萬家寨水利樞紐工程規(guī)劃設(shè)計

萬家寨水利樞紐工程規(guī)劃設(shè)計

1萬家堡交通樞紐工程萬家寨水庫位于黃河北支流托克托——龍口峽谷河。臨近的晉、蒙、陜周邊地區(qū)都是能源和重化工基地,東面是平朔、大同及太原能源基地,西面是準(zhǔn)格爾、東勝能源基地和神府煤田。然而,這些地區(qū)又是水資源十分貧乏的地區(qū)。其中,大同、太原人均占有水量僅268m3和236m3,尚不及全國人均占有水量的1/10。按現(xiàn)有水量要維持人民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已是十分困難,供水已成為當(dāng)?shù)厣鐣⒔?jīng)濟(jì)發(fā)展急需。經(jīng)規(guī)劃比選,萬家寨作為引黃工程的首部樞紐是緩解這些地區(qū)水資源緊缺的最佳方案。該樞紐在山西省電網(wǎng)和內(nèi)蒙古西部電網(wǎng)間,兩電網(wǎng)與京津唐電網(wǎng)和河北南電網(wǎng)組成華北電網(wǎng)。該電網(wǎng)1988年統(tǒng)一調(diào)度的裝機(jī)容量為1603萬kW,其中水電65萬kW,僅占4.1%。開發(fā)萬家寨水利樞紐的水電資源,解決調(diào)峰電源及電量,是改善晉、蒙電網(wǎng)運行條件的最合理方案。樞紐地處高寒地區(qū),干旱少雨,但汛期可能發(fā)生局部性暴雨,其強度大,庫周還是水土流失嚴(yán)重地區(qū)。因此,萬家寨水利樞紐將為下游以及天橋水電站的防洪、防凌、減淤提供有利條件。根據(jù)地區(qū)環(huán)境特征、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求,萬家寨水利樞紐應(yīng)在供水、發(fā)電、防洪、防凌等綜合效益上發(fā)揮顯著的作用。2萬家墩交通樞紐工程根據(jù)《黃河治理規(guī)劃》(修訂本)確定的黃河北干流開發(fā)規(guī)劃,托克托～龍口河段,萬家寨建設(shè)高壩,龍口建設(shè)低壩,并考慮地區(qū)綜合利用要求,確定萬家寨水利樞紐工程主要任務(wù)是供水結(jié)合發(fā)電調(diào)峰,同時兼有防洪、防凌等作用。(1)工業(yè)和城市用水向山西雁北、晉中及內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾能源基地提供工業(yè)和城市用水。年供水量14億m3,其中向內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾地區(qū)供水2億m3,向山西省大同、平朔和太原地區(qū)供水12億m3。(2)能水電站裝機(jī)6臺,總?cè)萘?08萬kW,年發(fā)電量27.5億kW·h,擔(dān)負(fù)晉、蒙電網(wǎng)及華北電網(wǎng)尖峰負(fù)荷。(3)萬家充水超濾技術(shù)水庫的滯洪作用可削減洪峰流量,減少下游受災(zāi)害性洪水的威脅。對于下游相距94km的天橋水電站,在發(fā)生萬家寨以上洪水為主的500年一遇洪水時,由于萬家寨水庫的調(diào)蓄,可不破壞右岸土壩而安全渡汛,提高天橋水電站的防洪標(biāo)準(zhǔn)。(4)流冰的來源及區(qū)域分布下游天橋水電站庫區(qū)以上地區(qū)多次發(fā)生冰塞、冰壩,給左岸的河曲縣及右岸的準(zhǔn)格爾旗沿河村、廠礦、農(nóng)田造成損失。天橋庫區(qū)流冰大部分來自萬家寨壩址以上內(nèi)蒙古河段。萬家寨建庫后,采用以蓄為主的運用方式,上游來冰將被攔截,天橋水電站入庫冰量大為減少,從而可緩解天橋庫區(qū)冰情。另外,由于萬家寨水利樞紐運用后,水電站出流水溫將較天然河道水溫有所提高,也將使天橋水電站和待建的龍口水電站防凌情況得到改善。3水源保護(hù)3.1實測徑流系列萬家寨壩址徑流由兩部分組成:一為河口鎮(zhèn)(干流入庫站)徑流,二是河口鎮(zhèn)站至萬家寨壩址區(qū)間徑流。河口鎮(zhèn)徑流比重約為98%。河口鎮(zhèn)徑流,因上游已建成龍羊峽、劉家峽等大型水庫調(diào)節(jié)的影響,以及上游各灌區(qū)和城市工業(yè)用水的發(fā)展,不宜采用實測徑流作為設(shè)計依據(jù)。