沙灘水電站工程水文方案

沙灘水電站工程水文方案1.1流域概況1.1.1流域及河流概況沙灘水電站發(fā)電廠房布置在東安江楓木沖支流大桂沖右岸，位于沙灘村下游約300m處。東安江屬西江水系賀江支流的一級支流，發(fā)源于賀州市八步區(qū)南部大桂山的東南麓，源于東南麓的大桂沖向南流經(jīng)八步區(qū)步頭鎮(zhèn)保塘、魚腮、雞婆坪、塘里凹、大曲、八步區(qū)仁義鎮(zhèn)枯木口、蒼梧縣沙頭鎮(zhèn)車田頭、咸菜、三門、沙灘、嘆花；大桂沖和石川沖在嘆花匯合后稱為楓木沖后，繼續(xù)向南流經(jīng)野芋、牛沖口、新建、山口、思艾；楓木沖與東安江另一支流塘灣河在距沙頭鎮(zhèn)2km處的橫江匯合后稱為東安江，自北向南流，經(jīng)蒼梧流入廣東封開，在大洲與賀江主流匯合后流入西江。東安江由發(fā)源點到出口，河道長為168km，平均坡降為1.91‰，自然落差為320m，流域面積2165km2。東安江流域形狀呈扇形，河流兩岸高山聳立。流域地勢北高南低，四周山峰高程大多在500~1000m。流域內(nèi)居住人口不多，主要分散在河流兩岸，如山口、新建、沙灘、山瓜等處，只有少量水田，零星分散在河流兩岸。當(dāng)?shù)剞r(nóng)民收入以林業(yè)為主，林業(yè)收入約占80%。流域內(nèi)大部分為林區(qū)、林木茂盛，森林覆蓋率達(dá)85%，林木主要品種為灌木林、松林、杉林，沿河兩岸有少量竹林。東安江新建以上河段規(guī)劃興建3座梯級電站：新建水電站、沙灘水電站和參田水電站，其中新建水電站已在建設(shè)中。東安江新建以上河段梯級電站開發(fā)規(guī)劃見下表1.1-1。表1.1-1東安江新建以上河段梯級電站開發(fā)規(guī)劃梯級電站名稱新建參田沙灘備注水庫正常蓄水位(m)102117.5185發(fā)電正常尾水位(m)70102117.5設(shè)計水頭(m)28.515.061.0總裝機(kW)6900320010000備注建設(shè)中未建本次設(shè)計沙灘水電站為混合式電站，引水總集雨面積為240km2，引水壩址位于石川村附近的石川沖上，集雨面積109km2，主壩址位于咸菜村附近的大桂沖上，集雨面積131km2，電站廠房位于沙灘村附近的大桂沖右岸，距沙頭鎮(zhèn)約25km。各壩址流域特征值見表1.1-2。各壩區(qū)所在地均為荒山及松雜林，庫盆內(nèi)無工廠、礦山及其他建筑，其水源主要是東安江的支流大桂沖和石川沖上游降雨量形成的徑流，這部分流域植被覆蓋和水土保持良好，對減少淤積和涵養(yǎng)水源、增加基流起很大作用。表1.1-2各壩（廠）址流域特征值表序號壩（廠）址名稱所在河流集雨面積(km2)主河長(km)平均坡降(‰)1引水壩址石川沖10920.6311.362主壩大桂沖13126.3510.893廠址大桂沖13930.3610.641.1.2工程上游水利工程沙灘水電站建設(shè)在東安江的上游，流域內(nèi)人口居住分散，主壩及引水壩址上游無較大的水利工程，對該東安江段的徑流無調(diào)節(jié)作用。1.1.3水土保持概況東安江流域沙灘水電站各壩址上游人口居住不集中，交通不便，資源開發(fā)少，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)落后，植被保護(hù)良好，森林茂密，覆蓋率達(dá)85%以上，水土流失少，河水清澈。1.2氣象東安江流域內(nèi)無氣象站及資料，在下游有蒼梧縣氣象站和梧州市氣象站，觀測項目有氣溫、降雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、濕度等，觀測資料年限長，精度較高。蒼梧縣位于北回歸線的南北兩側(cè)，地處亞熱帶季風(fēng)氣候，處于海洋性氣候與大陸氣候的過渡地帶，主要特點是雨量充沛，氣候溫和，雨熱同季。根據(jù)蒼梧縣氣象站資料統(tǒng)計，多年平均降雨量1481.7mm，最大年降雨量1925.9mm（1961年），最小年降雨量1001.9mm（1977年）。全年降雨量分布是：4~6月最多，11~12月最少。降雨量空間分布是山區(qū)多，平原少，北面多，南面少。蒼梧縣的日照時數(shù)，多年平均為1778.8小時，最多年日照時數(shù)為2210.6小時（1963年），最少年日照時數(shù)為1516.1小時（1973年），日照差為694.5小時。