[美國(guó)] N.米勒 等

大壩頂部抬高的水電效益評(píng)估

[美國(guó)] N.米勒 等

美國(guó)對(duì)加利福尼亞州的埃爾多拉多(El Dorado)水庫(kù)水位進(jìn)行了限制，發(fā)電收益受到影響，對(duì)此，埃爾多拉多灌區(qū)為挽回發(fā)電損失而開(kāi)展了一項(xiàng)研究。該研究提出了4套方案，通過(guò)對(duì)方案的比選和評(píng)估表明，抬高壩頂 3 m所形成的庫(kù)容，比庫(kù)水位受限運(yùn)行條件下的年均收益提高5.7%。

壩加高；水電效益；效益評(píng)估；埃爾多拉多水庫(kù)；美國(guó)

2009年，美國(guó)對(duì)加利福尼亞州一座停運(yùn)的水庫(kù)，即埃爾多拉多(El Dorado)水庫(kù)水位進(jìn)行了限制，因?yàn)榧又荽髩伟踩?DSOD) 和聯(lián)邦能源管理委員會(huì)(FERC)認(rèn)為，土壩下游坡的安全系數(shù)不夠，現(xiàn)有的安全超高也不足，況且大壩水庫(kù)還要為裝機(jī)20 MW的電站蓄水發(fā)電，確實(shí)存在安全隱患。

要維持埃爾多拉多灌區(qū)(EID)的安全，就需花高昂的費(fèi)用布置大量的支撐結(jié)構(gòu)，將壩頂抬高0.9 m。 然而更重要的是提高安全性，保證下游居民的安全，而實(shí)際上對(duì)灌區(qū)的農(nóng)戶來(lái)說(shuō)是得不到任何效益的。

此外，在維持現(xiàn)有運(yùn)行狀況下進(jìn)行水庫(kù)清淤，費(fèi)用也很高。因此， EID 委托專門機(jī)構(gòu)進(jìn)行了評(píng)估，以確定有關(guān)財(cái)務(wù)經(jīng)費(fèi)問(wèn)題，以及工程修復(fù)和壩頂實(shí)施抬高方案時(shí)應(yīng)急供水可能受到的影響。

經(jīng)EID與GEI咨詢有限公司的商議，確定了滿足DSOD和FERC要求的方案，擬定的方案為4套，按總投資遞增的排序方式如下。

(1) 滿足調(diào)控需要而作最小的調(diào)整(壩頂不加高，保留穩(wěn)定性扶壁和庫(kù)水位限制)；

(2) 壩頂抬高0.9 m; 溢洪道保持現(xiàn)有高程，抬高擋水閘門，增大蓄水量(從38萬(wàn)m3到47萬(wàn)m3)， 恢復(fù)以前受限的最高水庫(kù)運(yùn)行水位，與大壩的安全超高控制要求一致；

(3) 壩頂抬高3 m，水庫(kù)運(yùn)行庫(kù)容增大約77%，即庫(kù)容增至68 m3，擋水閘門高0.9 m，改造溢洪道，并抬高溢洪道高程；

(4) 抬高壩頂6 m，水庫(kù)運(yùn)行庫(kù)容增大2倍以上，即增至102萬(wàn)m3，擋水閘門高1.2 m，按此方案設(shè)計(jì)一座新的溢洪道。

根據(jù) EID的要求，GEI 開(kāi)發(fā)了一套水電模擬和優(yōu)化工具,以評(píng)估上述4套方案對(duì)發(fā)電年收益的影響，并為EID操作者獲取最大收益提供一套日調(diào)節(jié)電站的工具。評(píng)估表明，抬高壩頂3 m所形成的庫(kù)容，比原庫(kù)水位受限運(yùn)行條件下的年均收益提高5.7%，相比抬高壩頂3 m的年收益，抬高壩頂6 m增加的年收益微乎其微。

1 工程概況

埃爾多拉多前池壩是該水力發(fā)電工程的一個(gè)組成部分。 其電站廠房是灌區(qū)主渠的始端供電點(diǎn)， 正常蓄水位時(shí)水庫(kù)總庫(kù)容為44萬(wàn)m3。水從美利堅(jiān)河南支流引至埃爾多拉多前池，引渠正常最大流量為4.7 m3/s，同時(shí)經(jīng)由灌區(qū)的4座大水塘流出。

前池壩建于1923年，為一均質(zhì)密實(shí)的土壩，壩基為風(fēng)化千枚巖和砂巖。壩高27 m, 壩長(zhǎng)250 m, 壩寬4.5 m。上游壩坡比為3∶1(H∶V)，下游壩坡比為2.5∶1。

通往電站廠房的壓力鋼管為直徑1.52 m的鉚合鋼管，正常流量4.4 m3/s，最大流量4.6 m3/s。 電站裝有兩臺(tái)10 MW的沖擊式水輪機(jī)，并配有液壓傳動(dòng)截止閥，水輪機(jī)最大靜水頭約為570 m。

