黄河天桥水电站除险加固后运行调度方式研究

陈松伟，周丽艳，崔振华，蔺 冬，段高云

(黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003)

1 工程概况

天桥水电站是黄河中游北干流上第一座低水头河床式径流电站，坝址控制流域面积40.4万km2，上距万家寨和龙口水电站分别为95、70 km，下距山西保德、陕西府谷两县约8 km。水库正常蓄水位834 m，相应原始库容0.67亿m3，相应设计有效库容2 844万m3;死水位828 m，死库容1 139万m3。水电站于1970年4月动工修建，1978年7月4台机组全部并网发电，1980年底工程竣工。水电站的除险加固工程于2009年3月开工建设，2012年10月完成了主体工程施工，增加了两孔泄洪闸及四孔排沙底孔。

天桥水电站总装机容量12.8万kW，2.8万kW和3.6万kW单机各两台，4台机满发最大流量为878 m3/s，水位低于828 m时机组停止发电，根据现场调研得知，每年机组大修和小修共需要4个月。2000年～2010年天桥水电站年平均入库水量为150亿m3，年平均发电量为5.29亿kW·h。

2 排沙运用指标

2.1 不同流量级库区冲淤特性

1990年～2010年天桥水电站水位在830 m上下运用时，不同流量级的库区冲淤特性见表1。从表1可以看出，在830 m水位以上运用时，库区以淤积为主，淤积主要集中在小于1 000 m3/s的流量级，占总淤积量的80.1%;在830 m水位以下运用时，库区以冲刷为主，冲刷主要集中在1 000 m3/s以上的流量级，占总冲刷量的92.8%。另外，根据桃汛期场次洪水平均流量与库区日平均冲淤量相关关系分析，当桃汛期平均入库流量大于1 000 m3/s时，最大冲刷强度可以达到120万t/d。

表1 天桥水电站不同流量级库区冲淤量

2.2 皇甫川场次洪水库区冲淤特性

根据皇甫川水文站实测洪水资料，点绘了皇甫川发生500 m3/s量级以上洪水时，坝前日均水位与库区冲淤量相关关系见图1。

图1 皇甫川洪峰流量大于500 m3/s时天桥坝前水位与库区冲淤量相关关系

从图1可以看出，当坝前水位低于828 m时，库区以冲刷为主。

综合分析，天桥水电站排沙运用指标为:汛期和桃汛期可以利用大于1 000 m3/s的流量降低水位至830 m以下排沙运用;当皇甫川发生大于500 m3/s洪水时，可将水位降至828 m以下排沙运用。

3 排凌运用指标

3.1 流凌封河期(11月下旬～12月底)

万家寨、龙口水库修建后，天桥库区冰花主要来自龙口以下河段，流凌日期推迟，河段冰量也相对减少。天桥水电站流凌开河期坝前水位较为平稳，多年平均水位为833.17 m，除2009年～2010年度控制在832～832.5 m外，其余年份多控制在833～834 m之间。流凌封河期多年平均入库流量为344 m3/s，一般入库流量为100～600 m3/s，当流凌封河期入库流量大于600 m3/s时，坝前水位多有降低。因此，流凌期一般情况下水电站运行水位可控制在833～834 m之间，若流凌期流量大于600 m3/s时，运行水位可降至832 m。

3.2 稳定封冻期(翌年1月初～2月底)

当天桥库区形成稳定冰盖后，河道内不再产生冰花，凌情比较稳定，一般不会发生凌灾。天桥水电站稳定封冻期多年平均坝前水位为833.33 m，除2009年～2010年度水位控制在831.5～832.5 m外，多控制在833～834 m之间。封冻期多年平均入库流量为330 m3/s，一般入库流量多为200～500 m3/s。因此，一般情况下稳封期库水位可按正常高水位834 m运行，充分利用有效库容，提高水能利用率，避免或减少弃水。但要注意避免或减少调峰运行，防止水位大幅度的变化。同时万家寨及龙口水库下泄流量要保持相对稳定，下泄流量应控制在800 m3/s以下。

3.3 开河期(翌年3月)