月平均日照時數(shù)超過200小時為7、8月，占全年日照時數(shù)的25.35%，最少是2月，僅66.7小時，東安江流域日照時數(shù)相對少些。據(jù)蒼梧縣氣象站統(tǒng)計，多年平均氣溫21.2℃，極端最高氣溫39.9℃（1989.7.17），極端最低氣溫-1.4℃（1957年2月11）；多年平均蒸發(fā)量1420.9mm；多年平均風(fēng)速1.6m/s，多年平均最大風(fēng)速14.3m/s，最大風(fēng)速17m/s（1956年4月8）。在東安江的附近流域富群河上設(shè)有富羅水文站，根據(jù)富羅水文站資料統(tǒng)計，多年平均降雨量為1684.6mm，最大年降雨量為2561.4mm（1973年富羅水文站），最小年降雨量為1049.9mm（1958年富羅水文站）。降雨量年內(nèi)分配很不均勻，多集中在4至8月份，汛期4～8月雨量占全年雨量70.8%，洪水多出現(xiàn)于5、6、7月，枯水期多為10月至次年3月，一般秋旱比較嚴(yán)重。該站的降雨量分布與沙灘水電站流域內(nèi)降雨量分布較為相似，可以作為電站水文及水能計算的參證站。1.3水文測站及水文基本資料沙灘水電站所在東安江流域曾于1959年設(shè)立過古角水文站，但七年后于1965年撤消，有記錄資料7年。該站于1971年恢復(fù)降雨觀測記錄。鄰近流域水文站有位于壩址西南方向直線距離35km的富羅水文站和位于壩址東南方向直線距離25km的信都水文站。富羅水文站：該站于1957年設(shè)立，位于富群河上，控制流域面積681km2，觀測項目有雨量、徑流等，具有1958年至今共46年連續(xù)實測徑流資料，資料系列完整，精度較高，資料可靠。信都水文站：該站于1955年6月設(shè)立，位于賀江上，控制流域面積6430km2，觀測項目有雨量、水位、流量、泥沙，為國家基本站，該站資料歷年由廣西水文局整編刊印，具有1955年至今共48年連續(xù)實測徑流資料。附近流城還有東球水文站，大寧、杜嶺、南鄉(xiāng)、八步等雨量站。表1.3-1流域及其附近雨量、水文測站資料系列情況表站名站別集雨面積km2項目（年份）水位流量泥沙降雨蒸發(fā)信都水文63401955～20011956.7～1956～現(xiàn)在富羅水文6811958～19881958～現(xiàn)在東球水文24701958～19901980～19901958.4～1996大寧雨量1954.8～1996桂嶺雨量1959.10～1996南鄉(xiāng)雨量1958.1～1996八步雨量1951.7～19961951～1996古角雨量6081959~19651971.7～1996綜上所述，富羅、信都兩水文站測驗精度較高，連續(xù)觀測資料系列較長，其整編成果可以使用，因此，以其整編成果作為本電站水文、水能計算的依據(jù)。從與測站距離來看，雖然信都站較富羅站近些，但是從匯流面積來看，富羅水文站控制匯流面積是電站總匯流面積的1.90倍，信都水文站控制匯流面積是電站總匯流面積的26.98倍。而從廣西水文降雨等值線圖上看，1700mm降雨等值線均穿過電站匯流區(qū)和富羅水文站以及信都水文站。由此可見，以上兩水文站觀測成果均較可靠，與本電站形成降雨的氣象條件也基本相同，但富羅水文站控制匯流面積與本電站匯流面積相差較小，故選擇該站作參證站。1.4徑流1.4.1徑流系列及其代表性分析東安江流域內(nèi)的地表和地下徑流主要由降雨形成，流域內(nèi)森林資源豐富，植被覆蓋率高，水資源涵養(yǎng)好，枯水期徑流大，河流落差大，適宜開發(fā)高水頭電站。由于東安江流域內(nèi)無水文站，而在鄰近流域富群河上設(shè)有富羅水文站，控制集雨面積681km2。富群河流域的上游自然地理條件和氣候條件與東安江流域基本相似，作為參證流域，但要通過集雨面積和流域降雨量修正。此外，由于兩者不屬同一流域，本電站匯流區(qū)地處大桂山原始森林，徑流系數(shù)稍大些，因此還應(yīng)考慮兩者在流域植被、地質(zhì)下墊面以及人類活動等方面的差異對徑流的影響，按多年平均徑流系數(shù)進(jìn)行修正。電站壩址年徑流選用富羅水文站為參證站采用水文比擬法進(jìn)行計算。