（水利水电工程专业论文）黄河上游梯级水库调节下施工洪水流量的选择研究.pdf

摘要 黄河上游蕴藏着丰富的水能资源，目前正值西部大开发的良好契机。 在梯级滚动开发体制下，充分利用上游已建水电站的巨大调蓄作用，使下 游在建水电站施工期设计洪水流量的选择从实际出发进行必要的压缩调整 对节约投资、缩短工期乃至对加快整个黄河流域梯级水电开发具有十分重要 的战略意义。本文针对近年来黄河上游来水偏枯、龙羊峡水库处于低水位运 行等特点，审时度势，对黄河上游已建和在建水电站施工期的设计洪水流量 进行了专门研究。主要研究成果如下： ( 1 ) 经过黄河龙羊峡水电站上游流域产汇流基本特性的研究，认为目 前该流域所处年份为枯水年份。 ( 2 ) 通过对已建龙羊峡和李家峡水电站旎工设计流量选择的经验和教 训的分析认为适时调整在建水电站的施工进度计划和施工洪水设计流量是必 要和可行的。 ( 3 ) 公伯峡水电站的施工洪水设计流量经适当压缩调整后，不但解决了 截流时间推迟后，大坝第一年的安全度汛问题，同时为抢赶工期创造了良好 的条件。公伯峡水电站施工洪水流量选择的有益尝试对其它工程建设有一定 的参考价值。 ( 4 ) 在对拉西瓦水电站基本布置和水文特性进行研究的基础上，借鉴 已建水电站的经验和教训，对施工洪水流量的选择提出具体建议，并通过风 险分析，论证了该选择的安全性、实效性。 ( 5 ) 对梯级开发河流上设计洪水流量选择问题做了客观分析和探讨。 关键词：梯级水库、调节、施工期洪水、流量、选择、风险分析。 a b s t r a c t t h eu p s t r e a my e l l o wr i v e rc o n t a i n sa b u n d a n th y d r o p o w e rr e s o u r c e i nt h e w e l l t i m e dp e r i o do fw e s t e r nd e v e l o p m e n ta n du n d e rt h es y s t e mo fr o l lc a s c a d e d e v e l o p m e n t ，i no r d e rt o s a v et h ei n v e s t m e n t ，s h o r t e nt i m el i m i tf o rt h ep r o j e c t a n de x p e d i t et h ec a s c a d ed e v e l o p m e n to fh y d r o p o w e ri nt h ew h o l ew a t e r s h e do f t h ey e l l o wr i v e r ，i ti ss t r a t a g e ms i g n i f i c a n tt oa a j u s tt h es e l e c t i o no fp l a n n i n g f l o o d d i s c h a r g e o ft h ed o w n s t r e a m h y d r o p o w e r s t a t i o n i n t h ec o n s t r u c t i o n p e r i o d i na c c o r d a n c et ot h e p r a c t i c o ls i t u a t i o n ，u s i n g t h e l a r g ec o n t r o i l i n g f u n c t i o no fi m p o u n dt ot h ec o m p l e t e dh y d r o p o w e rs t a t i o ni nt h eu p s t r e a m i n t h ea r t i c l e c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es c a r c ew a t e rf r o mt h eu p s t r e a m o ft h ey e l l o wr i v e ra n dl o ww a t e rl e v e lo p e r a t i o no f l o n g y a n g x i ar e s e r v o i r ，a s p e c i a la n a l y s i si s d o n eo nt h ep l a n n i n gf l o o dd i s c h a r g eo ft h e c o m p l e t e da n d u n d e rc o n s t r u c t i o nh y d r o p o w e rs t a t i o ni nt h eu p s t r e a mo ft h ey e l l o wr i v e ri n t h ec o n s t r u c t i o np e r i o d t h em a i na c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h