因此,黃河水利委員會將實測徑流插補延長,提供1919年至1986年共計67年實測徑流系列,又還原成67年天然系列?？鄢嫌喂まr(nóng)業(yè)用水127億m3,河口鎮(zhèn)站補水250m3/s,并考慮安寧渡站至河口鎮(zhèn)之間的河道損失,1919～1979年60年徑流系列多年平均入庫徑流量192億m3。河口鎮(zhèn)站至壩址區(qū)間的多年平均水量3.5億m3,與水庫的蒸發(fā)、滲漏相當(dāng)。3.2萬家堡洪水工程萬家寨河段的洪水有兩種類型:一是來自河口鎮(zhèn)以上黃河上游地區(qū)的洪水,由于大面積長時間降雨以及湖河調(diào)蓄,造成洪峰漲落平緩,峰型肥胖,洪量大,歷時長;另一類型洪水來自河萬區(qū)間,該地區(qū)地處黃河中游暴雨區(qū)的北端,汛期常發(fā)生短歷時、高強度的暴雨,形成峰高量小,陡漲陡落的尖瘦型洪水,如1969年8月1日,壩前左岸支流楊家川洪水,萬家寨河段發(fā)生11400m3/s的大洪水,而相應(yīng)河口鎮(zhèn)站僅為470m3/s的流量。因此,萬家寨壩址設(shè)計洪水有兩種可能:一是河口鎮(zhèn)以上洪水與壩址洪水同頻率,區(qū)間相應(yīng);另一種是河萬區(qū)間洪水與壩址洪水同頻率,河口鎮(zhèn)以上相應(yīng)。我們采用后者較安全合理的洪水組合,并進(jìn)行壩址調(diào)洪計算。萬家寨水利樞紐工程初步設(shè)計審查定為一等大(I)型工程,壩址千年一遇設(shè)計洪峰流量為16500m3/s,萬年一遇校核洪峰流量為21200m3/s。為保證工程施工期與運行期防洪安全,還規(guī)劃設(shè)計了萬家寨水利樞紐水文自動測報系統(tǒng)。應(yīng)用遙測、超短波通訊、計算機(jī)技術(shù),完成上游及庫周地區(qū)降水量、水位、流量、沙量、上游水庫泄洪設(shè)施開度等數(shù)據(jù)實時采集、報送和處理的信息系統(tǒng)。經(jīng)兩年的試運行,經(jīng)萬家寨建設(shè)管理局考核已驗收。3.3輸沙量的確定萬家寨河段的輸沙量也分為兩部分分析,其中一部分來自河口鎮(zhèn)以上的黃河,一部分是河萬區(qū)間所產(chǎn)生的沙量。根據(jù)河口鎮(zhèn)站水量與輸沙量各月相關(guān)線,計算各月的輸沙量。河萬區(qū)間的輸沙經(jīng)過支流紅河放牛溝站的侵蝕模數(shù)修正后推算。萬家寨壩址設(shè)計年輸沙量1.49億t,設(shè)計含沙量6.6kg/m3。估計萬家寨水庫年入庫推移質(zhì)泥沙約100萬t。3.4開河期冰量估算萬家寨庫區(qū)上游是內(nèi)蒙古河套地區(qū)。地處北緯39°～40°之間,氣候嚴(yán)寒,冰期長達(dá)5個月之久。根據(jù)河曲和義門站冰情資料,并與頭道拐實測資料對比分析,估算萬家寨河段冬季封河期最大冰量4020萬m3,春季開河期冰量約5000萬m3;萬家寨庫區(qū)蓋面冰約1000萬m3。萬家寨春季開河期的總冰量約6000萬m3。4初支調(diào)峰能力分析萬家寨水利樞紐向晉蒙兩省區(qū)年供水14億m3,其中內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗2億m3,山西引水12億m3,除排沙期停引外,其余月份平均分配。電站設(shè)計保證率為90%,設(shè)計水平年為2000年。980m高程的原始庫容為8.96億m3,水庫運行50年后的調(diào)節(jié)庫容為4.45億m3,水庫全年調(diào)節(jié)周期劃分為排沙期、蓄水期、供水期。排沙期選定為8、9兩月,其間基本上為日調(diào)節(jié),蓄水期為10月1日至翌年4月30日,屬季調(diào)節(jié)。供水期自5月1日至7月31日也是季調(diào)節(jié)。徑流調(diào)節(jié)計算用長系列時歷法,取各月保證率為90%的出力,為該月電力效益計算的出力,取多年電量的均值為多年平均電量。最高蓄水位主要由泥沙淤積末端、庫區(qū)防凌和經(jīng)濟(jì)性等因素綜合分析選定。為防止庫區(qū)泥沙淤積上延而影響喇嘛灣鎮(zhèn)和大黑河下游灌區(qū),故淤積末端必須控制在拐上河段。