幸福水库优化调度运用

许月光，吴明官

(1.鸡西市水务局，黑龙江鸡西158100;2.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080)

2011年11月由黑龙江农垦勘测设计研究院编制的《黑龙江省绥化市北林区幸福水库除险加固工程初步设计报告》，于2012年1月10日受黑龙江省水利厅委托，进行审查中发现该水库是一座引水式渠道型水库，因此，不能采用常规的方法进行设计和调度运用。故特提出了幸福水库优化调度运用方案。

1 工程概况

幸福水库位于绥化市北林区双河镇西南村，距绥化市区35 km，呼兰河中游右岸。该水库利用幸福灌区引水渠修建而成，即由幸福渠首进水闸到灌溉节制闸之间6.75 km土堤围成的引水式渠道型水库。双河灌区的30 km2区域内排水泄入该水库。

2 水文

幸福水库坝址以上汇水面积30 km2，多年平均年径流量240.3万m3，多年平均年径流深80.1 mm;灌溉保证率P= 75%相应的年径流量72.1万m3，变差系数0.98。

呼兰河干流上的秦家水文站以上流域面积9 809 km2，幸福渠首位于秦家水文站上游约20 km左右处，秦家水文站～幸福渠首区间内无较大的支流汇入，故幸福渠首以上流域面积接近于9 809 km2。多年平均年径流量18.0亿m3，多年平均年径流深183.7 mm;灌溉保证率P=75%相应的年径流量10.3亿m3，变差系数0.58。

幸福水库洪峰流量Cp=3.87，Cvm=2.42，Cs/Cv=2.25;最大1 d洪量B1=94.2，Cv1=2.34，Cs/Cv=2.25;最大3 d洪量B3=193.4，Cv3=1.83，Cs/Cv=2.25。设计洪水(P=5%)洪峰流量37.8 m3/s，最大1 d洪量181万m3，最大3 d洪量348万m3;校核洪水(P=1%)洪峰流量90.5 m3/s，最大1 d洪量423万m3，最大3 d洪量702万m3。

3 工程任务

幸福水库是一座以灌溉为主，兼顾水力发电、水产养殖、旅游等综合利用的引水式、渠道型、平原性中型水库。

该水库原设计水田灌溉面积4 000 hm2，现状实际水田灌溉面积4 600 hm2，消险加固工程竣工后设计水田灌溉面积4 600 hm2。原设计年发电量450万kW·h，现状实际年发电量300万kW.h，除险后年发电量317万kW·h。养鱼水面0.031万hm2，产鱼量2.5万kg/a。

4 设计标准及灌溉保证率

该水库原设计洪水标准为20 a一遇，校核洪水标准为200 a一遇。按《防洪标准》(GB 50201－94)衡量，本水库枢纽工程为Ⅲ等，规模为中型，而且坝高＜15 m，上下游水头差＜10 m，因此，可按《防洪标准》中平原区确定设计洪水标准为20 a一遇，校核洪水标准为100 a一遇。

该水库水田灌溉保证率取P=75%。

5 工程规模

幸福水库原设计死水位156.5 m，相应死库容184万m3;现状和本次设计死水位仍为156.5 m，相应死库容174万m3，比原设计少10万m3(主要是泥沙淤积造成)。原设计正常蓄水位159.20 m，相应库容942万m3;现状和本次设计正常蓄水位仍为509 m，相应库容912万m3，比原设计少30万m3。水库调节库容原设计为758万m3，现状和本次设计水库调节库容738万m3，比原设计少20万m3。原设计、现状、本次设计汛限水位均采用正常蓄水位159.20 m，原设计、现状、本次设计均采用正常蓄水位159.20 m作为设计洪水位，原校核(P=0.5%)总库容为1 235万m3，校核洪水位约160.30 m，本次复核后校核(P=1%)总库容为1038万m3，校核洪水位约159.65 m。

该水库原设计水田灌溉面积0.40万hm2，现状和本次设计水田灌溉面积0.46万hm2，选择的净灌溉定额5 860.5 m3/hm2，灌溉水利用系数0.60，毛灌溉定额9 768 m3/hm2，灌溉保证率P=75%需水量为4 493.3万m3。

