馬向東

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

1 基本概況

古洞河一級(jí)電站位于安圖縣永慶鄉(xiāng)8.0 km處的古洞河上，古洞河與富爾河匯合口上游約4.5 km 處，壩址處控制流域面積2 269 km2，多年平均流量為21.9 m3/s。電站為無調(diào)節(jié)混合式開發(fā)的水電站，正常蓄水位499.00 m，裝機(jī)容量4×800 kW，滿發(fā)時(shí)尾水位487.60 m，額定水頭10.70 m，多年平均發(fā)電量1 164.00 萬kW·h。受降水時(shí)空分布及冰凍影響，一般冬季不發(fā)電。電站渠首建筑物主要由翻板壩和土壩及引水明渠等組成，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇。設(shè)計(jì)洪峰流量1 153 m3/s，相應(yīng)洪水位499.95 m；校核洪峰流量1 317 m3/s，相應(yīng)洪水位500.50 m。

富爾河一級(jí)電站地處安圖縣境內(nèi)，位于古洞河與富爾河匯合口下游約1.5 km處，壩址處控制流域面積3 789 km2，多年平均流量為39.65 m3/s。電站為壩后式電站，正常蓄水位486.90 m，裝機(jī)容量5 000 kW（3 大+1小），滿發(fā)時(shí)尾水位478.62 m，電站額定水頭7.60 m，多年平均發(fā)電量1 696.4萬kW·h。受降水時(shí)空分布及冰凍影響，一般冬季不發(fā)電。富爾河攔河閘及廠房的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)均為20 年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)均為100 年一遇。設(shè)計(jì)洪峰流量1 616 m3/s，相應(yīng)洪水位484.40 m；校核洪峰流量2 436 m3/s，相應(yīng)洪水位486.90 m。

古洞河一級(jí)電站與富爾河一級(jí)電站為上、下游梯級(jí)關(guān)系。兩水電站分別由兩家水電開發(fā)公司開發(fā)建設(shè)，因此，如何協(xié)調(diào)梯級(jí)水位合理銜接，既關(guān)系到水能資源的充分合理利用，也涉及到水能開發(fā)各方利益的問題。本著客觀、科學(xué)的原則對(duì)梯級(jí)水位銜接及相應(yīng)的梯級(jí)電量進(jìn)行計(jì)算分析，為提高下游電站發(fā)電效益的同時(shí)降低對(duì)上游電站影響提供借鑒參考方案。

2 分析方法

此次研究以現(xiàn)有及補(bǔ)測(cè)資料對(duì)有、無下游梯級(jí)兩種情況進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)既往成果不進(jìn)行對(duì)比分析。其中，無下游電站時(shí)，采用延長(zhǎng)的實(shí)測(cè)尾水位流量關(guān)系曲線計(jì)算古洞河一級(jí)電站發(fā)電效益。有下游電站時(shí)，按照考慮回水頂托的尾水位流量關(guān)系曲線計(jì)算其發(fā)電效益。

以富爾河一級(jí)電站初步設(shè)計(jì)修改報(bào)告，正常蓄水位486.90 m 為初始計(jì)算水位，計(jì)算至正常蓄水位485.00 m，以0.05～0.50 m 為蓄水位降幅，擬定12 個(gè)方案（485.00，485.50，485.75，486.00，486.05，486.10，486.15，486.20，486.25，486.50，486.70，486.90 m），對(duì)富爾河一級(jí)電站進(jìn)行回水計(jì)算和兩個(gè)梯級(jí)水電站的徑流調(diào)節(jié)計(jì)算。

3 水面線計(jì)算

3.1 計(jì)算原理

水面線計(jì)算采用恒定非均勻流公式，利用Excel VBA 為編程語言，利用計(jì)算機(jī)分段試算法計(jì)算，公式：

式中：Z1，Z2——計(jì)算河段上、下游相鄰斷面的水位，m；n——河段糙率；Q——河段過流量，m3/s；△L——上、下游斷面間距，m；x1，x2——上、下游過水?dāng)嗝鏉裰?，m；A1，A2——上、下游過水?dāng)嗝婷娣e，m2；α，ξ——平均流速水頭系數(shù)和局部阻力系數(shù)；v1，v2——上、下游斷面的水流流速，m/s。

實(shí)際計(jì)算中，將局部水頭損失的影響綜合到糙率系數(shù)中。

3.2 計(jì)算邊界條件

1）河段計(jì)算流量

富爾河為古洞河支流，在富爾河一級(jí)電站上游約1.5 km 處匯入古洞河，除富爾河外，自古洞河一級(jí)電站至富爾河一級(jí)電站無其它支流匯入。此次研究回水計(jì)算時(shí)，匯合口以上河道流量均按照擬定的古洞河一級(jí)電站出庫(kù)流量考慮。匯合口以下按照古洞河一級(jí)電站壩址與富爾河一級(jí)電站壩址多年平均流量比（0.55）進(jìn)行計(jì)算。匯合口上、下游河段回水計(jì)算采用的流量見表1。

表1 富爾河一級(jí)電站庫(kù)區(qū)回水計(jì)算河段流量表 m3/s

2）糙率

由于缺少歷史洪水水面線成果，兩梯級(jí)電站均有尾水位流量關(guān)系曲線，且相距僅6.0 km，因此，以其進(jìn)行糙率率定。擬合0.6 倍單機(jī)流量和全廠滿發(fā)流量的水位與對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)尾水位，滿足精度（誤差控制在1 cm范圍內(nèi)）要求后率定的糙率值作為采用的糙率值，經(jīng)過多次計(jì)算率定，當(dāng)糙率值取0.03時(shí)滿足上述要求，因此，此次計(jì)算糙率采用0.03。

