沙滩水电站工程水文方案

沙滩水电站工程水文方案1.1流域概况1.1.1流域及河流概况沙滩水电站发电厂房布置在东安江枫木冲支流大桂冲右岸，位于沙滩村下游约300m处。东安江属西江水系贺江支流的一级支流，发源于贺州市八步区南部大桂山的东南麓，源于东南麓的大桂冲向南流经八步区步头镇保塘、鱼腮、鸡婆坪、塘里凹、大曲、八步区仁义镇枯木口、苍梧县沙头镇车田头、咸菜、三门、沙滩、叹花；大桂冲和石川冲在叹花汇合后称为枫木冲后，继续向南流经野芋、牛冲口、新建、山口、思艾；枫木冲与东安江另一支流塘湾河在距沙头镇2km处的横江汇合后称为东安江，自北向南流，经苍梧流入广东封开，在大洲与贺江主流汇合后流入西江。东安江由发源点到出口，河道长为168km，平均坡降为1.91‰，自然落差为320m，流域面积2165km2。东安江流域形状呈扇形，河流两岸高山耸立。流域地势北高南低，四周山峰高程大多在500~1000m。流域内居住人口不多，主要分散在河流两岸，如山口、新建、沙滩、山瓜等处，只有少量水田，零星分散在河流两岸。当地农民收入以林业为主，林业收入约占80%。流域内大部分为林区、林木茂盛，森林覆盖率达85%，林木主要品种为灌木林、松林、杉林，沿河两岸有少量竹林。东安江新建以上河段规划兴建3座梯级电站：新建水电站、沙滩水电站和参田水电站，其中新建水电站已在建设中。东安江新建以上河段梯级电站开发规划见下表1.1-1。表1.1-1东安江新建以上河段梯级电站开发规划梯级电站名称新建参田沙滩备注水库正常蓄水位(m)102117.5185发电正常尾水位(m)70102117.5设计水头(m)28.515.061.0总装机(kW)6900320010000备注建设中未建本次设计沙滩水电站为混合式电站，引水总集雨面积为240km2，引水坝址位于石川村附近的石川冲上，集雨面积109km2，主坝址位于咸菜村附近的大桂冲上，集雨面积131km2，电站厂房位于沙滩村附近的大桂冲右岸，距沙头镇约25km。各坝址流域特征值见表1.1-2。各坝区所在地均为荒山及松杂林，库盆内无工厂、矿山及其他建筑，其水源主要是东安江的支流大桂冲和石川冲上游降雨量形成的径流，这部分流域植被覆盖和水土保持良好，对减少淤积和涵养水源、增加基流起很大作用。表1.1-2各坝（厂）址流域特征值表序号坝（厂）址名称所在河流集雨面积(km2)主河长(km)平均坡降(‰)1引水坝址石川冲10920.6311.362主坝大桂冲13126.3510.893厂址大桂冲13930.3610.641.1.2工程上游水利工程沙滩水电站建设在东安江的上游，流域内人口居住分散，主坝及引水坝址上游无较大的水利工程，对该东安江段的径流无调节作用。1.1.3水土保持概况东安江流域沙滩水电站各坝址上游人口居住不集中，交通不便，资源开发少，基础设施建设落后，植被保护良好，森林茂密，覆盖率达85%以上，水土流失少，河水清澈。1.2气象东安江流域内无气象站及资料，在下游有苍梧县气象站和梧州市气象站，观测项目有气温、降雨量、风速、风向、湿度等，观测资料年限长，精度较高。苍梧县位于北回归线的南北两侧，地处亚热带季风气候，处于海洋性气候与大陆气候的过渡地带，主要特点是雨量充沛，气候温和，雨热同季。根据苍梧县气象站资料统计，多年平均降雨量1481.7mm，最大年降雨量1925.9mm（1961年），最小年降雨量1001.9mm（1977年）。全年降雨量分布是：4~6月最多，11~12月最少。降雨量空间分布是山区多，平原少，北面多，南面少。苍梧县的日照时数，多年平均为1778.8小时，最多年日照时数为2210.6小时（1963年），最少年日照时数为1516.1小时（1973年），日照差为694.5小时。月平均日照时数超过200小时为7、8月，占全年日照时数的25.35%，最少是2月，仅66.7小时，东安江流域日照时数相对少些。据苍梧县气象站统计，多年平均气温21.2℃，极端最高气温39.9℃（1989.7.17），极端最低气温-1.4℃（1957年2月11）；多年平均蒸发量1420.9mm；多年平均风速1.6m/s，多年平均最大风速14.3m/s，最大风速17m/s（1956年4月8）。在东安江的附近流域富群河上设有富罗水文站，根据富罗水文站资料统计，多年平均降雨量为1684.6mm，最大年降雨量为2561.4mm（1973年富罗水文站），最小年降雨量为1049.9mm（1958年富罗水文站）。降雨量年内分配很不均匀，多集中在4至8月份，汛期4～8月雨量占全年雨量70.8%，洪水多出现于5、6、7月，枯水期多为10月至次年3月，一般秋旱比较严重。该站的降雨量分布与沙滩水电站流域内降雨量分布较为相似，可以作为电站水文及水能计算的参证站。