程 鵬

（吐魯番水文勘測局,新疆 吐魯番 838000）

鄯善抽水蓄能電站是國家《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》“十五五”重點實施項目,主要承擔新疆電力系統(tǒng)調(diào)峰、填谷、儲能、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用等任務。為了滿足鄯善抽水蓄能電站發(fā)電要求,確保各方用水不受影響,就需對鄯善抽水蓄能電站上水庫的特征水位進行科學分析。

1 概況

吐魯番市鄯善縣二塘溝常年有水,且為深山峽谷,河道深切山體,兩岸山體高陡,沖溝發(fā)育,有較好的布置抽水蓄能電站的地形條件。為了開發(fā)水能資源,規(guī)劃在二塘溝河道左岸山頂寬緩溝道,采用擴挖筑壩的方式建庫。依靠天然降雨無法滿足蓄水發(fā)電要求,規(guī)劃通過抽取二塘溝干流河水進行蓄水發(fā)電,取水斷面距下游已建的二塘溝水庫大壩3.5 km,集水面積338 km2,取水斷面保證率95%年份時徑流量為5560萬m3,規(guī)劃裝機容量為140萬kW。上水庫特征水位（正常蓄水位/死水位）方案初擬需考慮庫區(qū)地形地質(zhì)條件、庫盆擴展條件、機組運行條件、徑流來水、水庫淹沒、環(huán)境影響等因素。

2 水文地質(zhì)條件分析

2.1 地形地質(zhì)條件

上水庫庫址地形整體東北側(cè)高,向西南一側(cè)降低,地形高低起伏較大,小沖溝、山梁發(fā)育。壩址地形為V字型峽谷,兩岸高差相對較小,有利于筑壩。壩址區(qū)基巖巖性為上石炭系灰?guī)r夾板巖,巖性堅硬,中層夾薄層狀結(jié)構(gòu),承載、變形能力可滿足建壩要求。壩址區(qū)地下水水位埋深大（大于200 m）,右岸壩肩山梁單薄,壩基巖體透水性強,可能會發(fā)生鄰谷滲漏,需對水庫采取全庫盆防滲工程措施。水庫淹沒范圍沒有生產(chǎn)物資,也不會對環(huán)境有影響?？傮w上,水庫地形地質(zhì)條件不制約特征水位選擇。

2.2 庫盆擴展條件

上水庫位于二塘溝河道左岸山頂寬緩溝道,天然庫容不能滿足需求,需采用挖填的方式圍成庫盆,形成上水庫。開挖后水庫四周庫岸邊坡整體較穩(wěn)定,但受裂隙組合影響,邊坡表面局部可能形成不穩(wěn)定塊體,所以開挖坡比不宜過陡,同時施工開挖過程中應視具體情況及時錨噴支護。

3 水庫防洪分析

上水庫基本沒有天然徑流來水,地下水埋藏較深,不存在地下水補給,洪水主要來自天然降雨。在工程運行期,入庫洪量主要為庫周洪量和庫面洪量。水庫庫周有1條支溝,集水面積不足10 km2,庫面和庫周形成的洪量（W24h）不大,24 h校核（P=0.1%）洪量7.6萬m3,24 h設計（P=0.5%）洪量5.73萬m3,所形成的洪量較小,通過壩（庫）超高滿足防洪要求的條件,故壩身及樞紐泄洪壓力較小,水庫不需設置專門的泄洪設施。暴雨形成的洪水可暫時儲存在上水庫,通過電站機組發(fā)電后排放至下水庫。電站抽水量受水庫正常蓄水位控制,水庫水位達到正常蓄水位后,停止抽水。

4 水庫特征水位分析

4.1 發(fā)電庫容

鄯善抽水蓄能電站初選裝機容量140萬kW,安裝4臺單機容量35萬kW的立軸單級混流可逆式水泵水輪機,額定發(fā)電流量約265.6 m3/s,按連續(xù)滿發(fā)小時數(shù)6h,并考慮1.1的裕度系數(shù),電站發(fā)電庫容需求約637.7萬m3。水頭范圍在565.3 m～640.9 m,按照目前水泵水輪機制造水平和水頭范圍,從滿足電站水泵水輪機的穩(wěn)定高效運行考慮,水泵水輪機最大揚程和最小水頭比值宜控制在1.15以下。