3）起始水位

天然水面線的起始水位按照設(shè)定的河段流量，由富爾河一級(jí)電站壩址處的水位流量關(guān)系曲線查取。有富爾河一級(jí)電站時(shí)，起始水位按照擬定方案的水位，當(dāng)流量超過全廠額定流量時(shí)，按邊發(fā)電邊泄洪考慮。根據(jù)洪水調(diào)度原則及洪水調(diào)節(jié)成果分析，壩前水位不超正常蓄水位，因此，當(dāng)河道流量超過發(fā)電流量后，起始水位仍以正常蓄水位考慮。

3.3 水面線計(jì)算成果

1）水面線

按照已擬定、選用的資料、原則、參數(shù)、方法，對(duì)古洞河一級(jí)～富爾河一級(jí)天然水面線及回水水面線進(jìn)行計(jì)算，不同流量的天然水面線見圖1。富爾河一級(jí)電站建庫(kù)的水面線，相同流量下，不同的壩前水位將形成不同的庫(kù)區(qū)水面線，因此，其回水成果為一組不同正常蓄水位下的回水水面線，見圖2。

圖1 富爾河一級(jí)～古洞河一級(jí)天然水面線示意圖

圖2 富爾河一級(jí)～古洞河一級(jí)不同蓄水位回水水面線示意圖

2）天然及考慮回水頂托后的古洞河一級(jí)電站尾水位流量關(guān)系曲線

古洞河一級(jí)電站尾水?dāng)嗝娴奶烊凰涣髁筷P(guān)系（不考慮洪水期漲退水的差別）是唯一的。富爾河一級(jí)電站不同蓄水位條件下，將古洞河一級(jí)電站尾水?dāng)嗝娴牧髁颗c推求的回水水位單列后即為古洞河一級(jí)電站實(shí)測(cè)尾水?dāng)嗝媸芑厮绊懙奈菜涣髁筷P(guān)系曲線，見圖3。

圖3 富爾河電站不同蓄水位條件下古洞河電站尾水位流量關(guān)系曲線圖

圖3 富爾河電站不同蓄水位條件下古洞河電站尾水位流量關(guān)系曲線圖

4 梯級(jí)電站電量計(jì)算

4.1 電量計(jì)算方法

根據(jù)古洞河一級(jí)電站初步設(shè)計(jì)成果中徑流資料及水能計(jì)算時(shí)段，按3 個(gè)典型代表年徑流量計(jì)算出力及電量，計(jì)算公式：

式中：N——電站出力，kW；K——出力系數(shù)；Q——電站引用流量，m3/s；H——發(fā)電凈水頭，m；E——電量，kW·h；T——機(jī)組運(yùn)行時(shí)間，h。

4.2 電量損失計(jì)算方法

根據(jù)徑流資料及相關(guān)參數(shù)，按照無、有富爾河一級(jí)電站時(shí)的天然尾水流量關(guān)系曲線和考慮富爾河不同正常蓄水位的回水頂托情況下的古洞河一級(jí)尾水位流量關(guān)系曲線，分別計(jì)算其相應(yīng)的多年平均發(fā)電量，其差值即為富爾河不同蓄水位條件下對(duì)古洞河一級(jí)電站的影響電量。

4.3 不同蓄水方案影響電量分析

按照上述擬定的原則、選用參數(shù)及相關(guān)徑流資料，考慮富爾河一級(jí)電站不同正常蓄水位及不考慮富爾河一級(jí)電站時(shí)，對(duì)古洞河一級(jí)電站進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計(jì)算；同時(shí)對(duì)富爾河一級(jí)電站不同的正常蓄水位進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計(jì)算。兩電站徑流調(diào)節(jié)計(jì)算的發(fā)電量梯級(jí)電量見表2；汛期、非汛期發(fā)電量、影響電量及水頭成果見表3。

表2 梯級(jí)電站電量影響計(jì)算成果表

表3 古洞河一級(jí)電站汛期非汛期電量計(jì)算成果表

由表2、表3 可知，隨著富爾河一級(jí)電站正常蓄水位的抬高，梯級(jí)電站的總發(fā)電量逐漸增大，但對(duì)古洞河一級(jí)電站的平均水頭及發(fā)電量的影響也越來越大。富爾河一級(jí)電站正常蓄水位為486.90 m時(shí)，影響古洞河一級(jí)電站多年平均水頭0.22 m，影響發(fā)電量為13.00萬kW·h；正常蓄水位為486.10 m時(shí)，影響古洞河一級(jí)電站多年平均水頭小于0.01 m，在誤差允許范圍內(nèi)，基本可以忽略不計(jì)，因此，可認(rèn)為富爾河一級(jí)電站正常蓄水位為486.10 m 時(shí)對(duì)古洞河一級(jí)電站發(fā)電基本無影響。

5 結(jié)語

綜上所述，從梯級(jí)發(fā)電效益分析來看，應(yīng)采用使兩梯級(jí)總發(fā)電量最大的方案（富爾河一級(jí)電站正常蓄水位486.90 m），但此時(shí)對(duì)上游梯級(jí)的影響也最大；從減輕對(duì)古洞河一級(jí)電站影響考慮，應(yīng)采用對(duì)上游電站基本無影響的方案（富爾河一級(jí)電站正常蓄水位486.10 m）。因此，建議水能開發(fā)雙方本著水能資源的充分合理利用的原則，協(xié)調(diào)好水能開發(fā)各方利益，做好梯級(jí)電站運(yùn)行水位合理銜接，實(shí)現(xiàn)水能資源最優(yōu)利用。