r o u g h t h er e s e a r c ho ft h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h er u n o f f y i e l di nt h e u p s t r e a mw a t e r s h e do fl o n g y a n g x i ah y d r o p o w e rs t a t i o no ft h ey e l l o wr i v e r ， t h ey e a r si nw h i c ht h ew a t e r s h e di si n v o l v e dc o u l db ec o n s i d e r e da sl o w w a t e r ( 2 ) t h r o u g h t h e a n a l y s i s o ft h e e x p e r i e n c e a n dl e s s o no f s e l e c t i n g t h e p l a n n i n gd i s c h a r g ei nt h ec o n s t r u c t i o np e r i o di nc o m p l e t e dl o n g y a n g x i aa n d l i j i a x i ah y d r o p o w e rs t a t i o n ，m e a s u r a b l ea d j u s tt ot h ec o n s t r u c t i o np l a na n dt h e p l a n n i n gf l o o dd i s c h a r g ei nt h ec o n s t r u c t i o np e r i o di sn e c e s s a r ya n df e a s i b l e ( 3 ) a f t e rt h er e d u c t i o no fs u i t a b l ec o n s t r u c t i o nf l o o dp l a n n i n gd i s c h a r g eo f g o n g b o x i ah y d r o p o w e rs t a t i o n ，n o to n l yt h es e c u r i t yd u r i n gf l o o dp e r i o dd nt h e f i r s ty e a ra f t e rp o s t p o n i n gc l o s u r ei s i n s u r e d ，b u ta l s og o o dc o n d i t i o nf o rc a tu p w i t ht h el i m i tt i m eo ft h e p r o j e c t i sc r e a t e d p r o f i t a b l e a t t e m p to fs e l e c t i n g c o n s t r u c t i o nf l o o d d i s c h a r g e o f g o n g b o x i ah y d r o p o w e r s t a t i o nc a no f f e r r e f e r e n c ev a l u ef o ro t h e rp r o j e c tc o n s t r u c t i o n ( 4 ) o nt h eb a s e o fd i s c u s s i n gt h ef u n d a m e n t a la r r a n g e m e n ta n dh y d r o l o g y c h a r a c t e ro fl a x i w a h y d r o p o w e r s t a t i o n ，t h r o u g h r i s k a n a l y s i s ，p r o v i n g r e l i a b i l i t y 、a c t u a le f f e c t ，a d o p ti t se x p e r i e n c ea n dl e s s o n ，p u tf o r w a r dc o n c r e t e s u g g e s t i o n sa b o u ts e l e c t i n gc o n s t r u c t i o nf l o o dd i s c h a r g e ( 5 ) o b j e c t i v e l ya n a l y z e da n dd i s c u s s e dt h ep r o b l e ma b o u ts e l e c t i n gp l a n n i n g f l o o dd i s c h a r g ew h e nc a s c a d e d e v e l o p i n g r i