一种寒冷及严寒地区抽水蓄能电站水库冰冻库容的计算方法与流程

本发明涉及抽水蓄能电站水库冰冻库容算法，特别是涉及寒冷及严寒地区抽水蓄能电站水库受到电站抽水、发电影响区域的冰冻库容的计算方法。

背景技术：

寒冷及严寒地区抽水蓄能电站水库结冰侵占了一部分总库容，使发电库容减小，在一定程度上影响到发电效益，因此冰冻库容是寒冷及严寒地区抽水蓄能电站设计存在的问题。传统上抽水蓄能电站水库冰冻库容采用《抽水蓄能电站水能规划设计规范》(nb/t/35071-2015)第34页第13.0.4条给出的抽水蓄能电站水库冰冻库容确定方法：抽水蓄能电站水库冰冻库容应按设计最大冰厚与正常蓄水位时水库面积的乘积来确定。该方法未考虑抽水蓄能电站抽水、发电运行对最大冰厚产生的影响，也未考虑电站抽水发电运行产生的薄冰区、水域对冰冻库容大小的影响，从而造成冰冻库容计算值比实际情况偏大。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，提供一种能较好计算寒冷及严寒地区抽水蓄能电站水库冰冻库容的计算方法。

本发明所采用的技术方案是：一种寒冷及严寒地区抽水蓄能电站水库冰冻库容的计算方法，包括以下步骤：

第一步，根据抽水蓄能电站水库运行及气象资料，得到水库所在地区最冷月的平均气温ta、最大冰厚处的水温tw、日均运行次数nr、日均运行时间tr和水库水位日变幅的绝对值|δh|，按下式计算得到电站水库最大冰厚δip；

δip＝1.50–0.0155lnnr–0.0128lntr–0.3237ln(ta+50)

-0.0466lntw-0.0120ln|δh|

第二步，根据抽水蓄能电站设计资料，获取电站水库正常蓄水位对应的库面面积a库；

第三步，根据寒冷及严寒地区抽水蓄能电站水库冰情分布统计表，并结合具体工况确定电站水库冰厚最大时厚冰区面积占库面面积的权重因子β厚和薄冰区面积占库面面积的权重因子β薄；

寒冷及严寒地区抽水蓄能电站水库冰情分布统计表

库盆型水库是指由开挖和围堤形成的水库或天然库盆水库，河道型水库是指天然河道上修建的常规水电站水库；

按《水工建筑物抗冰冻设计规范》nb/t35024-2014进行气候分区：最冷月平均气温ta<-10℃，属严寒；-10℃≤ta≤-3℃，属寒冷；本发明将严寒地区再分为-15℃≤ta<-10℃，属低严寒；-20℃≤ta<-15℃，属中严寒，ta<-20℃，属高严寒；

第四步，对薄冰区的冰厚近似地统一按同库区最大冰厚δip的1/2倍处理，计算寒冷及严寒地区抽水蓄能电站水库冰冻库容：vip＝0.9*δip*a库*(β厚+β薄/2)。

所述表中数值选用时，根据具体工程的特征进行±5％内的浮动。

所述具体工程的特征是指向阳/背阴、迎风/背风、库区水温。

本发明的有益效果：结合寒冷及严寒地区抽水蓄能电站设计资料、气象资料和附近已建工程相关资料，综合考虑寒冷及严寒地区抽水蓄能电站水库库面厚冰区、薄冰区和水域组成，计算冬季水库冰冻库容，改进了传统的未考虑电站库面厚冰区、薄冰区和水域组成的冰冻库容计算方法，所得冰冻库容计算结果具有更高的精度。

附图说明

图1是寒冷地区抽水蓄能电站水库冰冻库容计算示意图；

图2是本发明的方法和传统冰冻库容计算方法计算得到的几个抽水蓄能电站水库冰冻库容值与断面法实测冰冻库容对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

