沈利平，賈懷森，姬生才，王進(jìn)學(xué)，高承眾

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司劉家峽水電廠,甘肅省永靖縣 731600;2.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

汛限水位作為防洪與興利的結(jié)合點，其高低直接影響著水庫的防洪安全和興利效益[1]。水庫汛限水位動態(tài)控制是洪水資源利用的主要方式之一[2]，目的是根據(jù)各種實時信息，結(jié)合水庫蓄水和泄流能力，研究既能滿足防洪要求，又可充分利用洪水資源的可操作性調(diào)度方法[3]。目前，中國水庫汛期超汛限水位運行研究主要集中在單個水庫[4-8]，而對2個或多個水庫聯(lián)合調(diào)度的研究相對較少。

黃河龍羊峽、劉家峽水庫是分別具有多年調(diào)節(jié)、年調(diào)節(jié)性能的大型水庫。黃河上游梯級水電站的運行是在龍羊峽-劉家峽兩庫聯(lián)合運行的格局下進(jìn)行的，特別是梯級洪水調(diào)度。黃河上游唐乃亥以上降雨量較豐，是黃河上游的主要產(chǎn)洪區(qū)，而龍羊峽防洪庫容大，可有效對唐乃亥以上汛期洪水起到削減作用，為劉家峽汛期抬高運行水位提供了條件。因此，本文對劉家峽水庫動態(tài)汛期限制水位運行進(jìn)行研究，以期為水庫汛限水位動態(tài)控制提供技術(shù)基礎(chǔ)，提高汛期發(fā)電量，增加電站發(fā)電效益。

1 龍羊峽、劉家峽水庫的運行實踐

1.1 龍羊峽水庫的運行實踐

龍羊峽水電站位于黃河上游龍-青河段的最上游，是黃河梯級規(guī)劃的第一座大型龍頭水電站，總裝機容量1 280 MW，具有多年調(diào)節(jié)能力。龍羊峽水庫死水位2 530.00 m，設(shè)計汛期限制水位2 594.00 m，黃河水利委員會(簡稱：黃委會)目前允許的汛期限制水位2 588.00 m，正常蓄水位2 600.00 m，校核洪水位2 607.00 m。

龍羊峽水庫自1988—2015年水庫月初運行水位過程見圖1，龍羊峽水庫1988—2015年水庫汛期7、8、9月平均水位過程見圖2。由圖1、2可知，龍羊峽水庫自1988年正常運行以來，由于2005年前黃河上游來水持續(xù)偏枯，龍羊峽水庫的運行水位長期偏低，在汛期限制水位以下尚有較多的庫容可以存蓄洪水。盡管2005年底水位接近正常蓄水位，但2006—2015年的10 a間，龍羊峽水庫7、8、9月3個月初平均水位分別為2 575.86、2 581.39、2 583.33 m，低于汛限水位2 588.00 m。另外，龍羊峽水庫屬多年調(diào)節(jié)水庫，即使今后上游來水正常，從運行特性和水庫特性分析，水庫每年汛期運行水位不可能均達(dá)到汛期限制水位，從實施調(diào)度的角度來說，龍羊峽水庫有一定的空閑庫容可為劉家峽水庫在汛期超汛期限制水位運行所用。

圖1 龍羊峽水庫1988—2015年水庫月初運行水位過程圖

圖2 龍羊峽水庫1988—2015年汛期7、8、9月平均水位過程圖

1.2 劉家峽水庫的運行實踐

劉家峽水電站位于甘肅省

永靖縣境內(nèi)的黃河干流，擴機后總裝機容量1 690 MW，具有年調(diào)節(jié)性能。劉家峽水庫死水位1 694.00 m，設(shè)計汛期限制水位1 726.00 m，黃委會允許的汛期限制水位1 727.00 m，設(shè)計正常蓄水位1 735.00 m，校核洪水位1 738.00 m。

劉家峽水庫1988—2015年水庫月初運行水位過程見圖3，劉家峽水庫1988—2015年水庫汛期7、8、9月平均水位過程見圖4。由圖3、4可知，劉家峽水庫在龍羊峽水庫投產(chǎn)以后汛期7、8、9月平均水位別為1 719.95、1 721.77、1 724.27 m，較汛期限制水位1 727.00 m分別低7.05、5.23、2.73 m；汛期7、8、9月最高水位別為1 729.45、1 731.36、1 733.39 m，汛期有超汛限水位1 727.00 m運行記錄。因此，劉家峽水庫在龍羊峽水庫投入運行后已有多次超汛期限制水位運行的經(jīng)驗。

綜上所述，綜合“1.1 龍羊峽水庫的運行實踐”與“1.2 劉家峽水庫的運行實踐”，而且目前黃河水利委員會允許的龍羊峽水庫汛限水位為2 588.00 m，比原設(shè)計汛限水位2 594.00 m降低6 m，增加防洪庫容21.56億m3；而允許的劉家峽水庫汛限水位為1 727.00 m，比原設(shè)計汛限水位1 726.00 m抬高1 m，減少防洪1.58億m3，但龍羊峽和劉家峽兩庫凈增防洪庫容19.98億m3，總防洪庫容比原設(shè)計防洪庫容增加約30%，均為研究抬高劉家峽水庫汛限水位提供了有利條件。