v e r k e y w o r d s ：c a s c a d er e s e r v o i r ；c o n t r o l ；f l o o di nt h ec o n s t r u c t i o np e r i o d ；f l u x d i s c h a r g e ；s e l e c t ；r i s ka n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫婆盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：芗荔万 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘茎有关保留、使用学位论文的规 定。特授权墨生盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阋。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：二刍万 签字日期：年月目 新虢形磁 签字日期：年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及国内外研究现状 目前，我国水电建设已迎来了第2 个春天，一批指标好、规模大的水电 站正在如火如荼的建设当中。而要实现工程的多快好省，就必须在总结以往 经验教训的基础上，对水利水电工程的施工洪水问题进行深入研究。因此， 研究该问题具有如下意义：( 1 ) 总结以往工程的经验教训，深化对施工洪水问 题的认识。( 2 ) 对导流建筑物做出既经济又合理的最优布置。( 3 ) 确保工程安全 度汛。( 4 ) 合理安排施工进度，实现早日发电。( 5 ) 充分发挥梯级调度优势，缓解 下游在建水电站施工期洪水压力。 洪水问题是极其复杂的水文学问题，国内外学者对洪水问题做了大量的 研究。 1 1 1 梯级水库设计洪水方面的研究 程光明通过对中国和国外防洪工程标准的比较研究，提出非工程防洪措 施是现代防洪体系中的重要组成部分“1 。“非工程防洪措施”立足于通过规划 发展和计划管理，从法律和行政两个方面对洪水进行防治( 包括洪泛区土地使 用管理、建筑物防洪技术措施、洪水保险、洪水预报警报等) 。邓敬存从梯 级水库联合拦洪满足下游某地区的防洪要求和大坝防洪安全的相互保证两方 瑶对梯级水库防洪规划设计问题进行了研究，通过研究认为梯级水库大坝的 防洪安全问题比较复杂，只能根据具体情况进行具体分析，并考虑其相互影响 才能得到妥善解决”1 。宋恩来在浑江梯级水电站设计标准问题一文中介绍了 浑江梯级水电站设计标准，按国家现行标准桓仁水电站有余，回龙山水电站不 够，太平哨水电站满足。如梯级电站进行联合调度，利用桓仁水电站的余度， 可解决回龙山水电站设计标准偏低问题”1 。冯平、崔广涛对暴雨洪水共同作 用下的多变量防洪计算问题进行了研究“1 。张少婕、陈晖对长江上游枯季降 雨洪水特征和分期设计洪水进行了分析计算，其成果为三峡决策部门提供了 确定大江截流恰当时间的依据”3 。 意大利 a 卡斯托来尼，t 莫来马科认为现 行的意大利大坝安全法规的若干规定会导致大坝规模过大。为保证大坝设计 既安全且更为经济的目的，建议用一种数值方法来确定最优设计洪水。并考 虑风险平衡、下游淹没费用和减轻风险所需要的费用阳1 。黄光日、邓抒豪提 出应根据工程性质、水文资料，因地制宜地提出本电站的导流及度汛方案，并论 要二兰竺兰 一一 _ _ _ - _ - _ _ _ - _ - _ h _ - _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ r 一 。 一 证了为施工导流而做的施工进度计划安排的重要性”3 。程燕通过对国内已建 部分梯级水利水电工程导流设计和实旌的分析，探讨了对上游有调节能力的 运行水库，其下游水利水电施工导流标准及流量的确定方法”。 1 i 2 风险分析方面的研究 早在2 0 世纪3 0 4 0 年代，有学者提出了用概率论研究机器设备的维修 问题，到了5 0 年代引出了风险的概念，最早是由军工生产部门提出。随着生 产和科学技术的飞速发展，至8 0 年代初，逐步形成门内容丰富，方法多样， 理论体系较完整的边缘科学。最近2 0 年其理论方法的研究发展很快。现在各 种文献介绍风险分析的方法也很多，诸如专家调查法、故障树法、蒙特卡洛模 拟法、上下限法、效用期望值法、c i m ( c e n t r o l l e d i n t e r v a la n dm e m o r y m o d e l s ) 模型、计划详审技术( p e r t ) 、图示评审技术( g e r t ) 等”3 。这些 方法是针对一些具体问题提出来的，很难直接应用于水利水电工程的风险分 析。 在洪水的水文风险分析中，其研究成果主要集中在参数估计和风险频率 计算等方面。首先，国内外学者对参数估计问题进行了大量研究，已先后提 出了矩法、权函数法、数值积分权函数法、适线法模糊权函数法“”3 冯平， 陈根福等通过分析水库的实际防洪能力与水库的设计防洪能力比较，判断了 水库提高汛限水位的可能性，提出了水库联合调度下超汛限蓄水的风险分析 函数，对超汛限蓄水进行了风险效益分析“。