4.2 徑流來水分析

二塘溝河發(fā)源于天山東部冰川,徑流來源主要為冰川融水、融雪、降雨和地下水補給等,其中降雨占總徑流量的89.7%,地下水補給量和冰雪融水補給分別占5.8%和4.4%。二塘溝擬建抽水蓄能電站壩址位于二塘溝專用站上游1.1 km,集水面積為344 km2,區(qū)間無較大支流匯入和流出,壩址集水面積與二塘溝專用站集水面積僅相差1.7%,本次直接移用二塘溝專用站的年徑流作為二塘溝擬建抽水蓄能電站壩址的設計年徑流。在電站正常運行補水來水保證率95%下,取水斷面年徑流量約5560萬m3,見表1。遠遠大于發(fā)電庫容需求量637.7萬m3。所以徑流來水對水庫庫容水位沒有影響。

表1 鄯善抽水蓄能電站取水斷面設計代表年徑流成果表 單位：萬m

鄯善抽水蓄能電站正常運行不消耗水量,僅有庫面水量蒸發(fā)損失及滲漏損失,本次僅考慮生態(tài)用水及蒸發(fā)、滲漏損失情況下,開展水量平衡及盈虧調(diào)節(jié)分析,二塘溝水庫下游用水情況見表2。

表2 二塘溝水庫下游用水情況表 單位：萬m3

根據(jù)鄯善縣水利局《關于將二塘溝作為鄯善抽水蓄能電站取用水水源的復函》,項目正常運行期補水可采用休耕補償、渠道節(jié)水、高效節(jié)水等方式置換農(nóng)業(yè)用水,利用水權(quán)轉(zhuǎn)讓獲取用水指標。針對項目初期蓄水量大及蓄水時段相對較短的特點,可通過短期休耕置換農(nóng)業(yè)灌溉用水蓄水,滿足水庫初期蓄水和運行期間補水的要求。而電站用水不消耗水資源,發(fā)完電后直接排入下游河道,所以電站抽取水,對下游用水和生態(tài)基流沒有影響。

4.3 水損備用庫容

由表1、表2 可知,1月～4月及9月～12月水量為虧缺,所以1月～4月、9月～12月設置水損備用庫容解決運行期水庫補水。1月～4月、9月～12月設置水損備用庫容,合計蒸發(fā)損失及滲漏損失約147.2萬m3。水損備用庫容利用設置在二塘溝水庫上游二塘溝主河道的下水庫。

上水庫地層巖性主要為上石炭系灰?guī)r夾板巖、安山巖。每增加1 m3庫容,需通過1.5 m3～2.0 m3的石方開挖來獲得。下水庫位于二塘溝河道,場地開闊,河谷為寬闊U型谷,每增加1 m3庫容,需通過1 m3～1.2 m3的砂礫石開挖來獲得。經(jīng)綜合對比,水損備用庫容設置在下水庫要比上水庫所需工程代價要小。

4.4 冰凍備用庫容

鄯善抽水蓄能電站位于吐魯番市鄯善縣,電站水庫緯度與東北地區(qū)接近,需考慮冬季結(jié)冰導致的水庫庫容損失。上水庫正常蓄水位2134 m相應庫面面積為24.6萬m2,根據(jù)水文監(jiān)測及分析,上水庫可能形成冰蓋的厚度約0.4 m,設置冰凍備用庫容10萬m3。

4.5 泥沙淤積對調(diào)節(jié)庫容影響初步分析

根據(jù)鄯善抽水蓄能電站上水庫防排沙措施以及補水方式,上水庫泥沙問題不嚴重。上水庫可不考慮泥沙淤積問題,抽水挾沙可忽略不計,不會影響調(diào)節(jié)庫容。

綜上所述,在連續(xù)滿發(fā)小時數(shù)及裝機容量初選基礎上,考慮鄯善抽水蓄能電站上水庫地形、地質(zhì)條件,以及水泵水輪機組的安全、穩(wěn)定運行要求,鄯善抽水蓄能電站連續(xù)滿發(fā)小時數(shù)6 h,裝機容量140萬kW,所需上水庫調(diào)節(jié)庫容約647.6萬m3,其中發(fā)電庫容為637.7萬m3,冰凍備用庫容10萬m3。

