馬涵玉

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引 言

死水位是指水電站正常運(yùn)用情況下允許消落的最低水位[1]。水電站的正常蓄水位確定后，即可進(jìn)行死水位選擇。正常蓄水位一定的情況下，隨著死水位的降低，興利庫容相應(yīng)增大，可以提高徑流的利用程度，但水電站將在較低的平均水頭工作；因此從能量效益來看，應(yīng)進(jìn)行方案比較，按照保證出力或年發(fā)電量最優(yōu)原則，確定經(jīng)濟(jì)上最有利的死水位[2_3]。

1 項(xiàng)目背景

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桑皮勒水電站位于龍頭水庫米斯克尼水電站下游，目前兩電站正同步開展前期設(shè)計(jì)工作，以實(shí)現(xiàn)聯(lián)合運(yùn)行，優(yōu)化工程投資，提高經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)[6]。本次在桑皮勒水電站正常蓄水位已研究確定的情況下，對其死水位的選擇進(jìn)行分析研究。

2 方案擬定

2.1 擬定原則

(1)死水位的上限

對調(diào)節(jié)性能不大的水庫，死水位上限應(yīng)盡可能保證日調(diào)節(jié)所必須的庫容。對調(diào)節(jié)性能較大的水庫，死水位上限可考慮略高于具有最大年平均發(fā)電量所相應(yīng)的死水位，應(yīng)分析調(diào)節(jié)性能改變的臨界死水位，當(dāng)死水位抬高而改變了調(diào)節(jié)性能，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)明顯不利時(shí)，死水位應(yīng)以此為上限[7_8]。

(2)死水位的下限

死水位的下限應(yīng)考慮綜合利用部門的要求，不應(yīng)低于灌溉、工業(yè)生活、發(fā)電等引水要求的高程；泥沙淤積對進(jìn)水口高程的影響；不良地形地質(zhì)條件如岸坡穩(wěn)定對水庫消落水位變幅的限制、進(jìn)水口位置構(gòu)造條件不好的高程限制；進(jìn)水口閘門制造及啟閉能力的限制[9_11]。

2.2 方案擬定

2.2.1 邊界條件

(1)正常蓄水位

桑皮勒水電站死水位的選擇研究在已研究確定的正常蓄水位2 635 m基礎(chǔ)上進(jìn)行。

(2)運(yùn)行工況

桑皮勒水電站與上游龍頭水庫米斯克尼水電站同期建設(shè)、聯(lián)合運(yùn)行。

(3)水工布置

桑皮勒水庫死水位以下，主要布置著發(fā)電引水洞、中孔泄洪洞及深孔泄洪沖沙洞。工程壩底高程2 524.4 m，深孔泄洪沖沙洞進(jìn)口底板高程結(jié)合地形條件靠近河床布置，并考慮留有一定余度。深孔底板高程最低設(shè)置為2 550 m，深孔泄洪沖沙洞主要參與泄洪并保證發(fā)電洞進(jìn)口“門前清”。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，深孔底板高程低于發(fā)電洞底板高程約20 m時(shí)能形成漏斗，排沙效果較好。發(fā)電洞布置于深孔泄洪洞上方，發(fā)電洞進(jìn)口底板高程應(yīng)高于深孔泄洪沖沙洞底板高程，事故門孔口尺寸b×h=7.5 m×11.5 m，為有壓洞。為使進(jìn)水口在最低水位時(shí)保持有壓流，不產(chǎn)生貫通式漏斗漩渦，需保持一定的淹沒深度。經(jīng)計(jì)算，水庫死水位在發(fā)電洞底板高程以上20 m可滿足淹沒深度要求。因此，結(jié)合深孔泄洪沖沙洞和發(fā)電洞水工布置要求，死水位應(yīng)不低于2 590 m。

(4)泥沙淤積

葉爾羌河是泥沙含量較大的河流，根據(jù)庫魯克欄干水文站的實(shí)測泥沙資料，桑皮勒水庫壩址斷面天然狀態(tài)下多年平均輸沙總量為2 416萬t?？紤]到桑皮勒水電站與龍頭水庫米斯克尼同期建設(shè)，米斯克尼水電站庫容系數(shù)0.25，具有年調(diào)節(jié)性能，水庫建成后將攔蓄大部分泥沙，可減少桑皮勒水電站的入庫泥沙含量。考慮桑皮勒水電站按與米斯克尼聯(lián)合運(yùn)行工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)泥沙淤積計(jì)算，由于米斯克尼水庫的攔沙作用，大部分泥沙被米斯克尼水庫攔截，降低了桑皮勒水庫入庫含沙量，減少了桑皮勒水庫泥沙淤積量，水庫泥沙淤積對死水位選擇無制約因素。

