佳木斯发电厂取水口断面来水量分析计算
时间：2022-05-18 04:51:37
摘要：对所依据的设计站年径流资料进行一致性审查和代表性分析，在此基础上采用实测最小流量频率分析法、还原扣除法和流量历时综合曲线法推求代表站设计年最小流量。根据设计代表站、取水口位置和区间情况，采用水均衡法分析计算取水口断面设计年最小流量。
关键词：电厂取水口 设计年最小流量 频率分析
1 概况
1.1电厂取水口位置及设计取水量
为更好地适应东北地区乃至华北地区电力负荷不断增长的需要，满足佳木斯中心区和佳东区域近远期集中供热需求，佳木斯市热电厂有限责任公司规划建设2×300MW机组供热扩建工程。项目性质为供热扩建工程，属热电联产、电热结合的大型发电厂，计划装机容量600MW，供热面积1231×104m2，年发电量33×108KW.h。电厂设计年取水量为2.83×108m3，平均取水流量为8.9m3/s，供水保证率为97%，初选供水水源为松花江地表水，取水口位于佳木斯市城区东北部的松花江干流上。
1.2流域概况
1.2.1自然地理
电厂取水口位于松花江流域下游。松花江流域位于东经119°52′～132°31′、北纬41°42′～51°48′之间，东西长2309km，南北宽1070km，流域面积55.68×104km2。
松花江有南北两源，南源第二松花江发源于吉林省长白天池，北源嫩江发源于大兴安岭伊勒呼里山中段南侧，两源于三岔河附近汇合向东而流始称松花江。松花江流经黑龙江、吉林两省和内蒙古自治区，在同江县附近汇入黑龙江，从嫩江源头计算，松花江总长2308km。
松花江流域西部为大兴安岭，海拨高程700～1700m；北部为小兴安岭，海拨高程为1000～2000m；东部和东南部为完达山脉和长白山脉，海拨高程200～2700m；西南部的丘陵区地带是松花江与辽河两流域的分水岭，海拨高程140～250m；中部是松嫩平原，海拨高程50～200m，是本流域的主要农业区。流域内山区面积23.79×104km2，占流域面积的42.7%；丘陵面积16.2×104km2，占流域面积的29.1%；平原面积15.23×104km2，占流域面积的27.4%；其它面积占流域面积的0.8%。
1.2.2径流特征
松花江流域河川径流主要由降水形成，径流的地区分布不均匀。高值区多年平均径流深200～500mm，长白山脉天池附近高达600mm。径流低值区多年平均径流深小于150mm，嫩江中下游平原地区年径流深小于25mm。
径流年际变化大，并存在明显的丰枯变化周期。流域诸河年径流变差系数Cv值在0.20～1.0之间变化，松嫩平原高值区Cv值达0.91～1.0，三江平原Cv值达0.71～0.80左右，第二松花江上游低值区Cv值在0.20～0.25之间。径流年际变化存在连丰连枯、丰枯交替变化的特点，据哈尔滨长系列径流资料分析，其径流有明显的丰枯水周期，1898～1928年为枯水期，1929～1967年为丰水期，1968～1982年为枯水期，1983年以来又进入了丰水期。
径流的年内分配极不均匀，夏季汛期6～9月径流量可占全年径流量的70～80%，其中7、8两月占50%左右；春溉期5～6月，径流占全年的10～30%；封冻期长约5～6个月，径流不足全年的20%。
1.2.3水资源开发利用现状
（1）供水量
松花江流域现状供水总量为374.06×108m3，其中地表水工程供水量为218.38×108m3，占总供水量的58.38%；地下水工程供水量155.68×108m3，占供水总量的41.62%。
按工程类别供水分别统计，蓄水工程供水54.11×108m3，引水工程供水65.69×108m3，提水工程供水98.58×108m3，地下水工程供水155.68×108m3。各工程供水量占供水总量的百分比分别为14.47%、17.56%、26.35%和41.62%。
