淺談水庫規模論證時考慮設置排沙水位使工程經濟更優的方法

張 僑，劉 穎，蒙天易

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002)

1 問題提出

興建水庫設計時，死水位通常要高于水庫使用及運行年限的水平淤積高程。貴州省威寧縣區域多年平均懸移質輸沙模數在1000～2000 t/km2之間，屬貴州省泥沙高值區。泥沙來量較大，水庫淤積嚴重，淤積量大，因此該區域水庫設計時所需死水均較高。根據清華大學水庫壅水排沙比曲線，排沙比與庫容大小成反比、與出庫流量成正比。減少淤積量則可以通過兩個途徑，一是減少庫容，二是增大出庫流量。根據水庫溢洪布置，同樣的溢洪寬度，出庫流量基本不變。因而可以通過減少庫容，全年減少庫容則不能滿足水庫灌溉供水要求。根據區域泥沙特性，輸沙時期基本為汛期，主要集中在4—9月。對于水庫來水，該時段來水量豐富，供水灌溉所需的興利庫容較小。因此通過汛期設置排沙水位，即可以減少泥沙淤積，也可以滿足興利需求。

2 工程概況

威寧縣龍河水庫位于拖洛河中上游河段，該工程是全國水利發展“十三五”規劃項目，工程的建設是促進和支撐貧困地區脫貧攻堅的重點基礎。水庫控制集水面積329 km2，多年平均來水量13 440萬m3，工程等級為Ⅲ等，工程規模為中型。工程主要任務為：集鎮和農村人畜供水、灌溉為主，兼顧發電。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，采用閘門控制溢流，溢流凈寬24 m，設3孔，每孔寬8 m，堰頂高程1760 m，溢流堰堰型為WES實用堰，下游消能采用挑流消能；放空兼沖沙底孔緊靠溢流壩左側布置，進口設置平板檢修閘門，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)。發電工程建筑物由發電取水口、引水隧洞、壓力鋼管、發電廠房四部分組成，布置形式為：取水口→引水隧洞→壓力鋼管→發電廠房。

水庫所在的拖洛河，為長江流域二級支流(一級為橫江，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輸沙模數在1000～2000 t/km2之間，屬貴州省泥沙高值區。

根據水庫設計洪水、水庫庫容曲線、水庫溢洪道泄流曲線計算得洪水期平均出口流量為50 m3/s，同時經興利調算水庫所需興利庫容為845萬m3。

3 工程實例研究

3.1 泥沙概況

3.1.1 懸移質輸沙模數

據《貴州省地表水資源》上“多年平均懸移質輸沙模數等值圖”，龍河水庫的多年平均懸移質輸沙模數在1000～2000 t/km2之間。龍河水庫鄰近的威寧縣西北中水鎮長江流域牛欄江水系水西河上已建有賴毛沖水庫，根據《威寧賴毛沖水庫除險加固設計報告》(2011年)，水庫庫區淤沙甚為嚴重，根據水庫運行49 a淤沙量反推得到多年平均年輸沙模數為1300 t/km2。根據三峽大學建筑設計研究院所編制的《威寧縣拖洛河水電站增效擴容改造工程設計報告》(2014年12月)，其懸移質輸沙模數取值為1200 t/km2。考慮到近年來水土保持工作加強，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泥沙運行情況，本工程計算的泥沙淤積量與流域內其他工程相似，是符合流域規律的。

經上述分析并結合附近水庫工程，龍河水庫壩址懸移質多年平均輸沙模數取1200 t/km2。

3.1.2 水庫輸沙量

參考臨近流域《威寧縣拖洛河水電站增效擴容改造工程設計報告》(2014年12月，三峽大學建筑設計研究院所)、《威寧縣二道壩水庫工程可行性研究報告》(2019年1月，中水北方勘測設計研究有限責任公司)及威寧縣其他類似工程經驗，推移質按懸移質的20%計，懸移質泥沙容重按1.3 t/m3計，推移質泥沙容重按1.5 t/m3計。經計算水庫壩址處多年平均懸移質含沙量2.94 kg/m3，年均入庫沙量47.4萬t，折合35.6萬m3。如按正常情況運行水庫運行50 a淤積量為1610萬m3，興利庫容剩817萬m3，因此水庫考慮在汛期(排沙時段)，設立排沙水位，在減少水庫淤積量的同時，取到向壩前拉沙，減少泥沙淤積在庫尾的作用。

3.2 排沙時段的選擇

拖洛河5—10月為汛期，通常從5月初開始相繼有洪水出現，到10月份結束。流域內泥沙主要來源于暴雨對坡面的侵蝕，以及洪水對河床的沖刷，流域內坡面較陡，植被較差，巖石風化程度較高，水土流失較為嚴重。本工程流域附近牛吃水水文站有測沙資料。從牛吃水水文站歷年逐月輸沙率統計成果看，河流輸沙量年內分配不均勻，主要集中在4—9月，占全年來沙量的92.8%，其中5—8月占全年來沙量的72.9%。如圖1所示。