4.6 上水庫特征水位方案初擬

考慮本工程的地形地質(zhì)和庫容條件,上水庫的調(diào)節(jié)庫容主要通過開挖圍填形成,調(diào)節(jié)庫容越大上水庫工程量也相應增大,在滿足最大揚程/最小水頭及調(diào)節(jié)庫容需求的前提下,同時考慮土石方挖填平衡,采取全庫盆防滲。在充分利用上水庫地形條件及庫盆挖填平衡的前提下,抬高上水庫正常蓄水位,將增加壩高及大壩填筑量,需要通過深挖庫底及增加料場等方式實現(xiàn)壩料平衡,此外,上水庫東側(cè)、西側(cè)沖溝地形陡峭,隨正常蓄水位抬高,坡腳會不斷向下游延伸至沖溝溝底,需要對坡腳進行防護并對溝內(nèi)洪水進行排導以免出現(xiàn)沖刷破壞,或者采用較高的混凝土重力擋墻將坡腳擋住不進入沖溝,但這樣擋墻投資較大且工程上存在一定風險。西側(cè)山脊高度較低,隨著上水庫正常蓄水位抬高,山體厚度將越來越薄。同時從地形可以看出上水庫主溝在高程2135 m左右出現(xiàn)明顯拐彎現(xiàn)象,即目前上水庫已位于主溝溝腦位置,若繼續(xù)抬高正常蓄水位只會導致填筑量增加,繼而根據(jù)挖填平衡,需要庫周開挖更多料源來滿足,因此,本階段從盡可能減少料場規(guī)模、提高工程經(jīng)濟性、壩工安全性等方面考慮,上水庫正常蓄水位上限取2137 m,死水位上限取2103 m。

考慮上水庫是由開挖形成的,降低上水庫正常蓄水位,雖然壩高降低,填筑量減少,但庫盆開挖量增加較大,棄渣增加,上水庫壩后堆渣場地非常有限,渣場坡腳高度將增高,工程風險增大,防護措施增強則工程投資增加,若渣場容量不夠則還需另尋渣場,工程投資增加。根據(jù)鄯善抽水蓄能電站上水庫防排沙措施以及補水方式,上水庫泥沙問題不嚴重,上水庫可不考慮泥沙淤積問題,抽水挾沙可忽略不計。因此,本階段從盡可能減少棄渣,提高工程經(jīng)濟性方面考慮,上水庫正常蓄水位下限取2131 m,死水位下限取2097 m。

鄯善抽水蓄能電站水頭運行范圍在565.3 m～640.9 m,按照目前水泵水輪機制造水頭范圍,并根據(jù)水泵水輪機的比轉(zhuǎn)速,從滿足電站水泵水輪機穩(wěn)定高效運行考慮,水泵水輪機最大揚程和最小水頭比值宜控制在1.15以下。根據(jù)裝機連續(xù)滿發(fā)小時數(shù)及裝機容量比選成果,鄯善抽水蓄能電站初選裝機容量140萬kW,連續(xù)滿發(fā)小時數(shù)6 h,所需上水庫調(diào)節(jié)庫容約647.6萬m3左右。

綜合考慮上水庫地形地質(zhì)條件、機組運行條件,根據(jù)上水庫所需調(diào)節(jié)庫容及庫盆土石方挖填平衡要求等,擬定三個上水庫特征水位（正常蓄水位/死水位）,見表3。各方案對應的下水庫正常蓄水位和死水位均采用1520 m、1495 m。通過水量平衡和蓄能量計算,三個比選方案水能參數(shù)見表3。

表3 鄯善抽蓄電站上水庫特征水位比選方案水能參數(shù)表

3個方案均滿足規(guī)劃發(fā)電規(guī)模,按照投資規(guī)模和發(fā)電時間的科學性,方案2（上水庫特征水位2134 m/2100 m）工程單位千瓦投資最小,經(jīng)濟性較好。所以選定方案2作為上水庫庫容特征水位。上水庫（推薦方案）挖填后庫容曲線見圖1。

圖1 鄯善抽水蓄能電站上水庫挖填后庫容曲線圖

5 結(jié)語

經(jīng)過分析探討,二塘溝河道徑流、泥沙和防洪對鄯善抽水蓄能電站上水庫特征水位沒有影響,冰凍氣溫有影響。根據(jù)庫區(qū)地形條件限制、庫盆開挖特點,在二塘溝河道左岸山頂寬緩溝道溝內(nèi)擴挖及溝口筑壩形成上水庫方案科學可行。上水庫正常蓄水位2134 m,死水位2100 m,調(diào)節(jié)庫容647.6 萬m3,滿足裝機容量140萬kW連續(xù)滿發(fā)小時6 h,建設經(jīng)濟科學。上水庫運行補水通過置換農(nóng)業(yè)灌溉水權(quán)取得,發(fā)電用水對二塘溝下游用水和河道生態(tài)基流沒有影響,可為類似水電站庫容確定提供借鑒。