作者：徐　伟

摘要：针对万家寨电站运行实际，就水库防汛、科学调度、提高水能利用率、充分发挥社会效益和经济效益等措施进行探讨分析，以合理有效利用有限的黄河水能资源。

关键词：汛限　凌汛　调度　枢纽　万家寨

1　电站概述
黄河万家寨水利枢纽位于黄河北干流上段托克托至龙口峡谷河段内,是黄河中游梯级开发的第一级,其左岸为山西省偏关县,右岸为内蒙古自治区准格尔旗。枢纽主要任务是供水、发电、防洪、防凌等,库容8.96×108m3,向晋蒙两地供水14×108m3/年。电站装机1080MW,安装6台立轴混流式水轮发电机组,属华北电网大型骨干水电调峰电源。1998年11月首台机组并网发电,2000年底6台机组全部投产。
万家寨水利枢纽坝址设计多年径流量200.6亿m3，用于发电和冲沙水量192亿m3，设计多年平均入库沙量1.49亿t。万家寨水库自1998年10月下闸蓄水以来，入库水量一直偏枯，1999～2003年来水量平均为125.6亿m3，仅达到设计多年平均来水量的65；年均来沙量为0.3亿t，为设计多年平均来沙量的30，水库淤积1.4亿m3。

2　汛期调度存在问题
万家寨水利枢纽由于其地理位置和气候特点决定了每年有两个汛期，即洪汛和凌汛。洪汛期：7月15日～10月15日；凌汛期：11月11日～翌年4月20日。不同的汛期决定了万家寨水库不同的调度方式。

2.1　洪汛期调度存在问题
汛期时段较长，与控制流域内实际降水的主要时段有明显差异，致使8月16日以后汛期的防洪库容潜力未得到充分发挥。
设计中汛期7月15日～10月15日库水位不要超过汛限水位966m，电站设计采用的水沙系列为1919～1979年的60年系列，而近年来上游青海、甘肃、宁夏、内蒙等沿黄四省区两岸生产和生活的用水量在加大，近年来来水偏少，原设计系列代表性已不够，设计值偏大。
7月15日到10月15日，主汛期时间较长，共90天，与控制流域内实际降水的主要时段有明显的差异。在2002年大坝安全鉴定时，通过对设计洪水的复核计算，确认原设计洪水可能偏大5以上。按峰量同频率计算，一日洪量应偏大0.38亿m3，相当于将汛限水位从966m抬高到968m的库容差。设计值偏大，使得水库功能一直没有充分发挥。

2.2　凌汛期调度存在问题
2.2.1　水库运用以来库区63～68公里河段达到或超过原设计移民搬迁线
万家寨水利枢纽自下闸蓄水以来，已经历了六个凌汛期，这六个凌汛期，水库运行水位尚未达到设计运行水位，见表2.2-1。
表2.2-1　凌汛期水库运行水位表
从水库运行六年的情况看，库区冰塞、冰坝壅水影响范围均在拐上以下，与设计结论基本一致；封河期实测入库冰量的平均值与设计采用的4020万m3相近。
从表2.2-2在距坝63km处的交通水泥厂附近，最高壅水高程超出该断面移民搬迁高程982.18m达3次。而当时的水库运行水位为960～968m，低于设计运行水位970m～975m。

2.2.2　原有的设计移民高程使得水库在凌汛期不得不低水位运行
据观测分析，封河期入库总冰量应按5300万m3计，单公里河道堆冰量可取150万m3，要使堆冰上游端不超过66km，则堆冰起始点应位于距坝31km处，相应水库水位应为956m。开河期总冰量应按6700万m3计，单公里河道堆冰量可取220万m3，要使堆冰上游端不超过66km，则堆冰起始点应位于距坝36km处，相应库水位应为962m。也就是说，封河期库水位需降至956m左右，开河期库水位需降至962m左右，才能保证堆冰不超过坝上66km。

3　汛期调度可行性与必要性
根据水库运用和电站运行实际，为充分利用万家寨水库有限水能资源，为两网提供优质电能和可靠事故备用容量，发挥其效益，就需要充分利用洪汛期流域内降雨时空分布特点和解决枢纽防凌中存在的移民搬迁线偏低的问题。

3.1　洪汛期实行分期汛限水位的可行性
根据万家寨库区洪水的特点，在保证防汛安全的前提下，分时段采用不同的汛期限制水位，尽量抬高伏汛后期水库运行水位，降低机组发电耗水率，提高发电经济效益。

