抽水蓄能电站水文设计分析与计算

李晓伟，谢 伟

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京100024)

抽水蓄能电站水文设计分析与计算

李晓伟，谢 伟

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京100024)

在进行抽水蓄能电站水文分析计算时，初期蓄水是径流分析的重点，采用滑动平均法计算多年来水时，需要进行自相关检验；在下水库调洪时，应考虑上水库发电流量与设计洪水的组合，并以最不利组合作为设计依据；在泥沙淤积分析计算时，应合理确定过机沙量；由于抽水蓄能电站每日频繁抽发，上水库冬季以环库冰带和冰屑为主，冰厚应小于河道和常规水库冰厚。

径流自相关检验；设计洪水；过机沙量；冰厚；抽水蓄能电站

0 引 言

“采—发—输—配—用—储”是电网运行六大环节[1]，成熟的储能技术主要是抽水蓄能。截至2014年，我国已建成多座抽水蓄能电站，还有许多电站在规划设计中。已建或在建的项目有内蒙古呼和浩特、山西西龙池、山东文登、福建仙居、安徽绩溪、广东清远等抽水蓄能电站。按下水库是否为专用库，抽水蓄能电站分为纯抽水蓄能电站和混合式抽水蓄能电站[2]。

与常规水电站相比，抽水蓄能电站水文设计计算有其特殊性。常规水电站的水文计算已有相关规范[3]，而针对抽水蓄能电站的专业规范尚未出台。本文结合工程设计实践，探讨了在抽水蓄能电站水文设计计算时，关于径流、洪水、泥沙等方面发现的问题及解决对策。

1 径 流

1.1 分析计算

常规水电站主要利用水量和落差获得水能[4]，发电用水量较大；而抽水蓄能电站在电网负荷低谷时抽水，在高峰时发电，上下移动水体，除了蒸发渗漏等损失外基本不耗水。因此，抽水蓄能电站的运行基本不受天然径流的影响[5]。抽水蓄能电站径流设计主要是为初期蓄水服务，混合式抽水蓄能电站由于下水库采用已建水库，基本不存在水源不足问题。纯抽水蓄能电站水源问题较为突出，尤其是水资源短缺地区。

冯庆华等[6]以安徽琅琊山抽水蓄能电站下水库为例，采用多种方法，将下水库的径流系列进行插补延长，并以长系列资料推求了设计年径流；戴荣[7]以西北某抽水蓄能电站为例，利用GIS平台绘制流域边界，并加绘径流深等值线图，自动计算下水库径流深；白文博等[8]以广东惠州、深圳和阳江3座抽水蓄能电站为例分析认为，由于上、下水库高程差较大，降水量具有随高程增加而逐渐增加的趋势，应建立年均降水量与高程的关系，按等高线划分流域，采用面积包围法计算设计年径流，进而确定径流成果。

1.2 滑动平均法自相关检验

由于各种原因，初期蓄水时间往往需要2年以上，DL/T 5208—2005《抽水蓄能电站设计导则》规定：“在初期蓄水期，可选取保证率为75%的枯水年(或连续枯水年份)与50%的平水年份分别进行调节计算。”因此，常常需要提出连续n年75%的来水量。

由于水文过程的随机性，我国常采用频率分析法推求设计年径流。为保持样本独立，一般设计时段以月、季、年为主。由于抽水蓄能电站初期蓄水一般大于1年，有时达到4年，如果进行独立选样，径流系列会非常短。这时，可以采用滑动平均法推出径流系列，但一定要检查样本是否还独立，可采用自相关函数[9]来验证。对任意随机过程x，定义

(1)