开河期大量流冰易形成冰坝造成冰凌灾害，天桥水电站开河期多年平均坝前水位为833.33 m，除2009年～2010年度外，其余年度坝前水位均控制在832～834 m之间。开河期多年平均入库流量为673 m3/s，当上游凌峰到来前，库区骤降水位排库冰，排冰水位多控制在824～826 m。因此，在开河期应适当降低库水位，将库水位控制在832～834 m，浮动库水位使库冰开裂解体。当库区及回水末端发生冰坝时，应开启泄洪闸骤降水位排冰，促使冰坝溃决。在上游凌峰入库前，应根据库冰的融解情况决定是否需要排凌运用。

4 运行方案拟定

结合天桥水电站不同阶段拟定的运用方式及实际运行总结，通过综合分析，拟定以下4种运行方案。

(1)方案一。7月～8月运用水位830 m;9月～10月运用水位832 m;万家寨、龙口水库排沙时，天桥水电站运用水位830 m;非汛期按834 m水位蓄水运用。

(2)方案二。7月～8月运用水位830 m;9月～10月运用水位832 m;万家寨、龙口水库排沙时，天桥水电站运用水位828 m;流凌期流量大于600 m3/s时运用水位832 m;开河期当库容小于设计上线有效库容(2 003万m3)时，利用大于1 000 m3/s的流量进行降水排沙运用，运用水位828 m;皇甫川洪峰流量大于500 m3/s时，控制运用水位828 m;非汛期其余时间水位按834 m蓄水运用。

(3)方案三。7月～8月运用水位830 m;9月上半月运用水位830 m，9月下半月～10月底运用水位832 m;其余时间运用水位同方案二。

(4)方案四。该方案为天桥水电除险加固期间调度运行方案。6月1日 ～7月4日运用水位833.5 m。7月 5日 ～8月底当入库流量小于2 000 m3/s时，运用水位832 m;入库流量在2 000～3 000 m3/s时，运用水位830 m;入库流量大于3 000 m3/s或含沙量大于300 kg/m3时，运用水位824 m。9月当入库流量小于1 500 m3/s时，运用水位833.5 m;入库流量在1 500～3 000 m3/s时，运用水位832 m;入库流量大于3 000 m3/s时，运用水位824 m。10月当入库流量小于1 500 m3/s时，运用水位833.5 m;入库流量大于1 500 m3/s时，运用水位832 m。11月下旬至12月上旬运用水位833.5 m。非汛期其余时间运用水位834 m。

5 运行方案比选

选取龙刘水库影响后的1987年7月～1997年6月实测水沙系列及2012年万家寨水库实测库容曲线，根据万家寨水库的运用方式，采用经验数学模型进行了水库“蓄清排浑”计算，通过调节后的万家寨出库水沙过程加上区间支流对应的实测水沙过程，得到天桥水电站的设计入库水沙过程，年均入库水量和沙量为174.2亿m3和1.26亿t，其中汛期水沙量分别为72.5亿m3和1.21亿t。根据拟定的入库设计水沙条件及2012年库区边界条件，利用一维水动力学数学模型计算了不同方案下库区冲刷效果及冲淤形态，并对各方案的发电量进行了计算。

5.1 库区冲淤量

库区冲淤不仅和入库水沙量有关，还与坝前水位、库区前期的冲淤量有关。计算的4个方案库区年均冲淤量依次分别为40万、－50万、－53万m3和89万m3。方案一在万家寨水库排沙时，天桥水电站控制830 m水位运用，水库汛期年均淤积436万m3，经凌汛期冲刷后年均淤积40万m3;方案二在万家寨水库排沙时及皇甫川来大水时天桥水电站降至828 m水位运用，水库汛期年均淤积554万m3，经凌汛期冲刷后多年平均冲刷50万m3;方案三9月上半月维持830 m水位运用，在万家寨水库排沙及皇甫川来大水时天桥水电站降至828 m水位运用，水库汛期年均淤积467万m3，经凌汛期冲刷后多年平均冲刷53万m3;方案四汛期运用水位偏高，水库淤积量较大，经凌汛期冲刷后年均淤积89万m3。因此，从库区冲淤角度考虑，方案二和方案三效果较好。

5.2 有效库容

各方案计算的库区历年库容见表2。各方案时段末834 m水位以下库容分别为1 131万、2 013万、2 011万m3和600万m3。计算的10年系列中，方案一有6年库容大于设计上线有效库容(2 003万m3);方案二、方案三均有8年库容大于设计上线有效库容;方案四只有1年库容大于设计上线有效库容。因此，从恢复库容角度考虑，方案二、方案三效果较好。

