淺談水庫(kù)規(guī)模論證時(shí)考慮設(shè)置排沙水位使工程經(jīng)濟(jì)更優(yōu)的方法

張 僑，劉 穎，蒙天易

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550002)

1 問(wèn)題提出

興建水庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)，死水位通常要高于水庫(kù)使用及運(yùn)行年限的水平淤積高程。貴州省威寧縣區(qū)域多年平均懸移質(zhì)輸沙模數(shù)在1000～2000 t/km2之間，屬貴州省泥沙高值區(qū)。泥沙來(lái)量較大，水庫(kù)淤積嚴(yán)重，淤積量大，因此該區(qū)域水庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)所需死水均較高。根據(jù)清華大學(xué)水庫(kù)壅水排沙比曲線，排沙比與庫(kù)容大小成反比、與出庫(kù)流量成正比。減少淤積量則可以通過(guò)兩個(gè)途徑，一是減少庫(kù)容，二是增大出庫(kù)流量。根據(jù)水庫(kù)溢洪布置，同樣的溢洪寬度，出庫(kù)流量基本不變。因而可以通過(guò)減少庫(kù)容，全年減少庫(kù)容則不能滿足水庫(kù)灌溉供水要求。根據(jù)區(qū)域泥沙特性，輸沙時(shí)期基本為汛期，主要集中在4—9月。對(duì)于水庫(kù)來(lái)水，該時(shí)段來(lái)水量豐富，供水灌溉所需的興利庫(kù)容較小。因此通過(guò)汛期設(shè)置排沙水位，即可以減少泥沙淤積，也可以滿足興利需求。

2 工程概況

威寧縣龍河水庫(kù)位于拖洛河中上游河段，該工程是全國(guó)水利發(fā)展“十三五”規(guī)劃項(xiàng)目，工程的建設(shè)是促進(jìn)和支撐貧困地區(qū)脫貧攻堅(jiān)的重點(diǎn)基礎(chǔ)。水庫(kù)控制集水面積329 km2，多年平均來(lái)水量13 440萬(wàn)m3，工程等級(jí)為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型。工程主要任務(wù)為：集鎮(zhèn)和農(nóng)村人畜供水、灌溉為主，兼顧發(fā)電。壩體為C20碾壓混凝土拱壩，壩頂高程1769 m；溢流表孔位于壩頂中部，采用閘門(mén)控制溢流，溢流凈寬24 m，設(shè)3孔，每孔寬8 m，堰頂高程1760 m，溢流堰堰型為WES實(shí)用堰，下游消能采用挑流消能；放空兼沖沙底孔緊靠溢流壩左側(cè)布置，進(jìn)口設(shè)置平板檢修閘門(mén)，孔口底板高程為1725 m，采用喇叭口型式，斷面為3.0 m×3.5 m(寬×高)。發(fā)電工程建筑物由發(fā)電取水口、引水隧洞、壓力鋼管、發(fā)電廠房四部分組成，布置形式為：取水口→引水隧洞→壓力鋼管→發(fā)電廠房。

水庫(kù)所在的拖洛河，為長(zhǎng)江流域二級(jí)支流(一級(jí)為橫江，上游稱洛澤河)，地處威寧縣西北部，拖洛河流域集水面積766 km2，河流全長(zhǎng)67 km，天然落差987 m，河道平均比降14.7‰；流域多年平均懸移質(zhì)輸沙模數(shù)在1000～2000 t/km2之間，屬貴州省泥沙高值區(qū)。

根據(jù)水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水、水庫(kù)庫(kù)容曲線、水庫(kù)溢洪道泄流曲線計(jì)算得洪水期平均出口流量為50 m3/s，同時(shí)經(jīng)興利調(diào)算水庫(kù)所需興利庫(kù)容為845萬(wàn)m3。

3 工程實(shí)例研究

3.1 泥沙概況

3.1.1 懸移質(zhì)輸沙模數(shù)

