任 在 民,王 鹏 飞,王 玮,欧阳秋平,曾 昭 芳

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122; 2.中国三峡建工(集团)有限公司,四川 成都 610095)

0 引 言

考虑上游来水、上下游用水、工程安全及库岸稳定等综合因素[1-3]是合理确定水库初期蓄水方案的前提,必要时还需要分析并提出协调上下游水库配合蓄水的对策。相关学者对水库初期蓄水计算进行了大量研究,如罗纯军等[4]通过长系列法、典型年法、逐月排频法、典型蓄水位期法及逐月整体排频法进行实例计算分析,认为逐月整体排频法更科学准确;高洁[5]以相同需蓄水量为目标,对蓄水历时进行排频计算,求得设计保证率相应典型入库流量过程线的方法,思路较为简单、适合程序化操作;王明华[6]、涂俊钦[7]、李太成[8]及秦晓明等[9]分别分析了库岸滑坡、安全监测、下游供水及来水水情等因素对水库蓄水影响;裴金林[10]、李雨[11]、杨凤英等[12]则分别从蓄水方案的下游通航要求、蓄水优化调度方法和下闸蓄水方案研究等方面提出了研究新思路;冯平等[13]以岗南水库为例分析了超汛限水位蓄水的风险;陈永生[14]、杨子俊等[15]分别研究了水布垭和糯扎渡初期蓄水对下游供水的影响。此外,一些学者针对水库蓄水时机等其他细分方面进行了研究。但是,鲜见存在复杂水力联系的上下游梯级水库配合拟蓄水水库初期蓄水及其影响分析方面的研究。

本文以白鹤滩水库初期蓄水为例,从运行方式、出力及可调容量等方面分析了白鹤滩水库初期蓄水后对上下游梯级水库的影响,以此作为协调调度运行的依据。并基于该思路制定了白鹤滩水库蓄水方案以保障白鹤滩水库初期蓄水计划的如期实施,以期为类似条件的水库初期蓄水方案研究提供参考。

1 工程概况

白鹤滩水电站为金沙江下游4个水电梯级——乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝水电站中的第二个梯级电站,电站投产后将成为世界第二大水电站。电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内,距巧家县城45 km,上接乌东德梯级,下邻溪洛渡梯级,距离溪洛渡水电站195 km。

为确保白鹤滩水电站首批机组如期投产发电,2021年4月11日至5月31日水库水位需要从641 m左右蓄至死水位760 m,蓄水量高达77.4亿m3。采用蓄水保证率P=75%时段,考虑上游两河口水库、杨房沟水库及苏洼龙3个水库初期蓄水总量约8.3亿m3,及观音岩引水量0.2亿m3,则白鹤滩水电站坝址剩余水量仅为62.3亿m3。将下泄生态水量40.1亿m3计入蓄水过程水量损失后,白鹤滩水库初期蓄水水量缺口约为55.6亿m3。由此可见,白鹤滩水库初期蓄水将面临来水量严重不足的形势,为保障白鹤滩水库初期蓄水计划的实施,需基于不同来水工况综合分析协调上下游水库运行的措施及其影响,在满足下游生态和航运行用水要求基础上,研究制定白鹤滩水库初期蓄水方案。

2 数据来源及研究思路

2.1 数据来源

以白鹤滩水库初期蓄水为研究对象,考虑上游锦屏一级、二滩、两河口、杨房沟、苏洼龙、乌东德及观音岩水库引水对白鹤滩水库入库径流的影响,以及下游溪洛渡梯级电站对白鹤滩水库初期蓄水泄放生态流量的影响,故研究对象还包括影响白鹤滩水库初期蓄水的上下游调节能力较好的梯级电站及引用水工程,白鹤滩水电站与上下游梯级拓扑关系示意见图1。本文采用资料包括白鹤滩水电站设计阶段1953年6月至2018年5月共65个水文年天然径流数据,上下游主要梯级的运行方式及主要参数,以上资料均来源于白鹤滩水电站蓄水阶段相关设计成果。

