甘肃皇城抽水蓄能电站取水口设计洪水计算与分析.pdf

第11期2023年11月文章编号：16 7 3-9 0 0 0(2 0 2 3)11-0 0 59-0 3陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.11November,2023甘肃皇城抽水蓄能电站取水口设计洪水计算与分析王晴玉1王鹏”武金慧1,何洋1，徐俊，张璇1（1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安7 10 0 6 5；2.陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 7 10 0 0 5）【摘要甘肃皇城抽水蓄能电站位于张市西营河流域内，工程从西营河干流取水，根据上游九条岭水文站自19 7 2 年建站至2 0 2 0 年实测洪水资料，以及历史调查洪水资料计算分析各重现期设计洪水，通过水文比拟法计算取水口处设计洪水。将本次计算成果与临近已建工程设计成果对比进行合理性分析，经分析，本次实测洪水及历史调查洪水资料条件可靠，计算、分析方法科学合理，设计洪水成果合理可靠。根据施工需要，对施工期分期洪水进行计算，结果可供施工组织设计中参考使用。【关键词抽水蓄能电站；设计洪水；经验频率；施工期分期洪水中图分类号TV122+.3文献标识码B河源不少山峰耸立在450 0 m以上，最高达50 0 7 m，群峰终年1工程概况积雪，有现代冰川，中上游森林茂密，下游及水管河以西山岭甘肃皇城抽水蓄能电站是抽水蓄能中长期发展规划光秃，岩石裸露，河床婉蜓曲折，川谷相间，落差大，水力资（2 0 2 1年 2 0 35年）中甘肃省抽水蓄能规划“十四五”重源丰富。点实施项目，工程位于甘肃省张掖市肃南县境内，距张掖市直甘肃皇城站点上水库位于西营河左岸山顶处，无较大支沟线距离18 5km，距武威市直线距离45km，公路里程约54km。汇人；下水库坝址以上有两条支沟汇人，分别为罗圈沟西沟与工程地处河西走廊，距离甘肃省负荷中心兰州市以及河西走罗圈沟东沟，坝址以上汇水面积分别为3.8 km和1.6 km。上、廊新能源基地近，地理位置优越。下水库均利用地形挖填形成。工程利用西营河水补水，取水工程为日调节纯抽水蓄能电站，电站装机容量140 0 MW口位于土塔河与西营河交汇处双窑湾一号水电站下游约1km（4350 M W），设计年平均发电量16.37 亿kWh，年抽水用处，集水面积138 7 km,取水口上游约11km处建有九条岭水电量2 1.8 3亿kWh，电站工期7 8 个月，本电站静态总投资电站，双窑湾一号水电站与九条岭水电站均为无调节的径流为9 2 0 8 11.9 5万元，静态单位千瓦投资为6 57 7 元/kW。电站引水式水电站。取水口下游约10 km处建有西营水库，设计枢纽由上、下水库、输水系统、地下厂房、地面开关站等建总库容2 350 万m，是一座以灌溉为主，兼顾防洪等综合效益筑物组成。电站建成后将承担甘肃电网调峰、填谷、调频、的中型水库。本工程取水口不在西营水库库区范围内，不受调相、紧急事故备用、储能等任务。水库回水影响。2流域概况3暴雨洪水特性甘肃皇城抽水蓄能电站位于张掖市西营河流域内。西营西营河流域洪水主要由暴雨形成，它随暴雨大小、河流河属于内陆河石羊河水系，是石羊河最大的一级支流，西营集水面积、流域形状、地形、自然植被等因素不同而不同，河发源于祁连山北麓的冷龙岭，上游分为东西两支，东支宁其洪水多为单峰型，峰型尖瘦，涨落陡峻，来势猛，历时短，昌河，发源于祁连山冷龙岭北坡的假墙槽，自南向北流，流多发生在6 月、7 月、8 月三个月份。长45.8 km，源地海拔高程450 0 m，干流平均坡降2 4.8%o；西甘肃皇城抽水蓄能电站上、下水库洪水均由高强度、局支水管河，源于乱石窝脑子，自西南向东北流，流长35.6 km，地、短历时暴雨产生，具有暴涨暴落、峰高量小、历时较短源地海拔高程430 0 m，干流平均坡降2 4.9%o。