據(jù)《貴州省地表水資源》上“多年平均懸移質(zhì)輸沙模數(shù)等值圖”，龍河水庫(kù)的多年平均懸移質(zhì)輸沙模數(shù)在1000～2000 t/km2之間。龍河水庫(kù)鄰近的威寧縣西北中水鎮(zhèn)長(zhǎng)江流域牛欄江水系水西河上已建有賴毛沖水庫(kù)，根據(jù)《威寧賴毛沖水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)報(bào)告》(2011年)，水庫(kù)庫(kù)區(qū)淤沙甚為嚴(yán)重，根據(jù)水庫(kù)運(yùn)行49 a淤沙量反推得到多年平均年輸沙模數(shù)為1300 t/km2。根據(jù)三峽大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院所編制的《威寧縣拖洛河水電站增效擴(kuò)容改造工程設(shè)計(jì)報(bào)告》(2014年12月)，其懸移質(zhì)輸沙模數(shù)取值為1200 t/km2?？紤]到近年來(lái)水土保持工作加強(qiáng)，參考本流域拖洛河電站引水壩壩址處泥沙淤積情況及臨近流域賴毛沖水庫(kù)泥沙運(yùn)行情況，本工程計(jì)算的泥沙淤積量與流域內(nèi)其他工程相似，是符合流域規(guī)律的。

經(jīng)上述分析并結(jié)合附近水庫(kù)工程，龍河水庫(kù)壩址懸移質(zhì)多年平均輸沙模數(shù)取1200 t/km2。

3.1.2 水庫(kù)輸沙量

參考臨近流域《威寧縣拖洛河水電站增效擴(kuò)容改造工程設(shè)計(jì)報(bào)告》(2014年12月，三峽大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院所)、《威寧縣二道壩水庫(kù)工程可行性研究報(bào)告》(2019年1月，中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司)及威寧縣其他類似工程經(jīng)驗(yàn)，推移質(zhì)按懸移質(zhì)的20%計(jì)，懸移質(zhì)泥沙容重按1.3 t/m3計(jì)，推移質(zhì)泥沙容重按1.5 t/m3計(jì)。經(jīng)計(jì)算水庫(kù)壩址處多年平均懸移質(zhì)含沙量2.94 kg/m3，年均入庫(kù)沙量47.4萬(wàn)t，折合35.6萬(wàn)m3。如按正常情況運(yùn)行水庫(kù)運(yùn)行50 a淤積量為1610萬(wàn)m3，興利庫(kù)容剩817萬(wàn)m3，因此水庫(kù)考慮在汛期(排沙時(shí)段)，設(shè)立排沙水位，在減少水庫(kù)淤積量的同時(shí)，取到向壩前拉沙，減少泥沙淤積在庫(kù)尾的作用。

3.2 排沙時(shí)段的選擇

拖洛河5—10月為汛期，通常從5月初開(kāi)始相繼有洪水出現(xiàn)，到10月份結(jié)束。流域內(nèi)泥沙主要來(lái)源于暴雨對(duì)坡面的侵蝕，以及洪水對(duì)河床的沖刷，流域內(nèi)坡面較陡，植被較差，巖石風(fēng)化程度較高，水土流失較為嚴(yán)重。本工程流域附近牛吃水水文站有測(cè)沙資料。從牛吃水水文站歷年逐月輸沙率統(tǒng)計(jì)成果看，河流輸沙量年內(nèi)分配不均勻，主要集中在4—9月，占全年來(lái)沙量的92.8%，其中5—8月占全年來(lái)沙量的72.9%。如圖1所示。

圖1 牛吃水水文站逐月平均含沙量散點(diǎn)圖

根據(jù)水庫(kù)興利調(diào)算結(jié)果，水庫(kù)從主汛期5—8月設(shè)置排沙運(yùn)行控制水位，在9月開(kāi)始蓄水，可以迅速蓄至正常蓄水位，可滿足水庫(kù)興利調(diào)節(jié)的需要，結(jié)合以上分析，本次擬定汛期控制庫(kù)水位調(diào)度泥沙的時(shí)段為5—8月。

