泥沙数学模型助推塔吉克斯坦水电站未来长期运行

[英国]　J.泰勒



泥沙数学模型助推塔吉克斯坦水电站未来长期运行

[英国]J.泰勒

摘要：水库泥沙淤积影响塔吉克斯坦努列克水库的库容，威胁着该国重要水电站的长期运行。为协助塔吉克斯坦国家电力公司研究制定水库长期运行方案，英国某水力研究公司开展了1项水库淤积分析、观测与模拟的研究项目。2015年春季项目小组从水库地形变化、水库淤积物入手，着力开展入库泥沙观测，并进行模型数据集成等工作，以期研究出水库长期运行的最佳对策，并最大限度地延长水库使用寿命，从而确保水电站长期有效运行。

关键词：水库淤积；泥沙淤积数学模型；水电站运行；水库使用寿命；塔吉克斯坦水电站

瓦赫什(Vakhsh)河高踞于塔吉克斯坦境内帕米尔高原高山之上，集水面积大约与瑞士相当，年径流量约为20 km3。然而随瓦赫什河下泄的不只是河水，还携带大量泥沙。泥沙减小了水库库容，损害了水轮机组，进而给建在该河流上的水电站带来一系列问题。

位于瓦赫什河上的努列克(Nurek)大坝建于20世纪60年代，坝高300 m，是世界第2大高坝。大坝蓄水形成长70 km水库，库容约为英国最大水库库容的50倍以上，电站装有9台机组，装机约为3 015 MW，是该国单站发电量最大的水电站。

自大坝建成以来，泥沙淤积显著地减小了水库库容。1972～2001年蓄水期间，大约损失了2 km3水库库容，约占水库初始库容的20%。如果不采取有效的运行措施，泥沙淤积很可能会对努列克水电站的发电能力造成更大影响，甚至可能导致无法满足该国的电力需求。

鉴于此，在世界银行资助下，英国HR Wallingford水力研究公司调查研究小组承担了该水库泥沙问题的定量评估工作，并负责为该大坝的未来长期运行提供对策。

1水库淤积治理

水库淤积治理对策措施包括旁侧输沙(当入库来沙较大时，降低库水位)、冲沙和主动疏浚清淤等。为找到最适合的对策措施，需要对流域产沙、水库淤积和库水位变化(随入库水流季节性和水库运行而改变)等进行详细研究。

目前，努列克大坝上游正在修建罗贡(Rogun)大坝，这无疑将会减少努列克水库的入库沙量，因此需要对努列克水库的现状运行方式进行修正，以期通过罗贡和努列克2座水库的联合调度，使得两库的泥沙淤积均得到控制。

努列克水库淤积研究项目的立项目标如下：①收集水库泥沙淤积资料； ②研发泥沙数学模型； ③评估不同水库淤积治理措施的可行性。

2水库地形变化

努列克水库地形历史观测资料十分有限，仅有水库运行期间25个水库横断面的定期观测数据，1972～2015年期间的数据分析表明，努列克水库蓄水以来，水库泥沙处于持续淤积过程之中(详见图1)；水库淤积三角洲已发展到必须进行水库地形详细观测的“关键点”。为此，项目观测小组借助于最先进的GPS定位和双频回声技术，对水库地形进行了高分辨率观测，并以此估算出水库库容。

图1　1972～2015年期间努列克水库地形变化

观测小组将GPS接受仪安置在水库高处固定基准平台上(图2)，通过处理卫星发射的携带波，获取高分辨率定位数据，其定位精度为：水平小于10 mm、垂直小于20 mm。

2015年秋季进行了水库地形测量(测量时水库处于最高水位)，获取了横跨水库布设长630 km测线的地形数据，并以此构建了水库数字高程模型，用于估算水库库容。观测小组比较测量数据与历史观测数据后作出处理，以确认水库库容的变化情况。

目前，观测小组已将测量仪器移交当地人员，并对其进行了培训，以便能够继续进行定期的高分辨率测量，监测水库未来的淤积速率，从而评估出泥沙淤积治理措施的效果。

图2　努列克水库GPS观测

3水库淤积物

水库淤积泥沙颗粒包含近坝段细颗粒黏土至瓦赫什河谷卵砾石，但水库淤积三角洲主要由表层100～200 m的细沙构成，淤积三角洲已延伸至距离坝前24 km处。

作为项目研究内容之一，项目组采集了水库沿程19个泥沙钻孔的资料。对于水下淤积物，采用重力式取芯技术取样；当春季库水位较低而淤积三角洲上段沙质淤积物暴露时，采用旋转式钻探技术取样。对每个沙样进行标定，移送至项目现场泥沙实验室；通过泥沙颗分，确定水库沿程淤积物的粒径和干容重变化。

泥沙取样不仅为泥沙淤积计算提供了关键参数，而且还为库底泥沙淤积物的固结过程提供了信息，并最终为泥沙淤积物随时间的密实过程作出解释。

4入库泥沙观测

位于大坝上游约70 km的基什鲁格(Kishrog)村附近设有观测站，自大坝蓄水以来一直进行着入库泥沙观测。该观测站位于一处河谷的底部，由跨越河道约长140 m的缆道构成；缆道上架设索道缆车，允许观测人员沿缆道拖动缆车，借助缆车绞盘系统从缆车上将测量仪器放入水流中观测。

2015年春季项目小组首次访问观测站现场，当时的河道流量为770～835 m3/s，表面水流流速量级为5 m/s。然而实际洪峰期间记录的典型流量超过1 000 m3/s，表面水流流速达8 m/s。尽管项目小组访问期间水流相对“缓和”，但河道水流仍处于“急流”流态并伴有“立波”现象。

5模型数据集成

HR Wallingford公司利用两方面收集到的数据，正在努力构建水库泥沙淤积数值模拟专家软件——长时段一维RESASS模型。该模型既可模拟沙/细沙/黏土混合物的非平衡冲淤，也考虑了各种水库运行方式下泥沙的密实，具有模拟水库长期泥沙淤积形态和预测各种“干扰”措施对水库库容影响的能力。

采用RESASS模型，大坝调度部门可以评估不同环境条件和水库运行“情景”对于水库泥沙运动的影响，并对水库未来总库容和有效库容损失率有一定认识。模拟的水库运行“情景”包括：基本方案(正常运行)、上游罗贡大坝拦沙方案，以及罗贡水库冲沙下泄高含沙水流方案。

先率定模型，后采用另一组独立数据验证，可利用数据包括1989，1994年和2001年的沿程地形以及此次观测的沿程地形和淤积物级配资料。HR Wallingford公司还将利用已往其他大型水库(如巴基斯坦印度河塔贝拉水库)的模型率定经验。模型一旦得到率定，将进行不同泥沙治理方案的模拟计算。通过对各种可行泥沙运行方案的评估，研究提出水库的长期运行对策，在水库使用寿命不受影响的前提下，获得水库发电效益的最大化。

董耀华译

(编辑：唐湘茜)

收稿日期：2016-03-02

文章编号：1006-0081(2016)06-0040-02

中图法分类号：TV697.31

文献标志码：A

(译者简介：董耀华，男，长江水利委员会长江科学院，教授级高级工程师。)