①水文气象上分析分时段是可行的

根据流域内暴雨特征分析，所有的大暴雨和特大暴雨是发生7月15日～8月11日为主要集中期，这期间的合计平均降水量占6-10月份降水量的33，暴雨过程占全部过程的69.8，这一时间段可以定义为黄河托万区间控制流域内降水的主汛期。8月11日～8月17日一周大气环流开始向秋季型转折，副高脊线向25°N或以南撤，黄河托万区间控制流域降水从主汛期向后汛期转换，这一时间段可以定义为过渡期。从8月18日到9月底，副高脊线快速撤向25°N或以南地区，流域降水量明显快速减少，虽然这一时间段内也有少量的暴雨出现，但明显弱于7月15日～8月10日之间，这一时间段可以定义为后汛期。

万家寨坝址洪水来源有两部分，一是头道拐以上黄河干流洪水，而这部分洪水基本受上游水库控制，不会对万家寨枢纽形成威胁；另一是头道拐至坝址区间洪水（不计大黑河），这部分洪水具有汇流时间短，局部强度大，发生时段在主汛期7月15日～8月15日，对万家寨枢纽构成一定威胁。而主汛期以后暴雨少，洪水来源主要为干流，兰州站以下到头道拐站区间，黄河支流很少，穿行于腾格里与毛乌素沙漠之间，多为大面积干旱沙地和大面积灌区，是黄河径流支出区。因此干流洪水主要来源于兰州以上洪水，而此洪水到达万家寨有12天的预见期，黄河内蒙古河段堤防设计标准为6000m3/s，远小于万家寨泄洪能力。水库可充分利用后汛期的特点提高后汛期水位增加发电效益是可行的。

②水库分时段运用提高水位后水沙特性分析不会产生淤积上延的现象：
根据原回水计算成果，最高蓄水位为980m的回水末端在拐上断面（距坝约72km），因此，后汛期提高水位到974m，虽20年一遇回水末端距离坝址68.7km，较原设计上延了1.2km，但未超过原回水末端的最远点。同时库尾采用新的移民搬迁高程987m时，此处20年一遇回水高程为985.0m。提高后汛限水位到974m，不会产生新的移民问题。

③洪水对工程的防洪安全影响及工程制度保障措施分析是安全的
后汛期最高水位为974m的情况下，根据后汛期的设计洪水（P=0.1）和校核洪水（P=0.01）进行水库调洪计算，水库水位分别为974.08m和974.88m，低于水库的设计洪水位974.99m和校核洪水位979.10m因此，后汛期提高运用水位，不会影响工程本身的防洪安全。

自水库开始运用以来防汛办每年要编制度汛方案报黄河防总、抄送国家防总、晋蒙两省区等防汛机构审批。水工部要按《水工建筑物监督管理标准》和水情自动测报系统开展汛前准备与汛前检查。汛期中：水情部门依据我公司制定的《水库调度及水情测报管理标准》、《水库调度规程》、《水情自动测报系统运行、维护规程》及本制度的要求认真搞好水情水调工作，包括遇大洪水时天桥电站要求我库错峰运用时,按本制度规定的程序进行；水工部要按照《水工建筑物监督管理标准》加强大坝安全观测，发现问题及时向领导汇报。汛后：生产处要汇总汛期发现的水工建筑物缺陷，运行、检修存在的问题，进行消缺、修复；防汛办要对防汛工作进行检查与考核。这一切保证了后汛期提高汛限水位是有可能的。

3.2　凌汛期水库水位达到设计运用的可能性
3.2.1　水库现状决定万家寨水库防凌只能以蓄冰来解决。
对于解决水库冰情不外乎排冰与蓄冰两种方式，排冰对如天桥迳流式电站排冰是可行的。但对于万家寨水库无论怎样的枢纽布置，排冰将难以实现。因为万家寨水库排冰起码应具备两个条件：①水库盖面冰要破碎，而且破碎成孔、洞能排泄的块度；②库内要有足够的流速，能将后续冰块输送到坝前。自1998～2003年流凌期库水位在950～965m冰凌均在运行，堆冰均在距坝30～48km内，30km以内入库洪水主要靠压力波传播，而距坝13km处的Ω型河道，对行凌有阻挡作用，因此水库排冰是不可能的，万家寨水库冰情只能以蓄冰来解决。

要用蓄冰方式解决冰凌问题，就必须预留足够的库尾库容。从1998年水库运用以来，库区冰塞、冰坝壅水影响范围均在拐上以下，与设计结论基本一致；封河期实测入库冰量的平均值与设计采用的4020万m3相近。因此按照设计调度水库是可能的。

3.2.2　按照设计进行水库运用前提――移民搬迁线提高到987m的技术论证
①头道拐水文站流凌封河期和稳封期的水位通常为987～989m之间，最高为989.65m，附近河段比降为0.11‰。其下游17km处的郝家窑子村即为常年封河与不封河的分界点。推算该点的冰面高程一般应在987.10以下，最高不应超过987.8m。这个高程应该作为搬迁高程的上限。

