小浪底北岸灌区工程对西沟电站的影响问题研究

小浪底北岸灌区工程对西沟电站的影响问题研究
作者：董昊雯耿莉
来源：《科技创业月刊》 2013年第10期
董昊雯耿莉
（黄河勘测规划设计有限公司河南郑州４５０００３）
摘要：文章通过对小浪底水库运行方式及北岸灌区供需条件分析研究，论证了北岸灌区建
成供水前后对西沟电站电能的影响，分析研究了西沟电站水力过渡过程联合运用工况非常重要，对论证灌溉和发电同时运行所必需采取的限制措施具有重要意义。

关键词：灌溉洞；运行方式；电能；引水发电系统；水力过渡过程
中图分类号：TU753文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５
－２２７２．２０１３．10．０82
小浪底北岸灌溉洞进水塔进口底板高程２２３ｍ，设计引水位２３０ｍ时引水流量３０ｍ
３／ｓ。

电站发电引水为扣除北岸灌区灌溉用水量之后的余水，发电引水流量按２７ｍ３／ｓ
考虑。

目前，小浪底北岸灌区工程已进入规划设计阶段，为了对北岸灌区工程供水对西沟电站的
影响作出定量评价，为论证采取工程措施的必要性提供依据，需要对北岸灌区工程供水对西沟
电站可能的影响进行分析研究，并提出初步处理方案。

１小浪底西沟电站工程概况
小浪底水利枢纽位于河南省洛阳市以北４０ｋｍ的黄河干流上，上距三门峡水利枢纽１３
０ｋｍ，下距黄河京广铁路桥１１５ｋｍ。

坝址控制流域面积占全河的９２．３％，坝址径流
量和输沙量分别占全河总量的９１％和近１００％，是黄河干流关键控制性工程。

小浪底水利
枢纽由拦河大坝、泄洪排沙建筑物（三条泄洪孔板洞、三条排砂洞、一条灌溉洞和一座溢洪道）、引水发电建筑物（六条引水隧洞、地下厂房、尾水洞和防淤闸）组成。

电站装机容量为
６×３００ＭＷ，年发电量４５～５５亿ｋＷ·ｈ。

小浪底北岸灌溉洞承担着向北岸灌区供水的任务，属于小浪底水利枢纽建筑物的一部分。

灌溉洞原设计为压力洞，洞长９７０．２ｍ，底坡１／５００，断面为圆形，直径３．５ｍ，
压力洞末端设２ｍ×２ｍ弧形工作门，后接消力池。

灌溉洞进水口设于小浪底北岸灌溉塔，底
部高程２２３ｍ，设３ｍ×１０ｍ拦污栅、３ｍ×６ｍ平板检修门和３ｍ×３．５ｍ平板事故门。

原设计灌溉洞将修建到桩号０＋８２６．７处，末端设混凝土堵头，后续工程待建。

小浪底西沟电站作为小浪底水利枢纽的“黑启动”电源，位于小浪底枢纽北侧西沟水库下游、桥沟河右岸支沟内。

属ＩＶ等小（１）型工程，电站为引水式，利用小浪底北岸灌溉洞从
小浪底水库引水发电，主要建筑物包括引水发电洞、上游调压井、电站厂房、尾水渠和电站支
沟防洪设施等等建筑物。

电站装机容量为２×１０ＭＷ，引水线路总长１８５２ｍ，电站最大
水头１１６．５ｍ，最小水头６４．２ｍ。

当小浪底水库水位２３０ｍ时，灌溉洞满足设计引
水流量３０ｍ３／ｓ的要求，随着水库水位的抬高，灌溉洞引水能力进一步增大。

２小浪底北岸灌区工程概况
２．１工程概述
小浪底北岸灌区位于河南省黄河北岸，地域涉及济源市和焦作市的沁阳市、孟州市、温县和武陟县。

灌区南靠黄河、北邻沁河，是一片山前倾斜丘陵区向黄沁河冲积平原的过渡区，含１７个乡镇、１２个办事处、４７２个自然村，总人口１２３．１５万人，规划总土地面积８４７．５ｋｍ２，灌溉面积７４．６万亩。

小浪底北岸灌区从小浪底水库北岸引水，是小浪底枢纽的配套工程。

根据水利部水利水电规划设计总院水规［１９９１］２８号文“关于黄河小浪底灌区引水口方案的批复”，小浪底北岸灌区灌溉引水洞底部高程２２３ｍ，引水流量３０ｍ３／ｓ，小浪底水库北岸进水塔及灌溉洞上段已随小浪底水库建设完成。