經(jīng)論證,最高蓄水位980m和975m兩個方案淤積末端均未超過拐上斷面,但980m方案留有足夠的蓄冰庫容和安全高度,有利凌汛安全。與975m方案比較,980m方案替代容量多3萬kW,庫容多1.2億m3,供水期多15m3/s的調(diào)節(jié)流量,若庫尾防護(hù),淹沒損失差別也較小。故980m方案的經(jīng)濟(jì)效益好。綜合分析后,選定最高蓄水位為980m,其每年持續(xù)時間約10d左右。最低運行水位的選定,主要是考慮水庫排沙要求以及發(fā)電效益因素。該水位是指電站在排沙期8、9月正常運用的最低水位。在此期間,最高運用水位與最低運用水位之間的庫容,為電站調(diào)峰用的日調(diào)節(jié)庫容。經(jīng)論證,排沙期運行最低水位952m和955m兩方案的排沙效果較好,是可行的,而955m方案電力效益較好,為留有余地,仍選定952m為最低運用水位。在排沙期內(nèi)當(dāng)水庫淤積嚴(yán)重,可視有利排沙的來水條件,如入庫洪峰流量大于1000m3/s時,可降低水位至948m,沖刷5～7d。裝機(jī)容量,是在選定特征水位以后,考慮了萬家寨水電站在電網(wǎng)中的作用,經(jīng)經(jīng)濟(jì)比較選定的。該電站的出力特性是:冬、春季出力較大,夏、秋季出力較小。這與電網(wǎng)冬、春季負(fù)荷大,峰谷差也大,夏季負(fù)荷較小,峰谷差也小的情況基本相適應(yīng)。從華北電網(wǎng)電力平衡考慮,其出力下降值限定在電網(wǎng)允許范圍內(nèi),經(jīng)與華北電管局研究,可以考慮萬家寨水電站各月出力下降值限制在該月電網(wǎng)峰荷下降值的1/2以內(nèi)。山西電網(wǎng)和內(nèi)蒙古西部電網(wǎng)各月的調(diào)峰能力雖有變化,但調(diào)峰出力均值相同。該電站擔(dān)負(fù)調(diào)峰任務(wù),在電網(wǎng)負(fù)荷圖中的工作位置位于已建水電站之下。經(jīng)經(jīng)濟(jì)分析比較,安裝6×18萬kW機(jī)組,總裝機(jī)容量108萬kW,最為經(jīng)濟(jì)合理。電站多年平均發(fā)電量27.5億kW·h,相應(yīng)機(jī)組年利用小時數(shù)為2546h。水、火電折算總費用比1∶2.51;而且電站各月出力變化完全能滿足電網(wǎng)要求。樞紐工程為一等大(Ⅰ)型工程,擋水建筑物按500年一遇洪水設(shè)計,5000年一遇洪水校核。起調(diào)水位選定為966m,不考慮電站參與泄流,調(diào)洪后的校核洪水位為977.79m,相應(yīng)最大泄量為8086m3/s。即使遇萬年一遇洪水,調(diào)洪后的洪水位為979.1m,在最高蓄水位以下。萬家寨水庫調(diào)度采用“蓄清排渾”的運用方式,庫水位除滿足泥沙沖淤要求外,還要滿足防洪、防凌和機(jī)組發(fā)電等要求。8、9月排沙期間內(nèi),當(dāng)入庫流量小于800m3/s時,庫水位在952m至957m之間進(jìn)行日調(diào)節(jié)運行,當(dāng)入庫流量等于5臺機(jī)最大過水能力1300m3/s時,電站帶基荷或棄水帶峰,其中當(dāng)入庫流量大于1000m3/s時,庫水位可降低至948m,沖沙5～7d。7月至10月上半月的汛期防洪限制水位為966m。10月下半月逐漸蓄高,至10月底蓄到970m,如預(yù)報河口鎮(zhèn)仍有洪水,便可在洪水前降到966m。11月中旬以后冰花入庫,庫水位不超過975m,上游封凍冰花結(jié)束后,庫水位可升到977m。3月1日至翌年4月上旬,上游流冰入庫,水位降至970m。11月至翌年4月水位不低于970m,以保證發(fā)足額定出力。5本電站的工程特點該電站因有泥沙年內(nèi)沖淤平衡要求,夏秋兩季出力下降,但這與電網(wǎng)夏秋兩季負(fù)荷下降基本一致,故可采用“水電多發(fā)時,火電少發(fā)多檢修;水電少發(fā)時,火電多發(fā)少檢修”的原則進(jìn)行系統(tǒng)電力電量平衡。本電站108萬kW裝機(jī),有86.3萬kW的替代容量。建設(shè)期為6年半,1998年第1臺機(jī)組投產(chǎn),1999年有3臺機(jī)組投產(chǎn),2000年6臺機(jī)組全部投產(chǎn)。