（2）用水量
松花江流域现状用水总量373.85×108m3。按用户类别用水分别统计，农田灌溉用水量为255.23×108m3，占用水总量的68.27%；工业用水量为83.91×108m3，占用水总量的22.45%；林牧渔业用水量为14.39×108m3，占用水总量的3.85%；生活用水量为20.32×108m3，占用水总量的5.44%。
2 水文基本资料
2.1设计站的选择
根据取水口断面位置和松花江干流水文站分布情况，选择佳木斯水文站为设计代表站，选择哈尔滨水文站为设计参证站。
佳木斯站位于电厂取水口上游4.3km处，控制流域面积528277km2，是松花江下游把口站。本站于1934年设立为水位站，1945年抗战胜利后停测，1949年恢复为水位站，1953年扩建为水文站。水文站测验断面位于绥佳线松花江铁路桥下800m处，河段顺直长度1000m，河床稳定，水流集中，河床由细砂组成，左右岸均有堤防控制，河槽控制条件良好，断面历年冲淤变化不大，水位流量关系稳定。流量测验以流速仪法为主，测次分布均匀，整编成果可靠。
哈尔滨站位于佳木斯站上游哈尔滨市，地处松花江干流中上游，是第二松花江和嫩江汇合后的主要控制站，控制流域面积389769 km2。本站于1898年设立为水位站，1953年扩建为水文站。鉴于哈尔滨站建站时间较长，经历次水资源评价、水资源规划插补延长后具有1898年至今完整的长系列径流资料，故选择此站为设计参证站。
2.2资料的一致性审查
人类活动对径流一致性的影响主要表现在两个方面：第一，随着经济社会的发展，河道外引用消耗的水量不断增加，直接造成河川径流量的减少，水文站实测径流已不能代表天然情况；第二，由于农业生产、基础设施建设和生态环境建设改变了流域的下垫面条件，导致入渗、径流、蒸散发等水平衡要素的变化，从而造成产流量的减少或增加。河道外用水消耗量一般采用径流还原计算的方法还原回来。下垫面的变化对径流的影响是一个渐变过程，影响因素非常复杂，难以逐年做出定量的估计。通常的做法是：在单站径流还原的基础上，点绘年降水量与天然年径流深相关图，通过分析同量级降水条件下径流是否明显增加或减少来分析系列一致性的好坏。
2.2.1径流还原计算
本次设计参证站和设计代表站天然径流资料均采用历次水资源评价和水资源规划还原计算成果。哈尔滨站，1898～1956年采用全省第一次水资源评价插补延长及还原计算成果，1956～2000年为全省水资源综合规划还原计算初步成果。佳木斯站1956～2000年为全省水资源综合规划还原计算初步成果，1953～1955年为佳木斯市地下水开发利用规划还原计算成果。
2.2.2系列一致性分析
在分析下垫面条件变化对径流形成的影响方面，黑龙江省水文局点绘了松花江各支流代表站的年降水径流相关图，在降水径流相关图中，单站不同时期的径流深点据呈带状粘合在一起，同量级降水条件下径流深没有明显增大或减少现象，说明下垫面条件变化对流域径流形成的一致性影响不大。哈尔滨站和佳木斯站控制流域面积过大，不能采用上述方法，本文通过绘制年径流单累积曲线和F检验对径流系列的一致性进行审查。
（1）径流单累积曲线分析
点绘哈尔滨站和佳木斯站年径流单累积曲线，见图1。由图1可见，径流单累积曲线基本光滑，曲线斜率没有突变现象，可认为径流还原计算精度较高，下垫面变化情况下的年径流系列一致性较好。
图1 哈尔滨站及佳木斯站年平均流量累积曲线
（2）F检验
F检验法是统计分析方法中判断不同时间两个样本是否取样于同一总体或是否具有显著时的常用方法。根据引起流域下垫面变化的水利工程建设、其他人类活动影响情况及水资源开发利用水平，将哈尔滨站及佳木斯站年径流系列分别划分为1980年以前（n1）与1980年以后（n2）两组样本，然后用F检验法确定两组样是否具有显著的差别。检验结果如表1。