式中，ρk为随机过程x的自相关系数；Cov(xt,xt-k)为随机变量xt与xt-k的协方差；D(xt)、D(xt-k)分别为随机变量xt、xt-k的方差。

以尚志抽水蓄能电站为例，分别推求连续2年、3年、4年、5年和6年平均径流的自相关系数(见图1)。从图1统计出各年份的自相关系数分别为0.61、0.77、0.80、0.85和0.89，4年及以上的滑动平均径流系列的自相关系数大于0.8，呈显著正相关。随着滑动年份n的增加，自相关系数也增加，当初期蓄水时间较长时，滑动平均年径流系列已经没有独立性。因此，这种计算方法只适用于2年～3年的滑动平均。

图1 滑动平均年径流深自相关系数

2 设计洪水

2.1 分析计算

抽水蓄能电站的设计洪水分上、下水库设计洪水。纯抽水蓄能电站一般建设在中小河流上，缺洪水资料，多属小流域设计洪水计算。混合式抽水蓄能电站一般利用已建下水库，设计洪水计算方法与常规水电基本一致。许多抽水蓄能电站上水库采用沥青混凝土面板进行库底和库坡全面防渗，并在库周设混凝土防浪墙，由此形成封闭的上水库库盆。上水库形成人工流域边界，库周洪水不会进库，库面降水直接产生径流，径流系数取为1，直接按设计暴雨推求设计洪量。

舒晓娟[10]以广州抽水蓄能电站为例，应用推理公式法和单位线法计算电站下水库设计洪水，并对2种方法进行了比选；邹浩等[11]以通化抽水蓄能电站为例，结合历史洪水调查及现有实测资料，利用频率分析法计算了下水库设计洪水；万贵生等[12]以黄鸭河天池抽水蓄能电站为例，采用暴雨推求洪水方法和水文比拟法计算下水库坝址设计洪水并进行比选。

2.2 设计洪水与发电流量组合

抽水蓄能电站流域面积一般较小，与发电流量Q发比较，下水库的设计洪峰流量Q峰较小，而其发电流量Q发却很大。此外，抽水蓄能电站上、下库经过厂房的压力水道相连，上、下库的水体在抽水和发电工况时相互交换，两库实际上是一个有机整体。因此，必须考虑设计洪水与发电流量的遭遇问题。

以山东某抽水蓄能电站为例，针对下水库设计洪水(200年一遇)，对以下情况进行洪水调节计算。水库起调水位按电站发电水量全部在上水库，1 h、2 h、3 h、4 h和4.5 h发电水量在下水库和所有发电水量都在下水库等7种工况考虑。洪水过程与发电流量叠加，按照洪水过程线10 min逐时段滑动叠加，组合成多种水量过程进行下水库洪水调节计算。2 h、3 h发电水量在下水库的洪水调节计算过程见图2。设计洪水与发电流量叠加洪水调节成果见表1。从表1可知，下水库设计最高洪水位发生在已发电2 h或3 h后遭遇设计洪水，下水库水位最高为最不利情况。在正常洪水调度情况下，最高设计洪水位为137.79 m。

图2考虑发电流量后的洪水调节过程

表1 设计洪水与发电流量叠加洪水调节成果 m

3 泥 沙

3.1 分析计算

抽水蓄能电站的泥沙设计主要包括入库沙量计算、淤积回水计算、过机沙量预测等内容。抽水蓄能电站对水质要求相当高，过机含沙量条件远高于高水头水电站。纯抽水蓄能电站的上水库在沟源修坝或山顶夷平面开挖与围堤成库，坡面汇流很少。泥沙来源主要是电站抽水时从下水库挟带而来，上水库泥沙淤积计算可采用静水或动水沉降法。

陈储军等[13]以常规的水库淤积一维数学模型为基础，增加了抽放水状况相应模块，对蒲石河抽水蓄能电站上、下水库的淤积计算及过机泥沙进行了计算；刘书宝等[14]采用武汉大学一维不平衡输沙数学模型分析了丰宁抽水蓄能电站的泥沙淤积，并对下水库排沙措施进行了研究。

3.2 过机泥沙预测

目前，过机泥沙预测主要通过物理模型和数学模型确定，吴腾等[15]以宝泉抽水蓄能电站为例，通过建立物理模型，建立了入库沙量和过机沙量的关系曲线。公式为

(2)