朱元啦、韩国宏等人曾探讨过 二雉复合事件的风险计算模型，并用于分析南水北调中线工程的防洪风险问 题“。对于洪水的水力风险，徐祖信等曾假设影响水库泄洪能力的不确定量 为三角型分布，提出了溢洪道泄洪的风险计算模式“”。熊明通过对特征水位 推求方法现状的分析，提出了假定防洪安全标准等于洪水设计标准缺乏必要 的依据这一基本论点，给出了防洪安全分析计算的原则、方法及其适用条件， 认为受人类活动影响的序列不能满足一般的理论分布函数，而随机模拟方法 是解决此类问题的最有效的途径“。刘树坤等人从二维非恒定流数值计算模 型出发，研究了洪水在洪泛区的风险图。唐晓阳、肖焕雄等人分析了施工 导流系统的水文水文不确定性和水力不确定性，定义了风险率功能函数，引 入了设计演算点的概念，运用当量正态化原理，提出并建立了导流系统设计 风险计算模型“。朱元姓等人针对采用水文学方法描述洪水演进时从在的不 确定性，研究了长江南京段的洪水演算风险问题“。何长宽用概率组合法确 定并联水库下游洪峰流量的概率分布凹。谢崇宝从不确定因素的最基础单元 着手，推导了多种泄洪建筑物的水力风险理论计算公式，给出了相应的风险 2 第一章绪论 图m ，。王卓甫、张恒全在分析计算水利水电工程施工导流围堰漫顶风险时较 全面地考虑了各种主要的不确定因素，并根据年最大洪峰流量和导流建筑物 的泄水能力，通过调洪演算，得到年最大洪峰流量和最大泄水流量间的关系， 由此建立了围堰漫顶的极限状态方程“”。 英 彼得亚当森在洪水风险管理 方面的研究中指出洪水风险概率的量化研究本质上是个实践问题”“ 洪水风险问题涉及的影响因素众多，且错综复杂，很难形成固定的研究 或应用模式，只能根据不同的研究对象的具体特点做具体分析。 1 2 黄河上游的水电开发模式及现状 1 2 1 黄河上游的水电开发模式 1 9 9 5 年邹家华副总理提出了“流域、梯级、综合、滚动”开发水电的指 示精神，2 0 0 0 年成立了黄河上游水电开发有限责任公司，以黄河上游已建龙 羊峡、李家峡水电站发电收入作为滚动母体，注入由陕、甘、宁、青、新五 省投资公司及电力投资公司以股份制形式提供的起动项目的资本金，由地方 配套扶持政策，按新机制有计划地进行水电开发，以逐步建立起自我积累、 综合利用、滚动发展的运作模式，连续滚动开发黄河上游大中型水电站的一 项宏伟工程在西部大开发的大好时机下从公伯峡水电站拉开了序幕，探索具 有活力的办电新机制。这种探索，对当前中小水电建设面临投资不足、管理 机制不活和筹资乏力的困难局面以及现行财税、贷款与电价扭曲不利于水电 发展的矛盾，无疑将是一个很大的突破。为了加快黄河上游水电建设，进行 “流域、梯级、综合、滚动”开发水电的探索和尝试，根据黄河上游水力资 源分布情况、水电开发现状和前期工作、梯级电站规模、技术经济指标、地 方办电积极性和经验、电能出路和价值等诸方面综合因素，对规划中的各个 电站进行分析、研究，以“以大带小”的基本思路，进行梯级水电站滚动开 发。 1 2 2 黄河上游水电开发现状 黄河上游龙( 羊峡) 青( 铜峡) 河段全长9 1 8 k m ，水力落差达1 3 2 4 m ， 河床平均比降0 1 4 4 ，水能理论蕴藏量1 6 6 5 0 m w ，是我国著名的水电“富矿”。 该河段共规划2 5 个梯级。从上游到下游依次是；龙羊峡( 1 2 8 0 m w ) 、拉西 瓦( 4 2 0 0 m w ) 、尼那( 1 6 0 l w ) 、山坪( 1 6 0 m w ) 、 李家峡( 1 6 0 0 m w ) 、直岗 拉卡( 1 6 0 m w ) 、 康扬( 2 4 0 m w ) 、公伯峡( 1 5 0 0 m w ) 、苏只( 1 6 0 m w ) 、黄 第一章绪 论 丰( 2 0 0 m | 】【f ) 、积石峡( 1 0 0 0 t a w ) 、大河家( 2 2 0 m w ) 、寺沟峡( 2 4 0 m w ) 、刘 家峡( 1 3 5 0 m w ) 、盐锅峡( 4 4 0 m w ) 、八盘峡( 1 8 0 m w ) 、河口、柴家峡、小 峡( 2 4 0 m w ) 、大峡( 3 0 0 m w ) 、乌金峡( 2 2 0 m w ) 、黑三峡河段( 1 8 0 0 m w ) 、 沙坡头( 1 6 0 m w ) 、青铜峡( 2 7 2 m w ) 等。上个世纪5 0 7 0 年代，先后建成了 盐锅峡、青铜峡、刘家峡和八盘峡四座水电站。改革开放后到上个世纪末， 先后建成了龙羊峡、李家峡和大峡水电站。已建成的七座大中型水电站，总 装机5 7 3 3 m w ，仅占可开发总容量的三分之一。目前，正在建设的有尼那、 公伯峡、小峡和沙坡头四座水电站。即将开工建设的有拉西瓦、直岗拉卡 和苏只水电站。图1 1 和图l 一2 分别为黄河上游梯级水电站的分布位置和 开发纵断面图。 堪 姆 甘畔 审f | 匦俺葡醛嚣霹馨骣啦俐馨朴稷爆卜庭瓶n j 【匦 掣 好 错1 躲 第一章绪论 上述水电站的建成或开工，有力地支援了国家建设，并在西部大开发 中起着举足轻重的作用。