本发明寒冷及严寒地区抽水蓄能电站水库冰冻库容的计算方法。寒冷地区抽水蓄能电站水库冰冻库容计算示意图见图1。图中o为原点，取其为拦河坝中轴线和水库库面的交点；横坐标x方向为垂直于水库拦河坝指向上游的方向；纵坐标y方向为沿水库拦河坝由右岸指向左岸方向；垂向坐标z方向为竖直向下方向；σ为有向曲面，为有向曲面σ的法向量；dxy为有向曲面σ在xoy坐标平面上的投影区域；δsi为有向曲面σ上的一小块曲面；(δsi)xy为δsi在xoy坐标平面上的投影。

冰在水中漂浮时，水下部分占总体积的0.9倍。对于寒冷和严寒地区抽水蓄能电站水库冰层，认为其上表面是水平面，下表面是光滑曲面，根据二重积分的定义，寒冷地区抽水蓄能电站水库冰冻库容按式(1)来确定。

式中：vip—抽水蓄能电站水库冰冻库容，m³；

l—水库回水长度，m；

—水库右岸水(冰)面边缘线纵坐标y1对横坐标x的函数；

—水库左岸水(冰)面边缘线纵坐标y2对横坐标x的函数；

δip(x,y)—抽水蓄能电站水库冰厚，m。

一般情况下，冰厚沿x方向和y方向都会有所差别，冰厚δip(x,y)的监测结果越精确，根据式(1)计算得到的冰冻库容结果越接近于客观实际。限于目前冰厚测量仪器发展水平，目前对于水库(尤其是薄冰区)冰厚测量还很不成熟，因而获取的冰厚分布数据不够精确，难以得到冰厚在库内沿x方向和y方向的分布函数δip(x,y)，且水库库周水(冰)面边缘线的函数形式往往较为复杂，难以精确确定。在进行实际的寒冷地区抽水蓄能电站水库冰冻库容设计时，首先需根据所设计抽水蓄能电站所处的经纬度、海拔高程、气温和库容大小等参数，从所研究典型抽水蓄能电站水库中选用与所设计抽水蓄能电站水库类似的水库，然后计算最大冰厚，并确定厚冰区、薄冰区和水域面积，进而计算得到冰冻库容。

包括以下步骤：

第一步，计算抽水蓄能电站水库最大冰厚。

根据抽水蓄能电站水库运行及气象资料，得到水库所在地区最冷月的平均气温ta、最大冰厚处的水温tw、日均运行次数nr、日均运行时间tr和水库水位日变幅的绝对值|δh|，按下式计算得到电站水库最大冰厚δip。

δip＝1.50–0.0155lnnr–0.0128lntr–0.3237ln(ta+50)

-0.0466lntw-0.0120ln|δh|(2)

式中：δip—抽水蓄能电站水库最大冰厚，m；

nr—抽水蓄能电站日均运行次数；

tr—抽水蓄能电站日均运行时间，台时；

ta—抽水蓄能电站冰厚计算库区气温，℃；

tw—抽水蓄能电站冰厚计算库区水温，℃；

δh—抽水蓄能电站水库水位日变幅，m。

第二步，确定抽水蓄能电站水库正常蓄水位对应的库面面积a库。

根据抽水蓄能电站设计资料，获取电站水库正常蓄水位对应的库面面积a库；

第三步，确定抽水蓄能电站水库厚冰区面积权重因子β厚。

根据寒冷及严寒地区抽水蓄能电站水库冰情数据统计分析结果，得到寒冷及严寒地区抽水蓄能电站水库冰情分布统计表，见表1。表中列出了寒冷及严寒地区抽水蓄能电站水库冰厚最大时厚冰区占正常蓄水位对应库面面积的权重因子β厚、薄冰区面积占正常蓄水位对应库面面积的权重因子β薄和水域面积占正常蓄水位对应库面面积的权重因子β水。根据表1所列权重因子数据，并结合计算对象的具体工况确定厚冰区面积权重因子β厚。

表1寒冷及严寒地区抽水蓄能电站水库冰情分布统计表

库盆型水库是指由开挖和围堤形成的水库或天然库盆水库，河道型水库是指天然河道上修建的常规水电站水库；

按《水工建筑物抗冰冻设计规范》nb/t35024-2014进行气候分区：最冷月平均气温ta<-10℃，属严寒；-10℃≤ta≤-3℃，属寒冷；本发明将严寒地区再分为-15℃≤ta<-10℃，属低严寒；-20℃≤ta<-15℃，属中严寒，ta<-20℃，属高严寒；