計算公式為：Q設(shè)=K1×K2×K3×Q參K1——面積修正系數(shù)；K2——多年平均降雨量修正系數(shù)；K3——多年平均徑流修正系數(shù)。東安江流域的年平均降雨量采用距沙灘水電站壩址較近的信都雨量站多年平均降雨量，降雨量取為1750mm，富羅水文站多年平均降雨量為1684.6mm；查《廣西水文圖集》多年平均徑流系數(shù)等值線圖，沙灘水電站壩址以上流域重心多年平均徑流深約為0.575，富羅水文站多年平均徑流深約為0.525。富羅水文站有1958年至2004年實測徑流系列資料，考慮集雨面積、降雨量、徑流修正后，將富羅水文站年徑流移置至電站壩址，得出沙灘水電站壩址1958年至2004年徑流系列資料。根據(jù)富羅水文站實測徑流系列資料，計算出兩個壩址1958年至2004年共47年的流量系列，把年徑流量由大到小排隊，計算各年徑流量的經(jīng)驗頻率，點繪于頻率曲線坐標(biāo)系統(tǒng)中，并計算壩址多年平均流量。根據(jù)經(jīng)驗點據(jù)，選配合適的理論頻率曲線，用適線法，最后采用Cv=0.36，Cs=2Cv的皮爾遜Ⅲ型曲線適線，年徑流各頻率流量值如表1.4-1，頻率曲線見圖1。表1.4-1壩址年徑流計算成果表系列年數(shù)均值Q(m3/s)CvCs/Cv流量（m3/s）10%15%20%50%80%85%90%478.130.36211.0411.1410.457.785.645.194.67根據(jù)富羅水文站1958年至2004年共47年年平均流量統(tǒng)計分析其累積均值過程線，從圖2過程線上可以看出，該站的年徑流有明顯的豐枯變化，其中包括特豐年1973年和特枯水年1991年，累積均值過程線隨著時間的增長，變幅越來越小，變化趨于穩(wěn)定接近1，說明富羅水文站這47年徑流系列已具有較高的代表性，可以作為沙灘水電站水文和水能計算的依據(jù)。圖2：年徑流累積均值過程線1.4.2年徑流合理性檢查根據(jù)前述，推求得壩址處多年平均流量為8.13m3/s，年徑流總量為1.565億m3，多年平均徑流深為1069mm。采用等值線圖法論證電站壩址年徑流計算的合理性。由《廣西水文圖集》等值線圖查得壩址處多年平均徑流深約為1050mm。由此可見，查圖值與計算分析成果較接近，因此認(rèn)為沙灘水電站的年徑流分析計算成果是合理可靠的。1.4.3設(shè)計代表年和年內(nèi)分配根據(jù)沙灘水電站在蒼梧縣電力系統(tǒng)中所占的比重，按《小水電水能設(shè)計規(guī)程》規(guī)定，水電站的設(shè)計保證率設(shè)為80%。設(shè)計代表年的選擇：是從年徑流量頻率曲線上選取豐、平、枯三個特定年份作為設(shè)計代表年，按設(shè)計保證率20%、50%、80%，在年徑流頻率曲線上查得相應(yīng)的年徑流量，再在壩址徑流長系列中初選與年徑流量相近的年份作代表年，從選取的代表年中考慮年徑流豐水段、枯水段的水量在年內(nèi)分配比例，最后確定三個代表年：豐水年1961年（P=20%）、平水年1967年（P=50%）、枯水年1969年（P=80%），其徑流年內(nèi)分配即代表相應(yīng)設(shè)計年的年徑流年內(nèi)分配。由設(shè)計代表年豐、平、枯水年的設(shè)計值修正實際值，得出設(shè)計豐水年、平水年和枯水年的年平均徑流量及年內(nèi)分配。各代表年各月、旬徑流年內(nèi)分配見表1.4-2和表1.4-3。1.4.4旬平均流量保證率曲線沙灘水電站的旬平均流量保證率曲線，根據(jù)豐、平、枯設(shè)計代表年旬平均流量資料打亂排隊，計算壩址旬平均流量保證率曲線，繪制保證率曲線，見圖3，計算成果見表1.4-4。