东、西两支流等特点。在西营河林场处汇合后折向东北流称西营河，上游河网发育，4历史洪水支流纵横，山地阴坡面分布有天然林，牧草丰盛，植被较好，山区雨量较大，是流域的主要产流区。流域平均高度3312 m，1965年甘肃省水利厅设计院在西营河潘家庄四沟桥（集收稿日期2 0 2 3-0 9-0 1【作者简介王晴玉（19 9 1），女，陕西西安人，工程师，主要从事水文水资源研究工作。59第11期2023年11月雨面积1455km）对四沟嘴水文站（已撤站）河段历史洪水进行调查，调查村庄两个，被访者五人，调查到历史洪水按大小顺序排列为18 9 5年、19 45年、19 2 3年、19 0 0 年，其中1895年洪水拉四沟桥，给人们留下深刻印象。四沟桥始建于咸丰初年（18 51年），迄今12 0 余年，除18 9 5年洪水将桥拉垮外，再没有被洪水淹过。19 45年洪水虽为7 0 岁老人所见最大，但小于调查期以后的19 6 9 年洪水；19 2 3年、19 0 0 年洪水大小有混淆不清现象。19 7 1年5月4日甘肃省水文总站又在西营河铧尖公社（集雨面积10 47 km）对西营河铧尖河段历史洪水进行了较为详细的调查，据三位老人谈，较大的洪水有19 2 4年、19 33年，19 45年，除19 45年指认一个洪痕外，其它各年均无洪痕，由于该地系深山区，人烟稀少，仅散居着极少的牧民，未能调查到18 9 5年洪水。同年4月9 日对响水河河口（集雨面积140 km）河段洪水进行调查，该河是西营河铧尖河段下游的一级支流，测得18 9 5年历史洪水19 6 m/s，由此推算得铧尖河段18 9 5年历史特大洪水6 11m/s。根据邻近河流调查的历史洪水及本流域上、下游的调查情况，对洪水发生的年份及量级进行了全面系统的考证分析。分析结果认为18 9 5年洪水属西营河历史上的一场特大洪水，19 45年洪水属石羊河水系普降的一场较大洪水，但小于19 6 9 年洪水，其他调查年份的洪水量级均小于前两场洪水，成果见表1。表1西营河历史洪水调查成果表洪峰流量/集雨面积人km历史洪水年调查河段份1895四沟咀水文站1455铧尖河段1047响水河河口1401895年洪水，认为是咸丰初年（18 51年）以来的最大洪水，则洪水重现期为17 1年。18 9 5年洪水，认为是18 9 5年以来的最大洪水，其重现期为12 7 年。据此，18 9 5年洪水的重现期确定为12 7 年 17 1年。19 45年洪水小于19 6 9 年洪水，不做历史洪水处理。5水文站设计洪水5.1九条岭水文站资料情况九条岭水文站位于石羊河水系西营河上游，地处张掖市肃南裕固族自治县皇城镇九条岭煤矿，控制流域面积10 7 7 km，属国家重要水文站、中央报汛站、国家水质监测站、区域代表站2 。该站于19 7 2 年1月设立，测验符合水文测验相关规范要求，测验成果经甘肃省水文水资源局整编，资料整编符合规范要求。该站流量测验河段基本顺直，两岸有人工浆砌石堤坝，水流集中，卵石河床，河床稳定，历年测验断面稳定，控制良好，水位流量关系线呈稳定的单一线关系，影响河道流量的各水力因素相对稳定，测站控制良好，符合测验河道稳定、水流平稳的控制特性，水位、流量资料可靠，精度较高。本次研究收集到九条岭水文站自19 7 2 年建站至2 0 2 0 年实测:60.陕西水利Shaanxi WaterResources洪水资料，系列长度为49 年。5.2设计洪水计算根据九条岭水文站19 7 2 年 2 0 2 0 年实测洪水资料，同时考虑历史特大洪水（18 9 5年Q=611m/s）组成不连续系列，进行设计洪水计算。经验频率以水电工程设计洪水计算规范（NB/T 350 46-2 0 14)中的公式进行估算；用矩法初估统计参数，采用P-型频率曲线适线确定统计参数。