２．２北岸灌区引黄规模
根据北岸灌区水量平衡分析计算，灌区在规划年２０２０年，计算频率Ｐ＝５０％时，全灌区用水总量为５３３０９．４万ｍ３，扣除地表水、浅层地下水及其他水源供水外，灌区引黄河水３６３２２．５５万ｍ３，占用水总量的６８．１４％，主要用于农业灌溉、城市二三产业用水及乡镇企业用水。

２．３北岸灌区需水过程
根据北岸灌区水量平衡分析计算，灌区在规划年２０２０年，计算频率Ｐ＝５０％时，灌区引黄总量
３６３２２．５５万ｍ３，引黄最大月份出现在１２月份，月平均流量为１９．０４ｍ３／ｓ；最小月份出现在１０月份，月平均流量为７．７８ｍ３／ｓ，年内引水过程见表１。

３小浪底水库运用方式
３．１拦沙运用期
（１）蓄水拦沙阶段。

蓄水拦沙阶段是起调水位２０５ｍ以下死库容淤积阶段。

汛期７-９月水库调水，运用水位在起调水位以上变化，不低于起调水位；在调节期，调蓄水量发电、灌溉，并蓄水造峰冲刷下游，每当起调水位以上的蓄水量达４５亿ｍ３时，即泄水造峰。

（２）逐步抬高运用水位阶段。

当起调水位２０５ｍ以下死库容淤满后，由起调水位逐步
抬高水位运用，水库淤积逐步抬高至２４５ｍ高程（２４５ｍ以下的拦沙库容为６１．５亿ｍ３）。

主汛期水库调水调沙，有淤有冲，以淤为主，在调节期的运用方式同前一阶段的调节期。

（３）高滩深槽形成阶段。

高滩深槽形成阶段，汛期调水调沙，库水位有较大变化，在黄
河洪水期的７-９月，库水位不超过２５４ｍ。

水库滩地逐步淤高至２５４ｍ，河底逐步降至２２６．３ｍ，形成高滩深槽，水库累积淤积量约７２．５亿ｍ３，形成槽库容１０亿ｍ３，滩
库容４１亿ｍ３，合计有效库容５１亿ｍ３，至此水库进入正常运用期。

调节期最高水位为２
７５ｍ，运用方式与前阶段相同。

３．２蓄清排浑、调水调沙期（正常运用期）
小浪底水库根据槽库容可以恢复的冲淤规律，在保证防洪运用安全的前提下，汛期还可以
利用槽库容调水调沙，使水库槽库容多年内冲淤平衡，长期发挥对黄河下游减淤的效果。

水库
多年平均调水调沙库容１０亿ｍ３，主汛期水库调水调沙，运用水位在２３０～２５４ｍ之间
变化，在调水调沙运用中水库有效库容在４３．５～５１亿ｍ３范围内变化。

调节期最高蓄水
位为２７５ｍ，进行综合利用及人造洪峰调节。

在汛期７-９月，一般情况下，水库滞洪排沙和调水调沙运用，遇大洪水则防洪运用；为了充分利用黄河水资源，１０月上半月在预留２５亿ｍ３防洪库容的条件下开始蓄水，至次年６
月为蓄水调节期。

在１０月-次年６月，小浪底水库蓄水调节运用，水库高水位蓄水拦沙调节径流，进行防凌、供水、灌溉、发电等综合运用，基本上下泄清水。

在下游非灌溉时期，下泄流
量小，一般约４００ｍ３／ｓ，在下游灌溉时期，下泄流量较大，一般约６００ｍ３／ｓ～１
２００ｍ３／ｓ。

为了提高灌溉、供水效益，在调节期蓄水调节径流时，将１０月-次年２月来水量调蓄到３-７月上旬泄放，增大灌溉供水量。

在满足防凌要求的条件下，调节水量满足下游工农业用水需要，水库运用前１０年最高蓄水位为２６５ｍ，１０年后为２７５ｍ。

４北岸灌区工程建成供水对西沟电站电能影响分析
４．１小浪底水库运用初期，北岸灌区供水对西沟电站电能影响分析
（１）北岸灌区建成供水前西沟电站电能计算分析。

根据小浪底水库设计采用的１９５０-１９７５年翻番５０年系列水库调节计算成果分析，小浪底水库坝前水位在前１-６年主汛期坝前水位最高为２２８．７ｍ，低于灌溉塔设计引水位２３０ｍ，灌溉塔只能相机引水。

