萬家寨水利樞紐工程防洪調(diào)峰及河道防洪分析

萬家寨水利樞紐工程防洪調(diào)峰及河道防洪分析

萬家寨水庫的任務(wù)是將水源和發(fā)電結(jié)合起來，調(diào)節(jié)峰，防洪和凌亂作用。水庫總庫容8.96億m3,調(diào)節(jié)庫容4.48億m3,最高蓄水位980.00m,正常蓄水位977m。水庫設(shè)計洪水重現(xiàn)期1000年一遇洪峰流量為16500m3/s,設(shè)計洪水位974.99m,校核洪水10000年一遇洪峰流量為21200m3/s,校核洪水位979.1m。年供水量14億m3,其中向內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗供水2億m3,向山西省供水12億m3。水電站裝機108萬kW,設(shè)計年發(fā)電量27.5億kW·h。1水庫水位或沖流萬家寨水庫原設(shè)計采取“蓄清排渾”的運用方式,原調(diào)度運用方式如下:(1)8、9兩月為排沙期,水庫保持低水位運行。入庫流量小于800m3/s時,庫水位控制在952～957m之間,進行日調(diào)節(jié)發(fā)電調(diào)峰;入庫流量大于800m3/s時,庫水位保持952m運行,電站轉(zhuǎn)為基荷或棄水帶峰;當(dāng)水庫淤積嚴重,難以保持日調(diào)節(jié)庫容時,在流量大于1000m3/s情況下,庫水位短期降至948m沖沙。(2)7月16日～10月15日為汛期,庫水位不超過汛限水位966m。(3)10月底庫水位達到970m,以使水輪機能夠發(fā)滿出力。(4)11月～翌年2月底,最低庫水位970m。在內(nèi)蒙河段開始封凍時,有約半個月的小流量過程,為保證正常發(fā)電,水庫需調(diào)節(jié)部分水量,但在封凍之前庫水位不要超過975m;待上游河道封凍以后,再無大量冰花進入庫區(qū)始可提高水庫水位,但為了防止非汛期泥沙淤積上延,此時庫水位最高不應(yīng)超過977m。3月初～4月初是內(nèi)蒙河段開河流凌期,為促使庫尾部蓋面冰解體,便于上游流冰進入庫內(nèi),應(yīng)降低水位至970m運行。春季流凌結(jié)束后即可蓄到977m,4月底前蓄至980m。5月～7月15日供水期水位由980m逐漸降到汛限水位966m,至7月底降至排沙期運用水位。2萬家寨洪水特點及洪水報告2.1上洪水的形成過程萬家寨河段洪水主要來源為河口鎮(zhèn)以上黃河上游洪水和河口鎮(zhèn)到萬家寨區(qū)間洪水。河口鎮(zhèn)以上洪水主要來源于蘭州以上地區(qū),是由青藏高原大面積長歷時的降水形成,洪水漲落平緩,峰型肥胖,洪量大而歷時長。河萬區(qū)間的洪水多為局部暴雨形成,汛期多為短歷時高強度的暴雨,局部地區(qū)產(chǎn)生峰高量小,陡漲陡落的尖瘦型洪水,并夾帶大量的泥沙。2.2預(yù)報過程及步驟對河口鎮(zhèn)以上黃河干流洪水及太平窯以上紅河洪水,利用黃河干流的報汛站和相應(yīng)遙測站的資料進行預(yù)報;對河萬區(qū)間紅河太平窯以下洪水,則利用遙測站的降雨資料,通過產(chǎn)匯流計算進行預(yù)報;以上三部分洪水經(jīng)演進計算并疊加后即為萬家寨壩址洪水。蘭州—河口鎮(zhèn)段洪水傳播時間約8d,河口鎮(zhèn)—萬家寨壩址段洪水傳播時間為8～10h。預(yù)報步驟如下:(1)了解龍羊峽、劉家峽蓄水情況和調(diào)度方式,將其與前幾年進行比較,結(jié)合前幾年各時段蘭州流量特點,預(yù)估蘭州后幾日日均流量。(2)電話詢問寧夏、內(nèi)蒙灌區(qū)近期引退水情況,根據(jù)引退水情況扣除或增加各段引水流量,推算出下一站的相應(yīng)流量。(3)查看近期(1周)上游及河萬區(qū)間預(yù)報降雨情況,根據(jù)預(yù)報的降雨修正灌區(qū)引退水情況和適當(dāng)增減區(qū)間支流入流。(4)結(jié)合各站報汛水位和流量,推算各站間引退水及區(qū)間入流實際情況,修正詢問的引退水情況,進而修正預(yù)報流量。(5)查看磴口水位站及麻地壕、蒲灘拐、水泥廠等水位站水位變化情況,結(jié)合黃河漲落水特性,修正近3d預(yù)報入庫流量。3控制水庫、下游防洪工程措施萬家寨水庫對汛限水位進行動態(tài)控制研究遵循的原則是:(1)確保樞紐防洪安全,不增加水庫防洪風(fēng)險;(2)不增加下游防洪負擔(dān);(3)不增加庫區(qū)及以上河道淹沒損失;(4)不增加庫區(qū)泥沙淤積。