蒲石河抽水蓄能电站水库冰情研究

赵海镜，刘书宝，张艳红

(1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024；2.隆化县水务局，河北 承德 068150)

冰冻问题是我国北方地区普遍存在的自然现象，目前我国正在大力发展新能源产业，在寒冷地区规划了大量的抽水蓄能电站，这些抽水蓄能电站的规划设计、运行都不同程度地遇到冰冻问题。与常规水电站不同，抽水蓄能电站具有两个显著特点：①水库库容一般比较小，水库水位涨落幅度较大；②抽水蓄能电站有发电和抽水两种主要运行方式，在正常运行情况下，抽水蓄能电站上下水库水位每天一般都要至少经历一个水位涨落循环。寒冷地区抽水蓄能电站水库冰情特点具有和常规电站水库冰情不同的特点，为解决寒冷地区抽水蓄能电站的设计和运行中遇到的问题，有必要开展抽水蓄能电站水库冰情研究[1]。

蒲石河抽水蓄能电站位于北纬40°25′的辽宁省丹东市宽甸满族自治县，所处地区气候严寒，丹东气象站最冷月(1月份)平均最低气温为-12.8 ℃，极端最低气温为-38.5 ℃。据蒲石河抽水蓄能电站水库冰情原型监测成果，该电站水库冬季形成的冰盖会侵占水库库容，造成发电库容减小，并在一定程度上影响电站机组运行，甚至对水工建筑物造成冰冻破坏[2]。本文在研究电站水库冰情形成及消长过程的基础上，分析电站机组运行和水库冰情之间的关系，提出建议的冬季运行方式；力图得到蒲石河抽水蓄能电站水库最大冰厚的计算方法，进而建立能模拟电站水库冬季结冰过程的数学模型，为确定水库冰冻库容及提出防冰害措施提供参考。

1 工程概况

蒲石河抽水蓄能电站(以下简称“蒲石河电站”)总装机容量为1 200 MW (4×300 MW)，属一等大(1)型工程。主要建筑物由上、下水库大坝，下水库泄洪排沙闸，水道和地下厂房系统等工程组成。

上水库位于长甸镇东洋河村泉眼沟沟首，上水库挡水建筑物为钢筋混凝土面板堆石坝，正常蓄水位392.0 m，相应库容1 135万m3，死水位360.0 m，死库容95万m3，总库容为1 256万m3。坝长714.0 m，最大坝高78.5 m，坝顶宽10.0 m，坝顶高程395.5 m[3]。

下水库位于鸭绿江右岸支流蒲石河干流下游，坝址在长甸镇王家街附近。下水库正常蓄水位66m，相应库容2 871万m3，死水位62 m，死库容1 616万m3，调节库容1 255万m3。下水库挡水建筑物为混凝土重力坝，挡水坝段分重力坝段、门库坝段、导流底孔坝段。坝顶高程为70.1 m，坝顶全长为336 m(包括泄洪排沙闸和单孔溢流坝段)，最大坝高34.1 m。重力坝段顶宽9.5 m，门库坝段坝顶宽度16.5 m。

2 水库冰情分析

依据蒲石河电站2013年～2014年冬季、2014年～2015年冬季和2015年～2016年冬季原型监测资料，对该电站冰情进行分析研究。在冰情观测期内，电站机组均正常运行。

2.1 水库冰情形成及消长过程分析

2.1.1上水库

蒲石河电站上水库冬季结冰形态为厚冰盖、薄冰、流冰及碎冰，冰盖与面板之间有动水带出现，结冰起始日期在11月中、下旬至12月中旬之间，融冰结束日期在3月下旬至4月中旬之间，最大冰厚都出现在2月中旬左右。其中，在2013年～2014年度冬季，上水库最大冰厚约为25 cm，动水带宽约2～50 cm(其中库中心冰盖与大坝面板之间的动水带宽度为2～10 m，进/出水口顺水流方向动水带宽约30～50 m)；在2014年～2015年度冬季，上水库最大冰厚约为18 cm，动水带宽约3～60 cm(其中库中心冰盖与大坝面板之间的动水带宽度为3～20 m，进/出水口顺水流方向动水带宽约40～60 m)；在2015年～2016年度冬季，上水库最大冰厚约为30 cm，动水带宽约2～40 cm(其中库中心冰盖与大坝面板之间的动水带宽度为2～15 m，进/出水口顺水流方向动水带宽约20～40 m)。

2.1.2下水库和砬子沟水库

在冰情观测期内，蒲石河电站下水库冬季结冰形态为厚冰盖，闸门前布置了射流法扰动防冰装置，冰盖与下水库闸门之间有宽约2～8 m的动水带出现。在2013年～2014年冬季、2014年～2015年冬季和2015年～2016年冬季，下水库最大冰厚分别为65 cm、40 cm和55 cm，出现在1月上旬～2月上、中旬，动水带宽约1～3 m。下水库进/出水口顺水流方向库面为无冰的水域，在2013年～2014年冬季水域顺水流方向长约450 m，宽为全河宽；在2014年～2015年冬季水域顺水流方向长约350 m，宽约为全河宽的3/4；2015年～2016年冬季水域顺水流方向长约200 m，宽约为河宽的2/3。结冰起始日期在11月中、下旬至12月中旬之间，融冰结束日期在3月中、下旬。