随着西电东送工程北部通道的启动，如何选择合 理的施工洪水设计流量，缩短建设工期，是今后黄河上游水电开发面临的 一项长期战略任务。 1 3 研究的主要内容 本文主要从如何在现有梯级水电站滚动开发机制下，充分利用流域 已建水电站的调蓄防洪能力对在建水电站的施工期设计洪水流量进行调 整选择方面的研究，主要研究内容包括： ( 1 ) 黄河龙羊峡水电站上游流域产汇流基本特性的研究。龙羊峡上 游流域干湿季分明，降水集中，5 1 0 月雨量占流域全年降水量的9 0 以上。 黄河上游径流过程受大气环流形势和青藏高原持定气候条件的影响年际 变化过程较国内其他流域缓慢，径流和洪峰过程在时序变化上均表现出丰 水年、枯水年组交替出现的演变现象，观察近期的变化情况，1 9 9 0 年以后 为枯水年份。 ( 2 ) 通过总结分析己建龙羊峡和李家峡水电站施工设计流量选择的 经验和教训反映出适时调整施工进度计划和施工洪水设计流量的必要 性。 ( 3 ) 公伯峡水电站施工洪水流量选择的有益尝试。从已建水电站的 调蓄防洪能力入手，经多方案比较，对公伯峡水电站的施工洪水设计流量 进行适当的压缩调整。 ( 4 ) 通过对龙羊峡水电站下游3 3 k m 处的拉西瓦水电站基本布置和水 文特性进行研究，对施工洪水流量的选择提出具体建议，并通过风险分析， 论证该选择是安全可行性的。 ( 5 ) 探讨梯级开发河流上水电站施工期设计洪水流量选择需灵活把 握和注意防范的问题。 第二章龙羊峡和李家峡水电站施工洪水设计流量选择的经验和教训 第二章龙羊峡和李家峡水电站 施工洪水设计流量选择的经验和教训 2 1 龙羊峡水电站上游流域产汇流基本特性 龙羊峡坝址以上控制流域面积达1 3 ，1 4 万平方公里，流域面积广阔， 气候条件复杂，地形地貌变化多样。距离龙羊峡坝址最近的上游水文站为 唐乃亥，唐乃亥水文站以上是黄河上游的主要产流区。在黄河上游梯级水 库电站以及兰州市的防汛工作中起着非常重要的作用。为此，对唐乃亥水 文站的历史洪峰流量过程进行了系统的分析研究。 2 1 。l 流域自然概况及水文特性 2 1 1 1 流域自然概况 黄河上游唐乃亥站以上流域位于青藏高贩东北部，在东经9 5 0 3 0 1 0 3 0 3 0 ，北纬3 2 。3 0 3 6 。0 0 之间，集水面积1 2 1 9 7 2k m2 。流域最高 处为阿尼玛卿山主峰玛卿岗日，海拔5 2 8 2 m ，最低处为流域出口断面唐乃 亥村，海拔2 6 6 5 m ，域内绝大部分地区海拔高度在3 0 0 0 m 以上。本区用寒 湿类高山气候，年平均气温在一4 1 1 之间，年降水量在3 0 0f i l m 7 5 0m m 之间，呈自东南向西北递减的趋势，降水量年际变化小，变差系数大致在 0 1 0 2 5 之间，但年内降水分布不均匀，主要降水集中在夏秋季节，冬 季降水量少且多以降雪为主。在河源及其支流黑河、自河，流域地势较为 平缓，分布着高山草旬植被，草毡土土壤，地面平缓不易排水，形成许多 湖泊沼泽，其中扎陵湖、鄂陵湖在黄河河道上，流域调蓄能力很强。洪水 形成特点是：峰低、量大、历时长、含沙量小、洪峰形状为矮胖形。阿尼 玛卿山分布着大小4 0 余条冰川，冰川i 面积1 2 0 5 7k m 2 ，是流域内天然的 固体水库。 2 1 1 2 流域径流特征 对黄河上游年径流与年洪峰过程进行了对比分析，结果表明年径流与 年洪峰有对应关系，凡是年流量大的年份，洪峰流量也大。径流与洪峰有 着相似的水文特征。 ( 1 ) 径流的区域性分布 黄河上游主要有三个产流区，即吉迈站以上，吉迈玛曲区间，玛曲 唐乃亥区间。吉迈以上流域面积为4 5 0 15 k m ，年径流模数为8 2 8 l s k m 2 ； 第二章龙羊峡和李家峡水电站施工洪水设计流量选择的经验和教i j , 吉迈玛曲区间的流域面积为4 1 0 4 4 k m 2 ，年径流模数达8 2 8 l s k m 2 ；玛 曲唐乃亥区间流域面积为3 5 9 l 3k m 2 ，年径流模数4 9 l s k m 2 ，说明黄 河上游主要产流区在吉迈玛曲区间。吉迈站天然来水量4 0 o x l 0 8 m 3 ，洪 峰流量模数为1 3 3 x 1 0 】3 s k m2 ；玛曲站流域面积为8 6 0 5 9k m 2 ，天然来 水量1 4 7 1 2 x1 0 8 m 3 ，年径流模数5 4 2 l s k m2 ，洪峰流量模数2 1 2 x 1 0 m 3 s k m 2 ；唐乃亥站流域面积1 2 1 9 7 k m 2 ，天然来水量2 0 9 3 4 x l o m 3 ，年 径流模数5 4 4 l s k m2 ，洪峰流量模数2 0 2 x1 0 ma s k m 2 。 ( 2 ) 径流的季节性变化 黄河上游径流季节性变化的一般规律是：冬季是河川径流的枯水季 节，大部分河流封冻，径流靠地下水补给，年最小流量常发生在l 3 月。 4 月以后气温缓慢升高，流域融雪与河内储冰解冻形成春汛，流量显著增 大。夏秋两季是流域降水量较多而且集中的时期，易形成较大洪水。根据 1 9 5 6 1 9 9 8 年实测资料统计，唐乃亥站径流的年内分配情况是6 1 0 月为 汛期，其分月流量占年流量的1 1 5 3 1 6 9 3 ，其中7 月和9 月流量所 占年流量比例最大。