2 安全背景

通過(guò)對(duì)大壩的穩(wěn)定性評(píng)估表明，需采取應(yīng)對(duì)中等風(fēng)險(xiǎn)的緩解措施，以保證大壩的長(zhǎng)期安全性能。FERC所采取的措施為，將水庫(kù)的最高水位限制在溢洪道固定頂部。

DSOD也認(rèn)為，現(xiàn)有的大壩安全超高不夠，只勉強(qiáng)具有抗震穩(wěn)定性，下游壩坡的穩(wěn)定性，所需的最低安全系數(shù)達(dá)不到靜態(tài)穩(wěn)定條件。 DSOD要求EID在接到新的通知前必須制定和提交一份提高大壩總體穩(wěn)定性的規(guī)劃和工作計(jì)劃，將水庫(kù)最高運(yùn)行水位限制在溢洪道固定頂部。

3 工程方案

2009年，GEI和EID都考慮了許多修復(fù)和壩體布局方案，根據(jù)可利用的材料、施工的可行性、施工成本,以及滿足FERC和DSOD在穩(wěn)定性與安全超高方面的要求，提出了4套方案。第1套方案由于生活用水和電站運(yùn)行及其可靠性受到限制而不可取。而其他3套方案因合理考慮了生活供水和水電站運(yùn)行情況，因而都是可行的。

4 模擬工具的開(kāi)發(fā)

EID要求GEI開(kāi)發(fā)一項(xiàng)研究工具，用以評(píng)估每套方案對(duì)年發(fā)電收益的財(cái)務(wù)影響，并采用人機(jī)友好的界面，分析電站產(chǎn)出最大效益的小時(shí)運(yùn)行狀況。

GEI 采用微軟電子表格系統(tǒng)(Microsoft Excel)非線性程序和Solver插件數(shù)據(jù)分析工具, 開(kāi)發(fā)了HSOT程序。HSOT 可根據(jù)現(xiàn)有的入庫(kù)流量、業(yè)主的購(gòu)電協(xié)議及一天中特定時(shí)間的電力峰值狀況，確定電站和機(jī)組達(dá)到最大收益的運(yùn)行情況。 此外還開(kāi)發(fā)了兩套模型運(yùn)行方案，該模型既可以按一天(現(xiàn)行的做法)也可以按一周(需要增大庫(kù)容)的計(jì)劃優(yōu)化調(diào)度水電站。

經(jīng)對(duì)HSOT程序的調(diào)整，可連續(xù)模擬4 a的電站運(yùn)行狀況。EID還可提供水電站的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括2006年1月至2009年12月每臺(tái)水輪機(jī)的小時(shí)發(fā)電量。以美國(guó)的巖石河(Rocky River)工程為例，從2006年到2009年，可得到頗具代表性的一組數(shù)據(jù)，并可根據(jù)該組數(shù)據(jù)劃分出豐水年、枯水年和平水年。如圖1所示， 電站的周平均入流量大約為1.74 m3/s(62 ft3/s)，最大流量和最小流量分別為3.9 m3/s(141 ft3/s)和0。 從統(tǒng)計(jì)情況看，通常情況下，1～6月中旬，水庫(kù)入流量都超過(guò)年均入流量，7～12月則小于年均入流量。

5 方案比選與分析

可用歷史流量變化率來(lái)模擬擬定水庫(kù)運(yùn)行方案的電站運(yùn)行情況和優(yōu)化水電站的有效庫(kù)容, 并將各種方案所產(chǎn)的電能和收益進(jìn)行比較。 為了防止機(jī)組停運(yùn)而無(wú)計(jì)劃的泄水，在所有方案中都增加了0.9 m高的應(yīng)急庫(kù)容。

經(jīng)評(píng)估,第1套方案接受FERC和DSOD的限制運(yùn)行水位，但因此限制而使年收益減少10～13.8萬(wàn)美元, 即比第2套方案平均減少1.6%。

第2套方案合理地考慮了成本、收益和投資回報(bào)的時(shí)間。 不過(guò)由于水庫(kù)淤積和庫(kù)容受限而不能對(duì)電站進(jìn)行周調(diào)度優(yōu)化，對(duì)工程壽命不利。

為評(píng)估第3和第4方案中庫(kù)容增加的效益，GEI模擬了估算發(fā)電量和相應(yīng)收益的電站運(yùn)行情況， 即抬高壩頂 3 m, 則增加年收益21～50萬(wàn)美元左右, 即較第2方案年均收益增加4.1%。收益之所以增加，是因?yàn)閹?kù)容增大，便于水庫(kù)的周調(diào)節(jié)，因而運(yùn)行靈活性更大。 這樣就能使庫(kù)水位有更大的變幅，在高電價(jià)時(shí)期充分利用水庫(kù)的有效庫(kù)容，同時(shí)保證水庫(kù)無(wú)來(lái)水時(shí)生活供水所需的庫(kù)容。

