余天塵

（河海大學(xué)，江蘇 南京 210000）

1 研究背景

抽水蓄能電站是我國(guó)重要的能源基礎(chǔ)設(shè)施，具有調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、事故備用、新能源儲(chǔ)能和黑啟動(dòng)的作用，對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要意義。近年來(lái)，我國(guó)抽水蓄能電站建設(shè)大幅提速，截至2020 年底，全國(guó)抽水蓄能電站在運(yùn)規(guī)模超3 000 萬(wàn)kW，裝機(jī)容量居世界第一。

泥沙對(duì)抽水蓄能電站的危害主要集中在機(jī)組葉片磨損和上、下水庫(kù)有效庫(kù)容減少兩個(gè)方面。

與常規(guī)水電不同，抽水蓄能電站在運(yùn)行中存在上下游水流交換，電站的水輪機(jī)工況、水泵工況更易受到來(lái)水泥沙的影響，其中高水頭水泵水輪機(jī)對(duì)過(guò)機(jī)含沙量要求普遍較高[1]。2002 年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)大中型電站水輪機(jī)存在泥沙磨蝕問(wèn)題的規(guī)模累計(jì)達(dá)1 200萬(wàn)kW 以上（除三峽外），30%的中小型水電站受到泥沙磨蝕的影響[2]。我國(guó)建成的大量水庫(kù)中也有部分因?yàn)檫M(jìn)庫(kù)泥沙的淤積使得庫(kù)容減少，運(yùn)行效益下降。大量泥沙問(wèn)題使抽水蓄能電站的發(fā)電效率降低，經(jīng)濟(jì)效益降低，運(yùn)行、維修成本升高，因此，有效防止泥沙對(duì)抽水蓄能電站的危害尤為重要。目前的治理措施主要包括防沙、排沙工程措施，優(yōu)先減少進(jìn)入上、下水庫(kù)水流的泥沙總量；其次，減輕水庫(kù)泥沙淤積對(duì)有效庫(kù)容和進(jìn)出水口高程的影響，降低輸水系統(tǒng)中水流含沙量，減少泥沙對(duì)機(jī)組的磨損破壞；提升設(shè)備性能，從選型、運(yùn)行、維修上降低設(shè)備損耗，保證電站的正常、高效運(yùn)行。

南方地區(qū)天然河道水流含沙量較北方地區(qū)少，但是多年平均入庫(kù)徑流量大，抽水蓄能電站50 年運(yùn)行期泥沙總淤積量較大，泥沙問(wèn)題也不容忽視。因此，南方地區(qū)采用較大的死庫(kù)容，在選擇最低死水位時(shí)必須滿足運(yùn)行期泥沙淤積要求。北方地區(qū)天然河道水流含沙量普遍較大，不能直接引入上、下水庫(kù)，需要采取一定的工程措施或利用已建水庫(kù)工程蓄清排渾來(lái)解決入庫(kù)泥沙問(wèn)題。

我國(guó)黃河流域及以北地區(qū)，由于降雨稀少、植被較差，水土流失嚴(yán)重，天然河道水流含沙量較大。一般而言，在含沙河流引水或溪流上修建電站,泥沙對(duì)抽水蓄能電站的危害較常規(guī)水電站大。對(duì)于補(bǔ)水水源取水口河道，當(dāng)主河槽位置變化較大時(shí)，可考慮建立物理模型和一維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行河道演變分析。由于河流來(lái)沙和電站運(yùn)行情況較復(fù)雜，泥沙分析計(jì)算只能粗略預(yù)估工程泥沙的數(shù)量和淤積趨勢(shì)，模型實(shí)驗(yàn)成為研究泥沙的主要途徑，但天然河流與實(shí)驗(yàn)室水槽的來(lái)沙條件不太一致，常常不能準(zhǔn)確反映工程的實(shí)際情況，因此，可通過(guò)工程借鑒的方法，因地制宜采取治沙、防排沙或避沙、水庫(kù)排沙調(diào)度等措施，以減少泥沙對(duì)水庫(kù)有效庫(kù)容的淤積，降低進(jìn)/出水口前泥沙淤積高程和過(guò)機(jī)含沙量，盡量減少機(jī)組運(yùn)行期間的不必要磨損。

2 研究?jī)?nèi)容

抽水蓄能電站上庫(kù)多建于山頂、溝源，匯流相對(duì)較少，南方地區(qū)抽水蓄能電站泥沙主要來(lái)自于上、下水庫(kù)；北方地區(qū)抽水蓄能電站泥沙主要是下庫(kù)抽水時(shí)攜帶而來(lái)[3]。目前關(guān)于抽水蓄能電站泥沙問(wèn)題的研究主要涉及兩個(gè)方面，一是水文泥沙條件的研究方法，二是電站泥沙問(wèn)題的解決措施。