第七年
以后主汛期最低水位为２２９．０４ｍ，除个别时段外，灌溉塔均能正常引水。

非汛期除水库
运用初期１０月上中旬个别时段水库水位低于２３０ｍ外，其余时间均可正常引水。

因此，根
据灌溉塔引水条件和灌溉洞实际过流能力，扣除北岸灌区灌溉用水量，余水即可用于电站发电，发电引水流量按２７ｍ３／ｓ考虑。

根据动能计算，电站最大出力２．０×１０４ｋＷ、８０％保证率出力１．７７×１０４
ｋＷ、８５％保证率出力１．７４×１０４ｋＷ、９０％保证率出力１．６０×１０４ｋＷ
（不考虑机组检修因素）。

不考虑北岸灌区引水时，库水位高于２４４ｍ时，可以同时满足２
台机组满出力发电。

（２）北岸灌区建成供水后西沟电站电能计算分析。

北岸灌区建成后，根据动能计算，电
站最大出力２．０×１０４ｋＷ、８０％保证率出力１．７７×１０４ｋＷ、８５％保证率出
力１．７４×１０４ｋＷ、９０％保证率出力１．６０×１０４ｋＷ（不考虑机组检修因素）。

北岸灌区设计引水流量为３０ｍ３／ｓ，考虑灌溉洞和发电洞联合运用，则库水位低于２
５０ｍ时，不能同时满足２台机组满出力发电。

（３）小浪底水库运用初期，北岸灌区供水对西沟电站电能影响分析。

小浪底水库运用初期，汛期采用“拦沙、调水调沙”运用，逐步抬高主汛期水位，同时进行调水调沙，非汛期（１０月－次年７月）为蓄水调节期。

目前小浪底水库前汛期（７月-８月）汛限水位为２２５ｍ，后汛期（９月-１０月）汛限水位为２４８ｍ，因此７月-８月不能灌溉和发电。

非汛期小浪底水库高水位蓄水拦沙调节径流，进行防凌、供水、灌溉、发电等综合运用，库水位基本可以同时满足灌溉和发电。

４．２北岸灌区供水对西沟电站电能影响分析
小浪底水库正常运用期，在长期保持４０．５亿ｍ３防洪库容的前提下，主汛期利用１０亿ｍ３的槽库容长期进行调水调沙运用，汛期小浪底水库水位在２３０～２５４ｍ之间变化，非汛期水库的平均运用水位在２５０ｍ以上，因此，灌溉和发电均可以满足。

４．３对西沟电站电能影响的综合评价
根据北岸灌区规划，在考虑北岸灌区设计引黄水量３６３２２．５５万ｍ３及相应引水过程条件下，全年总发电量和北岸灌区供水前差别不大。

因此，北岸灌区供水对电站年总发电量影响不大。

在不考虑灌溉的情况下，库水位达到２４４ｍ即可满足电站２台机组同时满发，若考虑灌溉洞和发电洞同时按照设计条件运行，则库水位需达到２５０ｍ方可满足２台机组同时满发。

５北岸灌区工程建成供水对西沟电站工程安全影响分析
西沟电站引水发电系统采用“井阀并用”方案，在灌溉洞０＋７５０处设置调压井，同时在厂房蜗壳层设调压阀。

北岸灌区的渠首设置在灌溉洞的末端，需要设置弧形闸门控制灌区引水流量，同时在下游设置消能工连接灌区渠道。

北岸灌区批复的设计流量为３０ｍ３／ｓ，根据北岸灌区的规划需水过程，汛期最大引水流量为１８．７３ｍ３／ｓ，出现在８月中旬；非汛期最大引水流量为２５．８９ｍ３／ｓ，出现在１２月下旬。

若灌溉和发电同时进行，渠首闸门启闭会对机组稳定运行产生影响，而机组启动或甩负荷时，也会对渠首建筑物的安全运行产生影响。

同时调压井的涌浪水位是否能够满足灌溉洞和发电洞联合运用工况也是确保工程安全的关键因素。

因此，分析北岸灌区供水对电站工程安全的影响，需要首先对引水发电系统进行水力过渡过程计算，研究灌溉洞和发电洞联合运用工况的系统安全，并根据计算结果对新建灌溉洞出口段隧洞、节制闸和消力池进行结构设计，保证灌区渠首工程安全；同时论证灌溉和发电同时运行所必需采取的限制措施，确保工程安全运行。

６结语
根据动能计算，北岸灌区工程建成供水对西沟电站年总发电量影响不大。

由于西沟电站引水发电系统较为复杂，需要同时满足灌溉和发电的安全运行，目前北岸灌区需水过程已确定，需要对引水发电系统水力过渡过程联合运用工况进行计算，此项成果是分析北岸灌区供水对工程安全影响的基础，也是进行灌区渠首设计的必要条件，对论证灌溉和发电同时运行所必需采取的限制措施具有重要作用。

（责任编辑梁工）。