第3方案經(jīng)濟(jì)上可行，水庫(kù)清淤的時(shí)間可向后推， 庫(kù)容增加20萬(wàn)m3(超過(guò)現(xiàn)行庫(kù)容的50% )。這也表明工程的壽命在較大程度上得以延長(zhǎng)，是趨于考慮采納的一套方案(見(jiàn)圖2)。

第4套方案為年收益僅有少量增加的方案，收益增加得益于供水量受限，以及周調(diào)度優(yōu)化期間水庫(kù)產(chǎn)生的窄幅波動(dòng)使水位抬高3 m。 因此，整個(gè)庫(kù)容得不到充分利用。而在豐水年，相比抬高壩頂3 m，抬高壩頂6 m的年收益額外增加得更多。這表明， 源源不斷地有足夠的超額入庫(kù)流量來(lái)充分利用壩頂抬高6 m所增加的庫(kù)容、使水輪機(jī)組滿負(fù)荷發(fā)電，這一點(diǎn)可能做不到。

該研究的另一項(xiàng)任務(wù)是估算水庫(kù)清淤的財(cái)務(wù)效益，即清除2億m3泥沙的效益。 可能要清除大量的泥沙才能使庫(kù)水位降低0.5 m，形成3.7萬(wàn)m3的額外庫(kù)容。 清淤并不能增加年收益，因?yàn)閮?yōu)化水電站的日調(diào)度，并不會(huì)形成比現(xiàn)有最低水位還要低很多的庫(kù)水位變幅。 如果按周優(yōu)化調(diào)度水庫(kù)，則有可能出現(xiàn)將水位降低到比周調(diào)節(jié)的最低水位還要低的情況。

這種水庫(kù)在上述條件下運(yùn)行，可能會(huì)使其向下游提供生活用水的供水能力產(chǎn)生不利的影響。 所以EID建議，對(duì)水電站的水庫(kù)，應(yīng)按日調(diào)度優(yōu)化，以將上述供水的風(fēng)險(xiǎn)減到最低程度，并對(duì)庫(kù)水位的波動(dòng)予以限制。根據(jù)這些情況和按第2方案實(shí)現(xiàn)的運(yùn)行工況，即使清除現(xiàn)有泥沙，也不會(huì)產(chǎn)生發(fā)電效益。

另一種做法是，各種方案都采用年均發(fā)電量和收益率的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)第3方案研究的成果表明，按周優(yōu)化調(diào)度水電站，相對(duì)第2方案來(lái)說(shuō)，可增加年均發(fā)電量和5.5%的收益率。

EID的峰值電價(jià)總收入，很大程度上取決于來(lái)水的適宜時(shí)間，當(dāng)然與來(lái)水量也有一些關(guān)系。 例如，從日優(yōu)化調(diào)度的第2方案成果看，2006年的年均發(fā)電量和收益率大約比2008年低3.5%， 這似乎不合常理。因?yàn)?006年被認(rèn)為是一豐水年，而2008年則為嚴(yán)重的干旱年。 但經(jīng)仔細(xì)分析，2006年和2008年這兩年間，來(lái)水量的適時(shí)性明顯不同。2006年的來(lái)水發(fā)生在靠前的月份，這時(shí)峰值電價(jià)相當(dāng)?shù)?；而?008年的峰值電價(jià)期，來(lái)水量則較大。

這樣看來(lái)，2006年收益的相當(dāng)一部分發(fā)生在較低的峰值電價(jià)收益期間。 豐水年反而年均發(fā)電量和收益率下降，形成比2008年低得多的情況。

6 結(jié) 語(yǔ)

按第3方案 (壩頂抬高3 m)實(shí)施，在大壩安全方面略顯不足，但在滿足EID發(fā)電和供水方面，技術(shù)上占優(yōu)勢(shì)，益本比(成本效益之比)高， 估算成本為1 800萬(wàn)美元。2014年3月24日已對(duì)環(huán)境影響報(bào)告作了認(rèn)證，有望在2015年完成許可證的相關(guān)手續(xù)，最終在2015年夏末和2016年之前開(kāi)工。

7 前 景

盡管HSOT程序是為單項(xiàng)工程應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的，但其模型經(jīng)擴(kuò)展后可用于模擬大型水電站設(shè)施，也可作為日調(diào)節(jié)或周調(diào)節(jié)電站模擬連續(xù)來(lái)水情況和各種水庫(kù)調(diào)度方案的工具。優(yōu)化后的模型，還可作為向電站管理者和系統(tǒng)操作人員快速提供支持水資源和水庫(kù)調(diào)度決策所需信息的一種工具。

(郭 欣 付湘寧 編譯)

2015--0119

1006-0081(2015)03-0005-03

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