沙灘水電站代表年及年內(nèi)分配表表1.4-2單位：m3/s代表年月平均流量（m3/s）年徑流(m3/s)456789101112123豐水年(P=20%)1961~196226.9115.5824.268.3211.8414.234.083.967.171.041.144.8410.45中水年(P=50%)1967~196817.3116.075.303.9629.416.871.643.311.191.151.971.247.78枯水年(P=80%)1969~19708.9419.129.034.6210.141.563.321.960.751.601.064.575.64代表年平均17.7216.9211.865.6317.467.553.353.083.371.261.393.887.96表1.4-3沙灘水電站各代表年徑流量旬分配表單位：m3／s月份旬20%年型50%年型80%年型4上1.2320.8910.02中17.1314.5714.41下61.2116.265.425上13.7516.653.68中15.6519.2427.20下17.6611.5324.346上41.6311.0511.68中26.761.609.47下5.121.195.157上11.707.041.95中5.281.211.90下8.211.717.378上20.0351.2713.92中5.6021.9411.57下13.3115.124.529上31.8911.701.45中6.513.751.28下4.684.080.8310上7.411.020.70中1.351.223.67下1.763.555.1211上1.973.901.26中7.903.701.91下1.141.301.5512上4.591.571.12中3.231.930.55下13.341.040.521上1.151.060.57中1.141.081.14下0.871.281.822上0.743.831.70中1.781.981.37下4.421.841.913上1.703.437.09中7.871.654.25下5.041.661.24平均10.557.805.57代表年平均7.97表1.4-4沙灘水電站旬平均流量保證率成果表保證率（%）510152050808590流量（m3/s）33.6223.0615.3811.263.621.961.451.12圖3：壩址旬平均流量保證率曲線1.5洪水1.5.1暴雨洪水特性東安江流域界于賀江干流和富群水之間，年降雨及暴雨因受地理位置及地形影響，既受西江的臺風(fēng)雨影響，更受桂江流域的早春雨影響，而后者更為密切，暴雨期主要發(fā)生在4~9月份。本流域暴雨多為峰面雨，一般峰高量不大，大洪水過程一般最多延長至1~2天。洪水的特點是暴漲暴落，峰高，歷時短，洪水過程線呈尖瘦型，具有明顯的山區(qū)河流洪水特性。1.5.2洪水標(biāo)準(zhǔn)沙灘水電站工程以發(fā)電為主，根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000）規(guī)定，主壩、引水壩水庫工程規(guī)模均為小(1)型，工程等別為Ⅳ等，永久性主要建筑物大壩、泄洪等建筑物為4級；電站工程規(guī)模為小(1)型，工程等別為Ⅳ等，廠房及引水建筑物為4級，臨時性建筑物為5級。按照《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000）規(guī)定，采用洪水標(biāo)準(zhǔn)如下：大壩洪水標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇(P=2%)，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)500年一遇(P=O.2%)；電站廠房洪水標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)30年一遇(P=3.33%)，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)100年一遇(P=1%)。1.5.3設(shè)計洪水由于壩址附近無實測水文資料，故洪水計算根據(jù)廣西《暴雨徑流查算圖表》中的瞬時單位線法及《廣西中小河流設(shè)計洪水計算方法研究》中的推理公式法兩種方法推求壩址及廠址處的設(shè)計洪水。廠址與壩址區(qū)間集雨面積較小，其設(shè)計洪水?dāng)M直接取用壩址同頻率洪水。1、推理公式法根據(jù)富羅水文站年最大1、6、24小時降雨量資料，進(jìn)行相應(yīng)頻率計算，計算成果見表1.5-1。