瀑布溝及下游泥沙優(yōu)化調(diào)度實(shí)施與效果分析

楊 冬 梅，熊 燦 林，張 自 航

(國(guó)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(kù)泥沙淤積與否的主要因素是水庫(kù)運(yùn)行方式及來(lái)水來(lái)沙條件[1]，因此，優(yōu)化水庫(kù)運(yùn)行方式，控制汛期壩前水位及持續(xù)時(shí)間可有效減少泥沙淤積[2，3]。大渡河下游龔嘴、銅街子兩庫(kù)分別于1971年、1992年投產(chǎn)運(yùn)行至今，泥沙淤積問(wèn)題突出[4]。自2010年瀑布溝水庫(kù)投運(yùn)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(lè)山市注入岷江，干流全長(zhǎng)1 062 km，流域面積77 400 km2。瀑布溝是大渡河中游控制性水庫(kù)。瀑布溝及下游梯級(jí)水庫(kù)(電站)，總裝機(jī)容量6 798 MW，總庫(kù)容54.75億m3，總調(diào)節(jié)庫(kù)容39.88億m3,年發(fā)電量280.36億kWh，圖1為瀑布溝下游梯級(jí)水庫(kù)(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(dá)-松潘板塊，整體性良好，現(xiàn)代活動(dòng)性弱。河谷地形開(kāi)闊，河床寬坦，水流平緩，植被覆蓋率70～80%以上，人類活動(dòng)影響小，水土流失不嚴(yán)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(gè)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(yán)重。植被覆蓋率低于40%，多年平均輸沙模數(shù)達(dá)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(guò)渡，巖體完整性好，植被條件良好。瀑布溝投運(yùn)前，泥沙輸至龔嘴和銅街子庫(kù)區(qū)，龔、銅兩庫(kù)總淤積量分別達(dá)25 018萬(wàn)m3和13 218萬(wàn)m3，占原始庫(kù)容的66.95%和62.44%。

圖1 瀑布溝以下水庫(kù)位置示意圖

2 模型的建立和驗(yàn)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(yùn)動(dòng)方程：

(2)

泥沙連續(xù)方程：

(3)

河床變形方程：

(4)

2.2 模型驗(yàn)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(shí)測(cè)值作為下邊界，對(duì)水庫(kù)沖淤計(jì)算程序進(jìn)行驗(yàn)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(yàn)證計(jì)算的沖淤過(guò)程基本反映了龔嘴及銅街子兩水庫(kù)的沖淤過(guò)程，與實(shí)測(cè)情況基本一致(圖2)，模型中選用的計(jì)算公式及算法能基本反映實(shí)際水庫(kù)的沖淤變化過(guò)程。

圖2 龔嘴水庫(kù)2003～2007年實(shí)測(cè)與驗(yàn)證計(jì)算的剩余庫(kù)容

3 優(yōu)化聯(lián)合調(diào)度方案

3.1 現(xiàn)行方案

龔、銅庫(kù)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(duì)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(kù)容，又可造峰排沙。龔嘴及銅街子水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度方式如表1：

表1 龔嘴及銅街子現(xiàn)行水庫(kù)調(diào)度方案

3.2 優(yōu)化方案

多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，大渡河流域輸沙量集中在6～9月，當(dāng)入庫(kù)小于分級(jí)流量，抬高運(yùn)行水位，讓泥沙淤積；當(dāng)入庫(kù)大于分級(jí)流量，降低運(yùn)行水位，利于水庫(kù)排沙[5]。龔嘴水庫(kù)死水位520m，汛期防洪限制水位526 m，銅街子水庫(kù)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(yùn)用區(qū)間，現(xiàn)擬瀑-龔-銅三庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化方案如表2。

表2 龔嘴及銅街子水庫(kù)汛期6～9月水庫(kù)運(yùn)行水位優(yōu)化方案表

4 瀑布溝及下游水庫(kù)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(gè)聯(lián)合調(diào)度方案的最大累計(jì)沖沙量分別增大106萬(wàn)m3及247萬(wàn)m3，增大7.4%及17.2%。銅街子兩個(gè)聯(lián)合調(diào)度方案的最大累計(jì)沖沙量分別增大51萬(wàn)m3及103萬(wàn)m3，增大4.8%及9.7%。圖3中累計(jì)沖淤量為正數(shù)表示累計(jì)淤積，負(fù)數(shù)表示累計(jì)沖刷。各方案在15年內(nèi)均處于累計(jì)沖刷。銅街子兩個(gè)聯(lián)合調(diào)度方案的累計(jì)沖沙量在運(yùn)行初期，因龔嘴水庫(kù)相應(yīng)聯(lián)合調(diào)度方案出庫(kù)沙量的增加，其累計(jì)沖沙量略小于現(xiàn)行方案，隨著運(yùn)行年限的增加，兩個(gè)聯(lián)合調(diào)度方案的累計(jì)沖沙量與現(xiàn)行水庫(kù)運(yùn)行方式的差值加大。水庫(kù)運(yùn)行12年后，兩個(gè)聯(lián)合調(diào)度方案的累計(jì)沖沙量基本不再回淤。第20年，銅街子水庫(kù)2個(gè)聯(lián)合調(diào)度方案與現(xiàn)行水庫(kù)運(yùn)行方案累計(jì)沖沙量的差值達(dá)332萬(wàn)m3及372萬(wàn)m3。瀑布溝在建成后的前幾年迅速?zèng)_沙，最大沖沙量達(dá)1 060萬(wàn)m3。

