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、新能源儲能和黑啟動的作用，對于我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有重要意義。近年來，我國抽水蓄能電站建設(shè)大幅提速，截至2020 年底，全國抽水蓄能電站在運(yùn)規(guī)模超3 000 萬kW，裝機(jī)容量居世界第一。

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

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水泥沙的影響，其中高水頭水泵水輪機(jī)對過機(jī)含沙量要求普遍較高[1]。2002 年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國大中型電站水輪機(jī)存在泥沙磨蝕問題的規(guī)模累計達(dá)1 200萬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]。我國建成的大量水庫中也有部分因為進(jìn)庫泥沙的淤積使得庫容減少，運(yùn)行效益下降。大量泥沙問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、下水庫水流的泥沙總量；其次，減輕水庫泥沙淤積對有效庫容和進(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，泥沙問題也不容忽視。因此，南方地區(qū)采用較大的死庫容，在選擇最低死水位時必須滿足運(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，需要采取一定的工程措施或利用已建水庫工程蓄清排渾來解決入庫泥沙問題。

我國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,泥沙對抽水蓄能電站的危害較常規(guī)水電站大。對于補(bǔ)水水源取水口河道，當(dāng)主河槽位置變化較大時，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。由于河流來沙和電站運(yùn)行情況較復(fù)雜，泥沙分析計算只能粗略預(yù)估工程泥沙的數(shù)量和淤積趨勢，模型實驗成為研究泥沙的主要途徑，但天然河流與實驗室水槽的來沙條件不太一致，常常不能準(zhǔn)確反映工程的實際情況，因此，可通過工程借鑒的方法，因地制宜采取治沙、防排沙或避沙、水庫排沙調(diào)度等措施，以減少泥沙對水庫有效庫容的淤積，降低進(jìn)/出水口前泥沙淤積高程和過機(jī)含沙量，盡量減少機(jī)組運(yùn)行期間的不必要磨損。

2 研究內(nèi)容

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

2.1 水文泥沙條件的研究方法

我國對抽水蓄能電站泥沙情況開展了大量模擬實驗，通過計算過機(jī)含沙量、泥沙淤積量等對水庫泥沙特征進(jìn)行分析和預(yù)測，目前物理模型實驗技術(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流建筑物模型，通過借鑒已有的動床渾水模型經(jīng)驗，開展了上下游庫區(qū)物理模型的分析計算，經(jīng)驗證結(jié)果良好。張國良等[6]（2017）針對天池抽水蓄能電站涉及水利樞紐庫區(qū)河段的邊界情況和來水來沙特點，進(jìn)行了渾水動床模型實驗，驗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算選擇。

由于常規(guī)水庫一維恒定流水沙數(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，針對抽水蓄能電站上水庫和下水庫之間水流變化、泥沙交換的特點，建立數(shù)學(xué)模型，采用非耦合解法，計算成果規(guī)律性良好。

針對不同的環(huán)境和庫區(qū)位置，研究人員展開了大量關(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）針對受到徑流和潮流影響的長江下游近河口段（大通至徐六涇），根據(jù)其河床邊界和水動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；孫羽等[9]（2018）針對天池抽水蓄能電站下庫區(qū)地形、來水來沙特點及工程運(yùn)用條件，基于MIKEll 建立了一維非恒定的水沙數(shù)學(xué)模型，采用六點隱格式求解方程組，模型驗證效果良好。

2.2 電站泥沙問題的解決措施

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)實測泥沙資料，計算運(yùn)行期50 年上、下水庫泥沙淤積總量，判斷泥沙淤積形態(tài)和計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)計依據(jù)。

1）泥沙淤積形態(tài)及淤積高程

首先，泥沙在庫內(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)庫容（萬m3）；分別計算上、下水庫調(diào)節(jié)庫容；

W——上、下水庫多年平均入庫徑流量（萬m3）。當(dāng)α<0.3 時，為錐體淤積；當(dāng)α>0.3 時，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淤積是否上延，當(dāng)公式達(dá)到下列判別程度時，則產(chǎn)生“翹尾巴”。

式中 JK——淤積平衡比降（‰）；

J0—河床原比降（‰），上、下水庫分別計算；

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)行期水庫泥沙淤積總量，采用經(jīng)驗面積減少法計算壩前淤積高程，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題。

2）過機(jī)含沙量

過機(jī)含沙量包括兩部分：一是水流中懸浮泥沙含沙量，二是上下水庫進(jìn)出水口平均流速大于泥沙啟動流速進(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)計算上、下水庫水流流速，再根據(jù)泥沙顆粒級配試驗成果對應(yīng)的分組平均粒徑，計算不同粒徑的沉降速度、啟動速度和水流攜沙能力，統(tǒng)計過機(jī)水流中泥沙含量得到過機(jī)含沙量成果。