图1 白鹤滩水电站与上下游梯级拓扑关系示意

2.2 研究思路

对白鹤滩水电站坝址1953年6月至2018年5月共65个水文年天然径流系列排频,选取保证率为75%的蓄水代表段(相应代表段1973年4月11日至6月30日)及白鹤滩水电站坝址水文代表站六城站实测径流数据进行蓄水计算,相应计算准则如下:

(1) 根据白鹤滩水电站上下游工程蓄水和引调水情况,分析白鹤滩水电站坝址可蓄水量。上游工程蓄水和引调水对白鹤滩水库入库流量有影响,下游用水对白鹤滩水库下泄水量有影响,以此分析白鹤滩水库在蓄水期的可蓄水量。上游蓄水和引调水工程主要考虑两河口、杨房沟、苏洼龙水库以及观音岩引水工程。上述工程蓄水、调水与白鹤滩水库初期蓄水有一定的重叠期,会减少白鹤滩水库的入库流量。下游用水主要考虑泄放生态流量,同时满足下游航运用水要求。

(2) 根据分析得出的白鹤滩水库初期蓄水期可蓄水量与要求蓄水量,分析提出需要上游调蓄能力较大梯级电站的配合水量及对策。

(3) 基于上下游梯级水库配合措施,分析其对梯级水库运行方式、平均出力及可调容量等方面的影响,最终为协调电力系统及电站调度提供参考依据。

3 白鹤滩水库初期蓄水影响因素

大型水电站工程初期蓄水往往受到多种因素的影响,一般是多种因素共同主导、综合影响,制约因素的影响可能短时性的,也可能贯穿于整个初期蓄水过程[8]。

影响白鹤滩水库初期蓄水的主要因素包括移民搬迁进度、上下游用水要求、工程枢纽建筑物及水库库岸稳定、闸门及封堵建筑物等安全要求。白鹤滩水库初期蓄水计划为:按照工程施工进度,初期蓄水第一阶段(2019年11月中旬至2021年4月10日)属于导流设施封堵阶段,水库水位主要取决于入库流量和导流隧洞或导流底孔泄流能力,为水位自然升降阶段;第二阶段(2021年4月中旬至6月底),1～6号导流底孔下闸蓄水。2021年5月进行6号导流底孔下闸,2021年5月底水库水位蓄至水位760 m,进行机组调试,2021年7月1日首批机组投产发电。

白鹤滩水库在初期蓄水期间,对蓄水的原则与相关影响因素分析如下:

(1) 各期蓄水和水位上升均需与移民搬迁进度相匹配。

(2) 蓄水期间需保证下游生态用水和通航用水的要求,主要根据2019年2月28日至3月1日生态环境部环境工程评估中心对《金沙江白鹤滩水电站环境保护总体设计报告》评审意见的要求:“原则同意生态流量泄放方案调整。工程导流底孔下闸起蓄时间较环评阶段方案提前约1个月,初期蓄水过程中有51 d下泄流量低于环评批复要求,此期间通过优化下游溪洛渡运行调度,保证溪洛渡水库运行水位与白鹤滩坝址尾水相衔接。下阶段应做好初期蓄水期间乌东德、白鹤滩以及溪洛渡、向家坝的调度协调,切实保障白鹤滩坝下河段生态用水需求。白鹤滩运行期应下泄不低于1 160～1 260 m3/s的生态流量。”

根据《金沙江向家坝水电站水库与电站运行调度规程(试行)》,向家坝水电站最小通航流量为1 200 m3/s。根据2019年12月《金沙江向家坝水电站升船机运行期航运调度方案审查意见》:“枢纽下游设计最小通航流量为1 200 m3/s,升船机运行初期最小通航流量暂定为1 500 m3/s,待乌东德、白鹤滩等上游水库蓄水运行后,开展联合调度研究,进一步提高最小下泄流量。白鹤滩水库初期蓄水期间需保证向家坝下游最小通航流量的要求,结合向家坝水电站近年的实际运行情况,从对白鹤滩蓄水偏不利情况考虑,蓄水计算时最小通航流量按1 700 m3/s计。”

