任 在 民,王 鵬 飛,王 瑋,歐陽秋平,曾 昭 芳
(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 311122; 2.中國三峽建工(集團(tuán))有限公司,四川 成都 610095)
考慮上游來水、上下游用水、工程安全及庫岸穩(wěn)定等綜合因素[1-3]是合理確定水庫初期蓄水方案的前提,必要時(shí)還需要分析并提出協(xié)調(diào)上下游水庫配合蓄水的對策。相關(guān)學(xué)者對水庫初期蓄水計(jì)算進(jìn)行了大量研究,如羅純軍等[4]通過長系列法、典型年法、逐月排頻法、典型蓄水位期法及逐月整體排頻法進(jìn)行實(shí)例計(jì)算分析,認(rèn)為逐月整體排頻法更科學(xué)準(zhǔn)確;高潔[5]以相同需蓄水量為目標(biāo),對蓄水歷時(shí)進(jìn)行排頻計(jì)算,求得設(shè)計(jì)保證率相應(yīng)典型入庫流量過程線的方法,思路較為簡單、適合程序化操作;王明華[6]、涂俊欽[7]、李太成[8]及秦曉明等[9]分別分析了庫岸滑坡、安全監(jiān)測、下游供水及來水水情等因素對水庫蓄水影響;裴金林[10]、李雨[11]、楊鳳英等[12]則分別從蓄水方案的下游通航要求、蓄水優(yōu)化調(diào)度方法和下閘蓄水方案研究等方面提出了研究新思路;馮平等[13]以崗南水庫為例分析了超汛限水位蓄水的風(fēng)險(xiǎn);陳永生[14]、楊子俊等[15]分別研究了水布埡和糯扎渡初期蓄水對下游供水的影響。此外,一些學(xué)者針對水庫蓄水時(shí)機(jī)等其他細(xì)分方面進(jìn)行了研究。但是,鮮見存在復(fù)雜水力聯(lián)系的上下游梯級水庫配合擬蓄水水庫初期蓄水及其影響分析方面的研究。
本文以白鶴灘水庫初期蓄水為例,從運(yùn)行方式、出力及可調(diào)容量等方面分析了白鶴灘水庫初期蓄水后對上下游梯級水庫的影響,以此作為協(xié)調(diào)調(diào)度運(yùn)行的依據(jù)。并基于該思路制定了白鶴灘水庫蓄水方案以保障白鶴灘水庫初期蓄水計(jì)劃的如期實(shí)施,以期為類似條件的水庫初期蓄水方案研究提供參考。
白鶴灘水電站為金沙江下游4個(gè)水電梯級——烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩水電站中的第二個(gè)梯級電站,電站投產(chǎn)后將成為世界第二大水電站。電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi),距巧家縣城45 km,上接烏東德梯級,下鄰溪洛渡梯級,距離溪洛渡水電站195 km。
為確保白鶴灘水電站首批機(jī)組如期投產(chǎn)發(fā)電,2021年4月11日至5月31日水庫水位需要從641 m左右蓄至死水位760 m,蓄水量高達(dá)77.4億m3。采用蓄水保證率P=75%時(shí)段,考慮上游兩河口水庫、楊房溝水庫及蘇洼龍3個(gè)水庫初期蓄水總量約8.3億m3,及觀音巖引水量0.2億m3,則白鶴灘水電站壩址剩余水量僅為62.3億m3。將下泄生態(tài)水量40.1億m3計(jì)入蓄水過程水量損失后,白鶴灘水庫初期蓄水水量缺口約為55.6億m3。由此可見,白鶴灘水庫初期蓄水將面臨來水量嚴(yán)重不足的形勢,為保障白鶴灘水庫初期蓄水計(jì)劃的實(shí)施,需基于不同來水工況綜合分析協(xié)調(diào)上下游水庫運(yùn)行的措施及其影響,在滿足下游生態(tài)和航運(yùn)行用水要求基礎(chǔ)上,研究制定白鶴灘水庫初期蓄水方案。