表2 不同方案库区834 m水位以下库容计算结果 万m3

5.3 淤积形态

不同方案计算库区淤积形态见图2。方案一由于非汛期水位较高，坝前20 km范围内发生淤积，距坝20 km以上河段冲淤变化不大，坝前淤积高程为828.9 m。方案二在万家寨水库排沙时水位较低，并利用皇甫川大流量降水排沙运用，坝前5 km范围内发生冲刷，距坝5～10 km范围内发生淤积，距坝10 km以上河段冲淤变化不大，坝前淤积高程为820.8 m。方案三汛期低水位运用时间延长，但桃汛期降水冲刷次数减少，坝前5 km范围内发生冲刷，距坝5～10 km范围内发生淤积，距坝10 km以上河段冲淤变化不大，坝前淤积高程为819.7 m。方案四汛期运用水位较高，基本全河段发生淤积，坝前淤积高程为830.4 m。因此，从库区淤积形态分析，方案二、方案三优于其他方案。

图2 不同方案库区淤积形态

5.4 发电量

根据拟定的不同水库运用方案和各流量级水库发电运用消落深度分析成果，对设计系列的发电量进行了计算，各方案年均发电量分别为5.56亿、5.63亿、5.53亿、5.38亿kW·h。方案一、二、三发电量差别不大，其中方案二发电量最大，方案三与方案一相比，汛期9月份发电水位偏低，流凌期11月下旬及12月流量大于600 m3/s时降低运用水位至832 m，发电量比方案一略小。方案四尽管汛期发电水位高，但是由于库容小，发电量在4个方案中最小。

从库区年平均冲淤量、时段末库容、满足设计上线有效库容年数、库区淤积形态及发电量等5个方面对各方案进行比选，经综合分析，推荐方案二作为除险加固后运行调度方案。

6 结论

(1)天桥水电站汛期和桃汛期可以利用大于1 000 m3/s的流量，降低水位至830 m以下排沙运用;当皇甫川发生大于500 m3/s洪水时，可将库水位降至828 m以下排沙运用。

(2)万家寨、龙口水库运用后，流凌期一般情况下天桥电站可正常发电，若流凌期流量大于600 m3/s时，运行水位可降至832 m控制;一般情况下稳封期库水位可按正常高水位834 m运行，同时万家寨及龙口水库下泄流量应控制在800 m3/s以下;开河期应根据库冰的融解情况决定是否需要排凌运用。

(3)推荐天桥水电站除险加固后运用方式为:汛期7月～8月运用水位830 m;9月～10月运用水位832 m;万家寨、龙口水库排沙时，天桥水电站运用水位828 m。流凌期流量大于600 m3/s时，运用水位832 m;开河期当库容小于设计上线有效库容时，利用大于1 000 m3/s的流量进行降水排沙运用，运用水位828 m;皇甫川洪峰流量大于500 m3/s时，控制运用水位828 m;非汛期其余时间水位按834 m蓄水运用。

［1］韩其为.水库淤积［M］.北京:科学出版社，2003.

［2］张瑞瑾，谢鉴衡，等.河流泥沙动力学［M］.北京:中国水利水电出版社，1998.

［3］李国庆，杜全胜，王二平，等.黄河天桥水电站运行方式探讨［J］.华北水利水电学院学报，2005，26(3):4-6.

［4］刘守忠，周满生，马伯龙.黄河天桥水库的运用方式与库区淤积［J］.陕西水力发电，1996，12(2):41-47.

［5］刘锡田.黄河天桥水电站工程建设及泥沙处理主要经验［J］.山西水利科技，2003(3):1-5.

［6］李福生，王宝玉，王军良.万家寨水电站投运后对天桥水电站发电的影响［J］.人民黄河，2002(1):41-43.

［7］马祥斌，支余庆，王育杰.万家寨—天桥水库联合调度问题初探［J］.内蒙古电力技术，2000(4):16-18.

［8］张永胜，韩宏韬，麻长信，等.蒲石河抽水蓄能电站水沙调度方式初探［J］.水力发电，2012，38(5):11-13.