(3) 工程蓄水规划水库水位及上升速度应满足工程枢纽建筑物及水库库岸稳定、闸门及封堵建筑物等安全要求。综合大坝及库岸稳定安全等相关要求,白鹤滩水库775 m以上蓄水上升速率按不大于2.0 m/d控制,775 m以下蓄水上升速率则不做限制,库水位下降速率按不大于2.0 m/d控制。

(4) 在保证下游河道不出现断流和下游用水要求的前提下,水库应尽快完成蓄水、实现发电目标。

(5) 蓄水期间入库径流考虑上游两河口、杨房沟、苏洼龙水库蓄水及观音岩引水工程的影响,并统筹协调上下游梯级调度运行方式。

4 白鹤滩水库初期蓄水计算及方案确定

4.1 典型年蓄水过程

选取75%蓄水代表段进行白鹤滩水库蓄水过程计算,上游梯级协助蓄水前后蓄水计算成果分别见表1～2。

表2 白鹤滩水库初期蓄水过程(上游梯级协助后)

4.2 实际年蓄水过程

根据白鹤滩水库坝址水文代表站六城站实测径流资料分析,选取六城站2018～2019年实测各旬平均流量进行蓄水计算(见表3)。

表3 白鹤滩水库实际初期蓄水过程(按2018～2019年六城站实测平均流量)

按蓄水保证率75%,初期蓄水期4月11日至5月31日需要由二滩水电站出库的总水量为53.6亿m3,其中天然径流量为23.9亿m3(考虑杨房沟蓄水后)、锦屏一级、二滩水电站增加调蓄的水量约为29.7亿m3;从实际年实测流量的蓄水计算成果看,按六城站2018～2019年实测逐旬平均流量计算,考虑上游各梯级调蓄作用及下游用水要求等,至2021年5月底,考虑乌东德水库提供调蓄水量26.39亿m3,上游梯级正常调蓄,至5月底可满足机组水位调试水位要求,蓄水速率为0.3～4.9 m/d。

为确保白鹤滩水电站2021年7月1日发电,以P=75%典型年蓄水过程为本文分析的基本方案。

4.3 计算结果分析

在白鹤滩水库初期蓄水重点阶段2021年4月11日至5月31日(蓄至机组调试水位760 m),根据环境评价中心关于初期蓄水期生态流量的评审意见,白鹤滩水库初期蓄水前(2021年4月11日前)溪洛渡水库水位需蓄至598 m,白鹤滩水库蓄水期间,白鹤滩和溪洛渡梯级衔接时(溪洛渡水库水位580 m以上时)白鹤滩水库按平均流量640 m3/s下泄;白鹤滩和溪洛渡梯级不衔接时,白鹤滩水库按平均流量1 160 m3/s下泄;溪洛渡598～580 m区间库容为22.4亿m3,在保证向家坝下游航运流量1 700 m3/s的条件下,考虑白鹤滩水库蓄水平均下泄640 m3/s,溪洛渡维持580 m以上运行24.5 d;蓄水期内的剩余26.5 d,白鹤滩水库需平均下泄1160 m3/s。

初期蓄水75%频率情况下,考虑上游两河口、杨房沟、苏洼龙蓄水及观音岩引水等影响,上游梯级协助蓄水前白鹤滩水库初期蓄水期水量缺口高达55.6亿m3。

4.4 方案分析

乌东德水电站已经投运,水库最大调蓄水量30.2亿m3;锦屏一级和二滩水库调节库容分别为49.1亿m3和33.7亿m3。白鹤滩水库蓄水期间,以上3个水库有部分调节库容用于调节,增加枯期流量。因此,上游梯级的配合主要考虑乌东德、锦屏一级、二滩水库。