以白鶴灘水庫初期蓄水為研究對象,考慮上游錦屏一級、二灘、兩河口、楊房溝、蘇洼龍、烏東德及觀音巖水庫引水對白鶴灘水庫入庫徑流的影響,以及下游溪洛渡梯級電站對白鶴灘水庫初期蓄水泄放生態(tài)流量的影響,故研究對象還包括影響白鶴灘水庫初期蓄水的上下游調(diào)節(jié)能力較好的梯級電站及引用水工程,白鶴灘水電站與上下游梯級拓?fù)潢P(guān)系示意見圖1。本文采用資料包括白鶴灘水電站設(shè)計(jì)階段1953年6月至2018年5月共65個(gè)水文年天然徑流數(shù)據(jù),上下游主要梯級的運(yùn)行方式及主要參數(shù),以上資料均來源于白鶴灘水電站蓄水階段相關(guān)設(shè)計(jì)成果。
圖1 白鶴灘水電站與上下游梯級拓?fù)潢P(guān)系示意
對白鶴灘水電站壩址1953年6月至2018年5月共65個(gè)水文年天然徑流系列排頻,選取保證率為75%的蓄水代表段(相應(yīng)代表段1973年4月11日至6月30日)及白鶴灘水電站壩址水文代表站六城站實(shí)測徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行蓄水計(jì)算,相應(yīng)計(jì)算準(zhǔn)則如下:
(1) 根據(jù)白鶴灘水電站上下游工程蓄水和引調(diào)水情況,分析白鶴灘水電站壩址可蓄水量。上游工程蓄水和引調(diào)水對白鶴灘水庫入庫流量有影響,下游用水對白鶴灘水庫下泄水量有影響,以此分析白鶴灘水庫在蓄水期的可蓄水量。上游蓄水和引調(diào)水工程主要考慮兩河口、楊房溝、蘇洼龍水庫以及觀音巖引水工程。上述工程蓄水、調(diào)水與白鶴灘水庫初期蓄水有一定的重疊期,會減少白鶴灘水庫的入庫流量。下游用水主要考慮泄放生態(tài)流量,同時(shí)滿足下游航運(yùn)用水要求。
(2) 根據(jù)分析得出的白鶴灘水庫初期蓄水期可蓄水量與要求蓄水量,分析提出需要上游調(diào)蓄能力較大梯級電站的配合水量及對策。
(3) 基于上下游梯級水庫配合措施,分析其對梯級水庫運(yùn)行方式、平均出力及可調(diào)容量等方面的影響,最終為協(xié)調(diào)電力系統(tǒng)及電站調(diào)度提供參考依據(jù)。
大型水電站工程初期蓄水往往受到多種因素的影響,一般是多種因素共同主導(dǎo)、綜合影響,制約因素的影響可能短時(shí)性的,也可能貫穿于整個(gè)初期蓄水過程[8]。
影響白鶴灘水庫初期蓄水的主要因素包括移民搬遷進(jìn)度、上下游用水要求、工程樞紐建筑物及水庫庫岸穩(wěn)定、閘門及封堵建筑物等安全要求。白鶴灘水庫初期蓄水計(jì)劃為:按照工程施工進(jìn)度,初期蓄水第一階段(2019年11月中旬至2021年4月10日)屬于導(dǎo)流設(shè)施封堵階段,水庫水位主要取決于入庫流量和導(dǎo)流隧洞或?qū)Я鞯卓仔沽髂芰?為水位自然升降階段;第二階段(2021年4月中旬至6月底),1~6號導(dǎo)流底孔下閘蓄水。2021年5月進(jìn)行6號導(dǎo)流底孔下閘,2021年5月底水庫水位蓄至水位760 m,進(jìn)行機(jī)組調(diào)試,2021年7月1日首批機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。
白鶴灘水庫在初期蓄水期間,對蓄水的原則與相關(guān)影響因素分析如下:
(1) 各期蓄水和水位上升均需與移民搬遷進(jìn)度相匹配。