砬子沟水库为距离大坝下游约4 km的常规水库，2013年～2014年冬季、2014年～2015年冬季和2015年～2016年冬季，砬子沟水库结冰形态为厚冰盖，最大冰厚60 cm、38 cm和55 cm，约出现在2月中旬至3月初之间，无岸冰。结冰起始日期在11月中旬前后，融冰结束日期在4月中旬。

2.2 机组运行和水库冰情的关系分析

2013年～2014年冬季和2014年～2015年冬季的运行实践证明，只要采取包括足够运行次数和运行时间的冬季运行方案，上、下水库均不会形成完整冰盖，从而不会对电站运行产生明显影响。为了保证蒲石河电站冬季运行不受冰冻影响，有必要研究电站机组运行(包括运行频次、时间等)和冰情之间的关系。

2.2.1研究时段内的电站机组运行情况

蒲石河电站在2013年～2014年冬季和2014年～2015年冬季的最冷月，机组日均运行次数(抽水次数和发电次数的总和)分别为9.63次和9.98次，机组日均运行时间分别为36.3台·时和38.6台·时。2013年～2014年冬季和2014年～2015年冬季上、下库水位差的变幅分别为1.82、3.23 m。

2.2.2电站机组运行对上水库冰情的影响

2013年～2014年冬季和2014年～2015年冬季，机组正常运行，在未采取库水扰动措施的情况下，由于机组运行、水位升降，在库岸和冰盖之间产生大面积的的冰水混合变动带，上水库最大冰厚分别为25、18 cm左右。

2.2.3电站机组运行对下水库冰情的影响

2013年～2014年冬季和2014年～2015年冬季，机组正常运行，下水库进/出水口至拦河坝库区，结冰形态为完整的厚冰盖，最大冰厚分别为65、40 cm；由于闸门前布置了射流法扰动防冰装置，冰盖与下水库闸门之间有宽约2～8 m的动水带出现；在下水库进/出水口附近出现大面积水域，为无冰水面，有的年份水域可直达对岸，将河上、下游冰盖隔开。下水库拦河坝下游约4 km处的砬子沟水库最大冰厚分别为60、38 cm。

据目前已有的冬季运行资料和冰情监测资料，在不出现极端寒冷气温的条件下，在最冷月，蒲石河电站采用日均运行次数不少于9.61台·次、日均运行时间不少于39.6台·时的冬季运行方案，上、下水库一般不会形成完整冰盖，对电站运行不会产生明显影响。

2.3 水库最大冰厚计算方法

依据前述抽水蓄能电站运行与水库冰情的关系分析，抽水蓄能电站运行情况会影响到一定范围内的库区最大冰厚。按照最大冰厚是否受电站运行影响，抽水蓄能电站水库库区可分为不受运行影响区域(指距离进/出水口较远，冰厚受水位变化影响可忽略不计的区域)、受水库运行影响区域(指距离进/出水口较近，结冰厚度较小、冰厚受水位变化影响不可忽略的区域)和水域(指进/出水口附近受水位变化影响较大的不结冰区域及其他不结冰区域)三部分。

经过筛选分析，抽水蓄能电站水库冰厚主要受到机组运行要素(运行次数、运行时间、上下库水位差)、气温、水温、地温、辐射等因素影响。

2.3.1下水库最大冰厚计算方法

蒲石河电站下水库最大冰厚位于不受水位变化影响区域，最大冰厚采用下式计算[4]。即

(1)

式中，δip为寒冷地区抽水蓄能电站水库冰厚，m；φi为冰厚系数，一般可取0.022～0.026(严寒地区宜取大值)；Im为历年最大冻结指数，℃·d。

2.3.2蒲石河抽水蓄能电站上水库最大冰厚计算方法

据已有实测资料，蒲石河电站上水库全库面最大冰厚均受到电站运行影响。结合实际收资情况，归纳蒲石河电站2013年～2014年冬季、2014年～2015年冬季和2015年～2016年冬季水库冰情原型监测资料，对冰厚δip(m)和日均运行次数Nr(次)、日均运行时间Tr(h)、气温Ta(℃)、水温Tw(℃)及上下库水位日变幅的绝对值|ΔH|(m)开展多元回归分析，对蒲石河电站上水库的19组资料进行多元回归分析，得到与蒲石河电站上水库条件类似的受电站运行影响区域的水库最大冰厚计算关系式

δip=1.84-0.023 1lnNr-0.0193 lnTr-0.427 8ln(Ta+50)-0.027 1lnTw-0.017 0ln|ΔH|

(2)