表1 径流系列F检验（双侧检验）分析成果表
项目
哈尔滨站
佳木斯站
样本长度 n1
样本长度 n2
83
20
28
20
样本方差 S12
样本方差 S22
234162
260004
484023
424202
自由度
f1
自由度
f2
19
82
27
19
统计量
F
1.11
1.141
显著性水平α
0.05
0.05
临界值Fα/2（f1，f2）
1.90
2.42
检验结论
F＜Fα/2（f1，f2），两样本无显著性差异
2.3系列代表性分析
松花江干流年径流系列代表性问题，以往的水资源评价和水资源规划多次做过分析，结论为1951～1982年32年系列具有较好的代表性，本次补充了1983年以来径流系列，采用周期分析、累计平均分析和长短系列统计参数对比等方法，重点对松花江干流1953～1982年和1953～2000年径流系列的代表性进行简要分析。
（1）周期分析
绘制哈尔滨站（1898～2000年）103年长系列和佳木斯站（1953～2000年）48年短系列年径流模比系数差积曲线，见图2。
图2 哈尔滨站及佳木斯站年径流差积曲线
从差积曲线图上可以看出，松花江干流年径流上下游同步性好，周期变化规律明显，具有连丰连枯、丰枯交替和枯水段持续长等特点。进一步分析1953～2000年短系列差积曲线，1953～1964年为连续丰水年组，1964～1973年为平水偏枯年组，1974～1982年为连续枯水年组，1983～2000年又为连续丰水年组，整个系列丰水年组偏多，年径流系列代表性较差。而1953～1982年系列为一个完整的丰、平、枯变化周期，其中丰水年11年，平水年10年，枯水年9年，分布较均匀，系列有较好的代表性。
（2）累计平均分析
绘制哈尔滨站年径流模比系数累积平均过程曲线，见图3。
图3
哈尔滨站年径流累积平均曲线
由累积平均过程曲线图可知，1953～2000年48年和1953～1982年30年短系列累积平均值都大于1，说明任何一个短系列均值均大于长系列均值，但30年短系列累积平均值变化较48年短系列更为稳定，30年系列代表性优于48年系列。
（3）长短系列统计参数
选择哈尔滨站为参证站，分别计算长短系列年径流统计参数，见表2。
表2 哈尔滨站年径流系列统计参数计算成果表
系列
系列年数
流量均值
（m3/s）
Cv
短系列Cv/
长系列Cv
短系列均值/
长系列均值
1898～2000
103
1260
0.44
1.000
1.000
1898～1982
85
1190
0.44
1.000
0.944
1928～1982
55
1350
0.38
0.864
1.071
1935～2000
66
1400
0.34
0.773
1.111
1935～1982
48
1320
0.34
0.773
1.048
1953～2000
48
1460
0.36
0.818
1.159
1953～1982
30
1360
0.37
0.841
1.079
注：Cs/Cv=2.0
由上表可见，1953～2000年48年和1953～1982年30年短系列Cv值相差不大，且均小于103年长系列Cv值，短系列从30年延长到48年后并不提高Cv值的代表性。
从均值来看，48年系列由于1983年以来松花江流域又进入了丰水期，来水偏丰，代表性较差；而30年系列虽然年数较少，但其均值与1928～1982年55年系列均值非常接近，基本代表了60年代以来的径流变化特征，可认为1953～1982年30年系列具有较好的代表性。
（4）代表性分析结论