式中，S抽水为抽水过机含沙量；Dz为进出水累计淤积厚度；S入库为入库含沙量。

4 冰 情

4.1 分析计算

我国冬季寒冷地区均有河流冰情。冰情问题是指一般冻害之外的冰花、冰块壅堵过水排冰通道，抬高水位，减小过流能力，又淹又冻或突然溃决冰水齐下，淹冲撞挤，对工程施工和运行可能造成的危害。目前，工程冰情分析计算方法主要有实测资料统计法、冰情特征图表法和经验公式法。

刘连希等[16]通过对十三陵抽水蓄能电站的研究认为，一台机组至少每日抽水、发电2个循环，利用往复水流形成低速流场，可以有效避免冰盖形成。刘书宝等[17]以荒沟抽水蓄能电站为例研究认为，由于上水库动力因素活跃，不可能形成稳定的封冻冰盖，结冻形态由环库岸冰带、环库碎冰带和库内悬浮冰盖组成。吕明治等[18]通过对十三陵、张河湾、西龙池、蒲石河和呼和浩特等5座已建抽水蓄能电站水库冰情开展的原型监测认为，冰厚主要受气温、电站运行台次频率及库水位变化情况等因素影响。

实践证明，只要抽水蓄能电站冬季合理运行，上水库就不会形成完全冰盖，以环库冰带、冰屑为主。抽水蓄能电站的最大冰厚应比河流、常规水库的冰厚小。

4.2 计算实例

我国常用的天然河道最大冰厚经验公式为

him=8.3Φ-278

(3)

式中，him为最大冰厚；Φ为纬度(资料范围为36°～54°)。

在我国东北、华北天然河道冰厚增长经验公式为

hi=k(∑t)a

(4)

式中，hi为∑t时的冰厚，∑t为累积日平均气温绝对值，从稳定转负日起算；k为经验系数;a为经验指数，东北地区k=2.0～2.3，a=0.50～0.56，华北地区k=2.6～2.3，a=0.50～0.56。

以尚志抽水蓄能电站为例，上库正常蓄水位558 m，下库正常蓄水位332 m，尚志气象站海拔189.7 m。首先将尚志气象站1981年～2010年日平均气温按高程每上升100 m下降0.6 ℃修正至上水库，再用公式(4)计算逐年最大冰厚(见图3)，并与一面坡水文站同期资料对比。

图3 尚志抽水蓄能电站逐年最大冰厚

尚志抽水蓄能电站位于北纬45°32′，根据公式(3)计算多年平均最大冰厚为1.10 m，与公式(4)计算结果1.08 m和实测资料1.00 m相近。以上都是针对天然河道冰厚而言的，抽水蓄能电站的冰厚应小于河道冰厚，即便按最小值1 m考虑也是安全的。

5 结 语

本文结合抽水蓄能电站设计实践，分析了其水文分析计算的特点，得出以下结论：

(1)径流分析的重点是初期蓄水，一般使用滑动平均法计算来水，此时需要对系列进行自相关性检验，该法一般以2年～3年为宜。

(2)抽水蓄能电站一般建设在中小流域上，当上水库为封闭库盆时，径流系数应取1；在下水库调洪时，应考虑上水库发电流量与设计洪水的组合，并取最不利工况作为设计依据。

(3)泥沙设计除常规的淤积回水计算，预测过机泥沙量是重点，目前仍没有成熟的预测方法，可借鉴类似工程的入库沙量与过机沙量关系曲线进行预测。

(4)抽水蓄能电站冰情原型观测表明，因电站的频繁抽发，形成往复水流，上水库很难形成冰封，以环库冰带和冰屑为主，冰厚应小于河流和常规水库冰厚。

[1]王婷婷， 曹飞. 从电力系统储能技术谈抽水蓄能电站的建设必要性[C]∥抽水蓄能电站工程建设文集. 北京： 中国电力出版社， 2014： 6- 10．

[2]陆佑楣， 潘家铮. 抽水蓄能电站[M]. 北京： 水利电力出版社， 1992．

[3]DL/T 5431—2009 水电水利工程水文计算规范[S]．

[4]梁忠民， 钟平安， 华家鹏. 水文水利计算[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 2006．

