洪水成果表 單位：m3/s

在n 項連續(xù)洪水系列中,按大小順序排位的第m 項洪水的經(jīng)驗頻率Pm,宜采用下列數(shù)學期望公式計算：

式中：m 為洪水在連序系列中的序位；n 為洪水序列項數(shù)；

Pm為第m 項洪水的經(jīng)驗頻率。

將九條嶺水文站分期設計洪水成果按面積比的一次方折算至取水口斷面,得取水口處分期設計洪水成果,取水口處分期設計洪水成果見表6。各分期洪水不跨期使用。

表6 取水口分期設計洪水成果表 單位：m3/s

8 結語

甘肅皇城抽水蓄能電站取水口設計洪水充分利用附近九條嶺水文站實測洪水資料進行分析計算,實測洪水資料系列長度達49 年,并充分考慮了歷史洪水調(diào)查成果,同時對比已建工程設計報告成果,對本次設計洪水成果進行了合理性分析。經(jīng)分析,本次選取的設計依據(jù)站科學合理,實測洪水資料及歷史調(diào)查洪水資料可靠,計算、分析方法科學合理,設計洪水成果合理可靠,可為工程設計、防洪及調(diào)度運行等提供技術依據(jù),也可為類似工程建設提供借鑒參考。根據(jù)施工需要,對施工期分期洪水進行了計算,以供施工組織設計中參考使用。