多泥沙河流高壩型綜合利用水庫(kù)死水位選擇研究

吳 萌

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

死水位是指水庫(kù)在正常運(yùn)用情況下允許消落的最低水位。水庫(kù)在正常運(yùn)行期間，水位將在正常蓄水位與死水位之間變動(dòng)，其變幅即為水庫(kù)的消落深度。在一定的正常蓄水位下，降低死水位，加大有效庫(kù)容，可以提高徑流利用程度，滿(mǎn)足發(fā)電及綜合利用部門(mén)的需要，但水電站將在較低的平均水頭下工作，因此從能量觀點(diǎn)來(lái)看，應(yīng)進(jìn)行方案比較，然后按保證出力或年發(fā)電量最優(yōu)原則，確定經(jīng)濟(jì)上最有利的死水位。死水位選擇除考慮各有關(guān)經(jīng)濟(jì)部門(mén)的綜合效益外，還應(yīng)考慮泥沙淤積的影響、水輪機(jī)運(yùn)行情況及閘門(mén)制造條件等，通過(guò)綜合分析比較后加以確定。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于死水位選擇的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：一是以發(fā)電為主的水電站及梯級(jí)水電站的死水位確定研究[1- 4]，該類(lèi)工程的死水位論證主要考慮以電站或梯級(jí)電站的保證出力或年發(fā)電量最優(yōu)為主要原則；二是以黃河流域?yàn)榇淼亩嗌澈恿?，死水位確定時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足較大的泄流排沙能力[5- 6]；三是以綜合利用為主的水庫(kù)死水位的選擇研究[7- 8]，死水位選擇時(shí)需考慮各用水部門(mén)對(duì)死水位的要求，尤其應(yīng)著重考慮和分析主要部門(mén)對(duì)死水位的要求。上述研究幾乎涵蓋了死水位研究的各個(gè)方面，為死水位的論證和選擇提供了很好的理論和技術(shù)指導(dǎo)；但針對(duì)新疆多泥沙河流、承擔(dān)綜合利用水庫(kù)高庫(kù)大壩死水位論證的研究還較為鮮見(jiàn)，本次研究工作以YL水利樞紐工程為例，對(duì)多泥沙河流高壩型綜合利用水庫(kù)的選擇進(jìn)行分析論證，可為今后該類(lèi)型河流高壩型綜合利用水庫(kù)死水位的論證提供技術(shù)參考。

1 研究方法

死水位論證方法的核心為死水位方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性，按照工程開(kāi)發(fā)任務(wù)的不同，對(duì)工程效益和投資進(jìn)行技術(shù)論證。在規(guī)劃階段，對(duì)于梯級(jí)水電站死水位的確定，常以出力、電量為目標(biāo)采用“網(wǎng)絡(luò)模型法”“動(dòng)態(tài)規(guī)劃法”進(jìn)行死水位確定；對(duì)于黃河流域?yàn)榇淼亩嗌澈恿鳎浪淮_定時(shí)主要以滿(mǎn)足較大的泄流排沙能力為目標(biāo)；對(duì)于承擔(dān)綜合利用任務(wù)的水庫(kù)，應(yīng)在滿(mǎn)足綜合利用任務(wù)的前提下進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合比較，確定水庫(kù)死水位。

YL水庫(kù)工程是一座具有生態(tài)、灌溉、防洪、發(fā)電等綜合利用任務(wù)的Ⅱ等大(2)型水利樞紐工程，在滿(mǎn)足綜合利用任務(wù)的前提下，死水位論證采用多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來(lái)確定。

1.1 水庫(kù)工程動(dòng)能指標(biāo)計(jì)算

(1)計(jì)算方法。水庫(kù)工程動(dòng)能指標(biāo)計(jì)算采用時(shí)歷法長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算完成，計(jì)算時(shí)段每年10月—次年5月以月為計(jì)算時(shí)段，每年6—9月以旬為計(jì)算時(shí)段。該方法的核心為水量平衡原理，同時(shí)結(jié)合出力和電量計(jì)算，依托的軟件平臺(tái)為EXCELVBA。

(2)基礎(chǔ)資料。徑流資料采用水文專(zhuān)業(yè)提供的YL壩址1957—2016年共60年徑流資料。灌區(qū)綜合用水由農(nóng)業(yè)灌溉用水、工業(yè)、生活和牲畜用水組成。YLKS河綜合用水過(guò)程線(xiàn)見(jiàn)表1。