2.2.2 方案擬定

本次以2 600 m作為桑皮勒水電站死水位下限，結(jié)合正常蓄水位2 635 m考慮留有一定調(diào)節(jié)庫容作為桑皮勒水電站正常蓄水位上限。以水位間隔10 m擬定4組死水位，主電站裝機(jī)容量按照裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)相同進(jìn)行方案考慮，擬定的4組方案如下：

方案1：正常蓄水位2 635 m、死水位2 600 m、主電站裝機(jī)容量930 MW。

方案2：正常蓄水位2 635 m、死水位2 610 m、主電站裝機(jī)容量930 MW。

方案3：正常蓄水位2 635 m、死水位2 620 m、主電站裝機(jī)容量930 MW。

方案4：正常蓄水位2 635 m、死水位2 630 m、主電站裝機(jī)容量930 MW。

3 各方案計(jì)算成果

桑皮勒水庫具有不完全年調(diào)節(jié)能力，電站徑流調(diào)節(jié)計(jì)算采用上游龍頭水庫米斯克尼1954年5月—2019年4月共65 a的長系列出庫，疊加米斯克尼至桑皮勒區(qū)間徑流，作為壩址斷面入庫徑流；以月為時(shí)段，采用時(shí)歷法，按等出力進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，計(jì)算成果如下：

方案1：總多年平均年發(fā)電量31.01億kW·h，其中主廠房裝機(jī)容量930 MW，多年平均年發(fā)電量29.11億kW·h，裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)3 130 h；生態(tài)機(jī)組廠房裝機(jī)容量30 MW，多年平均年發(fā)電量1.90億kW·h。

方案2：總多年平均年發(fā)電量31.05億kW·h，其中主廠房裝機(jī)容量930 MW，多年平均年發(fā)電量29.14億kW·h，裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)3 133 h；生態(tài)機(jī)組廠房裝機(jī)容量30 MW，多年平均年發(fā)電量1.91億kW·h。

方案3：總多年平均年發(fā)電量31.08億kW·h，其中主廠房裝機(jī)容量930 MW，多年平均年發(fā)電量29.16億kW·h，裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)3 135 h；生態(tài)機(jī)組廠房裝機(jī)容量30 MW，多年平均年發(fā)電量1.92億kW·h。

桑皮勒水電站不同死水位方案動能指標(biāo)及工程投資成果如表1所示。

表1 不同死水位方案動能指標(biāo)及工程投資成果表

4 各方案比較分析

(1)從調(diào)節(jié)性能分析

米斯克尼作為龍頭水庫，庫容系數(shù)0.25，具有年調(diào)節(jié)性能，對葉爾羌河徑流具有較強(qiáng)的調(diào)蓄能力。桑皮勒水電站與米斯克尼聯(lián)合運(yùn)行考慮，桑皮勒設(shè)置一定的調(diào)節(jié)庫容可進(jìn)一步調(diào)蓄徑流，增加電站保證出力。4組死水位方案保證出力分別為178.0、174.5、170.8、165.0 MW；4組方案的保證出力差值分別為3.5、3.7、5.8 MW；隨著死水位的抬高，保證出力逐步減小，保證出力的差值在逐步增大。

(2)從動能指標(biāo)分析

隨著水庫死水位的抬高，電站加權(quán)平均水頭增大，電站發(fā)電量也隨之增大，即死水位從2 600 m抬高到2 630 m，主廠房多年平均年發(fā)電量從29.11億kW·h增加到29.18億kW·h，4組方案多年平均年發(fā)電量相差不大。由于本電站利用落差353 m，主要靠發(fā)電引水系統(tǒng)集中落差，死水位變化對電站加權(quán)平均水頭影響較小，各方案間電量差值相差不大。

(3)從水工布置分析

擋水建筑物方面，各方案正常蓄水位不變，相應(yīng)壩高相同。庫水位消落深度分別為35、25、15、5 m，隨著消落深度減小，面板受力狀態(tài)變化越小，運(yùn)行較有利；但各方案隨死水位的抬高，不便于檢修的面板面積相應(yīng)增大，大壩上游蓋重高度隨之抬高，相應(yīng)蓋重及土料用量隨之增大，但對投資增幅較小。