因目前國內(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)實測資料及分析成果，參照SL 269-2001《水利水電工程沉沙池設(shè)計規(guī)范》，對于混流式水輪機(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，并在下水庫上游新建攔沙壩和攔沙水庫，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，電站下水庫河道以上流域面積621 km2；為減少泥沙對有效庫容的淤積，降低進(jìn)/出水口前泥沙淤積高程和過機(jī)含沙量，改善機(jī)組磨損條件，在哈拉沁水庫下游再設(shè)置攔沙壩將下水庫分隔為攔沙庫和蓄能專用下水庫。攔沙庫的主要任務(wù)是攔洪排沙，通過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，保證下水庫始終為清水狀態(tài)。攔沙庫攔沙壩不設(shè)過水設(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，通過攔沙壩前的泄洪排沙洞泄洪到下水庫攔河壩下游河道。同時，通過埋設(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)行期向下水庫補(bǔ)充清水，攔沙庫補(bǔ)水水量懸移質(zhì)含沙量應(yīng)小于0.02 kg/m3，這就保證了過機(jī)含沙量處于很低的水平，不會對機(jī)組葉片產(chǎn)生大的損害，保證機(jī)組葉片大修時間間隔滿足規(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集水面積0.69 km2，水庫形態(tài)呈盆狀，泥沙主要淤積在死水位以下；下水庫集水面積25.9 km2，上、下水庫多年平均懸移質(zhì)含沙量分別為2.97 kg/m3、3.05 kg/m3，為減小泥沙入庫和淤積量，降低過機(jī)泥沙含量，在下水庫設(shè)置攔沙壩和泄洪排沙洞，利用下水庫庫尾河段的彎道，設(shè)置攔沙壩和泄洪排沙洞將下水庫分隔成完全封閉的電站專用下水庫，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，即在沒有發(fā)生洪水時通過埋設(shè)在攔沙壩壩體內(nèi)的補(bǔ)水鋼管向下水庫補(bǔ)水；在洪水期進(jìn)行敞泄排沙，將洪水期水沙通過泄洪排沙洞排至下水庫大壩下游。

陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能電站[10]通過在下水庫攔河壩上游設(shè)置攔沙壩，壩前設(shè)置泄洪排沙洞，保證了下水庫的水質(zhì)，使下水庫成為有利于電站運(yùn)行的清水水庫，滿足電站對過機(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件在水庫中部設(shè)置了攔沙壩，將下水庫分成滿足電站正常運(yùn)行的專用下水庫和用于汛期排沙的攔沙庫，通過攔沙庫溢洪道將兩庫連接，并在右岸設(shè)置了泄洪排沙洞，滿足電站的用水需求。此外，還可以對進(jìn)水口和出水口的高度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，通過蓄清排渾和低水位排沙的方法減少上水庫和下水庫出現(xiàn)泥沙淤積的情況[12]。在防沙和排沙過程中應(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機(jī)組的危害。

2）減少上下水庫庫周入庫泥沙量

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

3 前景與展望

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

1）新能源加快開發(fā)利用

隨著我國領(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)，對發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、重塑我國能源體系具有重要意義。2030 年水平年我國非化石能源占一次能源的消費(fèi)比重將達(dá)25%左右；2030 年我國風(fēng)電、太陽能發(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、波動性對電網(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性，提高電網(wǎng)消納風(fēng)電和太陽能的能力。

2）電網(wǎng)自身建設(shè)需要

國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展對電力需求增加，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，對調(diào)峰能力的需求、電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、智能電網(wǎng)建設(shè)等都對抽水蓄能電站建設(shè)帶來了發(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)對立的束縛，堅持生態(tài)優(yōu)先的發(fā)展理念。可以預(yù)計，未來我國對水土流失防治、沙漠治理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的力度會不斷加強(qiáng)，進(jìn)入河流的泥沙總體上處于減少趨勢，有助于降低抽水蓄能電站水庫入沙量。

3.3 采用工程措施可以滿足機(jī)組過機(jī)含沙量的要求

首先，采取工程措施減少進(jìn)入上、下庫的泥沙；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)入水庫泥沙總量相對較少，水庫死水位選擇時預(yù)留的死庫容就要求滿足運(yùn)行期泥沙淤積要求，而且，在上、下水庫輸水系統(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、下水庫集水面積天然徑流很小，植被很差，不但需要考慮水流帶來的泥沙，還要考慮沙塵暴和風(fēng)蝕進(jìn)入上、下水庫的泥沙。抽水蓄能電站初期蓄水用水量較多，運(yùn)行期只需要補(bǔ)充電站上下水庫蒸發(fā)滲漏增損水量，這對抽水蓄能電站泥沙處理是相對有利的一面。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，可通過已經(jīng)建成的水庫對入庫泥沙調(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泄洪沖沙功能，避開下泄水流含沙量較高時段，把取水時段安排在水庫灌溉和生產(chǎn)生活供水時段；同時，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多年平均入庫水流含沙量為3.45 kg/m3，經(jīng)水庫泄洪沖沙調(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，可以避開水流高含沙量時段，減少入庫泥沙量。

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

綜上所述，目前，我國抽水蓄能電站泥沙問題可以通過采取相應(yīng)的工程措施加以解決，滿足過機(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題將會得到更好的解決。