桃源水电站下游河道疏浚前后效益对比

卜福明

（中国水电顾问集团桃源水电站，415000，常德）

一、工程概况

桃源水电站为低水头河槽径流式水电站，位于湖南省常德市桃源县，是沅水干流最末一个水电开发梯级电站，其任务是发电兼顾航运、旅游等综合利用。桃源水电站上游38.2km处是凌津滩水电站，往下汇入洞庭湖。电站安装9台单机容量20 MW贯流式水轮发电机组，总装机容量180MW，设计多年平均发电量7.93亿kWh，水轮机有效水头2～9.7 m。通航船闸为500 t级，布置在江中心的双洲洲尾。2010年11月桃源水电站主体工程开工建设，2014年10月10日全部投产。

桃源水电站由于没有调节性能，发电运行过程中水库水位不消落：当入库流量小于9台机组满发流量时（3 699 m3/s，下同）全部通过机组下泄；当入库流量大于9台机组满发流量时库水位维持39.5 m，多余水量通过左、右河槽下泄；当入库流量大于8 800 m3/s时电站停止发电，入库流量全部通过泄洪闸下泄，河道完全恢复天然状态。

为了提高机组运行水头，充分发挥电站效益，同时提高枢纽下游河段行洪能力以及通过改善船闸下游引航道出口水流流态确保行洪和通航安全，从2015年4月起对桃源水电站下游1.5 km内河段进行疏浚清理作业，一期疏浚工程于2016年6月结束。

二、对比资料的收集与分析

疏浚前的资料系列时段为2014年3月—2015年4月。由于2014年沅水发生超历史洪水位的 “7·17”特大洪水，导致枢纽下游测站受到严重破坏，期间有40多天的始测数据产生间断，完整的系列长度不足一年。根据工程进度情况，2014年3月17日水库首次达到39.5 m正常蓄水位高程，而河道疏浚工程于2015年4月8日动工，故对疏浚前的资料系列拟采用2014年4月1日—2015年3月31日之间的日均数据，疏浚后的资料系列采用2016年7月1日—2017年7月18日的数据。

原有的泄洪闸设计泄流曲线关系已不能确保计算流量的准确性，受此影响，在有泄流产生的情况下，计算的桃源水电站出库流量与相应的上游五强溪出库流量及下游桃源水文站的实测流量均有偏差，且这个偏差随着出库流量的增加而增大。对于疏浚前后的两套资料系列，发电流量都是通过NHQ曲线计算所得，这个计算量只取决于水头和出力，对坝下的水位流量关系没有要求。故本次分析对比的主要流量段为未发生泄流状态下的效益对比，即电站满发3 699 m3/s以下流量的对比。

①对于3 699 m3/s以下流量，通过计算相同流量下疏浚前后的耗水率差额，进一步得出该流量下的出力差额，采用定量分析方式进行对比。

②对于有泄洪流量后的对比，通过分析疏浚前后的最大负荷及对应的流量，以及两者的敞泄流量点进行对比的定性分析，来阐述效益分析关系。

三、定量效益对比分析

疏浚前的资料系列经过整理后，由于人工插补的数据量较大，分级流量下水位关系确定存在人为因素影响。为保证对比的可靠性，对于疏浚前的资料系列，在确定其计算的水位流量关系时，采用整个系列的下外包线关系进行对比，下外包线所对应的水位是该流量下最低水位。而疏浚后坝下水位流量关系的确定采用平均线。两者计算的水头，疏浚前的水头是整个疏浚前系列中最大的，而疏浚后计算的水头是该系列的平均水平。

疏浚前的水位流量分布及下外包线关系如图1（沅江站水位均在32.4 m以下）。

开挖后沅江站水位在32.4 m以下时，坝下水位与流量关系为：Z=0.0157×(log2Q)4-0.5737×(log2Q)3+8.0193×(log2Q)2-50.037×(log2Q)+145.74