(2) 蓄水期間需保證下游生態(tài)用水和通航用水的要求,主要根據(jù)2019年2月28日至3月1日生態(tài)環(huán)境部環(huán)境工程評估中心對《金沙江白鶴灘水電站環(huán)境保護(hù)總體設(shè)計(jì)報(bào)告》評審意見的要求:“原則同意生態(tài)流量泄放方案調(diào)整。工程導(dǎo)流底孔下閘起蓄時(shí)間較環(huán)評階段方案提前約1個(gè)月,初期蓄水過程中有51 d下泄流量低于環(huán)評批復(fù)要求,此期間通過優(yōu)化下游溪洛渡運(yùn)行調(diào)度,保證溪洛渡水庫運(yùn)行水位與白鶴灘壩址尾水相銜接。下階段應(yīng)做好初期蓄水期間烏東德、白鶴灘以及溪洛渡、向家壩的調(diào)度協(xié)調(diào),切實(shí)保障白鶴灘壩下河段生態(tài)用水需求。白鶴灘運(yùn)行期應(yīng)下泄不低于1 160~1 260 m3/s的生態(tài)流量?!?/p>
根據(jù)《金沙江向家壩水電站水庫與電站運(yùn)行調(diào)度規(guī)程(試行)》,向家壩水電站最小通航流量為1 200 m3/s。根據(jù)2019年12月《金沙江向家壩水電站升船機(jī)運(yùn)行期航運(yùn)調(diào)度方案審查意見》:“樞紐下游設(shè)計(jì)最小通航流量為1 200 m3/s,升船機(jī)運(yùn)行初期最小通航流量暫定為1 500 m3/s,待烏東德、白鶴灘等上游水庫蓄水運(yùn)行后,開展聯(lián)合調(diào)度研究,進(jìn)一步提高最小下泄流量。白鶴灘水庫初期蓄水期間需保證向家壩下游最小通航流量的要求,結(jié)合向家壩水電站近年的實(shí)際運(yùn)行情況,從對白鶴灘蓄水偏不利情況考慮,蓄水計(jì)算時(shí)最小通航流量按1 700 m3/s計(jì)?!?/p>
(3) 工程蓄水規(guī)劃水庫水位及上升速度應(yīng)滿足工程樞紐建筑物及水庫庫岸穩(wěn)定、閘門及封堵建筑物等安全要求。綜合大壩及庫岸穩(wěn)定安全等相關(guān)要求,白鶴灘水庫775 m以上蓄水上升速率按不大于2.0 m/d控制,775 m以下蓄水上升速率則不做限制,庫水位下降速率按不大于2.0 m/d控制。
(4) 在保證下游河道不出現(xiàn)斷流和下游用水要求的前提下,水庫應(yīng)盡快完成蓄水、實(shí)現(xiàn)發(fā)電目標(biāo)。
(5) 蓄水期間入庫徑流考慮上游兩河口、楊房溝、蘇洼龍水庫蓄水及觀音巖引水工程的影響,并統(tǒng)籌協(xié)調(diào)上下游梯級調(diào)度運(yùn)行方式。
選取75%蓄水代表段進(jìn)行白鶴灘水庫蓄水過程計(jì)算,上游梯級協(xié)助蓄水前后蓄水計(jì)算成果分別見表1~2。
表2 白鶴灘水庫初期蓄水過程(上游梯級協(xié)助后)
根據(jù)白鶴灘水庫壩址水文代表站六城站實(shí)測徑流資料分析,選取六城站2018~2019年實(shí)測各旬平均流量進(jìn)行蓄水計(jì)算(見表3)。
表3 白鶴灘水庫實(shí)際初期蓄水過程(按2018~2019年六城站實(shí)測平均流量)
按蓄水保證率75%,初期蓄水期4月11日至5月31日需要由二灘水電站出庫的總水量為53.6億m3,其中天然徑流量為23.9億m3(考慮楊房溝蓄水后)、錦屏一級、二灘水電站增加調(diào)蓄的水量約為29.7億m3;從實(shí)際年實(shí)測流量的蓄水計(jì)算成果看,按六城站2018~2019年實(shí)測逐旬平均流量計(jì)算,考慮上游各梯級調(diào)蓄作用及下游用水要求等,至2021年5月底,考慮烏東德水庫提供調(diào)蓄水量26.39億m3,上游梯級正常調(diào)蓄,至5月底可滿足機(jī)組水位調(diào)試水位要求,蓄水速率為0.3~4.9 m/d。