由式(2)可知：各自变量前的负号表示冰厚δip随日均运行次数Nr、日均运行时间Tr、气温Ta、水温Tw及上下库水位日变幅的绝对值|ΔH|中每一个参数的增大而减小；各自变量前的参数绝对值大小反映了各自变量对因变量的影响程度。即，各影响因素对冰厚δip的影响程度由大到小排序依次是气温Ta、水温Tw、日均运行次数Nr、日均运行时间Tr和上下库水位日变幅的绝对值|ΔH|。该式系根据蒲石河电站3个年度冬季的原型监测资料分析得到，所依据的资料数量及资料的应用范围有限，其适用性有待于在后期工程应用中验证和改进。

3 蒲石河电站水库冰情数值模拟

蒲石河电站水库冰情数学模型由水力计算模块、温度扩散模块、冰盖热力消长模块3个模块组成。模型初步具备人机互动的交互式对话框界面，并具有图形显示库区冰厚模拟结果的功能，模拟结果主要包括库区最大冰厚和冰冻库容值。

3.1 水力计算模块

水力计算模块的模型控制方程如下：

(3)

动量方程

(4)

(5)

式中，h为单元水深，m；Z为水位，Z=Z0+h，m；Z0为床面高程，m；S为源汇项，m/s；qx、qy分别为x、y方向上的单宽流量，且qx=hu，qy=hv，m3/(s·m)；u，v分别x、y方向上的平均流速，m/s；n为糙率；g为重力加速度。

抽水蓄能电站库区在进水和出水过程中库区水位整体上升或下降。因此，在模拟计算时必然涉及到动边界处理技术，亦即干湿床面问题。动边界是指平面计算区域中有水和无水区域的交界线。借鉴洪水流动过程中的动边界处理方法，在计算域包含所有干湿网格的前提下，动边界处理技术主要考虑将整个计算区域内的网格都参与计算，并用“水位平铺”方法，将动边界问题转化为网格干湿问题[5]。需要指出的是，由于所有网格都参与了计算，对于网格数目庞大的模拟计算，应尽量将水流始终不能到达的网格剔除，从而减少计算上的浪费。

3.2 温度扩散模块

计算热传导及温度扩散问题，需求解能量守恒方程[6]

(6)

式中，Cp为比热容，水的比热容一般取值4 200 J/(kg·℃)；T为温度，℃；k为流体的导热系数，一般水体的导热系数为0.55 J/(m·℃·s)左右；ST为流体的内热源及由于粘性作用流体机械能转换为热能部分，J。

将式(6)转换为平面二维控制方程

(7)

3.3 冰盖热力消长模块

抽水蓄能电站的冰厚日变化值Δ(hi)d可视作为冰盖和大气、冰盖和水体以及冰盖和太阳辐射的热交换联合影响下的结果，因此有

(8)

将冰厚日变化值按照冰期天数求和，即可得到冰期任一天的冰盖厚度数值解。式(8)即为本研究提出的抽水蓄能电站冰盖热力消长模块基本控制方程。

3.4 冰情数学模型实例应用计算结果分析

3.4.1上水库

依据蒲石河电站上水库冰情实测资料，取2014年～2015年冰期为实例应用研究时段。自2014年12月1日起，气温转负，因此将该日期选为冰期计算的起始日期，此外将2015年1月19日定义为冰期计算域最末一天，整个计算日期共计59 d。数学模型计算结果见图1。

图1 蒲石河上水库冰期50 d模拟计算库区冰厚结果

由数值模拟成果可知，进/出水口附近区域在整个计算时段内未有冰盖形成，库区远离进出水口的南部区域的冰盖厚度则由薄变厚，逐日递增，且冰厚的增长速率由块转慢，至计算时段后期已基本趋于稳定。上述模拟结果与原型观测结果基本一致。

3.4.2下水库

下水库实测气象资料与上水库略有差别，本次模拟计算冰期期间(2016年12月12日～2017年1月19日)，数学模型计算结果见图2。

图2 蒲石河下水库冰期39 d模拟计算库区冰厚结果

由图2可见，下水库进/出水口区域附近在整个计算时段内均无冰盖形成，这一显著特征与原型观测成果保持一致。

4 结 语

本文在总结蒲石河电站水库冰情形成及消长过程、统计得出电站机组运行和水库冰情的关系的基础上，得到了如下成果：

(1)提出了蒲石河电站类似工程建议的冬季运行方式：冬季日均运行次数不少于9.61台·次、日均运行时间不少于39.6台·时，上、下水库一般不会形成完整冰盖，对电站运行不会产生明显影响。

(2)分析了蒲石河电站气象条件对冰情的影响因素，提出了与该电站条件类似工程冬季最大冰厚的计算方法：下水库最大冰厚按式(1)计算，上水库最大冰厚按式(2)计算。

(3)建立了抽水蓄能电站冰情数学模型并在蒲石河电站上、下水库进行了实例应用，冰情模型计算结果和原型监测成果基本一致。

本文所得成果可供同类工程借鉴，其适用性有待于在后期工程应用中验证和改进。