瀑布溝及下游泥沙優化調度實施與效果分析

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，優化水庫運行方式，控制汛期壩前水位及持續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，經瀑布溝-龔嘴-銅街子聯合調度排沙，龔嘴和銅街子的總淤積量分別減少了9%和17.9%，為龔嘴、銅街子的泥沙優化調度提供了有利條件，本研究探析不同優化調度方案的排沙效果。

1 大渡河流域概況及泥沙淤積現狀

1.1 流域概況

大渡河發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，總調節庫容39.88億m3,年發電量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 泥沙淤積現狀

大渡河流域產沙區分三部分：瀘定以上為上游產沙區，屬色達-松潘板塊，整體性良好，現代活動性弱。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。瀘定水文站懸移質多年平均年輸沙模數僅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沙區，瀘定至石棉段位于三個區域性斷裂帶交匯處，巖石易風化，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%，多年平均輸沙模數達1 670 t/(km2×a)，是主要產沙區；峨邊以下為下游產沙區，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，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學模型，分析不同方案下游河道沖淤變化規律，基本方程如下：

水流連續方程：

Q=BHU

(1)

水流運動方程：

(2)

泥沙連續方程：

(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 優化聯合調度方案

3.1 現行方案

龔、銅庫容小，只具備日調節能力，需與上游瀑布溝聯合排沙。瀑布溝對下游的調、蓄以不影響本身防洪發電任務為原則，利用汛期棄水從汛限水位841 m向下預泄造峰，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度方式如表1：

表1 龔嘴及銅街子現行水庫調度方案

3.2 優化方案

多年實踐經驗表明，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度運用區間，現擬瀑-龔-銅三庫聯合運行優化方案如表2。

表2 龔嘴及銅街子水庫汛期6～9月水庫運行水位優化方案表

4 瀑布溝及下游水庫聯合排沙的效果

4.1 聯合調度的排沙效果分析

與現行方案相比，龔嘴兩個聯合調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%。銅街子兩個聯合調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表示累計淤積，負數表示累計沖刷。各方案在15年內均處于累計沖刷。銅街子兩個聯合調度方案的累計沖沙量在運行初期，因龔嘴水庫相應聯合調度方案出庫沙量的增加，其累計沖沙量略小于現行方案，隨著運行年限的增加，兩個聯合調度方案的累計沖沙量與現行水庫運行方式的差值加大。水庫運行12年后，兩個聯合調度方案的累計沖沙量基本不再回淤。第20年，銅街子水庫2個聯合調度方案與現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)水庫現行水庫運行方式與兩個聯合調度方案的庫區累計沖沙效果

4.2 優化方案的排沙效果分析

龔嘴水庫優化方案1及優化方案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的沖刷較明顯，當優化方案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。銅街子水庫各優化方案均產生了不同程度的沖刷，庫區最大沖刷在650萬m3～819萬m3之間，3個優化方案的最大庫區沖刷量相差不大。優化方案3因上游龔嘴水庫相應優化方案的淤積，其最大沖刷量反而比優化方案2略有增加。所擬銅街子水庫各優化方案表現出與現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生累計沖刷，后恢復緩慢淤積。各方案回淤特點各異，優化方案2及優化方案3的水庫回淤速度快于優化方案1。20年后，優化方案2及優化方案3的庫區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(圖4)。

圖4 龔嘴(左)和銅街子(右)水庫現優化方案的庫區累計沖沙效果

4.3 優化方案下聯合調度的排沙效果分析

按龔嘴水庫優化方案2與聯合調度方案2進行模擬，龔嘴庫區最大沖刷量為894萬m3，較優化方案2多沖刷121%，沖刷減淤效果較好。運行約16年不再產生累計性沖刷并達到沖淤平衡。銅街子水庫優化方案2實施聯合調度后，其庫區最大沖刷量為923萬m3，較優化方案2多沖刷42%，沖沙效果好且回淤速度減緩。水庫運行20年后，聯合調度的累計沖刷量為622萬m3，優于優化方案2。

圖5 龔嘴(左)和銅街子(右)水庫現優化方案聯合調度的庫區累計沖沙效果

4.4 優化方案下聯合調度的泥沙級配

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 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合調度方案排沙效果，模擬分析結論如下：

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

圖6 龔嘴水庫優化方案2聯合調度運行5～20年沖刷出庫泥沙級配

圖7 銅街子水庫優化方案2聯合調度運行5～20年沖刷出庫泥沙級配

從庫區累計沖刷效果來看，瀑布溝-龔嘴-銅街子聯合調度排沙造峰4 500 m3/s的方案優于聯合調度造峰4 000 m3/s的方案。

(2)適當抬高庫區運行水位有助于提高發電效益，降低運行水位有助于提高排沙效果。從提高經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)從兼顧梯級水庫聯合排沙效果，適當提高龔、銅運行水位的經濟運行方面綜合考慮，采取龔、銅兩庫優化方案2聯合瀑布溝水庫造峰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逐漸細化的趨勢。