圖3 龔嘴(左)和銅街子(右)水庫(kù)現(xiàn)行水庫(kù)運(yùn)行方式與兩個(gè)聯(lián)合調(diào)度方案的庫(kù)區(qū)累計(jì)沖沙效果

4.2 優(yōu)化方案的排沙效果分析

龔嘴水庫(kù)優(yōu)化方案1及優(yōu)化方案2最大累計(jì)沖沙量分別為894萬(wàn)m3及404萬(wàn)m3，水位升高對(duì)減弱庫(kù)區(qū)的沖刷較明顯，當(dāng)優(yōu)化方案3將汛壩前運(yùn)行水位抬高3m后，龔嘴水庫(kù)水庫(kù)已處于微淤，最大淤積量約為300萬(wàn)m3。銅街子水庫(kù)各優(yōu)化方案均產(chǎn)生了不同程度的沖刷，庫(kù)區(qū)最大沖刷在650萬(wàn)m3～819萬(wàn)m3之間，3個(gè)優(yōu)化方案的最大庫(kù)區(qū)沖刷量相差不大。優(yōu)化方案3因上游龔嘴水庫(kù)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(kù)各優(yōu)化方案表現(xiàn)出與現(xiàn)行水庫(kù)運(yùn)行方案類似的沖淤特性，即瀑布溝水庫(kù)建成后前幾年產(chǎn)生累計(jì)沖刷，后恢復(fù)緩慢淤積。各方案回淤特點(diǎn)各異，優(yōu)化方案2及優(yōu)化方案3的水庫(kù)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(kù)區(qū)累計(jì)沖刷量分別減少至188萬(wàn)m3及110萬(wàn)m3，已接近至瀑布溝攔沙初期的水庫(kù)淤積態(tài)(圖4)。

圖4 龔嘴(左)和銅街子(右)水庫(kù)現(xiàn)優(yōu)化方案的庫(kù)區(qū)累計(jì)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(kù)優(yōu)化方案2與聯(lián)合調(diào)度方案2進(jìn)行模擬，龔嘴庫(kù)區(qū)最大沖刷量為894萬(wàn)m3，較優(yōu)化方案2多沖刷121%，沖刷減淤效果較好。運(yùn)行約16年不再產(chǎn)生累計(jì)性沖刷并達(dá)到?jīng)_淤平衡。銅街子水庫(kù)優(yōu)化方案2實(shí)施聯(lián)合調(diào)度后，其庫(kù)區(qū)最大沖刷量為923萬(wàn)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(kù)運(yùn)行20年后，聯(lián)合調(diào)度的累計(jì)沖刷量為622萬(wàn)m3，優(yōu)于優(yōu)化方案2。

圖5 龔嘴(左)和銅街子(右)水庫(kù)現(xiàn)優(yōu)化方案聯(lián)合調(diào)度的庫(kù)區(qū)累計(jì)沖沙效果

4.4 優(yōu)化方案下聯(lián)合調(diào)度的泥沙級(jí)配

龔嘴水庫(kù)沖刷出庫(kù)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(shí)間增加，出庫(kù)泥沙逐漸細(xì)化(圖6)。銅街子水庫(kù)沖刷出庫(kù)的最大粒徑為10 mm，被沖刷出庫(kù)的泥沙大部分為粒徑小于0.25 mm，0.25 mm以上的入庫(kù)泥沙大部分淤積在銅街子水庫(kù)中(圖7)。模結(jié)果表明，銅街子水庫(kù)的出庫(kù)級(jí)配基本趨勢(shì)是逐漸細(xì)化。隨著水庫(kù)逐漸回淤，5年后出庫(kù)級(jí)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(jí)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(kù)聯(lián)合調(diào)度造峰排沙效果優(yōu)于龔、銅兩庫(kù)獨(dú)立調(diào)度排沙。

圖6 龔嘴水庫(kù)優(yōu)化方案2聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行5～20年沖刷出庫(kù)泥沙級(jí)配

圖7 銅街子水庫(kù)優(yōu)化方案2聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行5～20年沖刷出庫(kù)泥沙級(jí)配

從庫(kù)區(qū)累計(jì)沖刷效果來(lái)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(dāng)抬高庫(kù)區(qū)運(yùn)行水位有助于提高發(fā)電效益，降低運(yùn)行水位有助于提高排沙效果。從提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行角度分析抬高運(yùn)行水位1 m對(duì)水位的抬高不足，從控制水庫(kù)的淤積與沖刷來(lái)看，提高運(yùn)行水位3 m的水位抬高偏大，故以提高運(yùn)行水位2 m為宜。

(3)從兼顧梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合排沙效果，適當(dāng)提高龔、銅運(yùn)行水位的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方面綜合考慮，采取龔、銅兩庫(kù)優(yōu)化方案2聯(lián)合瀑布溝水庫(kù)造峰4 500 m3/s的排沙方案效果最為適宜。龔、銅兩庫(kù)出庫(kù)泥沙級(jí)配出現(xiàn)逐漸細(xì)化的趨勢(shì)。