对不连序系列，经验频率计算的公式具体可表述如下：1）a 个特大洪水的经验频率为：MPM=M=1,2,aN+12)n-1个连序洪水的经验频率为：am-1Pm=N+1式中：PM为第M位特大洪水的经验频率；N为调查考证期；a为在N年中连续顺序位的特大洪水项数；n为实测洪水系列项数；l为实测洪水系列中抽出作特大洪水处理的项数；Pm为实测系列第m项的经验频率。统计参数Q和C矩法估算公式为：N-an(2Q;+1N-1a(K,-1)十可靠程度N一(m/s)j-1807较可靠1945453189561119454411895196No.11November,2023am=l+1,nN+1/n-l+12o.)n-l=l+1N-a之(K-1)nn-l=l+1经计算，九条岭水文站设计洪水成果见表2，频率曲线图较可靠见图1。供参考供参考供参考表2 九条岭水文站设计洪水成果表均值/不同频率设计值/（m/s）CC.IC(ml/s)0.1%0.2%0.5%1%2%5%10%1300.81140012001000(%/)/鲁8006004002000.01 0.05 0.10 0.2 0.55 10 20 30 40 50 60 70 80 90 95 98995 99899.9599.99P/%图1九条岭水文站年最大洪峰流量频率曲线图5.3月成果合理性分析将本次计算的九条岭水文站设计洪水成果与甘肃省肃南县西营河九条岭水电站工程初步设计报告（2 0 0 8 年）（以下简称九条岭水电站初设报告）成果进行对比分析，其对比表见表3。根据表3可知，本次计算的九条岭水文站设计洪水成果较九条岭水电站初设报告成果相差-3.10%4.59%之间。随着水文站资料系列的延长，洪水均值减小，但C增加，致4912806668566466340250频率曲线：九条岭水文站年最大洪峰流量频率曲线资料年份：19 7 2 年 2 0 2 0 年计算参数：E=130C=0.42C=4.59（矩法）采用参数：E=130C.=0.81C/C=4（P-II型）第11期2023年11月使各频率洪峰流量设计值较九条岭水电站初设报告整体偏大。从工程安全考虑，最终采用本次计算得到的九条岭水文站设计洪水成果。表3九条岭水文站设计洪水成果表均值不同频率设计值/（m/s）项目CC.C(m/s)0.1%0.2%0.5%1%本次设计1300.814912806668.566 466(采用）九条岭水电站初设1370.754872775648553 461343报告相比/%-5.116取水口设计洪水工程取水口位于土塔河与西营河交汇处双窑湾一号水电站下游约1km处，距上游九条岭水文站约12 km。本次采用水文比拟法计算取水口处设计洪水，公式如下：Q取水口=Q水文站(式中：Q取水口、Q水文站分别为取水口、水文站设计洪水，m/s；F取水口、F水文站分别为取水口、水文站集水面积，km；取水口、水文站集水面积分别为138 7 km和10 7 7 km：n 为面积指数，取1。经计算，工程取水口设计洪水成果见表4。表4甘肃皇城站点取水口设计洪水成果表集水面不同频率设计值/（m/s）设计断面积/km0.1%0.2%0.5%1%2%5%10%九条岭水文站1077912806668566 466 340250取水口13871175 1038860 729 6004383227取水口分期设计洪水根据九条岭水文站19 7 2 年 2 0 2 0 年逐月最大流量绘制九条岭水文站历年逐月最大流量散布图，见图2。根据九条岭水文站多年实测资料统计，洪水大多发生在6 月 9 月，因此将6 月9 月划分为汛期；4月 5月由于上游冰川融雪产生洪水，因此将4月 5月划分为汛前过渡期；10 月 2 月水量基本平稳，划分为枯水期；3月水量开始增长，根据施工实际需要，单独划分为一期。