综合以上分析，松花江干流1953～1982年30年径流系列，包括完整的丰、平、枯水周期，统计参数代表性较好，历次规划均推荐此系列为年径流设计依据，故本次采用佳木斯站1953～1982年30年资料作为年径流设计系列。
3 水文站设计年径流和最小径流
3.1设计年径流
根据佳木斯水文站1953～1982年30年天然径流资料，统计年平均流量系列。对年平均流量系列进行了频率分析，采用矩法初估统计参数，按P—Ⅲ型理论曲线适线，确定均值和Cv值，Cs值取2Cv，适线后统计参数和设计值见表3。
表3
佳木斯站设计年径流计算成果表
项目
均值
(m3/s)
Cv
Cs/Cv
设计值（m3/s）
90%
95%
97%
99%
年平均流量
2250
0.34
2.0
1340
1160
1040
857
3.2设计年内分配
热电厂供热与发电供水保证率均为97%。保证率97%的设计年平均流量为1040m3/s，其年内分配可选择与佳木斯站年径流相近且枯季来水量分配对供水较为不利的1977年作为设计典型年，设计年径流的年内分配按同倍比法进行计算。成果表详见表4。
表4 佳木斯站设计年径流年内分配成果表(单位：m3/s)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
全年
90
70
290
860
1209
1577
2766
2813
1502
724
279
299
1040
3.3设计年最小径流
3.3.1实测最小流量频率分析法
资料系列为佳木斯站1953～1982年的年实测最小流量系列，统计参数和设计值计算方法同设计年径流。经计算，佳木斯站保证率97%设计年最小流量为129 m3/s，统计参数和设计值见表5。
表5 佳木斯站设计年最小径流计算成果表
项目
均值
(m3/s)
Cv
Cs/Cv
设计值（m3/s）
90%
95%
97%
99%
年最小流量
370
0.44
2.0
183
149
129
97.3
3.3.2还原扣除法
（1）规划水平年净来水量设计年内分配
根据水资源开发利用现状调查和松花江流域规划，2000年流域地表水开发利用量为218.38×108m3，至2010年地表水开发利用量将达到244.97×108m3，河道外用水的增加和水利工程的调节使河川径流量在数量和时程分配上均发生显著的变化，利用天然径流资料计算的来水量已不能做为取水口的设计依据，需求出受水利工程影响的净来水过程，2010年佳木斯站净来水量按下式计算：
W净＝W天然－W用水＋W回归±W调节
（1）
W净——佳木斯站设计年逐月净来水量；W天然——佳木斯站设计年逐月天然来水量；W用水——流域2010年逐月地表水规划供水量；W回归——逐月用水回归水量；W调节——蓄水工程逐月调节水量。
W用水、W回归和W调节各项水量分两部分计算，哈尔滨站以上流域直接采用已有规划的计算成果，哈尔滨站至取佳木斯站区间按如下方法计算：
①W用水：包括工业用水、城镇生活用水、农田灌溉用水和林牧渔业用水，取松花江流域规划2010年规划供水量。其中工业用水和城镇生活用水按年用水量平均分配到各月，农田灌溉用水和林牧渔业用水根据灌溉制度和用水过程按逐月用水量分配系数求得。
②W回归：包括工业用水回归水、城镇生活用水回归水、水田灌溉用水和林牧渔业回归用水，由用水量乘以相应回归系数求得。
③W调节：为径流还原计算的逆运算，当水库蓄水W调节取负值，当水库放水时W调节取正值，根据设计典型年逐月水库蓄水变量按库容比法求得：
W调节＝W典型*V规划/V典型 （2）
式中：W典型——设计典型年逐月水库蓄水变量；V规划——2010年水库规划总库容；V典型——设计典型年水库总库容。
将表4中的W天然、哈尔滨以上流域和哈尔滨至佳木斯站区间的W用水、W回归、W调节一并代入（1）式，求得佳木斯站净来水量设计年内分配成果，见表6。