表1.5-1富羅水文站最大降雨量頻率計算成果表時段系列年數(shù)均值(mm)CvCs降雨量(mm)0.2%0.5%1%2%3.33%5%10%1h3145.30.303.5101.393.987.280.375.370.963.56h4083.50.343.5206.0187.3171.8157.8146.9137.7121.524h40119.50.353.5300.1271.5251.2229.0213.0199.3175.5根據(jù)《水利水電工程設(shè)計洪水規(guī)范》中的小流域設(shè)計洪水計算的推理公式計算各壩址的洪峰流量，計算洪峰流量的公式為：Qm=0.278××FSp=Hp/24(1-n)式中：Qm——洪峰流量（m3/s)；h、hτ——單一洪峰的凈雨和相應(yīng)于τ時段的最大凈雨(mm)；F——集雨面積(km2)；0.278——單位換算系數(shù)；τ——流域匯流時間(小時)；L—河長（km）；m—匯流參數(shù)；n—暴雨遞減指數(shù)；hτ—τ歷時內(nèi)最大降雨量；J—沿流程L的平均比降；Hp—設(shè)計頻率為p的最大時雨量（mm）。采用上述推理公式計算各壩址洪峰流量成果表1.5-2。表1.5-2各壩址洪峰流量成果表（推理公式法）壩址名稱集雨面積F（km2）洪峰流量(m3/s)0.2%0.5%1%2%3.33%5%10%20%引水壩109132912361090962876769691561主壩13115421337121510729778997586132、瞬時單位線法根據(jù)《暴雨徑流查算圖表》，分析得24小時暴雨分配如表1.5-3。表1.5-324小時暴雨雨型分配表時段(h)123456789101112比例(%)1.01.11.11.21.21.33.03.13.33.43.74.0時段(h)131415161718192021222324比例(%)3.13.54.15.27.427.81.81.71.61.51.41.4根據(jù)以上雨型，采用瞬時單位線法計算設(shè)計洪水，結(jié)果見表1.5-4。表1.5-4各壩址洪峰流量成果表（瞬時單位線法）壩址名稱集雨面積F（km2）洪峰流量(m3/s)0.2%0.5%1%2%3.33%5%10%20%引水壩109137112671112945842738663527主壩13115961363123310569398677325763、設(shè)計洪水成果的采用由表1.5-2和表1.5-4成果可知，兩種方法計算成果相差不大，經(jīng)綜合分析后采用瞬時單位線法成果。1.5.4施工洪水水庫各壩址施工期的設(shè)計亦采用暴雨計算洪水方法進(jìn)行，富羅水文站枯水期最大24小時降雨量頻率計算成果見表1.5-5?？菟谑┕ず樗嬎愠晒姳?.5-6。表1.5-5富羅水文站枯水期最大24小時降雨量頻率計算成果表時段均值(mm)CvCs/Cv降雨量(mm)0.2%0.5%1%2%5%10%20%10月～次年3月480.703.5239203177150116906611月～次年3月350.703.5174148129109846648表1.5-6沙灘水電站各壩址洪峰流量計算成果表壩址名稱洪峰流量(m3/s)10月至次年3月11月至次年3月20%10%5%20%10%5%引水壩址821793023982152主壩址9321633046961851.6泥沙沙灘水電站水庫壩址以上沒有泥沙觀測資料，附近流域信都水文站1957年至1972年共16年完整實測含沙量資料，其多年平均輸沙量為151萬t，最大年輸沙量為294萬t（1961年），最小年輸沙量23.8萬t（1963年），多年平均含沙量0.226kg/m3，實測最大含沙量5.61kg/m3（1964年4月5日)，泥沙來量集中在汛期4~9月，占年輸沙量的93%。電站主壩和引水壩壩址以上流域集雨面積分別為131km2、109km2，均遠(yuǎn)小于信都水文站流域(6340km2)，本次設(shè)計兩壩址以上的泥沙分析移用信都水文站資料，移用時考慮了地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及水庫建成后生態(tài)環(huán)境及人類活動等自然因素的影響，由此計算得沙灘水電站大桂沖主壩水庫年輸沙量約3.5萬t，石川沖引水壩水庫年輸沙量約1.8萬t。1.7壩、廠址水位~流量關(guān)系壩、廠址均無水文站，本次壩、廠址水位~流量關(guān)系是根據(jù)實測壩、廠址河道縱、橫斷面、枯水水面比降，明顯的洪痕比降及河岸洪水遺留物高程及各級水位情況，選定河床糙率及比降按