水库设计的主要参数及其影响因素

一、水库正常蓄水位的选择

正常蓄水位Z蓄是指水库为了保证兴利部门正常用水，在供水期开始一般必须蓄到的水位。它是水库设计的主要参数，其选定也是水利枢纽水利设计中极为重要的任务。因为它在很大程度上决定着水利措施的规模、效益、费用及淹没等特性。对于水电站来说，随着正常蓄水位的增高，一方面保证出力、多年平均电能及装机容量都相应增大，不过增率渐减（见图16-8）。这是因为当坝逐渐增高时，水电站的落差及调节流量虽均增加，但调节流量的增加速度，如第十一章中所述，是渐减的；而季节性电能也随调节能力之提高而减少，故电能增加的总趋势就如图16-8所示。但另一方面，正常蓄水位的增高使坝和有关建筑物造价及淹没损失等也相应增加（即基建投资K水和年运行费U水均增加），且其增加率通常是渐增的，如图16-9所示（但单位指标则不一定）。因此，正常蓄水位太高或太低，都不够经济，当中常存在着一个最经济的极限值，这最优的Z蓄就是要选择的对象。由于选择中包括的影响因素较多，问题比较复杂，为了合理地选定此值，通常用方案比较法，对若干方案进行深入的分析和比较。

图16-8　正常蓄水位—电能、保证出力关系曲线

图16-9　正常蓄水位—投资、年运行费关系曲线

方案比较的工作，一般包括三个环节：①拟定比较方案；②对各方案进行水利计算和经济计算；③进行方案比较和综合分析，以选定最优方案。

比较方案的拟定，主要就是正常蓄水位上下限范围的选定。一般原则如下。

下限值的选定主要考虑建库要求，即根据灌溉、发电、供水、航运各用水部门的最低要求（包括对水位的要求和调蓄库容的要求）而选定正常蓄水位的下限值。同时还应考虑到充分合理地利用水利资源，以减少过多的弃水。

上限值的选定除满足建库要求为前提外，应特别注意从坝址和库区的实际条件出发。例如一般应考虑下列因素：

（1）坝址及整个库区的地形地质条件。坝高达某一高程后，可能由于河谷过宽，使坝长增加很多，工程量变得过大而显得不经济；或地形上出现缺口，为了堵塞这些缺口，需要过多的副坝。也可能库区某一高程有很多断层会造成大量的渗漏。这些都限制正常蓄水位的高程。另外，大坝的高度还应考虑坝基及两岸的承载能力所允许的范围，因此与筑坝材料也有关系。

（2）水库区的淹没和浸没情况。由于水库区大片土地、重要城镇、矿藏、工矿企业、交通干线、名胜古迹等的淹没、大量人口的迁移，因而淹没损失过大，或安置移民有困难时，必须限制正常蓄水位的提高。此外，尚需考虑是否会造成大面积内水排泄的困难，或因地下水位抬高引起严重的浸没和盐碱化。

（3）考虑河流落差的充分利用，和上下游关系。在梯级水库中，抬高下游水库的正常蓄水位，可能因回水已波及上游水库的下游而影响此上游水库的落差利用。但为了航运的需要，特别考虑到水电站下游日调节影响及回水的变动，一定程度的水头重叠是合理的。渠化河道更需要这样。

（4）水量的损失情况和径流利用的程度。可能某一高程以上，水库面积显著扩大，使蒸发和渗漏损失过大。同时，库容达一定数值后，径流利用已颇充分，正常蓄水位的增高，虽提高了落差和库容，但加大了水量损失。可能反而变为不利。

（5）对建库的时限、速度及投资额的要求。如要求水库尽快见效，或资金、材料设备等供应有限，则应考虑工程量大小和工期长短来选定Z蓄的上限。

（6）人防问题或生态环境因素有时也可能影响正常蓄水位的选择。

正常蓄水位的上下限值选定以后，就可在此范围内选择若干方案进行比较。通常在该范围内，就地形、地质、淹没情况发生显著变化的高程上选择方案。如在该范围内无特殊变化，则各方案高程的间距可取相等，一般选择3～5个比较方案。

第二项工作是各方案的水利计算和经济计算。水利计算主要是对所拟定的各个正常蓄水位方案，分别初步定出消落深度和水电站装机容量等参数，进行径流调节计算，从而按所采用的比较准则，算出各水利部门的效益、投资和年运行费，以及各方案以实物形式表示的各种指标，供综合分析比较方案时参考。

