考慮泥沙特性和設(shè)施條件的水電站水庫泥沙管理

白洪鳴

(新疆昌吉市水利局 水利工程質(zhì)量監(jiān)督站，新疆 昌吉 831100)

1 研究背景

水庫的泥沙淤積會對水電站的安全穩(wěn)定運行造成極大的影響[1]。實際上，許多研究人員正在對水電站水庫的泥沙控制或規(guī)劃進行研究，以分析泥沙淤積的增加對水庫的影響[2]。泥沙淤積主要會影響上游河流的洪水水位，泥沙淤積越多，上游的洪水水位就會越高。

在實際工程中，對于水庫的分類分為蓄水庫和調(diào)節(jié)水庫[3]。這兩種水庫在水庫運行規(guī)律[4]、水庫周邊的基礎(chǔ)設(shè)施以及水庫中的泥沙沉積條件[5]上都有很大的區(qū)別。但是，現(xiàn)有的研究幾乎沒有去分析這些不同對水庫泥沙管理方法的影響。因此，本文著重研究水庫泥沙特性以及相應(yīng)的有效泥沙管理措施。

本文基于不同類型的水庫，對泥沙沉積的原因及管理措施進行分析。在這些分析的基礎(chǔ)上，提出水庫的新分類，并通過數(shù)值模擬和經(jīng)濟分析討論各類型水庫的泥沙沉積控制措施。

2 水電站水庫淤積

本節(jié)主要介紹兩種水庫(蓄水庫和調(diào)節(jié)水庫)及其水庫中泥沙的淤積特性。

圖1為梯級水電站示意圖。

圖1 梯級水電站示意圖

在圖1中，梯級水電站通常布置在一條河流中，其中大型水輪發(fā)電機組布置在上游，配備有大型儲水庫；小型水輪發(fā)電機組布置在下游，配備有小型調(diào)節(jié)水庫。蓄水庫的位置通常是季節(jié)性降雨的流域。調(diào)節(jié)水庫用于在短期內(nèi)(如每天或每周)調(diào)整供水和電力需求。

圖2為蓄水庫和調(diào)節(jié)水庫庫容量之間的關(guān)系。這兩種水庫在總庫容和有效庫容上有很大的不同。其中，水庫的有效水深會影響到水庫的庫容量。蓄水庫平均有效水深>25 m，而調(diào)節(jié)水庫平均有效水深<5 m。

圖2 蓄水庫和調(diào)節(jié)水庫之間庫容量的比較

為了選擇適當?shù)哪嗌彻芾聿呗裕疚膶δ嗌程匦院痛髩卧O(shè)施條件進行了分析。

圖3為水庫在垂直方向上泥沙的沉積速率。其中，蓄水庫A和調(diào)節(jié)水庫B具有同樣的河流條件；蓄水庫C和調(diào)節(jié)水庫D也具有同樣的河流條件。

圖3 水庫中泥沙的沉積率

研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)水庫高水位時泥沙淤積率高。有效水深與垂直方向上的沉積率相關(guān)，表明控制水庫水位可以有效控制泥沙沉積。

圖4為水庫的泥沙流入率與水庫壽命之間的關(guān)系。由圖4可以看出，蓄水庫和調(diào)節(jié)水庫的區(qū)域是分開的。點圓突出顯示的水庫為受泥沙沉積控制的水庫。這些受泥沙控制的調(diào)節(jié)水庫主要是由于高水位導(dǎo)致的高泥沙沉積。此外，水庫壽命的縮短決定著泥沙控制的重要性。

圖4 泥沙流入率與水庫壽命之間的關(guān)系

表1為蓄水庫和調(diào)節(jié)水庫中泥沙沉積對水庫周圍基礎(chǔ)設(shè)施的影響。由表1可以看出，調(diào)節(jié)水庫的泥沙淤積問題更嚴重一些。此外，在蓄水庫中未發(fā)現(xiàn)受泥沙影響的道路。造成這些差異的原因有兩個：一是水庫的位置；二是和水庫運行有關(guān)的泥沙沉積條件。因此，在調(diào)節(jié)水庫中實施泥沙控制更為重要。

