基于水资源平衡下的鄯善抽水蓄能电站水库特征水位分析

程 鹏

（吐鲁番水文勘测局,新疆 吐鲁番 838000）

鄯善抽水蓄能电站是国家《抽水蓄能中长期发展规划（2021-2035年）》“十五五”重点实施项目,主要承担新疆电力系统调峰、填谷、储能、调频、调相和紧急事故备用等任务。为了满足鄯善抽水蓄能电站发电要求,确保各方用水不受影响,就需对鄯善抽水蓄能电站上水库的特征水位进行科学分析。

1 概况

吐鲁番市鄯善县二塘沟常年有水,且为深山峡谷,河道深切山体,两岸山体高陡,冲沟发育,有较好的布置抽水蓄能电站的地形条件。为了开发水能资源,规划在二塘沟河道左岸山顶宽缓沟道,采用扩挖筑坝的方式建库。依靠天然降雨无法满足蓄水发电要求,规划通过抽取二塘沟干流河水进行蓄水发电,取水断面距下游已建的二塘沟水库大坝3.5 km,集水面积338 km2,取水断面保证率95%年份时径流量为5560万m3,规划装机容量为140万kW。上水库特征水位（正常蓄水位/死水位）方案初拟需考虑库区地形地质条件、库盆扩展条件、机组运行条件、径流来水、水库淹没、环境影响等因素。

2 水文地质条件分析

2.1 地形地质条件

上水库库址地形整体东北侧高,向西南一侧降低,地形高低起伏较大,小冲沟、山梁发育。坝址地形为V字型峡谷,两岸高差相对较小,有利于筑坝。坝址区基岩岩性为上石炭系灰岩夹板岩,岩性坚硬,中层夹薄层状结构,承载、变形能力可满足建坝要求。坝址区地下水水位埋深大（大于200 m）,右岸坝肩山梁单薄,坝基岩体透水性强,可能会发生邻谷渗漏,需对水库采取全库盆防渗工程措施。水库淹没范围没有生产物资,也不会对环境有影响。总体上,水库地形地质条件不制约特征水位选择。

2.2 库盆扩展条件

上水库位于二塘沟河道左岸山顶宽缓沟道,天然库容不能满足需求,需采用挖填的方式围成库盆,形成上水库。开挖后水库四周库岸边坡整体较稳定,但受裂隙组合影响,边坡表面局部可能形成不稳定块体,所以开挖坡比不宜过陡,同时施工开挖过程中应视具体情况及时锚喷支护。

3 水库防洪分析

上水库基本没有天然径流来水,地下水埋藏较深,不存在地下水补给,洪水主要来自天然降雨。在工程运行期,入库洪量主要为库周洪量和库面洪量。水库库周有1条支沟,集水面积不足10 km2,库面和库周形成的洪量（W24h）不大,24 h校核（P=0.1%）洪量7.6万m3,24 h设计（P=0.5%）洪量5.73万m3,所形成的洪量较小,通过坝（库）超高满足防洪要求的条件,故坝身及枢纽泄洪压力较小,水库不需设置专门的泄洪设施。暴雨形成的洪水可暂时储存在上水库,通过电站机组发电后排放至下水库。电站抽水量受水库正常蓄水位控制,水库水位达到正常蓄水位后,停止抽水。

4 水库特征水位分析

4.1 发电库容

鄯善抽水蓄能电站初选装机容量140万kW,安装4台单机容量35万kW的立轴单级混流可逆式水泵水轮机,额定发电流量约265.6 m3/s,按连续满发小时数6h,并考虑1.1的裕度系数,电站发电库容需求约637.7万m3。水头范围在565.3 m～640.9 m,按照目前水泵水轮机制造水平和水头范围,从满足电站水泵水轮机的稳定高效运行考虑,水泵水轮机最大扬程和最小水头比值宜控制在1.15以下。

4.2 径流来水分析

二塘沟河发源于天山东部冰川,径流来源主要为冰川融水、融雪、降雨和地下水补给等,其中降雨占总径流量的89.7%,地下水补给量和冰雪融水补给分别占5.8%和4.4%。二塘沟拟建抽水蓄能电站坝址位于二塘沟专用站上游1.1 km,集水面积为344 km2,区间无较大支流汇入和流出,坝址集水面积与二塘沟专用站集水面积仅相差1.7%,本次直接移用二塘沟专用站的年径流作为二塘沟拟建抽水蓄能电站坝址的设计年径流。在电站正常运行补水来水保证率95%下,取水断面年径流量约5560万m3,见表1。远远大于发电库容需求量637.7万m3。所以径流来水对水库库容水位没有影响。

表1 鄯善抽水蓄能电站取水断面设计代表年径流成果表 单位：万m

鄯善抽水蓄能电站正常运行不消耗水量,仅有库面水量蒸发损失及渗漏损失,本次仅考虑生态用水及蒸发、渗漏损失情况下,开展水量平衡及盈亏调节分析,二塘沟水库下游用水情况见表2。

表2 二塘沟水库下游用水情况表 单位：万m3

根据鄯善县水利局《关于将二塘沟作为鄯善抽水蓄能电站取用水水源的复函》,项目正常运行期补水可采用休耕补偿、渠道节水、高效节水等方式置换农业用水,利用水权转让获取用水指标。针对项目初期蓄水量大及蓄水时段相对较短的特点,可通过短期休耕置换农业灌溉用水蓄水,满足水库初期蓄水和运行期间补水的要求。而电站用水不消耗水资源,发完电后直接排入下游河道,所以电站抽取水,对下游用水和生态基流没有影响。