表6佳木斯站净来水量设计年内分配成果表(单位：m3/s)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
161
142
191
665
1008
1493
2700
2401
1503
834
359
356
（2）月最小流量和日最小流量相关关系的建立
统计佳木斯站枯水年实测月最小流量和月内日最小流量并建立相关图。对相关图进行线型分析和回归计算，其相关关系与如下线性方程拟合较好：
Q日最小=0.7952Q月最小＋25.896(R2=0.992) （3）
（3）设计年最小流量
从表6中选择数值最小的月平均流量代入（3）式，求得佳木斯站保证率97%设计年最小流量为139m3/s。
3.3.3日平均流量综合历时曲线法
选择丰、平、枯三个代表年，统计逐日实测平均流量，按从大到小的次序排列，计算并点绘日平均流量频率曲线如图4。在曲线上查得佳木斯站保证率97%设计年最小流量为130m3/s。
图4 佳木斯站日平均流量综合历时曲线
（4）设计年最小流量的选择
实测流量频率分析法和日平均流量综合历时曲线法是以实测资料为依据，经频率计算后求出设计年最小流量，其值基本代表了现状条件下设计年来水情况，但所依据的径流资料系列一致性较差，且未考虑规划水平年河道外用水增加和新建蓄水工程调节的影响。还原扣除法以天然径流为设计依据，资料系列的致性较好，并且考虑了河道外用水和水利工程调节的影响，计算的设计值代表了规划水平年可能来水情况，由于受水利工程调节的影响，设计值较以上两种方法的计算值偏大。以上几种方法计算的设计值比较接近，从供水偏于安全的角度来考虑，采用其中的最小值做为佳木斯站年最小流量的设计值。
4 取水口断面设计年最小流量
佳木斯市热电厂取水口位于佳木斯水文站下游4.3km处，佳木斯站控制流域面积528277km2，加上以下未控区面积723 km2，取水口断面控制流域面积529000km2。
佳木斯站基本断面下游有一长2.5km、宽1.5km的柳树岛将江水分成两脉水流，主流位于南侧，长期过水；支流位于北侧，丰水期过水，在佳木斯水文站出现434m3/s以下枯水流量时河道断流。电厂取水口设置在柳树岛下游主河道上，枯水期不存在支流分水问题。
佳木斯水文站至电厂取水口断面仅有音达木河一条支流汇入，流域面积很小，冬季河流封冻断流。区间佳木斯城区地下水超采，松花江水位全年高于地下水水位，本江段不接受地下水补给。由于松花江最枯径流均出现在冬季，因此区间来水量可不予考虑。
佳木斯站至佳木斯电厂之间沿程损失水量包括河流水面蒸发、河床浸润带蒸发和河道渗漏。由于枯水径流均出现在冬季，受气候影响前两项损失量很小，可忽略不计。其中区间河道渗漏损失量选择枯水年份，利用达西公式进行计算。
区间有多处市政和企业排污口向松花江排水，年排水量2.097×108m3。造纸厂、化工厂、糖厂及电厂五期工程在本江段建有提水工程，其中取水口断面以上年提水量2.207×108m3。
根据取水口位置及区间来水、用水情况，取水断面设计年最小流量按如下水均衡方法计算：
Q取水口＝Q水文站＋Q排水－Q提水－ Q渗漏 （4）
Q取水口——电厂取水口断面设计年最小流量，m3/s；
Q水文站——佳木斯站设计年最小流量，m3/s；
Q排水——区间排污口入河排放量，m3/s；
Q提水——区间已建取水工程提水量，m3/s；
Q渗漏——区间河道渗漏损失量，m3/s。
经计算，取水口断面保证率97%设计年最小流量为128.7m3/s。
5 结语
本文在认真分析设计站资料一致性和代表性的基础上，采用多种方法对电厂取水口断面设计年最小径流进行分析计算，各种方法起到相互验证的作用，因而计算结果具有较高的精度，可供有关部门在分析取水口设置合理性及可行性时参考。