沅江站水位在32.4 m以上时，水位顶托明显，坝下水位与流量关系：

两式中，Z 为水位，m；Q 为流量，m3/s。

按上述拟定的几何模型反算坝下水位进行模型验证，计算水位与实际水位误差。

以未泄洪前流量为对比对象，进行分析对比 （水头按坝前39.5 m计算），增发负荷根据流量和耗水率按下式计算：

式中，N为出力，万kW；Q为流量，m3/s；R为耗水率，m3/kWh。

结果显示，在低流量400 m3/s以下时，为保证上下游水位差不超过机组运行的最大工作水头9.7 m，疏浚后，在此流量级别下还需将坝上水位适当降低运行。同时可以看出即使按疏浚前的外包线对比分析，开挖后的水头同样有明显的提高，相同流量下计算负荷的增量明显，特别是在1 400～3 300 m3/s流量下，增量关系呈抛物线形，符合一般性规律。

经过统计分析，河道疏浚后出库流量在3 600 m3/s以下的资料系列共有数据331组，其余尚有同时发电与开闸泄洪的系列数据33组，水轮发电机组全部停机，闸门全部敞开泄洪的系列数据17组。河道疏浚后，出库流量在3 600 m3/s以下的331组系列，总的实际发电量为78 009.91万kWh，用疏浚前的下外包线模型计算坝下最低水位对应的理论电量为73 167.67万kWh，经比较得出，疏浚后实际发电量较疏浚前的理论发电量增加了4 842.24万kWh，经济效益十分明显。

四、定性对比分析

①河道疏浚前，桃源水电站实际最大出力为166 MW，相应流量3 635 m3/s。疏浚后，在控制出力的前提下，电站实际最大负荷达到了182 MW，相应流量 3 400 m3/s（设计满发流量为3 699 m3/s，即出力还可增加）。

②河道疏浚前，桃源水电站机组全停流量为7 200 m3/s左右，对应停机水头3.55 m（设计全停机流量为8 800 m3/s，对应水头 2 m，而实际运行工况是当水头低于3.55 m时，水轮发电机组已进入振动区而必须停机），疏浚后全停流量为8 600 m3/s左右，对应停机水头3.61 m（为使水轮发电机组避开振动区、确保机组安全运行，将停机水头提高了 0.06 m）。

从定性分析可以看出，河道疏浚后电站不仅能达到设计总装机的出力，而且实际满发流量较设计满发流量3 699 m3/s还下降了约300 m3/s，说明河道疏浚后同级流量下的尾水位下降明显，从而提高了机组的工作水头，一方面不仅延长了满发负荷的流量区间，大大提升了机组负荷利用率，另一方面也加大了腾库调节的空间，为提高水量利用率做出了积极贡献。同时电站实际全停机流量也相应提高，从而延长了机组运行时间，提升了机组可利用率。

图1 河道疏浚前流量与坝下水位分布及外包线关系

五、结 语

2015年及2016年，桃源水电站在强化运行管理的前提下，实际发电量分别达到81 337万kWh、81 748万kWh，年发电量分别超设计2 037万kWh、2 448万kWh，经济效益十分明显。电站投产的第一、第二年就连续超年设计发电量，这在水电建设史上也极为罕见，何况对于没有调节性能的桃源水电站。

河道疏浚大幅度增加了工程经济效益，而且有效提高了河段的行洪能力，同时由于电站枢纽船闸布置在江中心的双洲洲尾，水流流态极为复杂，河道的清挖使得该河段内的航道得到了较好的改善，极大地降低了枢纽船闸过往船舶通航的风险。桃源水电站二期疏浚工程也将尽快启动，从而充分挖掘工程潜力，确保水电站安全、经济、高效运行。 ■

参考文献：

[1]裴少拓.桃源水电站首次实现9台机组满发出力[J].水力发电，2017,43(5).

[2]姚珧，王东辉.桃源水电站水库预报预泄方式研究[J].湖南水利水电，2012(3).

[3]李先华，李建民.碗米坡水电站发电耗水率分析[J].中国电力教育，2011(6).