第四步，确定抽水蓄能电站水库薄冰区的分布范围。

寒冷地区抽水蓄能电站水库中的结冰区除了冰厚最大的厚冰盖区域以外，还存在薄冰区，此处的薄冰区包括冰块区、冰花区和冰盖边缘冰厚未达到最大值的薄冰盖区域，即水库库区除了厚冰区和水域之外的区域。在计算冰冻库容时，薄冰区的冰厚难以精确测量，此处近似地把薄冰区冰厚统一按同库区最大冰厚的1/2倍处理。根据冰冻库容计算对象的工况，从表1中选出电站水库薄冰区面积权重因子β薄。

第五步，计算寒冷及严寒地区抽水蓄能电站水库冰冻库容。

如前所述，薄冰区的冰厚近似地统一按同库区最大冰厚δip的1/2倍处理。按以上步骤处理后，式(1)可简化为下式：

vip＝0.9*(δip*a厚+δip/2*a薄+0*a水)

＝0.9*(δip*a库*β厚+δip/2*a库*β薄+0*a库*β水)

＝0.9*δip*a库*(β厚+β薄/2)(3)

按式(3)即可计算得到所设计寒冷地区抽水蓄能电站水库的冰冻库容vip(m³)。

所述寒冷及严寒地区抽水蓄能电站水库冰冻库容受到电站抽水、发电运行影响。

下面举例说明本发明方法计算的实例：

若已知我国北方的5座抽水蓄能电站：

抽水蓄能电站一：位于北纬41°，总装机容量为1200mw(4×300mw)。上水库正常蓄水位1940.00m，死水位1903.00m，总库容690万m³，最冷月平均气温为-20.2℃。下水库正常蓄水位1400.00m，死水位1355.00m，总库容715万m³，最冷月平均气温为-19.5℃。

抽水蓄能电站二：位于北纬40°25′，总装机容量1200mw(4×300mw)。上水库正常蓄水位392.0m，死水位360.0m，总库容为1256万m³，最冷月平均气温为-16.3℃。下水库正常蓄水位66m，死水位62m，总库容2871万m³，最冷月平均气温为-15.1℃。

抽水蓄能电站三：位于北纬38°31′，总装机容量1200mw(4×300mw)。上水库正常蓄水位1492.50m，死水位1467.00m，总库容为468.97万m³，最冷月平均气温为-11.7℃。下水库正常蓄水位838m，死水位798m，总库容502.99万m³，最冷月平均气温为-10.8℃。

抽水蓄能电站四：位于北纬37°46′总装机容量1000mw(4×250mw)。上水库正常蓄水位为810m，死水位为779m，总库容789.0万m³，最冷月平均气温为-8.9℃。下水库正常蓄水位488m，死水位为464m，总库容8330万m³，最冷月平均气温为-7.2℃。

抽水蓄能电站五：位于北纬40°14′，总装机容量800mw(4×200mw)。上水库正常蓄水位566m，死水位531m，总库容445万m³，最冷月平均气温为-9.3℃。下水库正常蓄水位89.5m，死水位85m，总库容7977万m³，最冷月平均气温为-7.8℃。

其中，抽水蓄能电站一的上、下水库，抽水蓄能电站二的上水库，抽水蓄能电站三的上、下水库，抽水蓄能电站四的上水库和抽水蓄能电站五的上水库为人工挖筑的水库，水库区内所有区域冰厚都受到电站运行的影响；抽水蓄能电站二的下水库，抽水蓄能电站四的下水库和抽水蓄能电站五的下水库同时也是天然河道内的常规电站水库，库容较大，库区内存在冰厚不受电站运行影响的区域，其最大冰厚应和常规水库的最大冰厚相等。