2.1 水文泥沙條件的研究方法

我國(guó)對(duì)抽水蓄能電站泥沙情況開(kāi)展了大量模擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算過(guò)機(jī)含沙量、泥沙淤積量等對(duì)水庫(kù)泥沙特征進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，目前物理模型實(shí)驗(yàn)技術(shù)較為成熟，泥沙數(shù)學(xué)模型較少[4]。

2.1.1 物理模型

動(dòng)床渾水模型是目前抽水蓄能電站水沙關(guān)系研究中主要參考的物理模型。張羽等[5]（2018）分析電站的水沙關(guān)系，建立了河道模型和過(guò)流建筑物模型，通過(guò)借鑒已有的動(dòng)床渾水模型經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)展了上下游庫(kù)區(qū)物理模型的分析計(jì)算，經(jīng)驗(yàn)證結(jié)果良好。張國(guó)良等[6]（2017）針對(duì)天池抽水蓄能電站涉及水利樞紐庫(kù)區(qū)河段的邊界情況和來(lái)水來(lái)沙特點(diǎn)，進(jìn)行了渾水動(dòng)床模型實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了電站建筑物布設(shè)和運(yùn)行調(diào)度的合理性，提出了進(jìn)一步的優(yōu)化措施。

2.1.2 數(shù)學(xué)模型

一維水沙數(shù)值模擬長(zhǎng)系列年的河道沖淤演變的運(yùn)算效率高、模擬結(jié)果良好[7]，可為大多數(shù)抽水蓄能電站泥沙條件計(jì)算選擇。

由于常規(guī)水庫(kù)一維恒定流水沙數(shù)學(xué)模型的理論成熟，應(yīng)用廣泛，陶亮等[4]（2019）在此基礎(chǔ)上，針對(duì)抽水蓄能電站上水庫(kù)和下水庫(kù)之間水流變化、泥沙交換的特點(diǎn)，建立數(shù)學(xué)模型，采用非耦合解法，計(jì)算成果規(guī)律性良好。

針對(duì)不同的環(huán)境和庫(kù)區(qū)位置，研究人員展開(kāi)了大量關(guān)于一維非恒定水流泥沙數(shù)值模擬的研究，孫昭華等[8]（2007）針對(duì)受到徑流和潮流影響的長(zhǎng)江下游近河口段（大通至徐六涇），根據(jù)其河床邊界和水動(dòng)力條件建立了具有局部河網(wǎng)結(jié)構(gòu)的一維水沙數(shù)學(xué)模型，模擬非恒定水沙運(yùn)動(dòng)；孫羽等[9]（2018）針對(duì)天池抽水蓄能電站下庫(kù)區(qū)地形、來(lái)水來(lái)沙特點(diǎn)及工程運(yùn)用條件，基于MIKEll 建立了一維非恒定的水沙數(shù)學(xué)模型，采用六點(diǎn)隱格式求解方程組，模型驗(yàn)證效果良好。

2.2 電站泥沙問(wèn)題的解決措施

2.2.1 南方地區(qū)抽水蓄能電站

南方地區(qū)河流泥沙含量較小，一般根據(jù)實(shí)測(cè)泥沙資料，計(jì)算運(yùn)行期50 年上、下水庫(kù)泥沙淤積總量，判斷泥沙淤積形態(tài)和計(jì)算壩前泥沙淤積高程，為輸水系統(tǒng)進(jìn)出水口設(shè)置攔沙設(shè)施提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1）泥沙淤積形態(tài)及淤積高程

首先，泥沙在庫(kù)內(nèi)淤積形態(tài)可根據(jù)下式進(jìn)行判別：

式中 α——淤積形態(tài)判別系數(shù)；

V——調(diào)節(jié)庫(kù)容（萬(wàn)m3）；分別計(jì)算上、下水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容；

W——上、下水庫(kù)多年平均入庫(kù)徑流量（萬(wàn)m3）。當(dāng)α<0.3 時(shí)，為錐體淤積；當(dāng)α>0.3 時(shí)，為三角洲淤積。