各月流量和分配情况见表2 一l 。 表2 1 唐乃亥站径流的年内分配 月份 l23456789l o1 11 2 多年 平均 1 7 11 6 62 2 23 6 45 9 s8 9 21 3 l o1 0 9 01 2 4 ( i9 8 04 7 92 2 6 流量 占年 流量2 2 l 2 1 62 8 74 7 07 7 51 1 51 6 91 4 11 611 2 661 92 9 2 的比 ( 3 ) 径流的年际变化 黄河上游径流过程受大气环流形势和青藏高原持定气候条件的影 响年际变化过程较国内其他流域缓慢，其径流变差系数c v 在0 3 0 以下。 但径流和洪峰过程在时序变化上均表现出丰水年、枯水年组交替出现的演 变现象。1 9 5 6 1 9 6 0 年为枯水年组，1 9 6 1 1 9 6 8 年为丰水年组，1 9 6 9 1 9 7 4 年又为枯水年组，1 9 7 5 1 9 8 9 年尽管也有1 9 7 7 1 9 8 0 年、1 9 8 6 l9 8 8 年 的下降段，但总体趋势为一个较长的丰水年组，1 9 9 0 年以后为桔水年组。 这种持续变化现象表明径流和洪峰序列存在着相依性。其产生的原因有两 个方面：一是气候因素，表现为径流和洪峰都存在周期变化。二是特殊的 流域下垫面条件，主要是地面众多的湖泊、沼泽以及有利于下渗持水的土 壤结构对地面径流的调蓄，以及存储能力较强的地下水库对后期径流的补 第二章龙羊峡和李家峡水电站施工洪水设计流量选择的经验和教训 给。径流和洪峰过程虽然有周期性，但不是简单的重复演变，雨是各周期 波分量叠加演变的复杂过程。这是黄河上游径流年际变化的显著特点。 2 1 2 流域产汇流基本特性 通过对流域的水文、气象、下垫面状况等影响产汇流形成规律的因素 进行的调查分析，归纳总结出龙羊峡上游流域产汇流基本特性如下： ( 1 ) 干湿季分明，降水集中，5 1 0 月雨量占流域全年降水量的9 0 以 上。通常情况，7 9 月，付高北跳西伸，和北部西风带、南部印度低压形 成相对稳定的变形场，黄河上游地区正好处在这种付高后部的西南气流与 西风带中西北气流的辐合地带，雨量大增，形成洪水期。同时，流域的径 流量相应地集中在5 1 0 月，龙羊峡入库站唐乃亥5 1 0 月径流量占全年 径流量的7 9 2 。 其次，降水分布在地区、时间、高度上差异悬殊。水平分布大体上是 由东南向西北逐渐递减，若尔盖、红原、久治的年均降水量分别为6 4 7 6m m 、 7 5 3 0r f l l l l 、7 6 4 4m m ，而玛多、共和的年均降雨量仅为3 0 3 9 】埘和3 0 6 6 m m 。垂直方向上，受地形影响，由山谷、盆地向山顶递增。汛期流域内降 雨日数多，雨强小，6 、7 、8 、9 月多年平均雨日均接近或超过2 0 天，曰 雨量擞为几毫米到十几毫米，很少能够超过3 0m m 。 ( 2 ) 从降水量和蒸发能力来说，流域的大部分地区属半干旱半湿润类 型，由于高原特殊的地理位量和下垫面条件，它的产流特性与半干旱地区 的产流特性大不相同。首先，流域内土壤种类繁多，土层较薄，在山区、 丘陵地带，土壤种类主要为高山、亚高山草甸土和暗棕壤及部分砾质寒漠 土、山地草原土。在黄河沿岸的冲积平原及其支流的阶地、河漫滩，土壤 种类主要为草甸土和草甸沼泽、灰褐森林土，土层厚度在山区和丘陵地 带由山顶向山脚递增，糍山腰上部土层厚2 0 6 0 c m ，山腰以下至山脚土 层厚6 0 1 5 0c m ，个别地方可达数米。土层下部为河湖相砂砾石层或破碎 岩层，土壤中砂质多，透水性好，流域的蒸发能力虽强，蒸发作用却仅限 于表层。 其次，流城内草本植物生长良好，主要为草甸草原，以小嵩草、矮嵩 草、藏嵩草占绝对优势，问有部分灌丛和柏科针叶林。地表大部被草根盘 结层覆盖，植被覆盖面积占流域的7 0 9 0 。 第三，地下水位较高。浅层地下水位在冲积、洪积扇及各谷地距地表 仅1 米多。汛期，土壤湿润，地下水和地表的水力联系密切。 上述情况构成了形成蓄满产流机制的下垫面条件。从径流形态特征分 析黄河上游的径流过程具有峰低量大、洪水历时长等与南方湿润地区产流 1 0 第二章龙羊峡和李家峡水电站施t 洪z k i 殳 流量选择的经验和教训 形态相似的特点。 ( 3 ) 久治一玛曲区间作为本流域的主要产流区对于黄河流量的稳定( 涨 落平缓) 起主导作用。这一区段雨量车沛，年降水量在6 0 0m m 8 0 0m m 之 间，为本流域之最。地面植物相应生长茂盛，川i 西北的若尔盖高原，由于 地势平坦，排水不畅，气候寒冷潮湿，草本植物残体分解不良，日积月累， 形成大片沼泽，面积约4 0 0 万亩。沼泽地带的坡降壤小于千分之一，降 雨在沼泽中主要以潜流的形式排泄入河。由于汇流缓慢，最大流量往往在 降雨后两至三天才出现。源于此地的黑、白河在入黄口附近，河面远比黄 河水面宽，由于水量大，因而对黄河上游的径流形态产生较大影响。 ( 4 ) 玛唐区间，右岸降水补量，左岸降水造峰。右岸面积相对略小， 属丘原地貌，间有沼泽草地，地势相对平缓，年均降水量在5 0 0m i l l 左右。 地下水位埋深浅，汇流较慢，主要支流泽曲入黄口处距唐乃亥站较远，流 程长。