泥沙數(shù)學(xué)模型助推塔吉克斯坦水電站未來長期運(yùn)行

[英國]　J.泰勒

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泥沙數(shù)學(xué)模型助推塔吉克斯坦水電站未來長期運(yùn)行

[英國]J.泰勒

摘要：水庫泥沙淤積影響塔吉克斯坦努列克水庫的庫容，威脅著該國重要水電站的長期運(yùn)行。為協(xié)助塔吉克斯坦國家電力公司研究制定水庫長期運(yùn)行方案，英國某水力研究公司開展了1項水庫淤積分析、觀測與模擬的研究項目。2015年春季項目小組從水庫地形變化、水庫淤積物入手，著力開展入庫泥沙觀測，并進(jìn)行模型數(shù)據(jù)集成等工作，以期研究出水庫長期運(yùn)行的最佳對策，并最大限度地延長水庫使用壽命，從而確保水電站長期有效運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：水庫淤積；泥沙淤積數(shù)學(xué)模型；水電站運(yùn)行；水庫使用壽命；塔吉克斯坦水電站

瓦赫什(Vakhsh)河高踞于塔吉克斯坦境內(nèi)帕米爾高原高山之上，集水面積大約與瑞士相當(dāng)，年徑流量約為20 km3。然而隨瓦赫什河下泄的不只是河水，還攜帶大量泥沙。泥沙減小了水庫庫容，損害了水輪機(jī)組，進(jìn)而給建在該河流上的水電站帶來一系列問題。

位于瓦赫什河上的努列克(Nurek)大壩建于20世紀(jì)60年代，壩高300 m，是世界第2大高壩。大壩蓄水形成長70 km水庫，庫容約為英國最大水庫庫容的50倍以上，電站裝有9臺機(jī)組，裝機(jī)約為3 015 MW，是該國單站發(fā)電量最大的水電站。

自大壩建成以來，泥沙淤積顯著地減小了水庫庫容。1972～2001年蓄水期間，大約損失了2 km3水庫庫容，約占水庫初始庫容的20%。如果不采取有效的運(yùn)行措施，泥沙淤積很可能會對努列克水電站的發(fā)電能力造成更大影響，甚至可能導(dǎo)致無法滿足該國的電力需求。

鑒于此，在世界銀行資助下，英國HR Wallingford水力研究公司調(diào)查研究小組承擔(dān)了該水庫泥沙問題的定量評估工作，并負(fù)責(zé)為該大壩的未來長期運(yùn)行提供對策。

1水庫淤積治理

水庫淤積治理對策措施包括旁側(cè)輸沙(當(dāng)入庫來沙較大時，降低庫水位)、沖沙和主動疏浚清淤等。為找到最適合的對策措施，需要對流域產(chǎn)沙、水庫淤積和庫水位變化(隨入庫水流季節(jié)性和水庫運(yùn)行而改變)等進(jìn)行詳細(xì)研究。

目前，努列克大壩上游正在修建羅貢(Rogun)大壩，這無疑將會減少努列克水庫的入庫沙量，因此需要對努列克水庫的現(xiàn)狀運(yùn)行方式進(jìn)行修正，以期通過羅貢和努列克2座水庫的聯(lián)合調(diào)度，使得兩庫的泥沙淤積均得到控制。

努列克水庫淤積研究項目的立項目標(biāo)如下：①收集水庫泥沙淤積資料； ②研發(fā)泥沙數(shù)學(xué)模型； ③評估不同水庫淤積治理措施的可行性。

2水庫地形變化

努列克水庫地形歷史觀測資料十分有限，僅有水庫運(yùn)行期間25個水庫橫斷面的定期觀測數(shù)據(jù)，1972～2015年期間的數(shù)據(jù)分析表明，努列克水庫蓄水以來，水庫泥沙處于持續(xù)淤積過程之中(詳見圖1)；水庫淤積三角洲已發(fā)展到必須進(jìn)行水庫地形詳細(xì)觀測的“關(guān)鍵點(diǎn)”。為此，項目觀測小組借助于最先進(jìn)的GPS定位和雙頻回聲技術(shù)，對水庫地形進(jìn)行了高分辨率觀測，并以此估算出水庫庫容。

圖1　1972～2015年期間努列克水庫地形變化

觀測小組將GPS接受儀安置在水庫高處固定基準(zhǔn)平臺上(圖2)，通過處理衛(wèi)星發(fā)射的攜帶波，獲取高分辨率定位數(shù)據(jù)，其定位精度為：水平小于10 mm、垂直小于20 mm。