其次，采用目前使用較多的謝鑒衡判別式判別水庫(kù)淤積是否上延，當(dāng)公式達(dá)到下列判別程度時(shí)，則產(chǎn)生“翹尾巴”。

式中 JK——淤積平衡比降（‰）；

J0—河床原比降（‰），上、下水庫(kù)分別計(jì)算；

Hk—為淤積平衡后相應(yīng)于造床流量的平衡水深（m）；

H—水庫(kù)蓄水后壩前正常水深（m）。在已知淤積形態(tài)以及是否產(chǎn)生翹尾巴現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，根據(jù)50 年運(yùn)行期水庫(kù)泥沙淤積總量，采用經(jīng)驗(yàn)面積減少法計(jì)算壩前淤積高程，其基本公式為：

式中 Vr——壩前淤積面以下的相對(duì)淤積體積（m3）；

V0——壩前淤積面以下的淤積體積（m3）；

H——壩址河床以上的水深（m）；

Vs——水庫(kù)50 年總淤積量（m3）；

A0——當(dāng)h=h0處的淤積面積（m2）；

a0——當(dāng)h=h0處的相對(duì)淤積面積（m2）。

（h0——壩前淤積面以下的淤積深度）

最后，在上、下水庫(kù)輸水系統(tǒng)進(jìn)出水口前均設(shè)置攔沙坎，攔沙坎頂高程一般高于壩前泥沙淤積高程1.5 m左右。通過(guò)上述方法和措施，基本上解決了南方地區(qū)抽水蓄能電站泥沙問(wèn)題。

2）過(guò)機(jī)含沙量

過(guò)機(jī)含沙量包括兩部分：一是水流中懸浮泥沙含沙量，二是上下水庫(kù)進(jìn)出水口平均流速大于泥沙啟動(dòng)流速進(jìn)入水流中的泥沙。根據(jù)進(jìn)出水口布置和電站運(yùn)行狀態(tài)計(jì)算上、下水庫(kù)水流流速，再根據(jù)泥沙顆粒級(jí)配試驗(yàn)成果對(duì)應(yīng)的分組平均粒徑，計(jì)算不同粒徑的沉降速度、啟動(dòng)速度和水流攜沙能力，統(tǒng)計(jì)過(guò)機(jī)水流中泥沙含量得到過(guò)機(jī)含沙量成果。

因目前國(guó)內(nèi)外已建抽水蓄能電站機(jī)組缺乏在含沙水流中運(yùn)行的相關(guān)實(shí)測(cè)資料及分析成果，參照SL 269-2001《水利水電工程沉沙池設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)于混流式水輪機(jī)，發(fā)電水頭600 m 左右設(shè)置沉沙池的判別條件為多年平均過(guò)機(jī)含沙量大于0.08 kg/m3。一般認(rèn)為，南方抽水蓄能電站過(guò)機(jī)泥沙含量及粒徑符合規(guī)范要求。

2.2.2 北方地區(qū)

1）減少水流入庫(kù)泥沙量

北方地區(qū)河流泥沙含量較大，不能直接作為抽水蓄能電站的水源。根據(jù)抽水蓄能電站站址附近河道水流情況，具體問(wèn)題具體分析。一種情況是，利用已建水利工程泄洪沖沙、蓄清排渾后攔蓄的清水庫(kù)容作為抽水蓄能電站補(bǔ)水水源，如甘肅玉門抽水蓄能電站。另外一種情況是，電站所在河道斷面控制流域面積較大、泥沙總量大，可利用彎曲河道挖填形成下水庫(kù)，并在下水庫(kù)上游新建攔沙壩和攔沙水庫(kù)，如河南洛寧抽水蓄能電站、內(nèi)蒙古呼和浩特抽水蓄能電站、內(nèi)蒙古芝瑞抽水蓄能電站、陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能電站。

內(nèi)蒙古呼和浩特抽水蓄能電站位于多沙的哈拉沁溝上，電站下水庫(kù)河道以上流域面積621 km2；為減少泥沙對(duì)有效庫(kù)容的淤積，降低進(jìn)/出水口前泥沙淤積高程和過(guò)機(jī)含沙量，改善機(jī)組磨損條件，在哈拉沁水庫(kù)下游再設(shè)置攔沙壩將下水庫(kù)分隔為攔沙庫(kù)和蓄能專用下水庫(kù)。攔沙庫(kù)的主要任務(wù)是攔洪排沙，通過(guò)泄洪排沙洞使上游洪水和泥沙不進(jìn)入呼和浩特抽水蓄能電站下水庫(kù)，保證下水庫(kù)始終為清水狀態(tài)。攔沙庫(kù)攔沙壩不設(shè)過(guò)水設(shè)施，1 000 年一遇校核洪水標(biāo)準(zhǔn)以下天然洪水不進(jìn)入蓄能電站下水庫(kù)，通過(guò)攔沙壩前的泄洪排沙洞泄洪到下水庫(kù)攔河壩下游河道。同時(shí)，通過(guò)埋設(shè)在攔沙壩內(nèi)的2 根DN700 的補(bǔ)水鋼管在初期蓄水和運(yùn)行期向下水庫(kù)補(bǔ)充清水，攔沙庫(kù)補(bǔ)水水量懸移質(zhì)含沙量應(yīng)小于0.02 kg/m3，這就保證了過(guò)機(jī)含沙量處于很低的水平，不會(huì)對(duì)機(jī)組葉片產(chǎn)生大的損害，保證機(jī)組葉片大修時(shí)間間隔滿足規(guī)范要求。這種布置方式可供多沙河流建設(shè)抽水蓄能電站參考。