1.3水文测站及水文基本资料沙滩水电站所在东安江流域曾于1959年设立过古角水文站，但七年后于1965年撤消，有记录资料7年。该站于1971年恢复降雨观测记录。邻近流域水文站有位于坝址西南方向直线距离35km的富罗水文站和位于坝址东南方向直线距离25km的信都水文站。富罗水文站：该站于1957年设立，位于富群河上，控制流域面积681km2，观测项目有雨量、径流等，具有1958年至今共46年连续实测径流资料，资料系列完整，精度较高，资料可靠。信都水文站：该站于1955年6月设立，位于贺江上，控制流域面积6430km2，观测项目有雨量、水位、流量、泥沙，为国家基本站，该站资料历年由广西水文局整编刊印，具有1955年至今共48年连续实测径流资料。附近流城还有东球水文站，大宁、杜岭、南乡、八步等雨量站。表1.3-1流域及其附近雨量、水文测站资料系列情况表站名站别集雨面积km2项目（年份）水位流量泥沙降雨蒸发信都水文63401955～20011956.7～1956～现在富罗水文6811958～19881958～现在东球水文24701958～19901980～19901958.4～1996大宁雨量1954.8～1996桂岭雨量1959.10～1996南乡雨量1958.1～1996八步雨量1951.7～19961951～1996古角雨量6081959~19651971.7～1996综上所述，富罗、信都两水文站测验精度较高，连续观测资料系列较长，其整编成果可以使用，因此，以其整编成果作为本电站水文、水能计算的依据。从与测站距离来看，虽然信都站较富罗站近些，但是从汇流面积来看，富罗水文站控制汇流面积是电站总汇流面积的1.90倍，信都水文站控制汇流面积是电站总汇流面积的26.98倍。而从广西水文降雨等值线图上看，1700mm降雨等值线均穿过电站汇流区和富罗水文站以及信都水文站。由此可见，以上两水文站观测成果均较可靠，与本电站形成降雨的气象条件也基本相同，但富罗水文站控制汇流面积与本电站汇流面积相差较小，故选择该站作参证站。1.4径流1.4.1径流系列及其代表性分析东安江流域内的地表和地下径流主要由降雨形成，流域内森林资源丰富，植被覆盖率高，水资源涵养好，枯水期径流大，河流落差大，适宜开发高水头电站。由于东安江流域内无水文站，而在邻近流域富群河上设有富罗水文站，控制集雨面积681km2。富群河流域的上游自然地理条件和气候条件与东安江流域基本相似，作为参证流域，但要通过集雨面积和流域降雨量修正。此外，由于两者不属同一流域，本电站汇流区地处大桂山原始森林，径流系数稍大些，因此还应考虑两者在流域植被、地质下垫面以及人类活动等方面的差异对径流的影响，按多年平均径流系数进行修正。电站坝址年径流选用富罗水文站为参证站采用水文比拟法进行计算。计算公式为：Q设=K1×K2×K3×Q参K1——面积修正系数；K2——多年平均降雨量修正系数；K3——多年平均径流修正系数。东安江流域的年平均降雨量采用距沙滩水电站坝址较近的信都雨量站多年平均降雨量，降雨量取为1750mm，富罗水文站多年平均降雨量为1684.6mm；查《广西水文图集》多年平均径流系数等值线图，沙滩水电站坝址以上流域重心多年平均径流深约为0.575，富罗水文站多年平均径流深约为0.525。富罗水文站有1958年至2004年实测径流系列资料，考虑集雨面积、降雨量、径流修正后，将富罗水文站年径流移置至电站坝址，得出沙滩水电站坝址1958年至2004年径流系列资料。根据富罗水文站实测径流系列资料，计算出两个坝址1958年至2004年共47年的流量系列，把年径流量由大到小排队，计算各年径流量的经验频率，点绘于频率曲线坐标系统中，并计算坝址多年平均流量。根据经验点据，选配合适的理论频率曲线，用适线法，最后采用Cv=0.36，Cs=2Cv的皮尔逊Ⅲ型曲线适线，年径流各频率流量值如表1.4-1，频率曲线见图1。表1.4-1坝址年径流计算成果表系列年数均值Q(m3/s)CvCs/Cv流量（m3/s）10%15%20%50%80%85%90%478.130.36211.0411.1410.457.785.645.194.67根据富罗水文站1958年至2004年共47年年平均流量统计分析其累积均值过程线，从图2过程线上可以看出，该站的年径流有明显的丰枯变化，其中包括特丰年1973年和特枯水年1991年，累积均值过程线随着时间的增长，变幅越来越小，变化趋于稳定接近1，说明富罗水文站这47年径流系列已具有较高的代表性，可以作为沙滩水电站水文和水能计算的依据。图2：年径流累积均值过程线1.4.2年径流合理性检查根据前述，推求得坝址处多年平均流量为8.13m3/s，年径流总量为1.565亿m3，多年平均径流深为1069mm。采用等值线图法论证电站坝址年径流计算的合理性。由《广西水文图集》等值线图查得坝址处多年平均径流深约为1050mm。