表1 YLKS河綜合用水過(guò)程線(xiàn) 單位:萬(wàn)m3

(3)YL壩址斷面生態(tài)基流量過(guò)程見(jiàn)表2。

表2 YL壩址斷面生態(tài)基流量過(guò)程 單位：m3/s

(4)庫(kù)容曲線(xiàn)采用新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院測(cè)量隊(duì)2015年調(diào)繪的1∶10000地形圖量算，YL水位-庫(kù)容關(guān)系曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 YL水位-庫(kù)容關(guān)系曲線(xiàn)

(5)YL水電站不同過(guò)機(jī)流量時(shí)的水頭損失(含沿程損失和局部損失)情況見(jiàn)表3。

表3 YL水電站發(fā)電水頭損失表

(6)電站綜合出力系數(shù)取8.6。

(7)YL水電站下游尾水位-流量關(guān)系見(jiàn)表4。

表4 YL水電站下游尾水位-流量關(guān)系表

1.2 泥沙淤積計(jì)算

泥沙沖淤計(jì)算采用一維懸移質(zhì)不平衡輸沙數(shù)學(xué)模型。采用的計(jì)算方法為不平衡有限差分法。

1.2.1懸移質(zhì)平均含沙量沿程變化方程

(1)

1.2.2水流挾沙力方程

對(duì)于數(shù)模計(jì)算，主要為長(zhǎng)系列年研究，因而更有必要考慮懸移質(zhì)泥沙的淤積影響。本數(shù)模進(jìn)行懸移質(zhì)水流輸沙能力計(jì)算采用張紅武水流挾沙力公式：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，Sv—體積比含沙量；κ—卡門(mén)常數(shù)；γs—泥沙容重，t/m3；γm—清水容重，t/m3；h—水深，m；ωs—泥沙群體沉速，m/s；ωsk—第k組粒徑泥沙在渾水中沉速，m/s；ωok—第k組粒徑泥沙在清水中沉速，m/s；D50—床沙中值粒徑,mm；d50—懸沙中值粒徑，mm；psk—第k組粒徑泥沙的重量百分?jǐn)?shù)；n—非均勻沙的分組數(shù)。

經(jīng)清華大學(xué)舒安平、黃委會(huì)江恩惠、朱太順、王嚴(yán)平等學(xué)者以及國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“高含沙水流紊動(dòng)結(jié)構(gòu)和泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究”(項(xiàng)目編號(hào)：59339170)，通過(guò)大量實(shí)測(cè)資料檢驗(yàn)，證實(shí)公式是現(xiàn)有公式中最適用于天然河流的水流挾沙力公式，目前已得到廣泛應(yīng)用。因此，采用該水流挾沙力公式，可保證我們所建立泥沙數(shù)學(xué)模型正確模擬懸移質(zhì)泥沙沖淤影響。

分組挾沙力可由下式計(jì)算：

(6)

1.2.3推移質(zhì)水流挾沙力方程

對(duì)于數(shù)學(xué)模型中各斷面推移質(zhì)輸沙率的計(jì)算采用與懸移質(zhì)邊連續(xù)方程相類(lèi)似的方法計(jì)算，即：

(7)

入庫(kù)區(qū)斷面的推移質(zhì)輸沙率采用懸移質(zhì)輸沙率的20%計(jì)算。

Qs0=0.2Q0S

(8)

式中，Qs0—進(jìn)口斷面推移質(zhì)輸沙率，kg/s；Q0—進(jìn)口斷面流量，m3/s；其他符號(hào)含義同前文。

推移質(zhì)主要在主河槽淤積，在水庫(kù)淤積三角洲中推移質(zhì)與懸移質(zhì)混合堆積，推移質(zhì)主要堆積在三角洲的尾坡段和頂坡段，隨著淤積年限增加推移質(zhì)淤積面逐漸抬高。

1.2.4水流連續(xù)方程

Qi+1=Qi+Q1

(9)

式中，i—子斷面編號(hào)；Qi、Qi+1—進(jìn)出口斷面流量，m3/s。

1.2.5水面線(xiàn)方程

(10)

1.2.6床變形方程

(11)

式中，a—河床變化面積，；γs—泥沙容重，t/m3；Δt—計(jì)算時(shí)段，s；其他符號(hào)含義同前文。

1.2.7斷面特性曲線(xiàn)處理

淤積時(shí)，斷面按濕周等厚分布；沖刷時(shí)，沖槽不沖灘，按水平狀態(tài)進(jìn)行沖刷。

1.3 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)

本次研究采用經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值指標(biāo)對(duì)各方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

