瀑布溝及下游泥沙優(yōu)化調(diào)度實施與效果分析

楊 冬 梅，熊 燦 林，張 自 航

(國家能源大渡河流域生產(chǎn)指揮中心，四川 成都 610041)

0 引 言

水庫泥沙淤積與否的主要因素是水庫運行方式及來水來沙條件[1]，因此，優(yōu)化水庫運行方式，控制汛期壩前水位及持續(xù)時間可有效減少泥沙淤積[2，3]。大渡河下游龔嘴、銅街子兩庫分別于1971年、1992年投產(chǎn)運行至今，泥沙淤積問題突出[4]。自2010年瀑布溝水庫投運后，經(jīng)瀑布溝-龔嘴-銅街子聯(lián)合調(diào)度排沙，龔嘴和銅街子的總淤積量分別減少了9%和17.9%，為龔嘴、銅街子的泥沙優(yōu)化調(diào)度提供了有利條件，本研究探析不同優(yōu)化調(diào)度方案的排沙效果。

1 大渡河流域概況及泥沙淤積現(xiàn)狀

1.1 流域概況

大渡河發(fā)源于青海省果洛山南麓，東西兩源在雙江口匯合，始稱大渡河，經(jīng)漢源、峨邊、沙灣等地于樂山市注入岷江，干流全長1 062 km，流域面積77 400 km2。瀑布溝是大渡河中游控制性水庫。瀑布溝及下游梯級水庫(電站)，總裝機容量6 798 MW，總庫容54.75億m3，總調(diào)節(jié)庫容39.88億m3,年發(fā)電量280.36億kWh，圖1為瀑布溝下游梯級水庫(電站)位置示意圖。

1.2 泥沙淤積現(xiàn)狀

大渡河流域產(chǎn)沙區(qū)分三部分：瀘定以上為上游產(chǎn)沙區(qū)，屬色達-松潘板塊，整體性良好，現(xiàn)代活動性弱。河谷地形開闊，河床寬坦，水流平緩，植被覆蓋率70～80%以上，人類活動影響小，水土流失不嚴重。瀘定水文站懸移質(zhì)多年平均年輸沙模數(shù)僅173 t/ km2，多年平均含沙量360 g/m3，屬微度侵蝕；瀘定以下至峨邊為中游產(chǎn)沙區(qū)，瀘定至石棉段位于三個區(qū)域性斷裂帶交匯處，巖石易風(fēng)化，汛期多暴雨，山洪暴漲，以田灣河、南椏河、流沙河、尼日河等支流較嚴重。植被覆蓋率低于40%，多年平均輸沙模數(shù)達1 670 t/(km2×a)，是主要產(chǎn)沙區(qū)；峨邊以下為下游產(chǎn)沙區(qū)，低山向丘陵寬谷過渡，巖體完整性好，植被條件良好。瀑布溝投運前，泥沙輸至龔嘴和銅街子庫區(qū)，龔、銅兩庫總淤積量分別達25 018萬m3和13 218萬m3，占原始庫容的66.95%和62.44%。

圖1 瀑布溝以下水庫位置示意圖

2 模型的建立和驗證

2.1 模型的建立

建立瀑布溝以下河段一維非恒定輸沙數(shù)學(xué)模型，分析不同方案下游河道沖淤變化規(guī)律，基本方程如下：

水流連續(xù)方程：

Q=BHU

(1)

水流運動方程：

(2)

泥沙連續(xù)方程：

(3)

河床變形方程：

(4)

2.2 模型驗證

采用沙坪水文站2003～2007年的逐日平均流量、含沙量作為上邊界，壩前逐日平均水位實測值作為下邊界，對水庫沖淤計算程序進行驗證，參數(shù)取值范圍：流速0.41～1.79 m/s，水深3.34～18.6 m，含沙量小于2.72 kg/m3，粒徑0.01～1.0 mm。驗證計算的沖淤過程基本反映了龔嘴及銅街子兩水庫的沖淤過程，與實測情況基本一致(圖2)，模型中選用的計算公式及算法能基本反映實際水庫的沖淤變化過程。

