富尔河一级电站不同蓄水位对古洞河一级电站发电影响研究

马向东

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

1 基本概况

古洞河一级电站位于安图县永庆乡8.0 km处的古洞河上，古洞河与富尔河汇合口上游约4.5 km 处，坝址处控制流域面积2 269 km2，多年平均流量为21.9 m3/s。电站为无调节混合式开发的水电站，正常蓄水位499.00 m，装机容量4×800 kW，满发时尾水位487.60 m，额定水头10.70 m，多年平均发电量1 164.00 万kW·h。受降水时空分布及冰冻影响，一般冬季不发电。电站渠首建筑物主要由翻板坝和土坝及引水明渠等组成，设计洪水标准为50 年一遇，校核洪水标准为100 年一遇。设计洪峰流量1 153 m3/s，相应洪水位499.95 m；校核洪峰流量1 317 m3/s，相应洪水位500.50 m。

富尔河一级电站地处安图县境内，位于古洞河与富尔河汇合口下游约1.5 km处，坝址处控制流域面积3 789 km2，多年平均流量为39.65 m3/s。电站为坝后式电站，正常蓄水位486.90 m，装机容量5 000 kW（3 大+1小），满发时尾水位478.62 m，电站额定水头7.60 m，多年平均发电量1 696.4万kW·h。受降水时空分布及冰冻影响，一般冬季不发电。富尔河拦河闸及厂房的设计洪水标准均为20 年一遇，校核洪水标准均为100 年一遇。设计洪峰流量1 616 m3/s，相应洪水位484.40 m；校核洪峰流量2 436 m3/s，相应洪水位486.90 m。

古洞河一级电站与富尔河一级电站为上、下游梯级关系。两水电站分别由两家水电开发公司开发建设，因此，如何协调梯级水位合理衔接，既关系到水能资源的充分合理利用，也涉及到水能开发各方利益的问题。本着客观、科学的原则对梯级水位衔接及相应的梯级电量进行计算分析，为提高下游电站发电效益的同时降低对上游电站影响提供借鉴参考方案。

2 分析方法

此次研究以现有及补测资料对有、无下游梯级两种情况进行对比分析，对既往成果不进行对比分析。其中，无下游电站时，采用延长的实测尾水位流量关系曲线计算古洞河一级电站发电效益。有下游电站时，按照考虑回水顶托的尾水位流量关系曲线计算其发电效益。

以富尔河一级电站初步设计修改报告，正常蓄水位486.90 m 为初始计算水位，计算至正常蓄水位485.00 m，以0.05～0.50 m 为蓄水位降幅，拟定12 个方案（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），对富尔河一级电站进行回水计算和两个梯级水电站的径流调节计算。

3 水面线计算

3.1 计算原理

水面线计算采用恒定非均匀流公式，利用Excel VBA 为编程语言，利用计算机分段试算法计算，公式：

式中：Z1，Z2——计算河段上、下游相邻断面的水位，m；n——河段糙率；Q——河段过流量，m3/s；△L——上、下游断面间距，m；x1，x2——上、下游过水断面湿周，m；A1，A2——上、下游过水断面面积，m2；α，ξ——平均流速水头系数和局部阻力系数；v1，v2——上、下游断面的水流流速，m/s。

实际计算中，将局部水头损失的影响综合到糙率系数中。

3.2 计算边界条件

1）河段计算流量

富尔河为古洞河支流，在富尔河一级电站上游约1.5 km 处汇入古洞河，除富尔河外，自古洞河一级电站至富尔河一级电站无其它支流汇入。此次研究回水计算时，汇合口以上河道流量均按照拟定的古洞河一级电站出库流量考虑。汇合口以下按照古洞河一级电站坝址与富尔河一级电站坝址多年平均流量比（0.55）进行计算。汇合口上、下游河段回水计算采用的流量见表1。

表1 富尔河一级电站库区回水计算河段流量表 m3/s

2）糙率

由于缺少历史洪水水面线成果，两梯级电站均有尾水位流量关系曲线，且相距仅6.0 km，因此，以其进行糙率率定。拟合0.6 倍单机流量和全厂满发流量的水位与对应实测尾水位，满足精度（误差控制在1 cm范围内）要求后率定的糙率值作为采用的糙率值，经过多次计算率定，当糙率值取0.03时满足上述要求，因此，此次计算糙率采用0.03。