表1 水庫泥沙沉積對水庫周邊道路與橋梁的影響

3 調(diào)節(jié)水庫中的泥沙管理措施

由上述分析可知，調(diào)節(jié)水庫中的泥沙管理非常重要，因此應(yīng)通過考慮泥沙特性和水庫運行來對調(diào)節(jié)水庫制定有效的泥沙管理措施。調(diào)節(jié)水庫可分為河流型調(diào)節(jié)水庫、湖泊型調(diào)節(jié)水庫和中間型調(diào)節(jié)水庫。

湖泊型調(diào)節(jié)水庫是一種規(guī)模較大的水庫，泥沙淤積一般位于水庫上游位置。河流型調(diào)節(jié)水庫是一個相對較小的水庫，水庫的各個地方都可能有泥沙淤積。而中間型調(diào)節(jié)水庫，水庫的各個地方都可能有泥沙淤積，中間型水庫的規(guī)模處于湖泊型水庫和河流型水庫規(guī)模的中間。

針對不同類型的調(diào)節(jié)水庫，本文提出通過抽水來進行泥沙管理的措施。為了更好地減少泥沙淤積，也可以在適當?shù)臅r候結(jié)合挖掘泥沙來進行泥沙管理。

3.1 河流型水庫

為了更好地分析本文所提出的泥沙管理措施的可行性，選取庫容為9 930 000 m3、集水區(qū)面積為169 km2的河流型水庫進行后續(xù)的模擬分析。本文使用一維模型，并通過多年的調(diào)查數(shù)據(jù)，將模擬結(jié)果與實際情況進行了擬合。在該模型中，泥沙量由Ashida-Michiue公式計算[6]。

表2顯示了河流型的泥沙沉積管理方法。在未來28年內(nèi)，無需對案例A1的泥沙沉積物采取任何行動；對于案例A2，需要在洪水期間水位下降時進行泥沙管理；而案例A3則需要每年完成30 000 m3的泥沙開挖量。

表2 河流型水庫中不同案例的泥沙沉積管理

圖5為不同案例下河流型水庫中泥沙沉積的位置。在案例A1中，整個水庫的泥沙沉降量基本上的趨勢呈先增加后降低，但總體而言還是在增加，這種增加會導(dǎo)致洪水水位更高，且對水庫周圍的基礎(chǔ)設(shè)施造成更多的影響。在案例A2和案例A3中，水庫附近的泥沙淤積逐漸增加，水庫中部的泥沙淤積逐漸減少，這使得水庫中部的洪水水位較低。由此可以看出，泥沙管理策略在案例A2和案例A3中是有效的。

圖5 河流型水庫中泥沙的沉積位置

圖6為28年內(nèi)水庫總沉積量的年變化情況。在案例A1中，總沉降量呈起伏上升的趨勢；但在案例A2和案例A3中，總沉降量呈輕微波動趨勢幾乎保持不變。這說明實施降低水位和挖掘的泥沙管理策略是有效且具有可持續(xù)性的。

圖6 河流型水庫總泥沙沉積量的年變化情況

表3為不同泥沙沉積管理措施的成本比較。與開挖策略(案例A3)相比，采用下降水位的方法(案例A2)更經(jīng)濟。

表3 在河流型水庫中采用不同泥沙沉積管理方法的成本比較

3.2 中間型水庫

為了檢驗?zāi)嗌彻芾聿呗詫χ虚g型水庫的有效性，選取庫容為4 420 000 m3、集水區(qū)面積為217 km2的中間型水庫進行后續(xù)的模擬分析。所選取的水庫會出現(xiàn)泥沙淤積的情況，且會造成周邊橋梁處的洪水水位上升。因此，需要在這些水庫中考慮實施泥沙管理策略。

表4為中間型水庫泥沙管理的數(shù)值分析案例和相應(yīng)的情景。案例B1代表在未來22年內(nèi)不實施泥沙管理的情況；案例B2代表在洪水期間采取抽水來降低水位的策略；案例B3代表采取每年開挖約30 000 m3泥沙量的策略；案例B4為降水位和開挖策略相結(jié)合的策略，其中年開挖泥沙量為15 000 m3。