圖2 龔嘴水庫2003～2007年實測與驗證計算的剩余庫容

3 優(yōu)化聯(lián)合調(diào)度方案

3.1 現(xiàn)行方案

龔、銅庫容小，只具備日調(diào)節(jié)能力，需與上游瀑布溝聯(lián)合排沙。瀑布溝對下游的調(diào)、蓄以不影響本身防洪發(fā)電任務(wù)為原則，利用汛期棄水從汛限水位841 m向下預(yù)泄造峰，再利用尾洪將壩前水位回蓄至841 m。這樣，未損失電量，不占用防洪庫容，又可造峰排沙。龔嘴及銅街子水庫運行調(diào)度方式如表1：

表1 龔嘴及銅街子現(xiàn)行水庫調(diào)度方案

3.2 優(yōu)化方案

多年實踐經(jīng)驗表明，大渡河流域輸沙量集中在6～9月，當入庫小于分級流量，抬高運行水位，讓泥沙淤積；當入庫大于分級流量，降低運行水位，利于水庫排沙[5]。龔嘴水庫死水位520m，汛期防洪限制水位526 m，銅街子水庫死水位469 m，汛期防洪限制水位472 m，綜合考慮汛期水位調(diào)度運用區(qū)間，現(xiàn)擬瀑-龔-銅三庫聯(lián)合運行優(yōu)化方案如表2。

表2 龔嘴及銅街子水庫汛期6～9月水庫運行水位優(yōu)化方案表

4 瀑布溝及下游水庫聯(lián)合排沙的效果

4.1 聯(lián)合調(diào)度的排沙效果分析

與現(xiàn)行方案相比，龔嘴兩個聯(lián)合調(diào)度方案的最大累計沖沙量分別增大106萬m3及247萬m3，增大7.4%及17.2%。銅街子兩個聯(lián)合調(diào)度方案的最大累計沖沙量分別增大51萬m3及103萬m3，增大4.8%及9.7%。圖3中累計沖淤量為正數(shù)表示累計淤積，負數(shù)表示累計沖刷。各方案在15年內(nèi)均處于累計沖刷。銅街子兩個聯(lián)合調(diào)度方案的累計沖沙量在運行初期，因龔嘴水庫相應(yīng)聯(lián)合調(diào)度方案出庫沙量的增加，其累計沖沙量略小于現(xiàn)行方案，隨著運行年限的增加，兩個聯(lián)合調(diào)度方案的累計沖沙量與現(xiàn)行水庫運行方式的差值加大。水庫運行12年后，兩個聯(lián)合調(diào)度方案的累計沖沙量基本不再回淤。第20年，銅街子水庫2個聯(lián)合調(diào)度方案與現(xiàn)行水庫運行方案累計沖沙量的差值達332萬m3及372萬m3。瀑布溝在建成后的前幾年迅速沖沙，最大沖沙量達1 060萬m3。

圖3 龔嘴(左)和銅街子(右)水庫現(xiàn)行水庫運行方式與兩個聯(lián)合調(diào)度方案的庫區(qū)累計沖沙效果

4.2 優(yōu)化方案的排沙效果分析

龔嘴水庫優(yōu)化方案1及優(yōu)化方案2最大累計沖沙量分別為894萬m3及404萬m3，水位升高對減弱庫區(qū)的沖刷較明顯，當優(yōu)化方案3將汛壩前運行水位抬高3m后，龔嘴水庫水庫已處于微淤，最大淤積量約為300萬m3。銅街子水庫各優(yōu)化方案均產(chǎn)生了不同程度的沖刷，庫區(qū)最大沖刷在650萬m3～819萬m3之間，3個優(yōu)化方案的最大庫區(qū)沖刷量相差不大。優(yōu)化方案3因上游龔嘴水庫相應(yīng)優(yōu)化方案的淤積，其最大沖刷量反而比優(yōu)化方案2略有增加。所擬銅街子水庫各優(yōu)化方案表現(xiàn)出與現(xiàn)行水庫運行方案類似的沖淤特性，即瀑布溝水庫建成后前幾年產(chǎn)生累計沖刷，后恢復(fù)緩慢淤積。各方案回淤特點各異，優(yōu)化方案2及優(yōu)化方案3的水庫回淤速度快于優(yōu)化方案1。20年后，優(yōu)化方案2及優(yōu)化方案3的庫區(qū)累計沖刷量分別減少至188萬m3及110萬m3，已接近至瀑布溝攔沙初期的水庫淤積態(tài)(圖4)。