3）起始水位

天然水面线的起始水位按照设定的河段流量，由富尔河一级电站坝址处的水位流量关系曲线查取。有富尔河一级电站时，起始水位按照拟定方案的水位，当流量超过全厂额定流量时，按边发电边泄洪考虑。根据洪水调度原则及洪水调节成果分析，坝前水位不超正常蓄水位，因此，当河道流量超过发电流量后，起始水位仍以正常蓄水位考虑。

3.3 水面线计算成果

1）水面线

按照已拟定、选用的资料、原则、参数、方法，对古洞河一级～富尔河一级天然水面线及回水水面线进行计算，不同流量的天然水面线见图1。富尔河一级电站建库的水面线，相同流量下，不同的坝前水位将形成不同的库区水面线，因此，其回水成果为一组不同正常蓄水位下的回水水面线，见图2。

图1 富尔河一级～古洞河一级天然水面线示意图

图2 富尔河一级～古洞河一级不同蓄水位回水水面线示意图

2）天然及考虑回水顶托后的古洞河一级电站尾水位流量关系曲线

古洞河一级电站尾水断面的天然水位流量关系（不考虑洪水期涨退水的差别）是唯一的。富尔河一级电站不同蓄水位条件下，将古洞河一级电站尾水断面的流量与推求的回水水位单列后即为古洞河一级电站实测尾水断面受回水影响的尾水位流量关系曲线，见图3。

图3 富尔河电站不同蓄水位条件下古洞河电站尾水位流量关系曲线图

图3 富尔河电站不同蓄水位条件下古洞河电站尾水位流量关系曲线图

4 梯级电站电量计算

4.1 电量计算方法

根据古洞河一级电站初步设计成果中径流资料及水能计算时段，按3 个典型代表年径流量计算出力及电量，计算公式：

式中：N——电站出力，kW；K——出力系数；Q——电站引用流量，m3/s；H——发电净水头，m；E——电量，kW·h；T——机组运行时间，h。

4.2 电量损失计算方法

根据径流资料及相关参数，按照无、有富尔河一级电站时的天然尾水流量关系曲线和考虑富尔河不同正常蓄水位的回水顶托情况下的古洞河一级尾水位流量关系曲线，分别计算其相应的多年平均发电量，其差值即为富尔河不同蓄水位条件下对古洞河一级电站的影响电量。

4.3 不同蓄水方案影响电量分析

按照上述拟定的原则、选用参数及相关径流资料，考虑富尔河一级电站不同正常蓄水位及不考虑富尔河一级电站时，对古洞河一级电站进行径流调节计算；同时对富尔河一级电站不同的正常蓄水位进行径流调节计算。两电站径流调节计算的发电量梯级电量见表2；汛期、非汛期发电量、影响电量及水头成果见表3。

表2 梯级电站电量影响计算成果表

表3 古洞河一级电站汛期非汛期电量计算成果表

由表2、表3 可知，随着富尔河一级电站正常蓄水位的抬高，梯级电站的总发电量逐渐增大，但对古洞河一级电站的平均水头及发电量的影响也越来越大。富尔河一级电站正常蓄水位为486.90 m时，影响古洞河一级电站多年平均水头0.22 m，影响发电量为13.00万kW·h；正常蓄水位为486.10 m时，影响古洞河一级电站多年平均水头小于0.01 m，在误差允许范围内，基本可以忽略不计，因此，可认为富尔河一级电站正常蓄水位为486.10 m 时对古洞河一级电站发电基本无影响。

5 结语

综上所述，从梯级发电效益分析来看，应采用使两梯级总发电量最大的方案（富尔河一级电站正常蓄水位486.90 m），但此时对上游梯级的影响也最大；从减轻对古洞河一级电站影响考虑，应采用对上游电站基本无影响的方案（富尔河一级电站正常蓄水位486.10 m）。因此，建议水能开发双方本着水能资源的充分合理利用的原则，协调好水能开发各方利益，做好梯级电站运行水位合理衔接，实现水能资源最优利用。