由此可见，查图值与计算分析成果较接近，因此认为沙滩水电站的年径流分析计算成果是合理可靠的。1.4.3设计代表年和年内分配根据沙滩水电站在苍梧县电力系统中所占的比重，按《小水电水能设计规程》规定，水电站的设计保证率设为80%。设计代表年的选择：是从年径流量频率曲线上选取丰、平、枯三个特定年份作为设计代表年，按设计保证率20%、50%、80%，在年径流频率曲线上查得相应的年径流量，再在坝址径流长系列中初选与年径流量相近的年份作代表年，从选取的代表年中考虑年径流丰水段、枯水段的水量在年内分配比例，最后确定三个代表年：丰水年1961年（P=20%）、平水年1967年（P=50%）、枯水年1969年（P=80%），其径流年内分配即代表相应设计年的年径流年内分配。由设计代表年丰、平、枯水年的设计值修正实际值，得出设计丰水年、平水年和枯水年的年平均径流量及年内分配。各代表年各月、旬径流年内分配见表1.4-2和表1.4-3。1.4.4旬平均流量保证率曲线沙滩水电站的旬平均流量保证率曲线，根据丰、平、枯设计代表年旬平均流量资料打乱排队，计算坝址旬平均流量保证率曲线，绘制保证率曲线，见图3，计算成果见表1.4-4。沙滩水电站代表年及年内分配表表1.4-2单位：m3/s代表年月平均流量（m3/s）年径流(m3/s)456789101112123丰水年(P=20%)1961~196226.9115.5824.268.3211.8414.234.083.967.171.041.144.8410.45中水年(P=50%)1967~196817.3116.075.303.9629.416.871.643.311.191.151.971.247.78枯水年(P=80%)1969~19708.9419.129.034.6210.141.563.321.960.751.601.064.575.64代表年平均17.7216.9211.865.6317.467.553.353.083.371.261.393.887.96表1.4-3沙滩水电站各代表年径流量旬分配表单位：m3／s月份旬20%年型50%年型80%年型4上1.2320.8910.02中17.1314.5714.41下61.2116.265.425上13.7516.653.68中15.6519.2427.20下17.6611.5324.346上41.6311.0511.68中26.761.609.47下5.121.195.157上11.707.041.95中5.281.211.90下8.211.717.378上20.0351.2713.92中5.6021.9411.57下13.3115.124.529上31.8911.701.45中6.513.751.28下4.684.080.8310上7.411.020.70中1.351.223.67下1.763.555.1211上1.973.901.26中7.903.701.91下1.141.301.5512上4.591.571.12中3.231.930.55下13.341.040.521上1.151.060.57中1.141.081.14下0.871.281.822上0.743.831.70中1.781.981.37下4.421.841.913上1.703.437.09中7.871.654.25下5.041.661.24平均10.557.805.57代表年平均7.97表1.4-4沙滩水电站旬平均流量保证率成果表保证率（%）510152050808590流量（m3/s）33.6223.0615.3811.263.621.961.451.12图3：坝址旬平均流量保证率曲线1.5洪水1.5.1暴雨洪水特性东安江流域界于贺江干流和富群水之间，年降雨及暴雨因受地理位置及地形影响，既受西江的台风雨影响，更受桂江流域的早春雨影响，而后者更为密切，暴雨期主要发生在4~9月份。本流域暴雨多为峰面雨，一般峰高量不大，大洪水过程一般最多延长至1~2天。洪水的特点是暴涨暴落，峰高，历时短，洪水过程线呈尖瘦型，具有明显的山区河流洪水特性。1.5.2洪水标准沙滩水电站工程以发电为主，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）规定，主坝、引水坝水库工程规模均为小(1)型，工程等别为Ⅳ等，永久性主要建筑物大坝、泄洪等建筑物为4级；电站工程规模为小(1)型，工程等别为Ⅳ等，厂房及引水建筑物为4级，临时性建筑物为5级。按照《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）规定，采用洪水标准如下：大坝洪水标准：设计洪水标准50年一遇(P=2%)，校核洪水标准500年一遇(P=O.2%)；电站厂房洪水标准：设计洪水标准30年一遇(P=3.33%)，校核洪水标准100年一遇(P=1%)。