為確保白鶴灘水電站2021年7月1日發(fā)電,以P=75%典型年蓄水過程為本文分析的基本方案。
在白鶴灘水庫初期蓄水重點(diǎn)階段2021年4月11日至5月31日(蓄至機(jī)組調(diào)試水位760 m),根據(jù)環(huán)境評價(jià)中心關(guān)于初期蓄水期生態(tài)流量的評審意見,白鶴灘水庫初期蓄水前(2021年4月11日前)溪洛渡水庫水位需蓄至598 m,白鶴灘水庫蓄水期間,白鶴灘和溪洛渡梯級銜接時(shí)(溪洛渡水庫水位580 m以上時(shí))白鶴灘水庫按平均流量640 m3/s下泄;白鶴灘和溪洛渡梯級不銜接時(shí),白鶴灘水庫按平均流量1 160 m3/s下泄;溪洛渡598~580 m區(qū)間庫容為22.4億m3,在保證向家壩下游航運(yùn)流量1 700 m3/s的條件下,考慮白鶴灘水庫蓄水平均下泄640 m3/s,溪洛渡維持580 m以上運(yùn)行24.5 d;蓄水期內(nèi)的剩余26.5 d,白鶴灘水庫需平均下泄1160 m3/s。
初期蓄水75%頻率情況下,考慮上游兩河口、楊房溝、蘇洼龍蓄水及觀音巖引水等影響,上游梯級協(xié)助蓄水前白鶴灘水庫初期蓄水期水量缺口高達(dá)55.6億m3。
烏東德水電站已經(jīng)投運(yùn),水庫最大調(diào)蓄水量30.2億m3;錦屏一級和二灘水庫調(diào)節(jié)庫容分別為49.1億m3和33.7億m3。白鶴灘水庫蓄水期間,以上3個(gè)水庫有部分調(diào)節(jié)庫容用于調(diào)節(jié),增加枯期流量。因此,上游梯級的配合主要考慮烏東德、錦屏一級、二灘水庫。
考慮實(shí)際調(diào)度中烏東德水電站發(fā)電要求,協(xié)調(diào)提供調(diào)蓄水量時(shí)最低發(fā)電水位按947 m計(jì),并考慮白鶴灘水電站2~4號導(dǎo)流隧洞下閘封堵期間,690 m水位以下移民搬遷完畢前,烏東德水庫需要預(yù)留的調(diào)蓄庫容為2.19億m3(烏東德最高庫水位約973.21 m)。烏東德庫水位973.21~947.00 m可提供調(diào)蓄水量26.4億m3。再考慮上游錦屏一級和二灘水電站補(bǔ)充水量約29.7億m3。至2021年5月底,白鶴灘水庫水位可蓄至機(jī)組調(diào)試水位760 m,至2021年6月中旬庫水位可蓄至775 m。根據(jù)錦屏一級、二灘水電站2021年計(jì)劃的調(diào)度方案,錦屏一級水庫按原調(diào)度計(jì)劃從4月10日至5月31日,水位由1 830 m消落至1 805 m,可提供正常的調(diào)蓄水量約12.7億m3,則需由二灘水電站協(xié)助提供的調(diào)蓄水量約17.0億m3。因此,二灘水電站庫水位需從2021年4月11日開始消落,2021年5月31日消落至1 160 m。
綜上分析,為減小對上游梯級的影響,白鶴灘水庫初期蓄水最優(yōu)方案為:只考慮雅礱江二灘梯級和白鶴灘水電站上游鄰近的烏東德梯級的配合。
根據(jù)2021年運(yùn)行調(diào)度計(jì)劃,4月10日至5月31日,二灘水庫水位從1 165 m消落至1 160 m。在蓄水保證率75%情況下,需二灘水電站調(diào)整的調(diào)度運(yùn)行方式為:① 12月至次年5月一般為二灘水庫供水期,為預(yù)留庫容不使庫水位過早消落,水庫在2021年4月上旬末水庫水位應(yīng)不低于1 185 m;② 2021年 4月中旬至5月底二灘水庫水位消落至1 160 m,結(jié)合發(fā)電協(xié)助白鶴灘水庫蓄水至機(jī)組調(diào)試水位760 m。