河南洛寧抽水蓄能電站上水庫(kù)集水面積0.69 km2，水庫(kù)形態(tài)呈盆狀，泥沙主要淤積在死水位以下；下水庫(kù)集水面積25.9 km2，上、下水庫(kù)多年平均懸移質(zhì)含沙量分別為2.97 kg/m3、3.05 kg/m3，為減小泥沙入庫(kù)和淤積量，降低過(guò)機(jī)泥沙含量，在下水庫(kù)設(shè)置攔沙壩和泄洪排沙洞，利用下水庫(kù)庫(kù)尾河段的彎道，設(shè)置攔沙壩和泄洪排沙洞將下水庫(kù)分隔成完全封閉的電站專用下水庫(kù)，攔沙壩及泄洪排沙洞負(fù)責(zé)攔洪排沙，采用“補(bǔ)清排渾”運(yùn)行方式，即在沒(méi)有發(fā)生洪水時(shí)通過(guò)埋設(shè)在攔沙壩壩體內(nèi)的補(bǔ)水鋼管向下水庫(kù)補(bǔ)水；在洪水期進(jìn)行敞泄排沙，將洪水期水沙通過(guò)泄洪排沙洞排至下水庫(kù)大壩下游。

陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能電站[10]通過(guò)在下水庫(kù)攔河壩上游設(shè)置攔沙壩，壩前設(shè)置泄洪排沙洞，保證了下水庫(kù)的水質(zhì)，使下水庫(kù)成為有利于電站運(yùn)行的清水水庫(kù)，滿足電站對(duì)過(guò)機(jī)水流含沙量的要求；豐寧抽水蓄能電站[11]根據(jù)當(dāng)?shù)氐匦螚l件在水庫(kù)中部設(shè)置了攔沙壩，將下水庫(kù)分成滿足電站正常運(yùn)行的專用下水庫(kù)和用于汛期排沙的攔沙庫(kù)，通過(guò)攔沙庫(kù)溢洪道將兩庫(kù)連接，并在右岸設(shè)置了泄洪排沙洞，滿足電站的用水需求。此外，還可以對(duì)進(jìn)水口和出水口的高度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，通過(guò)蓄清排渾和低水位排沙的方法減少上水庫(kù)和下水庫(kù)出現(xiàn)泥沙淤積的情況[12]。在防沙和排沙過(guò)程中應(yīng)統(tǒng)籌調(diào)度，保證綜合效益，提升治沙效果。此外，采用抗磨材料降低泥沙磨損對(duì)機(jī)組的危害。

2）減少上下水庫(kù)庫(kù)周入庫(kù)泥沙量

北方地區(qū)建設(shè)抽水蓄能電站，一般在庫(kù)尾和庫(kù)周布設(shè)截水溝，把庫(kù)盆邊坡以上暴雨降水產(chǎn)生的洪水、泥沙攔截在庫(kù)外，如牛首山蓄能電站，上、下水庫(kù)形成相對(duì)獨(dú)立封閉的水庫(kù)，電站運(yùn)行不受洪水、泥沙影響。上、下水庫(kù)洪水主要來(lái)自天然降雨，庫(kù)面所形成的洪量不大，均考慮攔蓄在水庫(kù)當(dāng)中。

3 前景與展望

3.1 隨著新能源開(kāi)發(fā)利用和電網(wǎng)自身建設(shè)需要，抽水蓄能電站建設(shè)迎來(lái)持續(xù)發(fā)展周期

1）新能源加快開(kāi)發(fā)利用

隨著我國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人提出2030 年碳達(dá)峰、2060 年碳中和的二氧化碳排放目標(biāo)，對(duì)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、重塑我國(guó)能源體系具有重要意義。2030 年水平年我國(guó)非化石能源占一次能源的消費(fèi)比重將達(dá)25%左右；2030 年我國(guó)風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)12 億kW 以上，由于大量風(fēng)、光可再生能源上網(wǎng)，且其隨機(jī)性、波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高要求，需要配套建設(shè)一定規(guī)模的抽水蓄能電站平抑其波動(dòng)性，提高電網(wǎng)消納風(fēng)電和太陽(yáng)能的能力。