圖4 龔嘴(左)和銅街子(右)水庫現(xiàn)優(yōu)化方案的庫區(qū)累計沖沙效果

4.3 優(yōu)化方案下聯(lián)合調(diào)度的排沙效果分析

按龔嘴水庫優(yōu)化方案2與聯(lián)合調(diào)度方案2進行模擬，龔嘴庫區(qū)最大沖刷量為894萬m3，較優(yōu)化方案2多沖刷121%，沖刷減淤效果較好。運行約16年不再產(chǎn)生累計性沖刷并達到?jīng)_淤平衡。銅街子水庫優(yōu)化方案2實施聯(lián)合調(diào)度后，其庫區(qū)最大沖刷量為923萬m3，較優(yōu)化方案2多沖刷42%，沖沙效果好且回淤速度減緩。水庫運行20年后，聯(lián)合調(diào)度的累計沖刷量為622萬m3，優(yōu)于優(yōu)化方案2。

圖5 龔嘴(左)和銅街子(右)水庫現(xiàn)優(yōu)化方案聯(lián)合調(diào)度的庫區(qū)累計沖沙效果

4.4 優(yōu)化方案下聯(lián)合調(diào)度的泥沙級配

龔嘴水庫沖刷出庫的最大粒徑為20 mm，淤積物粒徑范圍基本在0.1～10 mm之間。隨著時間增加，出庫泥沙逐漸細化(圖6)。銅街子水庫沖刷出庫的最大粒徑為10 mm，被沖刷出庫的泥沙大部分為粒徑小于0.25 mm，0.25 mm以上的入庫泥沙大部分淤積在銅街子水庫中(圖7)。模結(jié)果表明，銅街子水庫的出庫級配基本趨勢是逐漸細化。隨著水庫逐漸回淤，5年后出庫級配基本不變。

5 結(jié) 論

本研究分析大渡河流域瀑布溝-龔嘴-銅街子不同水位和流量級下的聯(lián)合調(diào)度方案排沙效果，模擬分析結(jié)論如下：

(1)利用瀑布溝-龔嘴-銅街子三庫聯(lián)合調(diào)度造峰排沙效果優(yōu)于龔、銅兩庫獨立調(diào)度排沙。

圖6 龔嘴水庫優(yōu)化方案2聯(lián)合調(diào)度運行5～20年沖刷出庫泥沙級配

圖7 銅街子水庫優(yōu)化方案2聯(lián)合調(diào)度運行5～20年沖刷出庫泥沙級配

從庫區(qū)累計沖刷效果來看，瀑布溝-龔嘴-銅街子聯(lián)合調(diào)度排沙造峰4 500 m3/s的方案優(yōu)于聯(lián)合調(diào)度造峰4 000 m3/s的方案。

(2)適當抬高庫區(qū)運行水位有助于提高發(fā)電效益，降低運行水位有助于提高排沙效果。從提高經(jīng)濟運行角度分析抬高運行水位1 m對水位的抬高不足，從控制水庫的淤積與沖刷來看，提高運行水位3 m的水位抬高偏大，故以提高運行水位2 m為宜。

(3)從兼顧梯級水庫聯(lián)合排沙效果，適當提高龔、銅運行水位的經(jīng)濟運行方面綜合考慮，采取龔、銅兩庫優(yōu)化方案2聯(lián)合瀑布溝水庫造峰4 500 m3/s的排沙方案效果最為適宜。龔、銅兩庫出庫泥沙級配出現(xiàn)逐漸細化的趨勢。