1.5.3设计洪水由于坝址附近无实测水文资料，故洪水计算根据广西《暴雨径流查算图表》中的瞬时单位线法及《广西中小河流设计洪水计算方法研究》中的推理公式法两种方法推求坝址及厂址处的设计洪水。厂址与坝址区间集雨面积较小，其设计洪水拟直接取用坝址同频率洪水。1、推理公式法根据富罗水文站年最大1、6、24小时降雨量资料，进行相应频率计算，计算成果见表1.5-1。表1.5-1富罗水文站最大降雨量频率计算成果表时段系列年数均值(mm)CvCs降雨量(mm)0.2%0.5%1%2%3.33%5%10%1h3145.30.303.5101.393.987.280.375.370.963.56h4083.50.343.5206.0187.3171.8157.8146.9137.7121.524h40119.50.353.5300.1271.5251.2229.0213.0199.3175.5根据《水利水电工程设计洪水规范》中的小流域设计洪水计算的推理公式计算各坝址的洪峰流量，计算洪峰流量的公式为：Qm=0.278××FSp=Hp/24(1-n)式中：Qm——洪峰流量（m3/s)；h、hτ——单一洪峰的净雨和相应于τ时段的最大净雨(mm)；F——集雨面积(km2)；0.278——单位换算系数；τ——流域汇流时间(小时)；L—河长（km）；m—汇流参数；n—暴雨递减指数；hτ—τ历时内最大降雨量；J—沿流程L的平均比降；Hp—设计频率为p的最大时雨量（mm）。采用上述推理公式计算各坝址洪峰流量成果表1.5-2。表1.5-2各坝址洪峰流量成果表（推理公式法）坝址名称集雨面积F（km2）洪峰流量(m3/s)0.2%0.5%1%2%3.33%5%10%20%引水坝109132912361090962876769691561主坝13115421337121510729778997586132、瞬时单位线法根据《暴雨径流查算图表》，分析得24小时暴雨分配如表1.5-3。表1.5-324小时暴雨雨型分配表时段(h)123456789101112比例(%)1.01.11.11.21.21.33.03.13.33.43.74.0时段(h)131415161718192021222324比例(%)3.13.54.15.27.427.81.81.71.61.51.41.4根据以上雨型，采用瞬时单位线法计算设计洪水，结果见表1.5-4。表1.5-4各坝址洪峰流量成果表（瞬时单位线法）坝址名称集雨面积F（km2）洪峰流量(m3/s)0.2%0.5%1%2%3.33%5%10%20%引水坝109137112671112945842738663527主坝13115961363123310569398677325763、设计洪水成果的采用由表1.5-2和表1.5-4成果可知，两种方法计算成果相差不大，经综合分析后采用瞬时单位线法成果。1.5.4施工洪水水库各坝址施工期的设计亦采用暴雨计算洪水方法进行，富罗水文站枯水期最大24小时降雨量频率计算成果见表1.5-5。枯水期施工洪水计算成果见表1.5-6。表1.5-5富罗水文站枯水期最大24小时降雨量频率计算成果表时段均值(mm)CvCs/Cv降雨量(mm)0.2%0.5%1%2%5%10%20%10月～次年3月480.703.5239203177150116906611月～次年3月350.703.5174148129109846648表1.5-6沙滩水电站各坝址洪峰流量计算成果表坝址名称洪峰流量(m3/s)10月至次年3月11月至次年3月20%10%5%20%10%5%引水坝址821793023982152主坝址9321633046961851.6泥沙沙滩水电站水库坝址以上没有泥沙观测资料，附近流域信都水文站1957年至1972年共16年完整实测含沙量资料，其多年平均输沙量为151万t，最大年输沙量为294万t（1961年），最小年输沙量23.8万t（1963年），多年平均含沙量0.226kg/m3，实测最大含沙量5.61kg/m3（1964年4月5日)，泥沙来量集中在汛期4~9月，占年输沙量的93%。电站主坝和引水坝坝址以上流域集雨面积分别为131km2、109km2，均远小于信都水文站流域(6340km2)，本次设计两坝址以上的泥沙分析移用信都水文站资料，移用时考虑了地方经济的发展及水库建成后生态环境及人类活动等自然因素的影响，由此计算得沙滩水电站大桂冲主坝水库年输沙量约3.5万t，石川冲引水坝水库年输沙量约1.8万t。1.7坝、厂址水位~流量关系坝、厂址均无水文站，本次坝、厂址水位~流量关系是根据实测坝、厂址河道纵、横断面、枯水水面比降，明显的洪痕比降及河岸洪水遗留物高程及各级水位情况，选定河床糙率及比降按