3.3 最低排沙運(yùn)行控制水位分析

在確保水庫(kù)供水和灌溉規(guī)模的前提下，水庫(kù)擬在排沙期5—8月適當(dāng)降低運(yùn)行水位，在后汛期9月開(kāi)始蓄滿水。以期通過(guò)排沙設(shè)施和運(yùn)行調(diào)度使庫(kù)區(qū)泥沙盡量少淤積在庫(kù)內(nèi)及庫(kù)尾，可以減少對(duì)上游庫(kù)區(qū)的淹沒(méi)以及泥沙淤積對(duì)興利庫(kù)容的影響。

根據(jù)水庫(kù)歷年逐月來(lái)水、用水過(guò)程進(jìn)行興利調(diào)算，以不影響水庫(kù)興利調(diào)節(jié)的最低運(yùn)行水位作為工程最低排沙運(yùn)行控制水位。

據(jù)1958年5月—2017年4月長(zhǎng)系列歷年逐月徑流資料計(jì)算，水庫(kù)不影響水庫(kù)興利調(diào)節(jié)的最低運(yùn)行水位為1762.5 m，取整后最低排沙運(yùn)行控制水位為1763.0 m。

3.4 不同排沙水位泥沙淤積計(jì)算

3.4.1 計(jì)算方法及參數(shù)

排沙比(η)是指同一時(shí)段(年內(nèi))出庫(kù)輸沙量同入庫(kù)輸沙量的百分比。陜西水科所和清華大學(xué)在依據(jù)三門(mén)峽、青銅峽、巴家嘴、官?gòu)d、鹽鍋峽、汾河、丹江口等水庫(kù)測(cè)驗(yàn)資料，在考慮時(shí)段內(nèi)進(jìn)出流量不相等及粗略考慮懸移質(zhì)d50的影響，獲得排沙比曲線。

根據(jù)清華大學(xué)水庫(kù)壅水排沙比曲線，如圖2所示。排沙比與庫(kù)容大小成反比、與出庫(kù)流量成正比。由于本水庫(kù)壩址以上來(lái)沙量相對(duì)較多，在考慮設(shè)置排水水位的情況下，隨著淤積年限的增加，剩余庫(kù)容逐步減小，排沙比會(huì)逐步增大。

圖2 陜西水科所-清華大學(xué)水庫(kù)雍水排沙比經(jīng)驗(yàn)關(guān)系曲線

因此依據(jù)有關(guān)水沙成果和水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行方式，查《泥沙設(shè)計(jì)手冊(cè)》(中國(guó)水利水電出版社2006出版)中清華大學(xué)水庫(kù)雍水排沙比曲線(Ⅱ號(hào)線)分年度計(jì)算本水庫(kù)排沙比，以10 a作為一個(gè)計(jì)算單元。依據(jù)水文分析計(jì)算成果，2 a一遇常年洪水的洪峰流量為155 m3/s，一次洪水過(guò)程約2 d左右，洪水期平均流量在50 m3/s左右。

3.4.2 淤積量計(jì)算

本工程擬采取汛期(5—8月)控制庫(kù)水位調(diào)度泥沙，對(duì)不同排沙水位擬定不同的攔沙率，排沙水位越低，攔沙率越低，以各壩址正常蓄水位為排沙水位上限，不影響水庫(kù)興利調(diào)節(jié)的最低排沙水位為下限，即選用排沙水位：1766 m(2427萬(wàn)m3)、1765 m(2316萬(wàn)m3)、1764 m(2209萬(wàn)m3)、1763 m(2107萬(wàn)m3)，計(jì)算時(shí)考慮推移質(zhì)全部入庫(kù)。

計(jì)算公式如公式(1)～(3)所示：

W總淤=W懸淤+W推淤

(1)

(2)

W推淤=W推來(lái)