250200150100501月2 月3月4月5月6 月7 月8 月9 月10 月11月12 月图2 九条岭水文站历年逐月最大流量散布图汛期（6 月9 月）以外的时段均按不跨期原则进行选样，定时段独立选取九条岭水文站最大流量，组成各时段最大流陕西水利Shaanxi Water Resources量系列。经验频率以水电工程设计洪水计算规范中的公式进行估算；用矩法初估统计参数，采用P-型频率曲线适线确定统计参数，得到九条岭水文站非汛期各分期的设计洪水，频率曲线图见图3图5,汛期（6 月 9 月）的设计洪水直接采用年最大设计洪水成果，九条岭水文站分期设计洪水成果见表5。2%5%10%3402502584.594.003.09 2.35 1.08 0.87 3.10F取水口F水文站年最大值月份No.11November,2023在n项连续洪水系列中，按大小顺序排位的第m项洪水的经验频率Pm，宜采用下列数学期望公式计算：mPmm=1,2,nn+1式中：m为洪水在连序系列中的序位；n为洪水序列项数；Pm为第m项洪水的经验频率。50洪峰流量频率曲线资料年份：19 7 2 年2 0 2 0 年40计算参数：E=12.3C,=0.41C.=0.131（矩法）采用参数：E=12.3C=0.42C/C=3（P-型）(s/)/鲁30201000.01 0.05 0.10 0.2 0.5 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 95 98 9995998 99.9599.99图3九条岭水文站年10 月1日翌年2 月2 8 日最大洪峰流量频率曲线频率曲线：九条岭水文站3月1日-3月31日最大洪峰流量频率曲线200资料年份：19 7 2 年 2 0 2 0 年计算参数：E=5.48C,=1.73C=3.88（矩法）采用参数：E=5.48C=2.62C/C=2（P-I型）150100500.01 0.05 0.10 0.2 0.55 10 20 30 40 50 60 70 80 90 95 98 9995998 99.9599.99P/%图4九条岭水文站年3月1日3月31日最大洪峰流量频率曲线频率曲线：九条岭水文站4月1日-5月31日最大洪峰流350量频率曲线资料年份：19 7 2 年2 0 2 0 年300计算参数：E,=82.7C,=0.43C=0.352（矩法）采用参数：E,=82.7C,=0.46CJC=2（P-II型）250(u)/鲁2001501005000.01 0.05 0.10 0.2 0.55 10 20 30 40 50 60 70 80 90 95 98 99 99.5 99.8995 99.99P/%图5九条岭水文站年4月1日5月31日最大洪峰流量频率曲线表5九条岭水文站分期设计洪水成果表统计参数分期均值C,C/C,2%5%10%20%10月1日 翌年2 月2 8 日12.30.423.026.022.219.216.03月1日 3月31日5.482.622.052.830.316.25.824月1日 5月31日82.70.462.01781541341126月1日 9 月30 日1310.814.0466340 250169(下转第6 7 页）.61频率曲线：九条岭水文站10 月1日翌年2 月2 8 日最大各频率设计值P/%单位：ms第11期2023年11月3.3与典型洪水比较选取代表性较好的2 0 19 年台风“利奇马”暴雨洪水，石村水文站水位自2 0 19 年8 月10 日17 时1.7 0 m开始上涨，8 月13日14时实测洪峰流量52 1m/s，相应水位5.8 5m，重现期接近50 年一遇，为实测历史第二大洪水，至8 月14日15时达到最高水位5.9 2 m，涨幅4.2 2 m。小清河水位在保持5.91m25h后，于15日5时开始平稳回落，回落过程缓慢。2022年“10 4”特大洪水洪峰流量较2 0 19 年“利奇马”暴雨洪水高12 1m/s（占比2 3%），而相应水位低0.2 m，见表3。