第三项工作是方案比较。水电站正常蓄水位的选择，通常以火电厂为比较对象，以替代火电厂规模和所生产的电能为替代目标。如系统所需电能减去设计水电站各方案相应的电能即为相应火电电能，即E火=E系-E水。由此式仿前图16-8、图16-9亦可作出Z蓄与E火的关系（见图16-8虚线）。

为了选择对系统说最有利的水电站正常蓄水位值，其具体方法可以根据前几节所述的几种比较指标，如对独立的不同方案间用投资回收年限（即还本年限）法；或者对同一工程的不同规模的比较时，以其增值的投资回收年限进行检验优选。亦可用“补充投资抵偿年限”作为准则来选择。后者的计算公式，在考虑了火电厂有关的煤矿投资后如下（此处以K代表投资，即前几节之I；u代表年运行费，即前几节之C，下同）

式中　T抵——抵偿年限；

　　　ΔK水——由于Z蓄增高ΔZ引起的水电站基建投资增量；

　　　ΔK火——由于Z蓄增高，水电站之保证出力及必需容量N必（也即N替）也增大，因而使火电厂容量减少而减少的基建投资；

　　　ΔK矿——随着正常蓄水位的增高，提高了水电站的发电量E水，而使火电厂节省煤耗所引起的火电煤矿基地基建投资的减少值；

　　　Δu火——火电厂的年运行费（不包括煤耗）的减少值；

　　　Δu煤——火电厂节省的煤耗费用，它等于：ΔE水b，其中b为单位电能的煤耗费用，以[元/（kW.h）]计；

　　　Δu水——水电站的年运行费的增值。

大多数情况下水电站的基建投资超过火电厂的基建投资，但年运行费则水电站要小得多，故式（16-34）的分子、分母总是正的。

上面公式的含义是：当正常蓄水位增高ΔZ所引起的水火电站多投资的基建费用ΔK水-ΔK火-ΔK矿，经过T抵年后，可由水火电站年运行费的节省而抵偿收回。如果这个T抵值小于电力工业允许的抵偿年限T允，则说明增高Z蓄是有利的，并还可以增高。Z蓄可一直增高到按式（16-34）计算所得的T抵=T允为止。此时的正常蓄水位即为所求，并作为综合分析、最后确定的基本依据。

至于各ΔK、Δu及相应的各K、u的计算，可以根据需要按动态有关公式计算，如前面几节所述。

1994年6月发布的《水电建设项目财务评价暂行规定（试行）》中规定，对效益相同（或基本相同）的方案比较，可采用最小费用法（费用现值比较法和年费用比较法）。后者计算式可写为以下形式：(www.xing528.com)

式中　i——方案序号；

　　　S总i——第i个方案计算年期（或工程使用期限T用）内系统的总费用。T用值：水电站为50年，火电厂为25年，输变电为20～25年；

　　　Kd，ud——分别为折算到基准年的总投资和总年运行费（此处基准年取为工程全部建成投产之年）。

正常蓄水位的选择计算常列成表格形式。表16-6为某大型水电站按系统总费用最小准则[参看式（16-32）及式（16-35）]来选正常蓄水位的实例，简要说明如下。

此水电站主要任务为发电。坝址流域面积10500（km）2，多年平均年径流量W=116.7亿m3。坝址位于峡谷，宽约200m，水力枢纽由拦河坝、发电厂房、升变压站及河床式溢洪道等所组成。水库正常蓄水位的上限值要求不淹没上游某城市及附近大片平原，因而上限值定为115m高程。根据所在电力系统的要求，本水电站应担任系统的调峰、调频及负荷备用等任务，因而正常蓄水位的下限值不宜低于95m高程，使水库具有较高的调节性能。

水电站1979年开始施工，计划于1988年全部建成，故设计水平年确定为1990年，并经比较确定凝汽式火电厂作为水电站的替代电站。

水库消落深度的选择按简化法。水电站必需容量和多年平均电能根据相应的水能计算求出。有关的经济指标，如水火电站的投资和年运行费均按本章前面所述方法推求。水电总投资为简化计，按施工期均匀支付计。火电补充容量放在施工期最后两年考虑。年运行费区分为试运行期和正常运行期两种情况。成果均见表16-6所列数据。