4洪水流量動態(tài)控制方案初步草案4.1不同年份罪犯不同刑期的日期根據(jù)黃河汛期劃分,萬家寨水庫的汛期調(diào)整為7月1日～10月31日,汛期分為前汛期和后汛期,分界日期為8月31日,8月21日～31日為從前汛期到后汛期的過渡期。4.2調(diào)整庫水位前汛期:當(dāng)預(yù)報4d內(nèi),頭道拐水文站入庫流量小于2000m3/s時,庫水位控制在972m以下;當(dāng)預(yù)報4d后頭道拐水文站流量將大于2000m3/s時,水庫預(yù)泄,庫水位均勻下降,在4d內(nèi)降低到966m。后汛期:當(dāng)預(yù)報4d內(nèi),頭道拐水文站入庫流量小于2000m3/s時,庫水位控制在977m以下;當(dāng)預(yù)報4d后頭道拐水文站流量將大于2000m3/s時,水庫預(yù)泄,庫水位均勻下降,在4d內(nèi)降低到974m,即當(dāng)頭道拐水文站剛好發(fā)生2000m3/s流量時,庫水位在974m。4.3溫度變化大的道拐水文站傳導(dǎo)設(shè)備前汛期:當(dāng)預(yù)報4d內(nèi),頭道拐水文站入庫流量小于1500m3/s時,庫水位控制在972m以下;當(dāng)預(yù)報4d后頭道拐水文站流量將大于1500m3/s時,水庫預(yù)泄,庫水位均勻下降,在4d內(nèi)降低到966m,即當(dāng)頭道拐水文站剛好發(fā)生1500m3/s流量時,庫水位在966m。后汛期與校核洪水位980m方案相同。5不同方案對影響的分析5.1980m洪水面積的調(diào)整計劃5.1.1前汛期校核洪水位當(dāng)干流入庫流量小于2000m3/s時,汛限水位的上限前汛期取972m、后汛期取977m,區(qū)間遇校核洪水時,前汛期的校核洪水位為978.80m,距允許的洪水位980m還有1.2m;后汛期的校核洪水位為977m,距允許的洪水位980m還有3m。當(dāng)干流入庫流量大于2000m3/s時,水庫轉(zhuǎn)入正常的防汛運行,遇校核洪水,前汛期的校核洪水位為979.57m,后汛期的校核洪水位為975.42m,均低于980m,對水庫防洪沒有影響。5.1.2月后汛期,水庫水位下降至973萬家寨水庫下游無防洪要求,在水庫遭遇洪水情況下,無控泄要求,水庫可自由泄洪。前汛期,當(dāng)預(yù)報4d后頭道拐水文站的流量將大于2000m3/s時,水庫開始預(yù)泄,庫水位從972m均勻降低到966m。在預(yù)泄期間,頭道拐的流量小于2000m3/s,區(qū)間流量不考慮,出庫流量將小于2376m3/s,對下游無影響。后汛期,當(dāng)預(yù)報4d后頭道拐水文站的流量將大于2000m3/s時,水庫開始預(yù)泄,庫水位從977m均勻降低到974m。在預(yù)泄期間,頭道拐的流量小于2000m3/s,區(qū)間流量不考慮,出庫流量將小于2515m3/s,對下游也無影響。5.1.3設(shè)計實施洪峰流量表在初步設(shè)計階段,20年一遇洪水和5年一遇洪水水庫壩前洪水位采用967m;水庫實施汛限水位動態(tài)控制后,壩前洪水起調(diào)水位在滿足條件的前提下前汛期提高到972m,后汛期提高到977m。庫區(qū)最大支流紅河的入黃口在距壩56.5km處,區(qū)間20年一遇洪水干流相應(yīng)的洪峰流量為5370m3/s,區(qū)間5年一遇洪水干流相應(yīng)的洪峰流量3790m3/s;實施汛限水位動態(tài)控制,區(qū)間20年一遇和5年一遇洪水干流相應(yīng)的的洪水流量均為2000m3/s。根據(jù)實施實施汛限水位動態(tài)控制回水計算與初步設(shè)計階段水庫回水成果對比,詳見圖1、2。從圖中看出,在距壩56km以前的庫區(qū),庫水位均低于水庫最高蓄水位980m,對水庫淹沒無影響,距壩56km以后由于干流入庫流量采用2000m3/s,小于初設(shè)設(shè)計流量,汛限水位動態(tài)控制方案后庫水位均低于原初步設(shè)計水位,因此,實施汛限水位動態(tài)控制對水庫淹沒無影響。5.1.4后汛期有7.校核洪水位提高到980m后,前汛期汛限水位動態(tài)控制的上限可提高到972m,后汛期可提高到977m。與不進行汛限水位動態(tài)控制的初步設(shè)計運行方式相比,年發(fā)電量可增加0.31億kW·h,按山西、內(nèi)蒙的加權(quán)平均上網(wǎng)電價0.291元/(kW·h)(不含稅)計算,可增加發(fā)電效益約900萬元。