下面以该5个抽水蓄能电站为例，对本发明的方法进行说明：

抽水蓄能电站一的上水库：

第一步，根据抽水蓄能电站一的上水库气象资料，统计得到水库所在地区冬季最冷月(1月份)的平均气温ta＝-20.2℃；根据抽水蓄能电站水库库区实测水温分布资料，计算得到电站冬季最冷月(1月份)最大冰厚处的水温tw＝0.5℃；根据抽水蓄能电站抽水、发电运行资料，计算得到电站冬季最冷月(1月份)的日均运行次数nr＝1.03次；根据抽水蓄能电站抽水、发电运行资料，计算得到电站冬季最冷月(1月份)的日均运行时间tr＝4.7h；根据抽水蓄能电站运行时的上水库水位资料，计算得到电站最冷月上水库日均水位变幅的绝对值|δh|＝32.64m；根据前五个步骤获取的寒冷及严寒地区抽水蓄能电站数据，按下式计算得到寒冷及严寒地区抽水蓄能电站水库最大冰厚δip(m)。

类似地，按照本发明的方法分别对其它水库最大冰厚进行计算，得到以上电站上、下水库的最大冰厚值，见表2。

表2计算对象水库最大冰厚计算成果表

第二步，根据抽水蓄能电站一的设计资料，确定其上水库正常蓄水位对应的库面面积a库＝22.5×10⁴m²。

类似地，根据计算对象的设计资料，分别确定其它抽水蓄能电站上、下水库正常蓄水位对应的库面面积a库，见表3。

表3计算对象水库正常蓄水位对应的库面面积

第三步，根据抽水蓄能电站一的工况资料，该电站上水库为库盆型水库，属高度严寒地区，从表1中选出厚冰区占正常蓄水位对应库面面积的权重因子β厚>82％,结合库区处于风口的具体情况，此处取β厚＝82.8％。

类似地，根据计算对象的工况分别选出其它电站上、下水库厚冰区占正常蓄水位对应库面面积的权重因子β厚，见表4。

表4计算对象水库厚冰区和薄冰区面积权重因子

第四步，根据抽水蓄能电站一的工况资料，从表1中选出薄冰区占正常蓄水位对应库面面积的权重因子β薄＝15.0％。

类似地，根据计算对象的工况分别选出其它电站上、下水库薄冰区占正常蓄水位对应库面面积的权重因子β薄，见表4。

第五步，对薄冰区的冰厚近似地统一按同库区最大冰厚δip的1/2倍处理，按式(3)计算寒冷及严寒地区抽水蓄能电站水库冰冻库容vip(m³)。即

vip＝0.9*δip*a库*(β厚+β薄/2)

＝0.9×0.37×22.5×10⁴×(82.8％+15.0％/2)

＝6.79×10⁴(m³)

类似地，分别对其它水库冰冻库容进行计算，得到以上电站上、下水库的冰冻库容，见表5。传统算法计算的上述寒冷及严寒地区典型抽水蓄能电站冰冻库容和断面法实测冰冻库容值一并列入表5。

表5冰冻库容计算成果和实测成果对比表

由表5可见，本发明方法计算所得冰冻库容值和断面法实测得到的冰冻库容值较为接近，在图2中表现为本发明方法计算冰冻库容值vip2和实测冰厚值vip1对应的点子位于直线vip2＝vip1附近。由表5和图2还可看出，对于全库最大冰厚受抽水蓄能电站运行的水库(抽水蓄能电站一上、下水库，抽水蓄能电站二上水库，抽水蓄能电站三上、下水库，抽水蓄能电站四上水库和抽水蓄能电站五上水库)，传统算法计算冰冻库容值大于实测冰冻库容(图2中传统算法计算冰冻库容值vip2和实测冰冻库容值vip1对应的点子位于直线vip2＝vip1的上方较远处)；其中只有冰厚不受电站运行影响区域所占比例较大的水库(抽水蓄能电站二的下水库，抽水蓄能电站四的下水库和抽水蓄能电站五的下水库)，原公式计算冰冻库容值接近于实测冰冻库容(图2中传统算法计算最大冰厚值vip2和实测冰厚值vip1对应的点子位于直线vip2＝vip1的上方附近)。以上结论充分说明了本发明的方法由于考虑了抽水蓄能电站运行对最大冰厚的影响，其计算结果比传统冰厚计算方法所得结果更接近于实测成果。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。