考虑实际调度中乌东德水电站发电要求,协调提供调蓄水量时最低发电水位按947 m计,并考虑白鹤滩水电站2～4号导流隧洞下闸封堵期间,690 m水位以下移民搬迁完毕前,乌东德水库需要预留的调蓄库容为2.19亿m3(乌东德最高库水位约973.21 m)。乌东德库水位973.21～947.00 m可提供调蓄水量26.4亿m3。再考虑上游锦屏一级和二滩水电站补充水量约29.7亿m3。至2021年5月底,白鹤滩水库水位可蓄至机组调试水位760 m,至2021年6月中旬库水位可蓄至775 m。根据锦屏一级、二滩水电站2021年计划的调度方案,锦屏一级水库按原调度计划从4月10日至5月31日,水位由1 830 m消落至1 805 m,可提供正常的调蓄水量约12.7亿m3,则需由二滩水电站协助提供的调蓄水量约17.0亿m3。因此,二滩水电站库水位需从2021年4月11日开始消落,2021年5月31日消落至1 160 m。

综上分析,为减小对上游梯级的影响,白鹤滩水库初期蓄水最优方案为:只考虑雅砻江二滩梯级和白鹤滩水电站上游邻近的乌东德梯级的配合。

5 白鹤滩水库初期蓄水对上下游梯级调度影响分析

5.1 对二滩水电站2021年运行方式的影响

根据2021年运行调度计划,4月10日至5月31日,二滩水库水位从1 165 m消落至1 160 m。在蓄水保证率75%情况下,需二滩水电站调整的调度运行方式为:① 12月至次年5月一般为二滩水库供水期,为预留库容不使库水位过早消落,水库在2021年4月上旬末水库水位应不低于1 185 m;② 2021年 4月中旬至5月底二滩水库水位消落至1 160 m,结合发电协助白鹤滩水库蓄水至机组调试水位760 m。

5.2 对二滩、桐子林水电站容量和出力的影响

为协助白鹤滩水电站蓄水,二滩水电站运行方式调整将影响下游紧邻的桐子林水电站。二滩、桐子林水电站运行方式调整前后,两梯级可调容量变化见表4～5。从月均出力和可调容量来看,二滩水电站运行方式调整后,二滩水电站3月平均出力减少417 MW,4、5月平均出力增加168,397 MW;3～6月可调容量基本没有影响;二滩水电站运行方式调整后,桐子林水电站3月平均出力减少53 MW,4、5月平均出力分别增加9,49 MW;3～6月对可调容量无影响。

表4 白鹤滩水库初期蓄水对二滩水电站可调容量影响

表5 白鹤滩水库初期蓄水对桐子林水电站可调容量影响成果

5.3 对乌东德水电站的影响

在白鹤滩水库初期蓄水期间,为提供调蓄水量,2021年4月11日前乌东德水电站需要维持高水位运行,电站需按来水流量发电。经计算,2021年1月至4月上旬,蓄水保证率75%情况下乌东德水电站发电出力为1 172～2 345 MW,按发电出力计,乌东德电站仅能按2～3台机组运行。

根据乌东德水电站机组投产计划,至2021年1月电站共投产8台机组,2021年4月电站共投产9台机组,装机容量分别达6 800,7 650 MW。因此,为协助白鹤滩水库初期蓄水,需要协调电网对乌东德电站发电容量进行调度。

5.4 对溪洛渡、向家坝水电站的影响

5.4.1溪洛渡电站运行方式

在白鹤滩水库初期蓄水期间需要下游溪洛渡水库协助,建议溪洛渡、向家坝水电站运行方式调整为:

(1) 一般11月至次年5月为溪洛渡水电站供水期,为预留库容不使水库水位过早消落,水库在2021年1月初水位不应过低。2021年1月上旬至4月上旬控制水库水位保持在595～598 m,适当减少发电出力,按来水为主发电。至2021年4月10日水库水位保持不低于598 m,4月中旬至5月底按协助白鹤滩水库蓄水的方式运行,其中:① 4月中旬至5月5日,水库水位由598 m消落至580 m时(与白鹤滩水电站梯级衔接),白鹤滩水电站按平均流量640 m3/s下泄,为保证下游航运要求,溪洛渡水电站结合发电按1 700 m3/s下泄(最小通航流量按1 700 m3/s计,以强迫出力运行),水库水位消落至580 m;② 5月6日至5月底溪洛渡水位低于580 m时(与白鹤滩梯级不衔接),白鹤滩水电站下泄流量增加为1 160 m3/s,利用580 m以下调节库容39.63亿m3,溪洛渡电站可不再以强迫出力运行(按库容39.63亿m3计算,溪洛渡平均下泄流量可达2 890 m3/s)。因此,2021年5月6日至5月底溪洛渡水电站可在满足下游最小通航流量的前提下,利用水库库容调节按电网调度发电。

(2) 向家坝水电站4月中旬至5月5日按下游最小通航流量(按1 700 m3/s计)发电;5月6日至5月底溪洛渡水位低于580 m(与白鹤滩水电站梯级不衔接),白鹤滩水电站下泄流量增加至1 160 m3/s,向家坝水电站可在满足下游最小通航流量的前提下,按电网调度发电。

5.4.2溪洛渡、向家坝水电站可调容量

运行方式调整前后溪洛渡、向家坝水电站的可调容量见表6～7。在白鹤滩水库初期蓄水的前24.5 d(4月中旬至5月5日),由于梯级衔接和下游最小航运流量要求,溪洛渡、向家坝水电站需要基本按下泄流量1 700 m3/s以基荷运行(即以强迫出力运行),两电站的可调容量分别约为9 237,4 007 MW,相比运行方式调整前(正常运行情况时两电站可调容量12 320,5 600 MW),电站可调容量有较大的减少,最大分别减少约3 083,1 593 MW。

表6 白鹤滩水库初期蓄水对溪洛渡水电站可调容量影响成果

表7 白鹤滩水库初期蓄水对向家坝水电站可调容量影响成果

6 结 论

(1) 为确保白鹤滩水电站2021年7月1日首批机组投产发电,2021年5月底水库水位需蓄至760 m,在蓄水保证率75%情况下,除乌东德水库提供调蓄水量26.39亿m3外,尚缺水量约29.7亿m3,需要协调上游具有调节库容的水库运行来配合白鹤滩水库初期蓄水的实施。

(2) 雅砻江锦屏一级和二滩水库调蓄能力较好,其发电调度运行对白鹤滩水库蓄水有较大影响。锦屏一级水库按原调度计划从4月11日至5月31日水位由1 830 m消落至1 805 m,可提供调蓄水量约12.7亿m3,则需二滩水电站2021年4月11日由库水位1 185 m开始消落,2021年5月31日水位消落至1 160 m,可提供调蓄水量约17.0亿m3。按此运行方式调整后,可保障白鹤滩水库按期完成初期蓄水目标。

上游雅砻江梯级发电流量主要取决于电网调度。因此,白鹤滩水库蓄水期间需要协调上游雅砻江梯级的蓄水和发电调度运行,以保证白鹤滩水库蓄水水量。

(3) 为协助白鹤滩水库蓄水,二滩水库在2021年4月上旬末水库水位应不低于1 185 m,5月底水位消落至1 160 m,其运行方式的调整对二滩及下游桐子林等电站总发电量和可调容量影响较小;蓄水期内乌东德水电站按2～3台机组运行;蓄水期内下游溪洛渡、向家坝协调运行以满足下游生态及航运用水要求,两电站需要按下泄流量1 700 m3/s以基荷运行(即以强迫出力运行),两电站的可调容量相比运行方式调整前有较大的减少,最大分别减少约3 083,1 593 MW。因此,需要电网调度协调电站运行的方式调整,预先协调安排上述电站的发电计划、电力消纳和电网供电计划。

参照本文初期蓄水方案及对策研究成果,白鹤滩水库实际初期蓄水过程中制定了上、下游梯级的协调调度预案,保障了水库顺利完成初期蓄水目标。白鹤滩水库已于2021年4月6日下闸蓄水,于2021年5月21日水位蓄至760 m,为电站首台机组投产奠定了基础。