[5]王铁锋， 刘书宝， 夏传清. 水文泥沙专业在抽水蓄能电站设计中的关键技术问题及探讨[C]∥中国水力发电工程学会水文泥沙专业委员会第四届学术讨论会论文集. 北京： 中国水力发电工程学会， 2003： 430- 432．

[6]冯庆华， 王平. 琅琊山抽水蓄能电站下库径流分析[J]. 水电站设计， 1999， 15(4)： 40- 43．

[7]戴荣， 王正发. GIS技术在流域设计径流计算中的应用[J]. 西北水电， 2012， 30(3)： 1- 4．

[8]白文博， 王春辉. 抽水蓄能电站年均降水量—高程变化规律研究[C]∥抽水蓄能电站工程建设文集. 北京： 中国电力出版社， 2005： 237- 242．

[9]黄振平. 水文统计学[M]. 南京： 河海大学出版社， 2003．

[10]舒晓娟. 广州抽水蓄能电站设计洪水研究[D]. 武汉： 武汉大学， 2004．

[11]邹浩， 黄建辉， 孙庆财. 通化抽水蓄能电站下水库设计洪水分析计算[J]. 东北水利水电， 2011， 29(10)： 22- 23．

[12]万贵生， 刘立. 黄鸭河天池抽水蓄能电站设计洪水分析计算[J]. 中国水运， 2014， 31(12)： 197- 198．

[13]陈储军， 张帜， 易越. 蒲石河抽水蓄能电站泥沙问题分析[J]. 水文科技信息， 1997， 14(3)： 11- 16．

[14]刘书宝. 丰宁抽水蓄能电站泥沙淤积及防沙措施研究[J]. 东北水利水电， 2010， 28(12)： 21- 22， 38．

[15]吴腾， 韦直林， 詹义正. 抽水蓄能电站过机泥沙的预测方法[J]. 红河水， 2004， 23(3)： 78- 81．

[16]刘连希， 吴吉才. 关于十三陵抽水蓄能电站上库冬季运行结冰问题的探讨[J]. 水利水电技术， 2001， 32(3)： 33- 35．

[17]刘书宝， 杨昕. 荒沟抽水蓄能电站上库冰问题分析[J]. 东北水利水电， 1999， 17(5)： 26- 28， 48．

[18]吕明治， 赵海镜， 靳亚东， 等. 典型抽水蓄能电站水库冰情原型监测[C]∥抽水蓄能电站工程建设文集. 北京： 中国电力出版社， 2014： 71- 76．

(责任编辑杨 健)

Hydrologic Analysis and Computation for Pumped-storage Power Station

LI Xiaowei, XIE Wei

(PowerChian Beijing Engineering Corporation Limited, Beijing 100024, China)

In hydrologic analysis and computation for pumped-storage power station, the initial filling of reservoir is the focus of runoff analysis, and when the moving average method is used to calculate runoff process for more than one year, the autocorrelation test should be done first. The flood routing of lower reservoir should consider a composition of power generation flow and design flood, and the most unfavorable result should be selected. In the calculation of sediment siltation, the sediment passing through the turbine should be determined reasonably. The ice forms in upper reservoir in winter are mainly ice around the reservoir bank and ice pieces due to frequently pumping and generation of pumped-storage station, so the ice thickness will be less than conventional reservoir and natural rivers．

runoff autocorrelation test; design flood; sediment passing through the turbine; ice thickness; pumped-storage power station

2015- 06- 18

李晓伟(1976—)，女，黑龙江佳木斯人，高级工程师，从事水电工程水文设计、水文水资源研究工作．

TV743

A

0559- 9342(2015)12- 0025- 04