5.2修正后的洪水距離為979.1米5.2.1洪水的最高洪水位根據(jù)調(diào)洪計算,在滿足汛限水位動態(tài)控制運行的條件下,前汛期10000年一遇洪水的最高洪水位為978.30m,后汛期10000年一遇洪水的最高洪水位977m,均低于979.1m。對防洪安全沒有影響。5.2.2防洪工程措施影響下泄流量水庫根據(jù)干流流量的大小進行汛限水位動態(tài)控制,當(dāng)干流入庫流量小于1500m3/s時,實施汛限水位動態(tài)控制。與不實施汛限水位動態(tài)控制相比,在區(qū)間發(fā)生10000年一遇洪水情況下,水庫的最大下泄流量基本上均小于原設(shè)計的下泄流量,說明水庫實施汛限水位動態(tài)控制后,水庫在防御區(qū)間洪水期間,未增加下泄流量,也未加重下游的防洪負擔(dān)。干流洪水預(yù)見期有4d,在4d的預(yù)見期內(nèi),庫水位從972m降低到966m,水庫下泄流量小于3000m3/s,對下游無影響。5.2.3組回水方案與校核洪水位980m方案相比,在滿足汛限水位動態(tài)控制情況下,庫區(qū)及以上河道的流量減小了500m3/s,其余同980m方案,因此,庫區(qū)回水比980m方案略低,本方案也不增加庫區(qū)淹沒。5.2.4設(shè)計內(nèi)容5的計算結(jié)果因徑流調(diào)節(jié)計算所選5個典型年1988年10月～1989年9月,2000年10月～2002年9月,2004年10月～2005年9月和2006年10月～2007年9月中進行汛限水位動態(tài)控制的7月份沒有出現(xiàn)大于1500m3/s的流量,所以計算的發(fā)電量與校核洪水位980m方案相同,年發(fā)電量增加0.31億kW·h,增加發(fā)電收入約900萬元。5.3壩體水位動態(tài)控制通過對水庫防洪、淹沒及對下游的影響和效益分析計算,校核洪水位980m和979.1m均可行,初步設(shè)計階段水庫泥沙沖淤平衡后的平均庫容取4.48億m3,校核洪水位是979.1m,但泥沙沖淤平衡后,水庫的平衡庫容是在一定的幅度內(nèi)變化的,若遭遇校核洪水,泥沙沖淤平衡庫容偏小時,則庫水位將超過979.1m,因此,本次為給控制泥沙淤積末端留出充足的余地,采用校核洪水位979.1m方案。另外,根據(jù)調(diào)節(jié)計算,后汛期10月的汛限水位動態(tài)控制的上限從977m降低到974m對發(fā)電效益的影響不大,僅減少電量0.01億kW·h,為減少風(fēng)險,后汛期10月水庫不進行汛限水位動態(tài)控制。推薦萬家寨水庫汛限水位動態(tài)控制方案(見圖3)如下:(1)為保持水庫泥沙的沖淤平衡和控制泥沙淤積末端在拐上斷面以下,仍將8、9月作為排沙期,排沙期水庫運行水位952～957m。當(dāng)水庫在980m的庫容小于4.255億m3時,安排在黃河內(nèi)蒙河道開河期、利用開河期的流量大于1000m3/s的時機降低庫水位到952m排沙。(2)利用干流流量預(yù)報對水庫前汛期的汛限水位進行動態(tài)控制,即當(dāng)干流入庫流量大于1500m3/s時,庫水位為汛限水位966m;當(dāng)干流入庫流量小于1500m3/s時,庫水位動態(tài)控制的上限972m。(3)在前汛期的7月,利用巴彥高勒水文站的實測實時水情和巴彥高勒到頭道拐區(qū)間的引、退水信息預(yù)報頭道拐水文站的流量,可得到4d的預(yù)見期。當(dāng)預(yù)報4d內(nèi)頭道拐水文站的流量小于1500m3/s時,水庫水位可控制在972m以下運行。當(dāng)預(yù)報4d后頭道拐水文站的流量將大于1500m3/s時,水庫水位均勻下降,控制在4d內(nèi)降低到966m。(4)在后汛期的10月,水庫不實行汛限水位動態(tài)控制。(5)排沙期8、9月,一般情況下運行水位同初步設(shè)計,當(dāng)遇特殊情況(電站不能發(fā)電運行)時,如果入庫流量小于800m3/s,允許庫水位提升至972m以下運行,但時間控制在2～3d內(nèi);如果入庫流量大于800m3/s,庫水位保持在952m排沙運行。6風(fēng)險分析(1)洪水報告錯誤河萬區(qū)間洪水受地形及降雨的影響,形成的洪水峰型尖瘦,預(yù)見期短,峰、量均具有一定的不確定性,存在一定風(fēng)險。(2)儲藏室的變化萬家寨水庫泥沙沖淤平衡后,隨入庫水沙的變化,調(diào)洪庫容有所變化。(3)入庫基流預(yù)報在干