考慮泥沙特性和設施條件的水電站水庫泥沙管理

白洪鳴

(新疆昌吉市水利局 水利工程質量監督站，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節水庫[3]。這兩種水庫在水庫運行規律[4]、水庫周邊的基礎設施以及水庫中的泥沙沉積條件[5]上都有很大的區別。但是，現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。在這些分析的基礎上，提出水庫的新分類，并通過數值模擬和經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

本節主要介紹兩種水庫(蓄水庫和調節水庫)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，其中大型水輪發電機組布置在上游，配備有大型儲水庫；小型水輪發電機組布置在下游，配備有小型調節水庫。蓄水庫的位置通常是季節性降雨的流域。調節水庫用于在短期內(如每天或每周)調整供水和電力需求。

圖2為蓄水庫和調節水庫庫容量之間的關系。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，而調節水庫平均有效水深<5 m。

圖2 蓄水庫和調節水庫之間庫容量的比較

為了選擇適當的泥沙管理策略，本文對泥沙特性和大壩設施條件進行了分析。

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

圖3 水庫中泥沙的沉積率

研究發現，調節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，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系。由圖4可以看出，蓄水庫和調節水庫的區域是分開的。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節水庫主要是由于高水位導致的高泥沙沉積。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系

表1為蓄水庫和調節水庫中泥沙沉積對水庫周圍基礎設施的影響。由表1可以看出，調節水庫的泥沙淤積問題更嚴重一些。此外，在蓄水庫中未發現受泥沙影響的道路。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的泥沙沉積條件。因此，在調節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 調節水庫中的泥沙管理措施

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

湖泊型調節水庫是一種規模較大的水庫，泥沙淤積一般位于水庫上游位置。河流型調節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。而中間型調節水庫，水庫的各個地方都可能有泥沙淤積，中間型水庫的規模處于湖泊型水庫和河流型水庫規模的中間。

針對不同類型的調節水庫，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，也可以在適當的時候結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、集水區面積為169 km2的河流型水庫進行后續的模擬分析。本文使用一維模型，并通過多年的調查數據，將模擬結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，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，這種增加會導致洪水水位更高，且對水庫周圍的基礎設施造成更多的影響。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

為了檢驗泥沙管理策略對中間型水庫的有效性，選取庫容為4 420 000 m3、集水區面積為217 km2的中間型水庫進行后續的模擬分析。所選取的水庫會出現泥沙淤積的情況，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值分析案例和相應的情景。案例B1代表在未來22年內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

該節所采取的模型仍為一維數值模型，并通過多年的調查數據，將模擬結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發生改變。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 結果分析

基于上述分析結果，驗證了在調節水庫中降低水位對泥沙控制的有效性。調節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電水頭，但該方法仍比挖掘的方法更經濟。

在進行水庫泥沙管理時，還要考慮大壩下游的生態環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濟，從而實現水電站的可持續運行。

4 結 論

本文在考慮了蓄水庫和調節水庫運行規律的基礎上，介紹了水電站水庫的泥沙淤積情況。本文將調節水庫分為3種類型，在考慮泥沙沉積特性和大壩周圍設施情況的基礎上，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濟性進行了分析，結論如下：

1) 和蓄水庫相比，調節水庫中的泥沙沉積對周圍基礎設施的影響更大，因此泥沙管理措施在調節水庫中更為重要。

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

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