表4 中間型水庫中不同案例的泥沙沉積管理

該節(jié)所采取的模型仍為一維數(shù)值模型，并通過多年的調(diào)查數(shù)據(jù)，將模擬結(jié)果與實際情況進行擬合。在該模型中，泥沙量的計算參考Ashida-Michiue公式[6]。

圖7為4種情況下中間型水庫中的泥沙沉積位置。在每種情況下，沉積的位置都幾乎與大壩的位置重合。在案例B1中，沉積主要集中在水庫中部和大壩的附近。這造成水庫中部的洪水水位較高，且會縮小水位與橋梁之間的距離。在案例B2中，沉積位置和案例B1中的位置類似。在案例B3中，整個水庫的泥沙淤積的趨勢幾乎保持不變，處于一個較低的水平，水庫中部的洪水水位并沒有升高，說明這種情況中采用的方法是一種有效的泥沙管理策略。在案例B4中，壩址附近的泥沙淤積呈上升趨勢，水庫中部的泥沙淤積面積呈下降趨勢，說明這種情況中的泥沙管理方法也比較有效。

圖7 中間型水庫中泥沙的沉積位置

由上述分析可以看出，使用案例B3和案例B4中的兩種方案來進行泥沙管理控制是有效的。

圖8為22年中間型水庫總沉積量的年變化情況。在案例B1和案例B2中，總沉降量基本上是隨著年數(shù)在增加的；但在案例B3和案例B4中，總沉降量幾乎不隨著年數(shù)發(fā)生改變。這表明案例B3和案例B4中的兩種泥沙沉積控制方法是可持續(xù)的。

圖8 中間型水庫總泥沙沉積量的年變化情況

表5為3種泥沙沉積管理措施的成本比較。雖然案例B2中方法的成本最低，但僅使用降低水庫水位的方法是不能在很大程度上減少泥沙淤積。由此可以看出，將降低水庫水位和開挖相結(jié)合的策略(即案例B4中的方法)既可以減少泥沙淤積，也較為經(jīng)濟。

表5 在中間型水庫中采用不同泥沙沉積管理方法的成本比較

3.3 結(jié)果分析

基于上述分析結(jié)果，驗證了在調(diào)節(jié)水庫中降低水位對泥沙控制的有效性。調(diào)節(jié)水庫在大壩水位低于正常有效水深時運行，更有利于泥沙控制。雖然降低水位的方法降低了發(fā)電水頭，但該方法仍比挖掘的方法更經(jīng)濟。

在進行水庫泥沙管理時，還要考慮大壩下游的生態(tài)環(huán)境以及重視泥沙的一些積極作用，這樣可以使水電站的運行更加安全和經(jīng)濟，從而實現(xiàn)水電站的可持續(xù)運行。

4 結(jié) 論

本文在考慮了蓄水庫和調(diào)節(jié)水庫運行規(guī)律的基礎(chǔ)上，介紹了水電站水庫的泥沙淤積情況。本文將調(diào)節(jié)水庫分為3種類型，在考慮泥沙沉積特性和大壩周圍設(shè)施情況的基礎(chǔ)上，對不同水庫提出了不同的泥沙管理措施，并對不同措施的有效性及經(jīng)濟性進行了分析，結(jié)論如下：

1) 和蓄水庫相比，調(diào)節(jié)水庫中的泥沙沉積對周圍基礎(chǔ)設(shè)施的影響更大，因此泥沙管理措施在調(diào)節(jié)水庫中更為重要。

2) 調(diào)節(jié)水庫可以分為湖泊型調(diào)節(jié)水庫、河流型調(diào)節(jié)水庫和中間型調(diào)節(jié)水庫，本文針對每種類型的調(diào)節(jié)水庫都提出了相應(yīng)的泥沙沉積管理措施。通過不同方法及其成本的對比發(fā)現(xiàn)，河流型和中間型調(diào)節(jié)水庫通過降低水位運行來進行泥沙控制最有效且經(jīng)濟。

3) 同時考慮大壩下游河流環(huán)境以及泥沙的有效利用，可以實現(xiàn)水電站的可持續(xù)運行。