2）電網(wǎng)自身建設(shè)需要

國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展對(duì)電力需求增加，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)調(diào)峰能力的需求、電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、智能電網(wǎng)建設(shè)等都對(duì)抽水蓄能電站建設(shè)帶來(lái)了發(fā)展機(jī)遇。

3.2 新的發(fā)展理念有助于減少河流總體的含沙量

“綠水青山就是金山銀山”從根本上打破了發(fā)展與保護(hù)對(duì)立的束縛，堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先的發(fā)展理念。可以預(yù)計(jì)，未來(lái)我國(guó)對(duì)水土流失防治、沙漠治理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的力度會(huì)不斷加強(qiáng)，進(jìn)入河流的泥沙總體上處于減少趨勢(shì)，有助于降低抽水蓄能電站水庫(kù)入沙量。

3.3 采用工程措施可以滿足機(jī)組過(guò)機(jī)含沙量的要求

首先，采取工程措施減少進(jìn)入上、下庫(kù)的泥沙；其次是采取工程措施減少進(jìn)入輸水系統(tǒng)中的泥沙。

南方地區(qū)建設(shè)抽水蓄能電站，上、下水庫(kù)一般位于山區(qū)，植被較好，水流含沙量較低，50 年運(yùn)行期進(jìn)入水庫(kù)泥沙總量相對(duì)較少，水庫(kù)死水位選擇時(shí)預(yù)留的死庫(kù)容就要求滿足運(yùn)行期泥沙淤積要求，而且，在上、下水庫(kù)輸水系統(tǒng)進(jìn)出水口設(shè)立攔沙坎，進(jìn)一步減少泥沙進(jìn)入輸水系統(tǒng)。

北方地區(qū)，尤其是西北地區(qū)建設(shè)抽水蓄能電站，上、下水庫(kù)集水面積天然徑流很小，植被很差，不但需要考慮水流帶來(lái)的泥沙，還要考慮沙塵暴和風(fēng)蝕進(jìn)入上、下水庫(kù)的泥沙。抽水蓄能電站初期蓄水用水量較多，運(yùn)行期只需要補(bǔ)充電站上下水庫(kù)蒸發(fā)滲漏增損水量，這對(duì)抽水蓄能電站泥沙處理是相對(duì)有利的一面。多數(shù)情況下電站用水需要從臨近水利工程選擇補(bǔ)水水源抽取，可通過(guò)已經(jīng)建成的水庫(kù)對(duì)入庫(kù)泥沙調(diào)節(jié)后少沙水流作為抽水蓄能電站的補(bǔ)水水源，減少入庫(kù)總泥沙量。補(bǔ)水水源泥沙分析顯得十分重要，利用臨近流域已建水庫(kù)泄洪沖沙功能，避開(kāi)下泄水流含沙量較高時(shí)段，把取水時(shí)段安排在水庫(kù)灌溉和生產(chǎn)生活供水時(shí)段；同時(shí)，在河道取水口采用滲管大口經(jīng)建筑物形式，進(jìn)一步減少水流含沙量。

如西北某抽水蓄能電站補(bǔ)水水源取水口上游控制性水庫(kù)多年平均入庫(kù)水流含沙量為3.45 kg/m3，經(jīng)水庫(kù)泄洪沖沙調(diào)度后灌溉放水期水流最大含沙量為0.193 kg/m3；把抽水蓄能電站補(bǔ)水期安排在灌溉放水期，可以避開(kāi)水流高含沙量時(shí)段，減少入庫(kù)泥沙量。

另外，隨著我國(guó)材料工業(yè)的進(jìn)步，水泵水輪機(jī)葉片抗沖刷能力會(huì)相應(yīng)提高，對(duì)抽水蓄能電站發(fā)展建設(shè)也是有利的。

綜上所述，目前，我國(guó)抽水蓄能電站泥沙問(wèn)題可以通過(guò)采取相應(yīng)的工程措施加以解決，滿足過(guò)機(jī)含沙量的要求。隨著生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度的加強(qiáng)和材料工業(yè)的進(jìn)步，抽水蓄能電站的泥沙問(wèn)題將會(huì)得到更好的解決。