表16-6　正常蓄水位方案比较计算表

方案比较时曾另外按静态公式计算，得出正常蓄水位愈高，系统总计算支出愈小，故以115m方案为最有利。但根据动态分析成果，如表16-6所列（r=0.07，T用=50年）可见，施工期资金积压损失影响甚为明显。第一方案施工期5年，水电站折算总投资（（12）行），为原总投资（（9）行）的（12）/（9）=1.23倍；第五方案施工期7年的此比值已增至1.32倍。从表中可得动态分析的最优正常蓄水位为110m，与静态分析成果不同。此正常蓄水位下电站电能成本为0.01元/（kW.h），单位千瓦投资KN=762元/kW，与该地区其他水电站相比是比较经济合理的。淹没迁移的困难也尚可克服。此较高的蓄水方案，对今后增建下游梯级电站，从梯级库群的角度看，也是有利的。经此综合分析，故最后确定其正常蓄水位为110m方案。

在选水电站的正常蓄水位时，一般应考虑对上下游已建或将建水电站的影响，即以梯级开发为对象来计及梯级总电能的增减。例如广西红水河岩滩水电站的初步设计，在选择其正常蓄水位时，就考虑了以下两种情况。一是上游天生桥和龙滩两大水电站未建时的“单独运行”情况（或称初期运行情况）。其时，在计算各方案的保证出力和电能时（表16-6的第4，5行），应计入对下游已建的大化、恶滩等水电站其保证出力和电能的增加值。第二是上游天生桥、龙滩投入后的远景梯级运行情况。并同时考虑此两种情况的各方案的经济比较指标，来优选正常蓄水位方案。如梯级方案一时不易确定，则假定数种可能情形，分别选定每种情况下的最有利的Z蓄值，然后再比较决定。

正常蓄水位确定后，将更详细地研究坝型、溢洪道布置及装机容量，如更改甚大，则Z蓄须重作修改选择，因K水变了。

如果水电站水库尚有防洪、灌溉等效用，则需考虑不同正常蓄水位及不同防洪限制水位时的淹没损失、工程投资、多年平均电能，计算下泄洪水流量及相应的堤防费用、灌溉增产等，以便综合比较决定之。

以上选正常蓄水位的经济分析方法，原则上也可用于其它水利建设主要参变数的选择，如死水位（消落深度）、防洪水位、装机容量等。

下面简述死水位等的选择。

二、死水位的选择及其他

水库死水位是水库的设计参数之一。对于一定的正常蓄水位来说，死水位的高低直接影响到水库消落深度、有效库容和调节流量的大小。从增大有效库容和增大调节流量看，应当尽可能把死水位定在较低的高程，但是各用水部门用水的特点，如第十章中所述，对死水位的下限值各有一定的要求、例如，水电站除了要求有最佳的消落深度，以发出较多的出力和电能外，水轮机的工作也要求有一定的最低水头，和不过大的水头变幅。根据一般经验，希望水电站水库消落深度不超过水头最大值的1/3～1/2（随机型而定）。

泥沙淤积对水库使用年限有影响，应根据水库的预期使用年限来计算确定淤沙所需最小的死库容。例如某水库的死水位是按死库容可以淤沙50～70年设计的，因考虑到50年以后上游水土保持工作和其他工程措施能有显著效果，故预计50年后水库仍不致被淤死。

灌溉与航运对死水位的要求，主要表现在自流引水时的渠首水位要求，库区最小航深，以及库尾回水变动区淤积对航深的可能影响等。

为发展水产事业，开展水库的综合经营，应大力利用水库养鱼。根据我国南方各地经验，按水库面积平均计算，每亩水面年产鱼可达百斤以上。北方许多中小型水库一般按每1m3水养鱼一尾计算。因此，为考虑养鱼需要，常要求水库的死水位选定在适当高程，以保证在枯水期末水库放水后仍有必要的水体供鱼类活动和生长。对北方冬季冰封的水库，还应考虑结冰的损失，和冰下水体的容积是否足够。

死水位与水库各用水部门的引水口高程间应保持一定的高差（见图16-10）。为防止淤沙进入引水管，要求引水管下缘设在淤沙高程以上1m左右；而为了保证引水时不致进入空气，并准备在特殊枯水年时，能动用部分死库容，在引水管上缘要求有1～2m以上的安全水深。对于北方河流还应考虑冬季在水面上的冰层厚度。