2022年“10 4”特大洪水出现大流量低水位，经分析，主要因2 0 2 0 年实施完成的小清河防洪综合治理工程，干流扩挖、提防加固、路改桥和子槽扩挖，分洪道及子槽全线贯通，分洪道流量由9 0 0 m/s提高到130 0 m/s,有效改善了以前干流中下游段水位高、流量小的局面5。表3石村水文站2 0 19 年“利奇马”与2 0 2 2 年“104”洪水要素比较暴雨洪水时间2019年“利奇马”暴雨洪水8 月13 日14时3 0 分2022年“10 4”暴雨洪水10 月4日13时47 分5.6 5注：表内水位高程基面为冻结基面。4结论与建议（1）流域降水量及其时空分布是影响洪水过程的关键因素。本次暴雨覆盖小清河全流域，雨量均衡，总量大，流域上、中、下游段最大2 4h降水量均超过10 0 mm，是该流域发陕西水利Shaanxi Water Resources生2 0 2 2 年“10 4”特大洪水的主要因素。（2）小清河2 0 2 2 年“10 4”特大洪水，是自19 6 4年有实测记录以来的最大洪水，石村水文站洪峰流量6 42 m/s,重现期超10 0 年一遇，洪水过程总历时16 日，场次洪水径流量372万。（3）小清河流域水量调蓄功能显著增强。小清河经过全流域的综合治理，干流过水能力大幅度提升，洪峰流量增大相应水位却降低，尤其在应对2 0 2 2 年“10 4”特大洪水过程中充分发挥了防洪效益，是河道治理成效的有力验证。（4)进一步加强小清河流域暴雨洪水的水文监测工作，研究产汇流规律，强化洪水预报、预警方案，开展洪水遭遇风险分析，更好的进行小清河防汛调度，最大限度减少人员伤亡和财产损失，为经济社会持续健康发展提供坚强保证。相应流量1陈军武，黄维东，朱晓涛，等.祖厉河流域最大暴雨洪水特性研水位/m/(m/s)究J.人民黄河,2 0 2 0,42（4)：7-11.5.852徐应林.高滩水文站“7.18”暴雨洪水特性及成因分析J.陕西521水利,2 0 12(3):10 1-10 2.6423】陈仲桥.高要水文站“17.7”洪水分析J.广东水利水电，2 0 18(3):25-28.4 刘宝涵，李洪斌.东辽河辽源水文站“2 0 13.8 16”暴雨洪水简析J.吉林水利,2 0 14(11):46-47.5黄一为,赵新,窦俊伟,等.缘何洪峰流量增大水位却低很多？N.中国水利报,2 0 2 0-7-2 0（3）.No.11November,2023参考文献（上接第6 1页）参考使用。将九条岭水文站分期设计洪水成果按面积比的一次方折算至取水口断面，得取水口处分期设计洪水成果，取水口处分期设计洪水成果见表6。各分期洪水不跨期使用。表6 取水口分期设计洪水成果表各频率设计值分期2%10月1日翌年2 月2 8 日33.53月1日 3月31日68.04月1日 5月31日2296月1日 9 月30 日6008结语甘肃皇城抽水蓄能电站取水口设计洪水充分利用附近九条岭水文站实测洪水资料进行分析计算，实测洪水资料系列长度达49 年，并充分考虑了历史洪水调查成果，同时对比已建工程设计报告成果，对本次设计洪水成果进行了合理性分析。经分析，本次选取的设计依据站科学合理，实测洪水资料及历史调查洪水资料可靠，计算、分析方法科学合理，设单位m/s计洪水成果合理可靠，可为工程设计、防洪及调度运行等提供技术依据，也可为类似工程建设提供借鉴参考。根据施工需要，对施工期分期洪水进行了计算，以供施工组织设计中5%10%28.624.739.020.919817343832220%20.67.50144218参考文献1陈庭兴，吕海深，朱永华.基于CEV分布的西营河流域洪水特性分析J.干旱区研究,2 0 2 1,38（6)：156 3-156 9.2李荣文.西营河九条岭水文站巡测探讨.地下水,2 0 2 0,42(2):163-164,192.3胡铁军.西营河九条岭站实行水文间测分析J.甘肃水利水电技术,2 0 14,50 (6):8-10,12.67