由圖5可知，隨著ZA質(zhì)量濃度增大，DPPH自由基清除率明顯增強(qiáng)。質(zhì)量濃度為8 mg/mL時(shí)，玉米醇溶蛋白對DPPH自由基清除率為52%，玉米醇溶蛋白鋅離子螯合物對DPPH自由基清除率為76%，顯著高于未反應(yīng)的玉米醇溶蛋白（p＜0.05）。

發(fā)電引水系統(tǒng)方面，發(fā)電引水洞進(jìn)口在滿足最小淹沒水頭情況下，隨著死水位的遞增而抬高，進(jìn)口閘井、調(diào)壓井高度相應(yīng)變低，進(jìn)口邊坡問題、進(jìn)口閘井結(jié)構(gòu)及抗震問題相應(yīng)減小，工程費(fèi)用降低。洞身段采用鋼筋混凝土襯砌，內(nèi)水壓力全部由鋼筋混凝土承擔(dān)，洞身底板高程隨著死水位的遞增而抬高，承擔(dān)的內(nèi)水壓力呈遞減趨勢，工程費(fèi)用降低。出口機(jī)組安裝高程不變，壓力鋼管段斜井段長度隨著死水位抬高而增加，工程量呈遞增趨勢。整個(gè)發(fā)電引水洞的工程量及投資隨著死水位的抬高而降低。

泄水建筑物方面，深孔泄洪沖沙洞在滿足下泄設(shè)計(jì)、校核洪水的情況下，為保證發(fā)電洞“門前清”，深孔放空沖沙洞與發(fā)電洞進(jìn)口高程需要有一定高差，底板高程隨死水位的遞增而抬高，閘井高度相應(yīng)變低，進(jìn)口邊坡問題、進(jìn)口閘井結(jié)構(gòu)及抗震問題相應(yīng)減小，洞身長度遞減，工程費(fèi)用降低。

(4)從機(jī)組運(yùn)行分析

4組死水位方案消落深度分別為35、25、15、5 m，分別占電站最大水頭347 m的10.1%、7.2%、4.3%、1.4%，不同死水位方案消落深度占電站最大水頭比重較小。4組死水位方案主廠房加權(quán)平均水頭分別為338.5、339.0、339.5、339.8 m，相差不大。因此，4組死水位方案對機(jī)組運(yùn)行方面無明顯優(yōu)劣。

(5)從工程投資分析

4組死水位方案相應(yīng)工程靜態(tài)總投資分別為851 571、840 968、832 198、825 023萬元，死水位2 630 m方案工程總投資最小；主要原因是隨著死水位的抬升，發(fā)電引水洞的底板高程也隨著抬升，死水位2 630 m以上水溫分層不明顯，無需設(shè)置疊梁門等分層取水設(shè)施來緩解下泄低溫水對下游魚類生長繁殖的影響，從而主要節(jié)省了建筑工程、金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備及安裝工程大部分投資。

(6)從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

4組死水位方案單位千瓦投資分別為8 871、8 760、8 669、8 594元/kW；單位電度投資分別為2.75、2.71、2.68、2.65元/kW·h；4組方案單位千瓦投資和單位電度投資指標(biāo)均相差較小。4組死水位方案的經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率分別為13.61%、13.82%、14.0%、14.15%，均大于社會折現(xiàn)率(is=8%)，表明4組方案在經(jīng)濟(jì)上均是合理的；4組方案的經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值分別為327 557、349 008、344 016、349 797萬元，其中死水位2 630 m方案經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值最大，說明該方案較其它方案優(yōu)。因此，從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上分析，方案4(2 630 m)相對較優(yōu)。

5 結(jié) 論

(1)米斯克尼庫容系數(shù)0.25，對天然徑流進(jìn)行調(diào)蓄后，使得桑皮勒水電站不同死水位方案保證出力和電量總體變幅較小。

(2)從水工布置和機(jī)組運(yùn)行分析，各死水位方案無明顯優(yōu)劣；從動能指標(biāo)、工程投資和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析，2 630 m方案略優(yōu)于其他方案，但各方案指標(biāo)差異較小。

(3)考慮水庫保持一定的調(diào)節(jié)庫容對電站運(yùn)行的靈活性有較大的改善，因此，選擇桑皮勒水電站的死水位為2 630 m。