图16-10　水库死水位与引水口位置

以上说明了各用水部门对死水位的各种技术要求。这些常常也就是选定水库死水位的主要根据。但是在某些情况下，合理地选定死水位还应有全面的分析论证。例如对于综合利用水库，它要同时照顾各个用水部门的要求，须分清主次进行综合分析。对梯级水库来说，上游水库死水位的不同方案，也直接影响下游各库的调节流量。从发电效益看，在选定死水位时除了应力求水电站具有较大的保证出力外，有时还应研究消落深度对多年平均发电量的影响、从投资方面看，由于正常蓄水位一般先已确定，大坝和溢洪道等主要水工建筑物的工程量及投资不会因死水位不同而改变。但是，由于死水位的不同，可能会引起引水建筑物的闸门和启闭设备、引水隧洞、电站的土建和设备投资、航深和码头等各用水部门的投资以及替代措施（例如水电站小了，要增大火电厂来弥补，一部分自流灌溉要用抽水灌溉来替代等）投资的变化。因此，在确定了水库的正常蓄水位之后，一般还要拟定几个不同的死水位方案，并按照前面几节和本节一中所述的原则和方法，对各方案进行经济比较和综合分析，以选出合理的死水位。

例如前述岩滩水电站，在经方案计算比较选定正常蓄水位为223m高程后，对死水位的选择时又分为下列两阶段来考虑：

（1）单独运行时。此阶段广西电网内低水头径流电站多，调节性能差，保证出力低，要求岩滩水电站有较大的调节库容，以增加岩滩电站和下游大化、恶滩电站保证出力。因此，水库消落深度的选择范围按大坝壅水高度15%～25%计算，相应死水位方案为212、208m和204m。死水位再低，水工布置上也有困难。

（2）梯级运行时。此远景阶段考虑到上游天生桥、龙滩两大电站对岩滩调节特性影响，水库死水位应有所提高。故按219、216m和212m三个方案计算选择。219～223m（正常蓄水位）间4亿m3库容留作龙滩水电站泄流的反调节和龙滩岩滩间区间流量的调节之用。

方案比较的列表格式和项目，可与正常蓄水位选择的表16-6基本相同，但第11项施工期和7、8诸项可删去。

由于经济比较计算工作量繁多，故在有些情况下，特别是中小型水库选择死水位时，这方面的工作可以省略或大大简化。可以主要根据各用水部门对死水位的技术要求，拟定出死水位的可能范围，然后通过必要的综合分析论证，即可选出较合理的死水位。而在水库规划和某些水库的可行性研究阶段常常允许采用更简化的方法。例如以发电为主的水库，可根据出力上有利的消落深度，并考虑其他用水部门的要求来初步定出死水位；甚至可参照经验数据大致决定消落深度。例如年调节水电站的消落深度可采用（20%～30%）H，多年调节水电站者采用（30%～40%）H，混合式水电站采用40%H，其中H为坝所集中的最大水头。根据这些经验数据，并考虑其他用水部门的要求，便可估出死水位。

水库的设计参数除正常蓄水位和死水位为主要外，还有设计洪水位、校核洪水位、防洪限制水位及其他防洪特征值。设计洪水位和校核洪水位影响坝顶高程的确定。确定水库的设计洪水位，实际上就是根据防洪与兴利库容的可能结合程度，决定防洪库容在水库中的相对位置。为此还须考虑影响防洪库容的一系列其它因素，如防洪限制水位，泄洪建筑物的型式、高程和尺寸，下游的允许泄量等。因此，这些问题一般也需要配合起来，通过方案比较和经济分析共同解决。在方案比较时，由于上述各个因素互相影响，为了简化起见，设计部门往往采用逐步迫近的方法，分别解决这几个互相关联的问题。即在研究某一项目时，初步拟定出另一些有关联的项目的大致尺寸、型式位置，并假定它们为不变。求出此项目后，对其它项目进行校核性计算，直至各项目互相符合为止。

例如，为求防洪所需库容大小，可先设定几个可能的防洪库容位置（即防洪限制水位）、溢洪道型式、尺寸及下游允许泄量，并组成若干个组合方案。于是根据已选定的设计洪水过程对每一组合方案进行调洪演算，就可定出所需防洪库容和防洪高水位的位置，由此再在各项目（因素）间进行校核。对其它的组合方案作同样的计算，得出不同的防洪库容值。然后就可以对这些组合方案，作投资、效益计算，和环境、社会影响的综合分析、比较。