為協(xié)助白鶴灘水電站蓄水,二灘水電站運(yùn)行方式調(diào)整將影響下游緊鄰的桐子林水電站。二灘、桐子林水電站運(yùn)行方式調(diào)整前后,兩梯級可調(diào)容量變化見表4~5。從月均出力和可調(diào)容量來看,二灘水電站運(yùn)行方式調(diào)整后,二灘水電站3月平均出力減少417 MW,4、5月平均出力增加168,397 MW;3~6月可調(diào)容量基本沒有影響;二灘水電站運(yùn)行方式調(diào)整后,桐子林水電站3月平均出力減少53 MW,4、5月平均出力分別增加9,49 MW;3~6月對可調(diào)容量無影響。
表4 白鶴灘水庫初期蓄水對二灘水電站可調(diào)容量影響
表5 白鶴灘水庫初期蓄水對桐子林水電站可調(diào)容量影響成果
在白鶴灘水庫初期蓄水期間,為提供調(diào)蓄水量,2021年4月11日前烏東德水電站需要維持高水位運(yùn)行,電站需按來水流量發(fā)電。經(jīng)計(jì)算,2021年1月至4月上旬,蓄水保證率75%情況下烏東德水電站發(fā)電出力為1 172~2 345 MW,按發(fā)電出力計(jì),烏東德電站僅能按2~3臺機(jī)組運(yùn)行。
根據(jù)烏東德水電站機(jī)組投產(chǎn)計(jì)劃,至2021年1月電站共投產(chǎn)8臺機(jī)組,2021年4月電站共投產(chǎn)9臺機(jī)組,裝機(jī)容量分別達(dá)6 800,7 650 MW。因此,為協(xié)助白鶴灘水庫初期蓄水,需要協(xié)調(diào)電網(wǎng)對烏東德電站發(fā)電容量進(jìn)行調(diào)度。
5.4.1溪洛渡電站運(yùn)行方式
在白鶴灘水庫初期蓄水期間需要下游溪洛渡水庫協(xié)助,建議溪洛渡、向家壩水電站運(yùn)行方式調(diào)整為:
(1) 一般11月至次年5月為溪洛渡水電站供水期,為預(yù)留庫容不使水庫水位過早消落,水庫在2021年1月初水位不應(yīng)過低。2021年1月上旬至4月上旬控制水庫水位保持在595~598 m,適當(dāng)減少發(fā)電出力,按來水為主發(fā)電。至2021年4月10日水庫水位保持不低于598 m,4月中旬至5月底按協(xié)助白鶴灘水庫蓄水的方式運(yùn)行,其中:① 4月中旬至5月5日,水庫水位由598 m消落至580 m時(shí)(與白鶴灘水電站梯級銜接),白鶴灘水電站按平均流量640 m3/s下泄,為保證下游航運(yùn)要求,溪洛渡水電站結(jié)合發(fā)電按1 700 m3/s下泄(最小通航流量按1 700 m3/s計(jì),以強(qiáng)迫出力運(yùn)行),水庫水位消落至580 m;② 5月6日至5月底溪洛渡水位低于580 m時(shí)(與白鶴灘梯級不銜接),白鶴灘水電站下泄流量增加為1 160 m3/s,利用580 m以下調(diào)節(jié)庫容39.63億m3,溪洛渡電站可不再以強(qiáng)迫出力運(yùn)行(按庫容39.63億m3計(jì)算,溪洛渡平均下泄流量可達(dá)2 890 m3/s)。因此,2021年5月6日至5月底溪洛渡水電站可在滿足下游最小通航流量的前提下,利用水庫庫容調(diào)節(jié)按電網(wǎng)調(diào)度發(fā)電。
(2) 向家壩水電站4月中旬至5月5日按下游最小通航流量(按1 700 m3/s計(jì))發(fā)電;5月6日至5月底溪洛渡水位低于580 m(與白鶴灘水電站梯級不銜接),白鶴灘水電站下泄流量增加至1 160 m3/s,向家壩水電站可在滿足下游最小通航流量的前提下,按電網(wǎng)調(diào)度發(fā)電。
5.4.2溪洛渡、向家壩水電站可調(diào)容量