4.3 水损备用库容

由表1、表2 可知,1月～4月及9月～12月水量为亏缺,所以1月～4月、9月～12月设置水损备用库容解决运行期水库补水。1月～4月、9月～12月设置水损备用库容,合计蒸发损失及渗漏损失约147.2万m3。水损备用库容利用设置在二塘沟水库上游二塘沟主河道的下水库。

上水库地层岩性主要为上石炭系灰岩夹板岩、安山岩。每增加1 m3库容,需通过1.5 m3～2.0 m3的石方开挖来获得。下水库位于二塘沟河道,场地开阔,河谷为宽阔U型谷,每增加1 m3库容,需通过1 m3～1.2 m3的砂砾石开挖来获得。经综合对比,水损备用库容设置在下水库要比上水库所需工程代价要小。

4.4 冰冻备用库容

鄯善抽水蓄能电站位于吐鲁番市鄯善县,电站水库纬度与东北地区接近,需考虑冬季结冰导致的水库库容损失。上水库正常蓄水位2134 m相应库面面积为24.6万m2,根据水文监测及分析,上水库可能形成冰盖的厚度约0.4 m,设置冰冻备用库容10万m3。

4.5 泥沙淤积对调节库容影响初步分析

根据鄯善抽水蓄能电站上水库防排沙措施以及补水方式,上水库泥沙问题不严重。上水库可不考虑泥沙淤积问题,抽水挟沙可忽略不计,不会影响调节库容。

综上所述,在连续满发小时数及装机容量初选基础上,考虑鄯善抽水蓄能电站上水库地形、地质条件,以及水泵水轮机组的安全、稳定运行要求,鄯善抽水蓄能电站连续满发小时数6 h,装机容量140万kW,所需上水库调节库容约647.6万m3,其中发电库容为637.7万m3,冰冻备用库容10万m3。

4.6 上水库特征水位方案初拟

考虑本工程的地形地质和库容条件,上水库的调节库容主要通过开挖围填形成,调节库容越大上水库工程量也相应增大,在满足最大扬程/最小水头及调节库容需求的前提下,同时考虑土石方挖填平衡,采取全库盆防渗。在充分利用上水库地形条件及库盆挖填平衡的前提下,抬高上水库正常蓄水位,将增加坝高及大坝填筑量,需要通过深挖库底及增加料场等方式实现坝料平衡,此外,上水库东侧、西侧冲沟地形陡峭,随正常蓄水位抬高,坡脚会不断向下游延伸至冲沟沟底,需要对坡脚进行防护并对沟内洪水进行排导以免出现冲刷破坏,或者采用较高的混凝土重力挡墙将坡脚挡住不进入冲沟,但这样挡墙投资较大且工程上存在一定风险。西侧山脊高度较低,随着上水库正常蓄水位抬高,山体厚度将越来越薄。同时从地形可以看出上水库主沟在高程2135 m左右出现明显拐弯现象,即目前上水库已位于主沟沟脑位置,若继续抬高正常蓄水位只会导致填筑量增加,继而根据挖填平衡,需要库周开挖更多料源来满足,因此,本阶段从尽可能减少料场规模、提高工程经济性、坝工安全性等方面考虑,上水库正常蓄水位上限取2137 m,死水位上限取2103 m。

考虑上水库是由开挖形成的,降低上水库正常蓄水位,虽然坝高降低,填筑量减少,但库盆开挖量增加较大,弃渣增加,上水库坝后堆渣场地非常有限,渣场坡脚高度将增高,工程风险增大,防护措施增强则工程投资增加,若渣场容量不够则还需另寻渣场,工程投资增加。根据鄯善抽水蓄能电站上水库防排沙措施以及补水方式,上水库泥沙问题不严重,上水库可不考虑泥沙淤积问题,抽水挟沙可忽略不计。因此,本阶段从尽可能减少弃渣,提高工程经济性方面考虑,上水库正常蓄水位下限取2131 m,死水位下限取2097 m。

鄯善抽水蓄能电站水头运行范围在565.3 m～640.9 m,按照目前水泵水轮机制造水头范围,并根据水泵水轮机的比转速,从满足电站水泵水轮机稳定高效运行考虑,水泵水轮机最大扬程和最小水头比值宜控制在1.15以下。根据装机连续满发小时数及装机容量比选成果,鄯善抽水蓄能电站初选装机容量140万kW,连续满发小时数6 h,所需上水库调节库容约647.6万m3左右。

综合考虑上水库地形地质条件、机组运行条件,根据上水库所需调节库容及库盆土石方挖填平衡要求等,拟定三个上水库特征水位（正常蓄水位/死水位）,见表3。各方案对应的下水库正常蓄水位和死水位均采用1520 m、1495 m。通过水量平衡和蓄能量计算,三个比选方案水能参数见表3。

表3 鄯善抽蓄电站上水库特征水位比选方案水能参数表

3个方案均满足规划发电规模,按照投资规模和发电时间的科学性,方案2（上水库特征水位2134 m/2100 m）工程单位千瓦投资最小,经济性较好。所以选定方案2作为上水库库容特征水位。上水库（推荐方案）挖填后库容曲线见图1。

图1 鄯善抽水蓄能电站上水库挖填后库容曲线图

5 结语

经过分析探讨,二塘沟河道径流、泥沙和防洪对鄯善抽水蓄能电站上水库特征水位没有影响,冰冻气温有影响。根据库区地形条件限制、库盆开挖特点,在二塘沟河道左岸山顶宽缓沟道沟内扩挖及沟口筑坝形成上水库方案科学可行。上水库正常蓄水位2134 m,死水位2100 m,调节库容647.6 万m3,满足装机容量140万kW连续满发小时6 h,建设经济科学。上水库运行补水通过置换农业灌溉水权取得,发电用水对二塘沟下游用水和河道生态基流没有影响,可为类似水电站库容确定提供借鉴。