该发电站于 1972年开始并网发电，设计装机容量800 kW，现已运行近40 a，安装4台单机容量200 kW水轮发电机组，单机额定流量7 m3/s，发电流量为28 m3/s，现状年发电量300万kW·h，多年平均年发电量340万kW·h，保证率P=75%来水年发电量317万kW·h。

6 主要建筑物

6.1 土坝工程

该水库土坝为均质坝，坝顶长度6.75 km，最大坝高5.86 m，平均坝高4.5 m，平均坝顶宽度4 m，现状坝顶高程160.16～162.55 m。

土坝共分上、下两段，上段(2.75 km)为呼兰河干流防洪堤段，无护坡，坝体冲刷破坏严重;下段(4 km)为水库土坝段，有护坡，高程157.0～158.5 m为块石护坡，高程158.5～159.4 m为混凝土块护坡。

6.2 灌溉闸

该闸位于大坝桩号6+750处，闸底高程为156.5 m，共3孔，每孔净宽2.3 m，设计过闸流量16 m3/s。

6.3 发电闸

现状发电闸兼作泄洪闸，位于大坝桩号6+700处，共4孔，每孔净宽3.6 m，总净宽14.4 m，堰顶高程159.20 m。总装机容量800 kW，安装4台单机容量200 kW水轮发电机组，单机额定流量7 m3/s，发电流量为28 m3/s，现状年发电量300万kW·h，多年平均年发电量340万kW·h。

发电闸进口高程155.97 m，正常蓄水位159.20 m，发电水头为159.20－155.97 m=3.23 m，按总装机容量800 kW估算，该水电站的出力系数为7.5左右。

6.4 溢洪道

该溢洪道位于大坝桩号6+700处，现水电站的上部，堰顶高程159.20 m，堰顶净宽15 m，该泄洪建筑物为有闸开敞式溢洪道，下游无控泄要求。

6.5 幸福渠首

幸福渠首进水闸已列入《幸福灌区渠首枢纽除险加固工程初步设计》中，故本次消险加固中不进行评价及设计。渠首进水闸正常引水流量为33 m3/s，加大引水流量约40 m3/s左右。

7 水库优化调度

幸福水库是一座以农田灌溉为主，兼顾水力发电、水产养殖、旅游等综合利用的引水式、渠道型、平原性中型水库，故在确保农田灌溉和水库本身防洪安全的前提下，尽量多发电。单纯从水库本身防洪安全角度考虑，库水位应该越低越安全，而从水力发电增加效益方面考虑，库水位应该越高越好。因此，该水库具体调度运用中兴利(灌溉、发电)和水库本身防洪是需要协调的一对矛盾，应该寻求较优的调度运用方式来解决这一矛盾，具体的调度运用方式如下:

7.1 兴利调度

7.1.1 灌溉期发电

每年进入灌溉期(4月中旬—8月下旬)后，当呼兰河干流来水流量Qt≤10 m3/s(P=75%情况下灌溉临界期最大灌溉流量)时，幸福渠首进水闸全部开启，并开启灌溉闸后按正常灌溉供水流量放水，但必须停止发电;当呼兰河干流来水流量10 m3/s＜Qt≤38 m3/s(4台发电机组满负荷发电流量28 m3/s+灌溉临界期最大灌溉流量10 m3/s)时，幸福渠首进水闸全部开启，并开启灌溉闸后按正常灌溉供水流量放水，同时先开启一台机组发电，若库水位逐渐上升，则再开启一台机组发电，否则关闭一台机组发电，一直到库水位始终保持在正常蓄水位159.20 m为止;当呼兰河干流来水流量Qt＞38 m3/s时，幸福渠首进水闸的引水流量控制在38 m3/s左右，并开启灌溉闸后按正常灌溉供水流量放水，同时开启全部机组满负荷发电，库水位始终保持在正常蓄水位159.20 m不变为好。