運(yùn)行方式調(diào)整前后溪洛渡、向家壩水電站的可調(diào)容量見表6~7。在白鶴灘水庫初期蓄水的前24.5 d(4月中旬至5月5日),由于梯級銜接和下游最小航運(yùn)流量要求,溪洛渡、向家壩水電站需要基本按下泄流量1 700 m3/s以基荷運(yùn)行(即以強(qiáng)迫出力運(yùn)行),兩電站的可調(diào)容量分別約為9 237,4 007 MW,相比運(yùn)行方式調(diào)整前(正常運(yùn)行情況時(shí)兩電站可調(diào)容量12 320,5 600 MW),電站可調(diào)容量有較大的減少,最大分別減少約3 083,1 593 MW。
表6 白鶴灘水庫初期蓄水對溪洛渡水電站可調(diào)容量影響成果
表7 白鶴灘水庫初期蓄水對向家壩水電站可調(diào)容量影響成果
(1) 為確保白鶴灘水電站2021年7月1日首批機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電,2021年5月底水庫水位需蓄至760 m,在蓄水保證率75%情況下,除烏東德水庫提供調(diào)蓄水量26.39億m3外,尚缺水量約29.7億m3,需要協(xié)調(diào)上游具有調(diào)節(jié)庫容的水庫運(yùn)行來配合白鶴灘水庫初期蓄水的實(shí)施。
(2) 雅礱江錦屏一級和二灘水庫調(diào)蓄能力較好,其發(fā)電調(diào)度運(yùn)行對白鶴灘水庫蓄水有較大影響。錦屏一級水庫按原調(diào)度計(jì)劃從4月11日至5月31日水位由1 830 m消落至1 805 m,可提供調(diào)蓄水量約12.7億m3,則需二灘水電站2021年4月11日由庫水位1 185 m開始消落,2021年5月31日水位消落至1 160 m,可提供調(diào)蓄水量約17.0億m3。按此運(yùn)行方式調(diào)整后,可保障白鶴灘水庫按期完成初期蓄水目標(biāo)。
上游雅礱江梯級發(fā)電流量主要取決于電網(wǎng)調(diào)度。因此,白鶴灘水庫蓄水期間需要協(xié)調(diào)上游雅礱江梯級的蓄水和發(fā)電調(diào)度運(yùn)行,以保證白鶴灘水庫蓄水水量。
(3) 為協(xié)助白鶴灘水庫蓄水,二灘水庫在2021年4月上旬末水庫水位應(yīng)不低于1 185 m,5月底水位消落至1 160 m,其運(yùn)行方式的調(diào)整對二灘及下游桐子林等電站總發(fā)電量和可調(diào)容量影響較小;蓄水期內(nèi)烏東德水電站按2~3臺機(jī)組運(yùn)行;蓄水期內(nèi)下游溪洛渡、向家壩協(xié)調(diào)運(yùn)行以滿足下游生態(tài)及航運(yùn)用水要求,兩電站需要按下泄流量1 700 m3/s以基荷運(yùn)行(即以強(qiáng)迫出力運(yùn)行),兩電站的可調(diào)容量相比運(yùn)行方式調(diào)整前有較大的減少,最大分別減少約3 083,1 593 MW。因此,需要電網(wǎng)調(diào)度協(xié)調(diào)電站運(yùn)行的方式調(diào)整,預(yù)先協(xié)調(diào)安排上述電站的發(fā)電計(jì)劃、電力消納和電網(wǎng)供電計(jì)劃。
參照本文初期蓄水方案及對策研究成果,白鶴灘水庫實(shí)際初期蓄水過程中制定了上、下游梯級的協(xié)調(diào)調(diào)度預(yù)案,保障了水庫順利完成初期蓄水目標(biāo)。白鶴灘水庫已于2021年4月6日下閘蓄水,于2021年5月21日水位蓄至760 m,為電站首臺機(jī)組投產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。