2 龍羊峽-劉家峽水庫的原洪水聯(lián)合運行設(shè)計

2.1 防洪對象

龍羊峽-劉家峽兩庫聯(lián)合防洪的保護(hù)對象是龍羊峽水電站設(shè)計確定的防洪對象，即龍-劉區(qū)間已建梯級水電站、鹽鍋峽、八盤峽及蘭州市。

圖3 劉家峽水庫1988—2015年水庫月初運行水位過程圖

圖4 劉家峽水庫1988—2015年水庫汛期7、8、9月平均水位過程圖

2.2 洪水與地區(qū)組成

黃河上游洪水采用原龍羊峽設(shè)計的1964年和1967年2種典型，洪水地區(qū)組成采用1964、1967年典型比例分配放大和按照上、下游同頻、區(qū)間相應(yīng)2種地區(qū)組成，黃河上游典型洪水和地區(qū)洪水共組成4種洪水過程。

2.3 控制泄量及泄量判別方式

(1) 劉家峽水庫

劉家峽水庫承擔(dān)下游鹽鍋峽、八盤峽及蘭州市3個防護(hù)對象的防洪任務(wù)，防洪標(biāo)準(zhǔn)分別為2 000年一遇、1 000年一遇、100年一遇。為保證劉家峽水庫下游各防護(hù)對象達(dá)到預(yù)定的防洪標(biāo)準(zhǔn)，在不考慮洪水預(yù)報的情況下，只能采用固定控制下泄流量的方式進(jìn)行調(diào)洪，見表1。

中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司(簡稱：西北院)有關(guān)專家通過對黃河上游洪水漲落特性的分析，研制了一套既安全可靠，又能及時判別泄量跳級的判別圖，見圖5。

圖5中有2組線，其中以虛線表示的3條垂直線分別是頻率為1%、0.1%、0.05% 的最大日平均流量，若調(diào)洪中某一時段的流量位于某一頻率最大日平均流量線的右方，則說明劉家峽水庫的天然入庫流量已超過該頻率的最大流量；另一組線是以實線表示的曲線，是對應(yīng)于3種頻率的洪量判別線，若某一時段的洪量位于某一頻率洪量上側(cè)，則說明劉家峽水庫的天然入庫洪量已超過該頻率的最大洪量。采用判別圖進(jìn)行泄量判別，同時考慮了流量和洪量，二者同時超過標(biāo)準(zhǔn)才加大泄量，實際上大大提高了對下游防護(hù)對象的防洪安全程度。

(2) 龍羊峽水庫

在1983年開展的黃河上游河段防洪規(guī)劃以后確定的龍羊峽各級控泄流量：1 000年一遇及以下洪水時，控制最大下泄流量不超過4 000 m3/s；超過1 000年一遇洪水直至可能最大洪水，均控制最大下泄流量不超過6 000 m3/s。

表1 劉家峽水庫各級控制流量表

龍羊峽采用入庫流量的大小作為判別指標(biāo)。當(dāng)天然入庫流量超過1 000年一遇洪峰流量7 040 m3/s時，則認(rèn)為龍羊峽的洪水已超過1 000年一遇標(biāo)準(zhǔn)，允許最大下泄流量由4 000 m3/s跳級至6 000 m3/s。

2.4 龍羊峽-劉家峽水庫聯(lián)合防洪調(diào)度規(guī)則

龍羊峽、劉家峽兩庫采用聯(lián)合防洪調(diào)度，既要保證劉家峽水庫下游各防護(hù)對象達(dá)到預(yù)定的防洪標(biāo)準(zhǔn)要求，又要保證龍羊峽、劉家峽兩水庫自身的防洪安全。在滿足上述防洪安全的條件下，盡可能使龍羊峽、劉家峽兩水庫的防洪庫容之和較小及兩庫的調(diào)洪庫容都得到較充分的利用，以減少龍羊峽預(yù)留的調(diào)洪庫容。確定龍羊峽-劉家峽兩水庫聯(lián)合調(diào)洪規(guī)則，即確定在調(diào)洪過程中各時段龍羊峽、劉家峽兩水庫的下泄流量，按照2.3節(jié)中泄量判別方式進(jìn)行控制下泄流量。

圖5 龍羊峽-劉家峽兩庫聯(lián)合調(diào)洪時劉家峽 水庫泄流量判別圖

3 劉家峽水庫汛期超汛限水位的計算與分析

3.1 計算條件

隨著黃河上游龍-青河段規(guī)劃的24級水電站陸續(xù)建成，2015年以后黃河上游防洪任務(wù)相對簡單，龍、劉兩水庫按原洪水聯(lián)合運行設(shè)計進(jìn)行防洪度汛，所以在不考慮洪水預(yù)報條件下，龍羊峽、劉家峽的控制泄量、泄量判別方式及聯(lián)合防洪調(diào)度規(guī)則同原洪水聯(lián)合運行設(shè)計一致。