左岸为积石山主脉，主峰阿尼玛卿雪山高6 2 8 2m ，分布着大小冰川 四十余条，地势相对陡峭，山巅岩石裸露，山谷阴坡草木茂盛，地下水源 相当丰富。受地形影响山区雨水偏多，发源于雪山冰j i l 的两大支流曲什安 河、切木曲河入黄口距唐乃亥较近，水量大，汇流迅速，与泽曲并为主要 区间补给水源，往往能在唐乃亥断面流量过程中添加一些尖峰。 ( 5 ) 黄河上游汛期雨日多，夏季土壤湿润，含水量丰富，降水后易于 达到饱和，但强降雨较少，多为阵性阴雨天气，日雨量大于1 0f i l m 的次数 不多，大于2 5m m 的更是寥寥无几。这种特殊的降雨形式，加上流域本身 较强的下渗能力，决定了黄河上游水量的相对平稳，径流的年内分配相对 均匀，洪枯流量变差不大，一次洪水过程往往延续一月有余，而且对地表 的冲刷作用小，水流中自然挟带的泥砂量少，唐乃亥站多年平均含沙量仅 为0 0 5 k g m 3 。 ( 6 ) 由于流域大部分地区海拔在4 0 0 0m 以上，其余地区也基本都在海 拔3 0 0 0m 以上。众多的支流多源于雪山、冰川、地下泉。河水中冰雪融水 补给量很大，是汛初黄河水量中不可忽视的组成部分。位于玛沁县境内的 阿尼玛卿雪山，广泛分布着现代大陆性山地冰川4 0 余条，面积1 4 0k m 2 ， 冰储量约1 2 3 6k m 3 ，其中：曲什安流域冰川2 l 条，面积1 0 0 2 ，储量1 0 1 2 k m 3 。切木曲流域冰川1 9 条，面积4 0k m 2 ，储量2 3 4k m 3 。在冰雪消融季 节，每年可提供约2 亿m 3 水补给黄河。此外，高寒地区的冻土及水量的年 际调节对黄河的春汛也有很大影响，般在海拔4 0 0 0m 以上的山区普遍存 在有永久冻土带，其余地区为岛状冻土区和季节冻土带。由于冻土的存在， 汛初降水的下渗损失将会减少，冻土融艉又使得前期土壤含水量增大。封 第二章龙羊峡和李家峡水电站施工洪水设计流量选择的经验和教训 冻期间，若当时河流水量较大或遇有较大降水，则可增加湖泊、沼泽、河 槽等的冻结水体，并且整个冬季的固态降水当时并不加入径流，而是等到 次年春汛和冻结水体一起融解释放，其量也相当大。这些因素造成汛初雨 量和水量的不平衡，增加了径流的复杂性。 ( 7 ) 雨季与牧草生长期同步，雨季开始后，草原吐绿，雨季结束前夕， 草场枯黄。这种分配形式，即有利于牧草生长，同时可增加雨期下渗量， 减缓坡面流。 2 2 龙羊峡水电站上游围堰设计标准调整及实施 龙羊峡水电站是万里黄河的龙头电站( 设计库容2 4 7 亿m 3 ) ，该工程 于1 9 7 7 年1 2 月开工，1 9 8 7 年9 月第一台机组发电。在初设阶段，设计采 用河床一次断流，右岸隧洞过水的导流方式。其中，上游临时挡水建筑物 为4 6m 高的混凝土拱型围堰。考虑到库区滑坡体处理期对水位的限制等因 素，上游围堰按1 0 年一遇洪水设计( 相应流量为3 5 8 0i l l 3 s ) ，导流隧洞 则按2 0 年一遇洪水设计( 相应流量为4 1 0 0m 3 s ) 。工程开工后，由于施 工中的具体困难，上游围堰因故改为混凝土心墙堆石型式。围堰型式变更 后，改为按2 0 年一遇洪水设计，5 0 年一遇洪水校核( 相应流量为4 7 2 0m 3 s ) 。围堰顶部设一个非常溢洪道，围堰的最大高度为5 5 m 。1 9 8 1 年8 9 月，坝址上游遭受了2 0 0 年一遇的特大洪水( 最大洪峰流量达5 5 7 0i n 3 s ， 2 8 天洪量达1 4 0 亿m 3 ) ，上游围堰拦蓄库容达1 0 亿m 3 ，堰顶非常溢洪道最 大泄量7 0 0m 3 s ，溢洪道下游多处被冲毁。经过一个多月的抗洪抢险， 上游围堰胜利完成了安全度汛任务。 龙羊峡水电站修改上游围堰型式，提高设计标准后，堰体高度增加了 9 m ，堰前库容也从原设计的4 8 亿m 3 增加到1 0 0 亿m 3 。在1 9 8 1 年的 抗洪抢险中，上游围堰发挥了巨大的调蓄功能，这对减少下游洪灾损失， 确保包( 头) 兰( 州) 铁路畅通无阻起了关键作用。 龙羊峡水电站修改上游围堰型式，提高设计标准的效果可概括一句 话，即防洪的社会效益显著，施工的难度相应增大。 2 3 李家峡水电站导流设计流量选择的经验 李家峡水电站是黄河上游的第三座大型梯级电站。该工程于1 9 8 8 年4 月开工，1 9 9 7 年1 月第一台机组发电。在主体工程施工期采用围堰次断 第二章龙羊峡和李家峡水电站施工洪水设计流量选择的经验和教讲 流，右岸隧洞过水的导流方式，导流设计标准为2 0 年一遇洪水。在龙羊峡 水库蓄水前，李家峡坝址2 0 年一遇的设计洪水流量为4 2 2 0m 3 s ，若选 用基坑全年施工导流方案，则需要布置两条导流隧洞( 库区滑坡体处理期 对水位有要求) 。1 9 8 6 年1 0 月龙羊峡水库蓄水后，李家峡坝址处的天然洪 水得到了有效的控制。龙羊峡水库经调洪分析表明，在2 5 9 4 m 和2 5 9 2 m 汛 限水位情况下。李家峡坝址2 0 年一遇的设计洪水流量分别为3 4 0 0m 3 s 和 2 5 0 0m 3 s 。