(3)

式中：W總淤為總淤積量，萬(wàn)m3；W懸淤為懸移質(zhì)淤積量，萬(wàn)m3；W推淤為推移質(zhì)淤積量，萬(wàn)m3；W懸來(lái)為懸移質(zhì)來(lái)沙量，萬(wàn)m3；W推來(lái)為推移質(zhì)來(lái)沙量，萬(wàn)m3；η為排沙比，%。

由表1可見(jiàn)：隨著排沙水位越低，排沙比越大，水庫(kù)泥沙淤積量就越少。

表1 工程不同排沙水位泥沙淤積量計(jì)算

3.5 排沙水位選擇經(jīng)濟(jì)性比較

根據(jù)上述計(jì)算成果，不同排沙水位對(duì)應(yīng)淤積量不同，水平淤沙高程則有所變化，死水位的確定主要是滿足水庫(kù)水平淤沙高程要求，不同死水位對(duì)水庫(kù)的供水量、發(fā)電量有所影響，因此通過(guò)比選供水量指標(biāo)、工程布置、征地移民投資、工程建設(shè)投資以及經(jīng)濟(jì)效益等，確定合適的排沙水位。

方案間經(jīng)濟(jì)比較采用總費(fèi)用現(xiàn)值費(fèi)法，相應(yīng)社會(huì)折現(xiàn)率取8%，總費(fèi)用現(xiàn)值少的方案較優(yōu)。排沙水位比較時(shí)影響方案經(jīng)濟(jì)性的主要因素為工程樞紐、泵站運(yùn)行費(fèi)用和發(fā)電收益。

根據(jù)上述表格成果，當(dāng)排沙水位不斷降低時(shí)，排沙比逐漸加大，泥沙淤積量逐漸減少，水平淤沙高程逐漸降低，降低的幅度變小，發(fā)電效益逐漸減小。

從工程效益分析，對(duì)于1766 m、1765 m排沙水位，興利庫(kù)容不滿足要求，不能滿足設(shè)計(jì)供水要求。而本工程按“以需定供”來(lái)確定水庫(kù)興利庫(kù)容，當(dāng)滿足需求時(shí)，多出的庫(kù)容只能用于發(fā)電，對(duì)1763 m、1764 m排沙水位，兩者供水量相同，1764 m排沙水位比1763排沙水位的年平均發(fā)電增加10萬(wàn)kW·h，從工程效益分析見(jiàn)圖3、表2，1764 m排沙水位比1763 m排沙水位優(yōu)，所以上壩址選擇1764 m為排沙水位。

圖3 工程不同排沙水位泥沙淤積量及排沙比變化曲線

表2 排沙運(yùn)行控制水位比較成果表

4 結(jié) 語(yǔ)

威寧縣龍河水庫(kù)設(shè)計(jì)流域由于懸移質(zhì)輸沙模數(shù)較大，如按正常情況運(yùn)行水庫(kù)運(yùn)行50 a淤積量為1610萬(wàn)m3，興利庫(kù)容剩812萬(wàn)m3；水庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)候考慮設(shè)置排沙水位1764 m，在入庫(kù)含沙量較高，水流攜沙量較為集中時(shí)期，嚴(yán)格控制運(yùn)行水位，50 a淤積量減少為1575萬(wàn)m3，減少了水庫(kù)泥沙淤積量35萬(wàn)m3，使水庫(kù)死水位降低了0.5 m，在不影響工程效益的前提下，減少了工程的投資。

多沙河流為減少上游來(lái)水來(lái)沙在庫(kù)區(qū)的淤積，提高水庫(kù)運(yùn)行效率，延長(zhǎng)水庫(kù)使用壽命，筆者通過(guò)本文的介紹，希望為多沙河流同類水庫(kù)，采取設(shè)置排沙水位的方式進(jìn)行規(guī)模論證，使水庫(kù)經(jīng)濟(jì)性更好，提供一定的幫助和指導(dǎo)。