圖1 牛吃水水文站逐月平均含沙量散點圖

根據水庫興利調算結果，水庫從主汛期5—8月設置排沙運行控制水位，在9月開始蓄水，可以迅速蓄至正常蓄水位，可滿足水庫興利調節的需要，結合以上分析，本次擬定汛期控制庫水位調度泥沙的時段為5—8月。

3.3 最低排沙運行控制水位分析

在確保水庫供水和灌溉規模的前提下，水庫擬在排沙期5—8月適當降低運行水位，在后汛期9月開始蓄滿水。以期通過排沙設施和運行調度使庫區泥沙盡量少淤積在庫內及庫尾，可以減少對上游庫區的淹沒以及泥沙淤積對興利庫容的影響。

根據水庫歷年逐月來水、用水過程進行興利調算，以不影響水庫興利調節的最低運行水位作為工程最低排沙運行控制水位。

據1958年5月—2017年4月長系列歷年逐月徑流資料計算，水庫不影響水庫興利調節的最低運行水位為1762.5 m，取整后最低排沙運行控制水位為1763.0 m。

3.4 不同排沙水位泥沙淤積計算

3.4.1 計算方法及參數

排沙比(η)是指同一時段(年內)出庫輸沙量同入庫輸沙量的百分比。陜西水科所和清華大學在依據三門峽、青銅峽、巴家嘴、官廳、鹽鍋峽、汾河、丹江口等水庫測驗資料，在考慮時段內進出流量不相等及粗略考慮懸移質d50的影響，獲得排沙比曲線。

根據清華大學水庫壅水排沙比曲線，如圖2所示。排沙比與庫容大小成反比、與出庫流量成正比。由于本水庫壩址以上來沙量相對較多，在考慮設置排水水位的情況下，隨著淤積年限的增加，剩余庫容逐步減小，排沙比會逐步增大。

圖2 陜西水科所-清華大學水庫雍水排沙比經驗關系曲線

因此依據有關水沙成果和水庫調度運行方式，查《泥沙設計手冊》(中國水利水電出版社2006出版)中清華大學水庫雍水排沙比曲線(Ⅱ號線)分年度計算本水庫排沙比，以10 a作為一個計算單元。依據水文分析計算成果，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 淤積量計算

本工程擬采取汛期(5—8月)控制庫水位調度泥沙，對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，不影響水庫興利調節的最低排沙水位為下限，即選用排沙水位：1766 m(2427萬m3)、1765 m(2316萬m3)、1764 m(2209萬m3)、1763 m(2107萬m3)，計算時考慮推移質全部入庫。

計算公式如公式(1)～(3)所示：

W總淤=W懸淤+W推淤

(1)

(2)

W推淤=W推來

(3)

式中：W總淤為總淤積量，萬m3；W懸淤為懸移質淤積量，萬m3；W推淤為推移質淤積量，萬m3；W懸來為懸移質來沙量，萬m3；W推來為推移質來沙量，萬m3；η為排沙比，%。

由表1可見：隨著排沙水位越低，排沙比越大，水庫泥沙淤積量就越少。

表1 工程不同排沙水位泥沙淤積量計算

3.5 排沙水位選擇經濟性比較

根據上述計算成果，不同排沙水位對應淤積量不同，水平淤沙高程則有所變化，死水位的確定主要是滿足水庫水平淤沙高程要求，不同死水位對水庫的供水量、發電量有所影響，因此通過比選供水量指標、工程布置、征地移民投資、工程建設投資以及經濟效益等，確定合適的排沙水位。

方案間經濟比較采用總費用現值費法，相應社會折現率取8%，總費用現值少的方案較優。排沙水位比較時影響方案經濟性的主要因素為工程樞紐、泵站運行費用和發電收益。

根據上述表格成果，當排沙水位不斷降低時，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，發電效益逐漸減小。

從工程效益分析，對于1766 m、1765 m排沙水位，興利庫容不滿足要求，不能滿足設計供水要求。而本工程按“以需定供”來確定水庫興利庫容，當滿足需求時，多出的庫容只能用于發電，對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電增加10萬kW·h，從工程效益分析見圖3、表2，1764 m排沙水位比1763 m排沙水位優，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 排沙運行控制水位比較成果表

4 結 語

威寧縣龍河水庫設計流域由于懸移質輸沙模數較大，如按正常情況運行水庫運行50 a淤積量為1610萬m3，興利庫容剩812萬m3；水庫設計時候考慮設置排沙水位1764 m，在入庫含沙量較高，水流攜沙量較為集中時期，嚴格控制運行水位，50 a淤積量減少為1575萬m3，減少了水庫泥沙淤積量35萬m3，使水庫死水位降低了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水來沙在庫區的淤積，提高水庫運行效率，延長水庫使用壽命，筆者通過本文的介紹，希望為多沙河流同類水庫，采取設置排沙水位的方式進行規模論證，使水庫經濟性更好，提供一定的幫助和指導。