YL水庫(kù)位于KS河中游河段上，是一座具有生態(tài)、灌溉、防洪、發(fā)電等綜合利用任務(wù)的Ⅱ等大(2)型水利樞紐工程[9]。工程樞紐布置由混凝土面板堆石壩(最大壩高233.5m)，1#深孔放空沖沙洞，導(dǎo)流洞、表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、2#深孔放空沖沙洞、發(fā)電引水洞，電站等建筑物組成[10]。工程所處流域氣候干燥，植被稀疏，水土流失嚴(yán)重，泥沙含量較大。水庫(kù)多年平均入庫(kù)懸移質(zhì)輸沙量790萬(wàn)m3，多年平均入庫(kù)推移質(zhì)輸沙量86萬(wàn)m3，庫(kù)沙比為60.3，屬于泥沙問(wèn)題嚴(yán)重的水庫(kù)[11]。

2.2 死水位方案擬定

死水位論證的核心為在滿(mǎn)足綜合利用任務(wù)的前提下，實(shí)現(xiàn)技術(shù)上合理，經(jīng)濟(jì)上可行，效益最大，投資最省。針對(duì)YL水利樞紐，死水位的選擇難點(diǎn)在于若死水位選擇過(guò)高，雖然可以提高發(fā)電效益、降低金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備制造難度、有利于機(jī)組選型和運(yùn)行；但有可能造成水庫(kù)泥沙淤積嚴(yán)重、縮短水庫(kù)使用年限，以及壩高增加而帶來(lái)的工程直接費(fèi)及工程風(fēng)險(xiǎn)加大。若死水位選擇較低，雖然可以減少泥沙淤積，降低壩高、減小工程運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)；但由于水庫(kù)消落深度較大，造成金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備設(shè)計(jì)、制造難度增加，機(jī)組選型困難，并嚴(yán)重影響電站的發(fā)電效益，增加工程運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)且不利于水庫(kù)實(shí)際調(diào)度[12]。因此，如何諸多因素中找到死水位選擇的平衡點(diǎn)，是本文研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

死水位上、下限的擬定應(yīng)根據(jù)工程建設(shè)條件、泥沙淤積、水工布置和承擔(dān)的任務(wù)等方面綜合考慮。YL水庫(kù)死水位的下限應(yīng)滿(mǎn)足水工布置要求，水庫(kù)壩址斷面河床平均高程1969m，結(jié)合深孔放空沖沙洞、發(fā)電引水洞等水工布置要求，并考慮適當(dāng)留有余度，水庫(kù)死水位最低為2005m。死水位上限從水庫(kù)庫(kù)容特性分析確定，庫(kù)水位2090m以上庫(kù)容增幅逐漸增大，抬高死水位，正常蓄水位增加較快，工程投資相應(yīng)增加，而效益增幅較小，因此，死水位上限擬定為2090m。根據(jù)死水位上下限要求，在2005～2090m比選范圍內(nèi)，按水位間隔10m考慮，擬定了10組方案，各方案按同等興利調(diào)節(jié)庫(kù)容的原則擬定正常蓄水位，按同等利用小時(shí)數(shù)擬定裝機(jī)容量。

2.3 結(jié)果與分析

根據(jù)YL水利樞紐工程工程泥沙含量大、壩較高、水庫(kù)消落深度大、綜合利用任務(wù)繁重等特點(diǎn)，死水位的選擇應(yīng)充分考慮水庫(kù)排沙效果，從而延長(zhǎng)水庫(kù)使用壽命；工程位于高山峽谷區(qū)，河道狹窄，岸坡陡峻，場(chǎng)地地震基本烈度為Ⅷ度，大壩地震設(shè)防烈度值為Ⅸ度，為強(qiáng)震、寒冷峽谷山區(qū)河段上的230m級(jí)高混凝土面板壩，死水位的選擇應(yīng)在滿(mǎn)足興利要求的基礎(chǔ)上，從泥沙淤積、電站動(dòng)能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等多方面進(jìn)行綜合比選，合理確定死水位。

2.3.1從泥沙淤積分析

對(duì)擬定的10組死水位方案進(jìn)行水庫(kù)泥沙淤積計(jì)算，在滿(mǎn)足同等興利庫(kù)容條件下，死水位依次增高10m，正常蓄水位增幅為0.5～2m。死水位2005～2050m方案，壩前淤積高程高于死水位，死庫(kù)容淤損率均達(dá)到100%，正常蓄水位以下淤損率43%～47%；死水位2060～2090m方案，壩前淤積高程低于死水位，死庫(kù)容淤損率為97%～86%，正常蓄水位以下淤損率為48%～49%。從水庫(kù)泥沙淤積分析，隨著死水位的抬高，泥沙淤積量逐步加大。因此，從泥沙淤積的角度分析，死水位至少應(yīng)該高于一定淤積年限的壩前淤積高程以上，即死水位不宜低于2060m。YL水利樞紐不同死水位方案壩前淤積高程如圖2所示。