2015年秋季進(jìn)行了水庫地形測量(測量時水庫處于最高水位)，獲取了橫跨水庫布設(shè)長630 km測線的地形數(shù)據(jù)，并以此構(gòu)建了水庫數(shù)字高程模型，用于估算水庫庫容。觀測小組比較測量數(shù)據(jù)與歷史觀測數(shù)據(jù)后作出處理，以確認(rèn)水庫庫容的變化情況。

目前，觀測小組已將測量儀器移交當(dāng)?shù)厝藛T，并對其進(jìn)行了培訓(xùn)，以便能夠繼續(xù)進(jìn)行定期的高分辨率測量，監(jiān)測水庫未來的淤積速率，從而評估出泥沙淤積治理措施的效果。

圖2　努列克水庫GPS觀測

3水庫淤積物

水庫淤積泥沙顆粒包含近壩段細(xì)顆粒黏土至瓦赫什河谷卵礫石，但水庫淤積三角洲主要由表層100～200 m的細(xì)沙構(gòu)成，淤積三角洲已延伸至距離壩前24 km處。

作為項目研究內(nèi)容之一，項目組采集了水庫沿程19個泥沙鉆孔的資料。對于水下淤積物，采用重力式取芯技術(shù)取樣；當(dāng)春季庫水位較低而淤積三角洲上段沙質(zhì)淤積物暴露時，采用旋轉(zhuǎn)式鉆探技術(shù)取樣。對每個沙樣進(jìn)行標(biāo)定，移送至項目現(xiàn)場泥沙實驗室；通過泥沙顆分，確定水庫沿程淤積物的粒徑和干容重變化。

泥沙取樣不僅為泥沙淤積計算提供了關(guān)鍵參數(shù)，而且還為庫底泥沙淤積物的固結(jié)過程提供了信息，并最終為泥沙淤積物隨時間的密實過程作出解釋。

4入庫泥沙觀測

位于大壩上游約70 km的基什魯格(Kishrog)村附近設(shè)有觀測站，自大壩蓄水以來一直進(jìn)行著入庫泥沙觀測。該觀測站位于一處河谷的底部，由跨越河道約長140 m的纜道構(gòu)成；纜道上架設(shè)索道纜車，允許觀測人員沿纜道拖動纜車，借助纜車絞盤系統(tǒng)從纜車上將測量儀器放入水流中觀測。

2015年春季項目小組首次訪問觀測站現(xiàn)場，當(dāng)時的河道流量為770～835 m3/s，表面水流流速量級為5 m/s。然而實際洪峰期間記錄的典型流量超過1 000 m3/s，表面水流流速達(dá)8 m/s。盡管項目小組訪問期間水流相對“緩和”，但河道水流仍處于“急流”流態(tài)并伴有“立波”現(xiàn)象。

5模型數(shù)據(jù)集成

HR Wallingford公司利用兩方面收集到的數(shù)據(jù)，正在努力構(gòu)建水庫泥沙淤積數(shù)值模擬專家軟件——長時段一維RESASS模型。該模型既可模擬沙/細(xì)沙/黏土混合物的非平衡沖淤，也考慮了各種水庫運(yùn)行方式下泥沙的密實，具有模擬水庫長期泥沙淤積形態(tài)和預(yù)測各種“干擾”措施對水庫庫容影響的能力。

采用RESASS模型，大壩調(diào)度部門可以評估不同環(huán)境條件和水庫運(yùn)行“情景”對于水庫泥沙運(yùn)動的影響，并對水庫未來總庫容和有效庫容損失率有一定認(rèn)識。模擬的水庫運(yùn)行“情景”包括：基本方案(正常運(yùn)行)、上游羅貢大壩攔沙方案，以及羅貢水庫沖沙下泄高含沙水流方案。

先率定模型，后采用另一組獨(dú)立數(shù)據(jù)驗證，可利用數(shù)據(jù)包括1989，1994年和2001年的沿程地形以及此次觀測的沿程地形和淤積物級配資料。HR Wallingford公司還將利用已往其他大型水庫(如巴基斯坦印度河塔貝拉水庫)的模型率定經(jīng)驗。模型一旦得到率定，將進(jìn)行不同泥沙治理方案的模擬計算。通過對各種可行泥沙運(yùn)行方案的評估，研究提出水庫的長期運(yùn)行對策，在水庫使用壽命不受影響的前提下，獲得水庫發(fā)電效益的最大化。

董耀華譯

(編輯：唐湘茜)

收稿日期：2016-03-02

文章編號：1006-0081(2016)06-0040-02

中圖法分類號：TV697.31

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

(譯者簡介：董耀華，男，長江水利委員會長江科學(xué)院，教授級高級工程師。)