7.1.2 非灌溉期发电

每年进入灌溉期结束后(9—10月)，当呼兰河干流来水流量Qt＞28 m3/s(最大发电流量4×7 m3/s)时，幸福渠首进水闸引水流量控制在28 m3/s左右，并开启全部机组满负荷发电，库水位始终保持在正常蓄水位159.20 m不变;当呼兰河干流来水流量Qt≤28 m3/s(4台发电机组满负荷发电流量28 m3/s)时，幸福渠首进水闸全部开启，并先开启一台机组发电，若库水位逐渐上升，则再开启一台机组发电，否则关闭一台机组发电，一直到库水位始终保持在正常蓄水位159.20 m为止。

7.2 防洪调度

每年进入汛期(7—8月)后，根据秦家水文站的实测降雨量资料，进行关闭或开启幸福渠首处进水闸门，因此，每年汛期必须派专人24 h值班。

当秦家雨量站实测到的降雨量为30～50 mm时，关闭部分进水闸门，降雨量P＞50 mm时，关闭所有的进水闸门。

在关闭进水闸门后，灌溉闸门正常开启，P=75%保证率情况下，灌溉期供水流量4～10 m3/s;发电闸门也正常开启，发电流量为28 m3/s(4台发电机组满负荷发电流量28 m3/s);正常灌溉和发电流量合计为38 m3/s左右，并参与泄洪。这时若库水位Ht持续下降约0.20 m左右至159.0 m时，说明入库洪水流量小于正常灌溉和发电流量38 m3/s，则开启部分进水闸补水至库水位Ht达到正常蓄水位159.20m为止，当溢流堰顶出现溢流时，逐渐关闭已打开的渠首进水闸门，控制补水至库水位Ht始终保持在正常蓄水位159.20 m为好。

在这种情况下，当发生设计洪水(P=5%)时，即设计洪峰流量37.8 m3/s，最大1 d洪量181万m3，最大3 d洪量348万m3，经调洪计算结果，设计最高洪水位159.20 m(正常蓄水位)，相应库容为912万m3，最大下泄流量38 m3/s。

当发生校核洪水(P=1%)时，即校核洪峰流量90.5 m3/s，最大1 d洪量423万m3，最大3 d洪量702万m3，水库调洪演算过程如下:

该水库起调水位为159.20 m(正常蓄水位H正)，在幸福渠首进水闸关闭，开启灌溉闸和发电闸门后正常放流的情况下，当来水流量Qt≤38 m3/s时，库水位Ht下降至H1，相应库容V1=V正－△V1，下泄流量q1=38 m3/s。

当来水流量Qt＞38 m3/s时，库水位Ht上升至H2，相应库容V2=V1+△W1=V正－△V1+△W1，∵△V1=△W1，∴V2=V正，H2=H正=159.20 m，下泄流量q2=38 m3/s。

当来水流量Qt≥q3时，库水位Ht继续上升至H3＞159.20 m，相应库容V3=V正+△V2，这时段内溢洪道有下泄流量q溢，故最大的下泄流量qmax=q3=38 m3/s+q溢，因此，H3=Hmax(最高洪水位)，V3=Vmax(最大库容)，q3=qmax(最大下泄流量)。

当来水流量38 m3/s≤Qt＜q3时，库水位 Ht下降至H4=H正=159.20 m，相应库容V4=V3－△W2=V正+△V2－△W2，∵△V2=△W2，∴V4=V正，这时溢洪道和灌溉、发电闸的泄流量，从qt逐渐减小至38 m3/s。

当来水流量Qt＜38 m3/s时，为了保持库水位Ht=H正= 159.20 m，立即开启渠首进水闸后，控制引水流量Q引，使入库流量Qt+Q引=38 m3/s。

经调洪计算结果，当发生校核洪水(P=1%)时，初步估算的最高洪水位H1%＜159.65 m，最大库容V1%＜1 038万m3，最大下泄流量q1%＜38+8=46 m3/s。

幸福水库现状坝顶高程160.16～162.55 m，故在校核洪水位159.65 m情况下，现状坝顶高程超高为0.51～2.90 m，平均超高约 1.705 m。幸福水库现状最低处坝顶高程(160.16 m)满足不了水库本身的防洪要求，因此，进行加高培厚大坝是非常必要的。

［1］ 黑龙江农垦勘测设计研究院.黑龙江省绥化市北林区幸福水库除险加固工程初步设计报告［R］.哈尔滨:黑龙江农垦勘测设计研究院，2011.