圖2 YL水利樞紐不同死水位方案壩前淤積高程圖

2.3.2從電站電量指標(biāo)分析

隨著水庫(kù)死水位的抬高，電站加權(quán)平均水頭增大，水庫(kù)消落深度減小，電站受阻減弱，多年平均年發(fā)電量隨之增加，即死水位從2005m抬高到2090m，庫(kù)水位消落深度從155m減小至82m，電站多年平均年發(fā)電量從2.80億kW·h增加到5.17億kW·h。因此，從電站動(dòng)能指標(biāo)分析，死水位2090m方案較優(yōu)。

2.3.3從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

從投資來(lái)看，死水位2005m方案投資最大，2070m方案投資最?。粡慕?jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值來(lái)看，死水位2080m方案經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值最大。因此，從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析，死水位2080m方案較優(yōu)。YL水庫(kù)不同死水位方案動(dòng)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較見(jiàn)表5。

表5 YL水庫(kù)不同死水位方案動(dòng)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較表

2.3.4死水位比選分析

根據(jù)SL 104—2015《水利工程水利計(jì)算規(guī)范》和《水能設(shè)計(jì)》相關(guān)要求，死水位比選時(shí)應(yīng)對(duì)計(jì)算成果進(jìn)行綜合分析，確定合理的死水位。必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較和分析。

(1)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)

從綜合利用要求滿(mǎn)足程度分析，上述10組死水位比選方案，調(diào)節(jié)庫(kù)容相同，各死水位方案均可同等程度地滿(mǎn)足工程建設(shè)的綜合利用要求。

從泥沙淤積程度分析，死水位至少應(yīng)該高于一定淤積年限的壩前淤積高程以上，即死水位不宜低于2060m；2060～2090m死水位方案正常蓄水位以下泥沙淤積率為48%～49%，相差不大。

從工程建成后所獲得的電量指標(biāo)分析，死水位越高，電量指標(biāo)越優(yōu)，考慮受阻后的多年平均年發(fā)電量為2.80億 ～5.17億kW·h，電量增幅在死水位2020m出現(xiàn)拐點(diǎn)，隨著死水位的增加，電量增幅逐漸減小。

從工程投資分析，工程靜態(tài)總投資隨著死水位的抬高逐漸降低，但在死水位2070m出現(xiàn)拐點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)上述指標(biāo)的綜合分析，隨著死水位的抬高，工程電量指標(biāo)逐漸增加；工程靜態(tài)總投資逐漸降低，在死水位方案2020～2070m方案中，死水位2070m方案相對(duì)較優(yōu)，但無(wú)法判斷與其他方案的優(yōu)劣性。

(2)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較

采用經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值對(duì)各方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算，從各方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析，死水位2080m方案工程經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值最大，為35901萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)。

綜合上述分析，本次YL水庫(kù)死水位選擇經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最好的死水位方案，在技術(shù)可行的情況下，經(jīng)濟(jì)上最合理，推薦死水位為2080m。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)YL水利樞紐死水位的比選論證工作，主要得出以下結(jié)論：

(1)一般而言，多泥沙河流死水位選擇時(shí)死水位越低沖沙效果越好，但要注意死水位應(yīng)高于壩前淤積高程，YL水庫(kù)死水位在2060m以上時(shí)，死水位高于壩前淤積高程，且2060～2090m方案正常蓄水位以下庫(kù)容淤積率相差不大(48%～49%)。

(2)YL水庫(kù)庫(kù)容特性較差，壩高較高，屬于消落深度較大的水庫(kù)，死水位的選擇應(yīng)充分考慮發(fā)電運(yùn)行受阻情況；死水位越高，電站消落深度越小，電站發(fā)電受阻越小。YL水庫(kù)不同死水位方案下，均存在電量受阻情況，各方案受阻電量占理論發(fā)電量的比例范圍為41.2%～13.1%。本次推薦方案下2080m方案受阻電量占理論發(fā)電量的比例為13.9%。

(3)承擔(dān)綜合利用任務(wù)的水庫(kù)，由于效益指標(biāo)和投資指標(biāo)的相對(duì)變化，一般難以通過(guò)某類(lèi)指標(biāo)的綜合比選來(lái)確定，在此情況下應(yīng)通過(guò)經(jīng)濟(jì)比較綜合確定。本次YL水庫(kù)死水位選擇2080m方案，在泥沙淤積、電量效益以及工程投資方面均非最優(yōu)指標(biāo)，但該方案下經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)。

綜上，在多泥沙河流高壩型綜合利用水庫(kù)死水位選擇時(shí)應(yīng)充分考慮死水位對(duì)泥沙淤積、電量受阻的影響，在滿(mǎn)足綜合利用要求的前提下，選擇經(jīng)濟(jì)上最合理的方案。