龍羊峽、劉家峽兩庫計算的起調(diào)水位及龍羊峽汛期限制水位等計算條件見表2。

表2 龍羊峽、劉家峽水庫聯(lián)合調(diào)洪計算起始條件表

3.2 計算結(jié)果

在不考慮洪水預(yù)報條件下，根據(jù)龍羊峽-劉家峽水庫聯(lián)合防洪調(diào)度規(guī)則、泄量判別方式等，對黃河上游1964年和1967年典型洪水及地區(qū)組成設(shè)計洪水進(jìn)行調(diào)洪計算。在滿足安全度汛情況下，龍羊峽水庫正常運行期劉家峽水庫汛期超汛限運行調(diào)洪成果見表3，劉家峽水庫在起調(diào)水位1 728.00、1 729.00、1 730.00 m時對應(yīng)的PMF洪水過程調(diào)洪結(jié)果見圖6～8。

圖6 劉家峽水庫起調(diào)水位1 728.00 m時調(diào)洪過程圖

圖7 劉家峽水庫起調(diào)水位1 729.00 m時調(diào)洪過程圖

由表3可看出，龍羊峽水庫按照黃委會允許的汛期限制水位2 588.00 m，劉家峽水庫在起調(diào)水位1 728.00、1 729.00、1 730.00 m條件下，調(diào)洪計算得到的劉家峽最高水位均在劉家峽校核洪水位1 738.00 m以下，但劉家峽水庫在起調(diào)水位1 731.00 m條件下，調(diào)洪計算得到最高水位1 738.90 m，超過水庫校核洪水位。所以，可以認(rèn)為劉家峽水庫可抬高汛限的運行水位最高1 730.00 m。另外，龍羊峽水庫起調(diào)水位2 588.00 m及劉家峽起調(diào)水位在1 728.00～1 730.00 m時，龍羊峽調(diào)洪計算得出最高水位差異較小，但劉家峽水庫汛期可提高水位最高為1 730.00 m，說明龍羊峽防洪庫容再大，也無法控制龍-劉區(qū)間洪水，劉家峽水庫為調(diào)節(jié)龍羊峽-劉家峽的區(qū)間洪水，必須留有一定的防洪庫容。

表3 劉家峽水庫汛期超汛限運行水位成果表

圖8 劉家峽水庫起調(diào)水位1 730.00 m時調(diào)洪過程圖

因此，龍羊峽水庫汛期限制水位2 588.00 m，為劉家峽水庫汛期超汛限水位運行提供了條件。龍羊峽水庫防洪庫容大，且運行水位低于汛期限制水位，運行水位至汛期限制水位之間的空閑庫容可以攔蓄部分小洪水，減少龍羊峽的下泄流量，亦為劉家峽水庫汛期超汛限水位運行提供條件。

4 劉家峽水庫汛期超汛限水位運行效益計算

黃河上游龍羊峽-青銅峽段已形成龍羊峽-劉家峽兩庫聯(lián)合調(diào)度的格局，在確?，F(xiàn)狀用水及防凌安全條件下，對全梯級合計出力的等出力進(jìn)行水利計算。

根據(jù)1919—2000年徑流系列，分別對劉家峽水庫汛期不同運行水位的發(fā)電量計算，劉家峽水庫汛期不同超汛限水位年發(fā)電量見表4。

表4 劉家峽水庫汛期不同超汛限水位年發(fā)電量表

由表4可見，如果按現(xiàn)在劉家峽水電站上網(wǎng)電價0.15元/kWh計算，劉家峽水電站主汛期運行水位抬高1、2、3 m時，則劉家峽水電站可增加發(fā)電量0.173億、0.346億、0.471億kWh，按現(xiàn)行上網(wǎng)電價計算，分別增加年收入達(dá)260萬、519萬、707萬元。該收入不需要增加投入，其效益是比較顯著的。

5 結(jié) 語

黃河上游梯級水電站運行是在龍羊峽-劉家峽兩大水庫聯(lián)合運行的格局下進(jìn)行的，尤其是梯級洪水調(diào)度。龍羊峽水庫防洪庫容大，且汛期運行水位至汛期限制水位之間的空閑庫容可以攔蓄部分小洪水，減少龍羊峽的下泄流量，而且劉家峽水庫在龍羊峽水庫投入運行后已有多次超汛期限制水位運行的經(jīng)驗，均為劉家峽水庫在汛期抬高運行水位提供了基礎(chǔ)。

在滿足龍劉安全度汛、梯級水電站及蘭州市防洪要求的前提下，在龍羊峽水庫汛期限制水位2 588.00 m、校核洪水位允許達(dá)到2 607.00 m、以及不考慮洪水預(yù)報的條件下，劉家峽水庫汛期超汛限水位運行的最高水位為1 730.00 m，而且，可滿足劉家峽水庫需預(yù)留一定的防洪庫容調(diào)節(jié)龍羊峽-劉家峽的區(qū)間洪水的要求。另外，劉家峽水庫汛期超汛限運行可增加劉家峽水電站的發(fā)電量，以提高3 m計算，可多得電量0.471億kWh，增加發(fā)電收入707萬元。

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