在初步设计和发包设计阶段，李家峡水电站采用q = 2 5 0 0i n3 s 的导流设计流量，大大简化了导流隧洞的布置。1 9 8 8 年4 月，导流隧洞开 工后，因洞内地质条件差，洞内多次出现塌方，所以又结合当时龙羊峡水 库处于低水位运行等实际情况，将旄工洪水标准改为按0 = 2 0 0 0m 3 s 流量 设计，按q = 2 5 0 0m 3 s 的流量校核。该项举措缩窄了2 5 m 洞宽，大大方 便了施工。 李家峡水电站于1 9 9 1 年1 1 月1 3 日实现了主河床截流，截流进占设 计流量取龙羊峡两台机的发电流量( 6 0 0m3 s ) ，合龙设计流量则取一台 机的发电流量。 2 4 李家峡水电站发电初期的教训 李家峡水电站于1 9 9 6 年1 2 月下闸蓄水。当水位蓄至2 1 4 5 m 的初期发 电水位后，由于单台机组的发电流量( q = 3 6 0 船3 s ) 与入库流量很不匹配 ( 上游的龙羊峡水电站，每天有相当时间保持两台机组发电) ，左岸中孔不 得不持续了长时间的泄流弃水。这一方面造成了泄水建筑物的冲刷破坏， 另一方面，泄流水雾在下游两岸凝结形成了大面积的厚冰。由于冬季雾化 结冰的严重影响，位于下游左岸的号滑坡体于1 9 9 7 年3 月初发生了大面 积的塌滑。尽管滑坡体没有造成堵塞黄河影响发电的严重后果，但后期的 重新治理费用是相当高的。 李家峡水电站发电初期的教训说明，位于北方峡谷地区的大型水电 站，泄水建筑物不宜在冬季运行，首台机组更要合理安排投产时间，避免 冬季泄流弃水后出现高边坡稳定问题。 第三章公伯峡水电站施工期设计洪水流量选择的有益尝试 第三章公伯峡水电站 施工期设计洪水流量选择的有益尝试 3 1 公伯峡水电站的基本特征和水文特性 3 1 1 公伯峡水电站的基本特征 公伯峡水电站位于青海省化隆县与循化县交晃处的黄河于流上。电站 距西宁市公路里程1 5 3 k i n ，距上游已竣工的李家峡水电站河道距离7 6 k m ， 是黄河上游龙羊峡青铜峡段规划中的第4 座大型梯级电站，计划总工 期6 年半。枢纽主要任务是发电，兼顾灌溉及供水等综合效益。水库总 库容6 2 亿m 3 ，为日调节水库。总装机容量1 5 0 05 f i w ，年发电量5 1 4 亿 k w h ，属一等大型工程。在西电东送工程中，公伯峡水电站将成为北部 通道的重要电源点。 公伯峡水电站的主要水工建筑物由混凝土面板堆石坝、左岸泄洪洞、左岸 溢洪道、右岸泄洪洞和引水发电系统等组成。坝体设计洪水位2 0 0 5 m ，坝 顶设计高程2 0 1 0m ( 最大坝高1 3 9 m ) ；左岸泄洪洞标准洞径d = 8 5 m ，洞长 6 3 0m ，进出口高程分别为1 9 4 0i l l 和1 9 3 5m ：左岸设孔口尺寸为1 2 1 8m 的2 孔溢洪道，堰顶设计高程1 9 8 7i l l ，建筑物全长5 1 1m ；右岸泄洪洞与 导流洞结合布置，其进口形式为旋流竖井；右岸引水发电系统由重力式进 水口、5 条引水压力钢管和岸边地面厂房组成。整个枢纽的主体工程量为： 土石方明挖1 1 7 0 。4 5 万m3 ，石方洞挖3 0 5 万m3 ，混凝士1 2 5 9 万m3 ， 土石方填筑5 1 4 9 万i t l 3 ，钢筋( 材) 4 8 万t ，金属结构安装0 6 1 9 万t ， 固结灌浆1 1 8 2 万m ，帷幕灌浆2 4 3 万m 。设计概算投资为6 2 亿圆。 公伯峡水电站枢纽总平面布置图见图3 1 公伯峡水电站于1 9 9 8 年7 月进点开始旌工筹建准备。2 0 0 0 年7 月1 日，导流隧洞工程正式开工。2 0 0 1 年8 月8 目，由国家电力公司主持，在 工地举行了隆重的开工典礼。2 0 0 2 年3 月2 0 日胜利实现主河床截流。目 前，工程进展顺利，主要建筑物正处在施工高峰期。 匠喇情旧牛锄取馨餐羽*誉粤冬hln匝 籀邾楫忙譬鞲嫂唰爆*豢右秘暴h耀埒哲苌卷霉料拣 第三章公伯峡水电站施工期设计洪水流量选择的有益尝试 3 1 2 公伯峡坝址的水文特点 公伯峡坝址位于青海省循化县境内的公伯峡峡谷出口段，公伯峡坝 址以上，黄河的流域面积为1 4 3 6 万k m 2 ，占黄河流域总面积的1 9 1 ，其 中9 1 3 的流域面积由龙羊峡水库控制。坝址处的多年( 1 9 1 9 1 9 9 0 年) 平均流量和径流量分别为7 0 9 m 3 s 和2 2 3 6 亿m 3 。每年6 9 月为主汛期， 1 0 月份为平水期，1 1 月次年6 月为枯水期。表3 1 为龙羊峡水库正常 运行阶段，公伯峡坝址不同标准下的施工洪水设计流量。 表3 1 龙羊峡水库正常运行阶段公伯峡坝址处逐月设计洪水表 单位：m 3 s 设计频率 月份 1 2 5 1 0 2 0 7 - 95 1 8 0 4 9 9 0 ( 4 0 9 0 卑) 3 5 1 03 2 9 0 3 0 7 0 1 03 0 0 02 8 0 02 4 6 0 2 0 9 0 1 1 次6 1 4 6 01 4 6 01 4 6 01 4 6 01 4 6 0 为龙羊峡水库2 5 9 2 米汛限水位下，控泄3 0 0 0 3 s 时相应的数量。 龙( 羊峡) 公( 伯峡) 区间较大的支流有伊黑龙沟和隆务河。两条