電站多年平均機(jī)組發(fā)電量為27.5億kW·h。工程經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率大于社會折現(xiàn)率(12%),經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值大于零,效益費用比大于1.0,工程在經(jīng)濟(jì)上是可行的,且具有一定的抗風(fēng)險能力。該工程是具有供水、發(fā)電等效益的綜合利用工程。山西省引黃入晉工程從萬家寨水利樞紐壩上取水獲得效益,根據(jù)三方“協(xié)議書”,引水需繳納水費,并將取水口運行成本記入水價。因此經(jīng)濟(jì)評價中不再進(jìn)行投資分?jǐn)偂?設(shè)計中可能產(chǎn)生的影響根據(jù)庫區(qū)庫周的環(huán)境特征以及國內(nèi)已建水庫的運行經(jīng)驗,在規(guī)劃設(shè)計中,對建庫后可能產(chǎn)生的一些后果、影響,如庫區(qū)末端泥沙淤積上延,庫尾段冰塞冰壩,移民安置等問題十分重視。經(jīng)過多次調(diào)研、類比分析、數(shù)模分析、模型實驗,提出了一些對策措施。6.1泥沙計算和模型實驗研究萬家寨水庫位于黃河北干流上段,上游托克托以上河道平緩,比降為1/10000,托克托以下河道逐漸變陡,由拐上村以下進(jìn)入峽谷,拐上村以下河道比降為1/800。因此,拐上村斷面成為萬家寨水庫設(shè)計中的控制斷面,要求水庫淤積末端不超過拐上村,以免淤積上延,進(jìn)而影響土默特川地區(qū)的排水。庫區(qū)泥沙沖淤計算是以水科院泥沙所編制的河流與水庫統(tǒng)一計算的數(shù)學(xué)模型而進(jìn)行的。該數(shù)學(xué)模型曾經(jīng)過許多水庫的實測資料驗算,在計算時又用下游天橋水庫的泥沙淤積實測資料作參數(shù)率定。計算是以不同正常蓄水位,排沙期運行水位,排沙期歷時,泄流排沙規(guī)模以及日調(diào)節(jié)發(fā)電的各項指標(biāo),組合成各種不同條件共14個計算方案進(jìn)行的。在選定最高蓄水位和其他運行水位時,始終遵循以淤積末端不超過拐上村斷面為原則,并以3次模型實驗加以驗證。1988年,我院委托中國水利水電科學(xué)研究院泥沙所進(jìn)行庫區(qū)泥沙模型實驗。實驗的主要結(jié)論為:在最高蓄水位980m條件下,拐上村河道段泥沙沖淤變化不受庫水位影響,水庫淤積末端約在大榆樹灣附近(拐上村以下2km左右)。1991年我院又委托清華大學(xué)泥沙室進(jìn)行庫區(qū)泥沙模型實驗。實驗主要結(jié)論為:在最高蓄水位980m的情況下,汛期運行水位952m和955m方案,水庫回水及淤積末端均在大榆樹灣以下,拐上村河道沖淤規(guī)律和河床形態(tài)與天然狀態(tài)一致,拐上村斷面水位流量關(guān)系保持天然狀態(tài)。1991～1992年我院科研所又做了庫區(qū)泥沙模型實驗,實驗的主要結(jié)論基本與清華大學(xué)相同。值得說明的是,上述3個實驗,由于條件限制,都還未能考慮大水時降至948m沖沙的有利條件,因此,實驗結(jié)論是留有余地的。即使如此,考慮泥沙的隨機(jī)性,規(guī)劃近期正常蓄水位仍暫按975m運行,并要求對水庫淤積及沖沙效果進(jìn)行監(jiān)測,在總結(jié)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,逐步改進(jìn)水庫調(diào)度,在保證不影響拐上村的前提下,盡可能提高水庫運行水位。6.2開河防止冰塞萬家寨水庫建成后會給下游帶來防凌效益,但也不會加重冰凌危害。萬家寨壩址以上至喇嘛灣河段在天然情況下是不封凍的。因此,每年冬季將產(chǎn)生大量冰花下排,1982年的河曲大冰塞,殃及內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗馬柵鄉(xiāng)。萬家寨建庫后,初冬庫內(nèi)形成蓋面冰,庫尾段容易形成冰塞,為了防止冰塞影響內(nèi)蒙古河段的防凌,經(jīng)分析后,確定水庫在冰凍前的流凌階段,保持庫水位在975m以下,此時,若發(fā)生冰塞,壅水不影響拐上村,待上