②库尾1999年～2003年7次冰塞冰坝情况表明，交通水泥厂附近发生冰塞冰坝壅水高到6.6m左右后，由于承受不住水压力和水流推力而自动溃决。据调查国内高寒地区哈尔滨、黑龙江冰坝最大高度不超10m，河曲冰塞最高为9m，包头冰坝壅水高为6m左右。
库尾曹家湾（距坝68km处）一带河底高程978m，即使堆冰壅水高度达到9m，也只到987m。

③水库正常水位运行分析
搬迁线提高到987m后，流凌封河期库水位可按975m调度运行。此时，回水末端在距坝61公里处，位于交通水泥厂下游2公里，距喇嘛湾公路大桥9公里，冰塞（冰坝）仍然会形成在交通水泥厂至窑沟火车站河段内。但由于975水位已对该河段形成顶托，由于该河段属于U型河谷，水位升高对弯道的减弱作用又不明显。因此，该河段的铺冰壅水高度仍如从前或有所增加。根据分析，距坝57km处将壅高到983～985m左右，交通水泥厂将壅高到985～986m左右，曹家湾水位将达到986.5m左右，拐上水位986.5m以上。

开河期可将库水位降至970m以下，但不低于955m，以保证发电。此时，回水末端在距坝38～60公里范围内。由前面分析知，开河期间要考虑的冰量至少应为6700万m3，借助上游来水流量大的优势，配合库水位在955～970m之间的实时调度，这6700万m3的冰完全能够进入到曹家湾以下的水库内。

后期，当托县以上来凌时，库内冰凌已大部分融化，库尾堆冰仍会朝坝前运行，库尾腾出的空间已大。同时，若来冰量多，则来水流量就大。来水流量越大，冰凌越容易往坝前运行。

按照设计运行水位后水沙特性并无太大变化，回水距离也未超过原回水末端的最远点。

4　汛期调度模式

4.1　伏汛期调度――实施分期汛限水位。
主汛期7月15日～8月15日仍采用966m汛限水位，8月16日～8月20日过渡期也不宜超过966m运行，8月21日～10月15日后汛期汛限水位抬高至970～974m，进入后汛期时就开始逐步抬高水位。后汛期如进行排沙还要降至957～952ｍ排沙水位运行。

4.2　凌汛期调度――加强实时调度，按设计方式运行
移民搬迁线提高到987m以后，水库水位封河期按975m运行，稳封期按977m运行，春季开河期按970m运行。如果开河期上游来凌量较大，水库水位可以降低，但不低于955m。根据近六年水库运行经验，开河顺序为拐上以下库区河道先开，拐上至托县境内后开，托县以上最后开。托县以下的河道冰和库区尾部的本地冰是形成库尾冰坝险情的主要冰源。枢纽调度可根据托县以下到库内冰情变化情况适时提高库水位，以充分保证防凌安全。

5　新的模式下调度效益
5.1　洪汛分期汛限调度效益

拟实施分期汛限水位，主汛期7月15日～8月15日仍采用966m汛限水位，后汛期汛限水位抬高至970～974m，进入后汛期时就开始逐步抬高水位。据测算，提高后期汛限水位后可增发电量2.09～2.64亿kwh/年；如果考虑最不利情况：后汛期最高运用水位为970m，具备排沙运用条件时，还要降低至排沙水位运用，仍可增发电量0.85亿kwh/年，给电站运行带来直接经济效益。

尤其实行分期汛限水位后，万家寨水库水位提高，为中游不断流和下游调水及调水调沙试验提供了一定的水量保证，也产生巨大的社会效益。实施分期汛限后在下游干旱时可延长向下游补水时间15天。建库以来为引黄济津调水和配合小浪底调水调沙试验共5次。

5.2　凌汛达到设计水位运行效益
将万家寨水库移民搬迁线由现行的984ｍ抬高到987ｍ，避免因降低库水位而损失的电量同时也避免因停机而造成的电量损失。这样，移民线抬高后水库按照设计水位运行可增发电量1.5亿KWｈ/年，若按山西和内蒙古自治区上网电价分别为0.374元/kw.h和0.215元/kw.h；电量按55％供应山西、45供应内蒙古，则水库可增加4537万元经济效益。

6　结束语
万家寨水库为晋蒙两地发展起着巨大的促进作用，实行汛期分期汛限水位和凌汛按设计运用有积极的意义，使电站经济效益更合理优化；同时为黄河调水、保证黄河中游不断流、及下游防汛等社会效益发挥着巨大的作用。