考虑泥沙特性和设施条件的水电站水库泥沙管理

2022-09-22白洪鸣

水利科技与经济 2022年9期

白洪鸣

(新疆昌吉市水利局水利工程质量监督站，新疆昌吉 831100)

1 研究背景

水库的泥沙淤积会对水电站的安全稳定运行造成极大的影响[1]。实际上，许多研究人员正在对水电站水库的泥沙控制或规划进行研究，以分析泥沙淤积的增加对水库的影响[2]。泥沙淤积主要会影响上游河流的洪水水位，泥沙淤积越多，上游的洪水水位就会越高。

在实际工程中，对于水库的分类分为蓄水库和调节水库[3]。这两种水库在水库运行规律[4]、水库周边的基础设施以及水库中的泥沙沉积条件[5]上都有很大的区别。但是，现有的研究几乎没有去分析这些不同对水库泥沙管理方法的影响。因此，本文着重研究水库泥沙特性以及相应的有效泥沙管理措施。

本文基于不同类型的水库，对泥沙沉积的原因及管理措施进行分析。在这些分析的基础上，提出水库的新分类，并通过数值模拟和经济分析讨论各类型水库的泥沙沉积控制措施。

2 水电站水库淤积

本节主要介绍两种水库(蓄水库和调节水库)及其水库中泥沙的淤积特性。

图1为梯级水电站示意图。

图1 梯级水电站示意图

在图1中，梯级水电站通常布置在一条河流中，其中大型水轮发电机组布置在上游，配备有大型储水库；小型水轮发电机组布置在下游，配备有小型调节水库。蓄水库的位置通常是季节性降雨的流域。调节水库用于在短期内(如每天或每周)调整供水和电力需求。

图2为蓄水库和调节水库库容量之间的关系。这两种水库在总库容和有效库容上有很大的不同。其中，水库的有效水深会影响到水库的库容量。蓄水库平均有效水深>25 m，而调节水库平均有效水深<5 m。

图2 蓄水库和调节水库之间库容量的比较

为了选择适当的泥沙管理策略，本文对泥沙特性和大坝设施条件进行了分析。

图3为水库在垂直方向上泥沙的沉积速率。其中，蓄水库A和调节水库B具有同样的河流条件；蓄水库C和调节水库D也具有同样的河流条件。

图3 水库中泥沙的沉积率

研究发现，调节水库高水位时泥沙淤积率高。有效水深与垂直方向上的沉积率相关，表明控制水库水位可以有效控制泥沙沉积。

图4为水库的泥沙流入率与水库寿命之间的关系。由图4可以看出，蓄水库和调节水库的区域是分开的。点圆突出显示的水库为受泥沙沉积控制的水库。这些受泥沙控制的调节水库主要是由于高水位导致的高泥沙沉积。此外，水库寿命的缩短决定着泥沙控制的重要性。

图4 泥沙流入率与水库寿命之间的关系

表1为蓄水库和调节水库中泥沙沉积对水库周围基础设施的影响。由表1可以看出，调节水库的泥沙淤积问题更严重一些。此外，在蓄水库中未发现受泥沙影响的道路。造成这些差异的原因有两个：一是水库的位置；二是和水库运行有关的泥沙沉积条件。因此，在调节水库中实施泥沙控制更为重要。

表1 水库泥沙沉积对水库周边道路与桥梁的影响

3 调节水库中的泥沙管理措施

由上述分析可知，调节水库中的泥沙管理非常重要，因此应通过考虑泥沙特性和水库运行来对调节水库制定有效的泥沙管理措施。调节水库可分为河流型调节水库、湖泊型调节水库和中间型调节水库。

湖泊型调节水库是一种规模较大的水库，泥沙淤积一般位于水库上游位置。河流型调节水库是一个相对较小的水库，水库的各个地方都可能有泥沙淤积。而中间型调节水库，水库的各个地方都可能有泥沙淤积，中间型水库的规模处于湖泊型水库和河流型水库规模的中间。

针对不同类型的调节水库，本文提出通过抽水来进行泥沙管理的措施。为了更好地减少泥沙淤积，也可以在适当的时候结合挖掘泥沙来进行泥沙管理。

3.1 河流型水库

为了更好地分析本文所提出的泥沙管理措施的可行性，选取库容为9 930 000 m3、集水区面积为169 km2的河流型水库进行后续的模拟分析。本文使用一维模型，并通过多年的调查数据，将模拟结果与实际情况进行了拟合。在该模型中，泥沙量由Ashida-Michiue公式计算[6]。

表2显示了河流型的泥沙沉积管理方法。在未来28年内，无需对案例A1的泥沙沉积物采取任何行动；对于案例A2，需要在洪水期间水位下降时进行泥沙管理；而案例A3则需要每年完成30 000 m3的泥沙开挖量。

表2 河流型水库中不同案例的泥沙沉积管理

图5为不同案例下河流型水库中泥沙沉积的位置。在案例A1中，整个水库的泥沙沉降量基本上的趋势呈先增加后降低，但总体而言还是在增加，这种增加会导致洪水水位更高，且对水库周围的基础设施造成更多的影响。在案例A2和案例A3中，水库附近的泥沙淤积逐渐增加，水库中部的泥沙淤积逐渐减少，这使得水库中部的洪水水位较低。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。

图5 河流型水库中泥沙的沉积位置

图6为28年内水库总沉积量的年变化情况。在案例A1中，总沉降量呈起伏上升的趋势；但在案例A2和案例A3中，总沉降量呈轻微波动趋势几乎保持不变。这说明实施降低水位和挖掘的泥沙管理策略是有效且具有可持续性的。

图6 河流型水库总泥沙沉积量的年变化情况

表3为不同泥沙沉积管理措施的成本比较。与开挖策略(案例A3)相比，采用下降水位的方法(案例A2)更经济。

表3 在河流型水库中采用不同泥沙沉积管理方法的成本比较

3.2 中间型水库

为了检验泥沙管理策略对中间型水库的有效性，选取库容为4 420 000 m3、集水区面积为217 km2的中间型水库进行后续的模拟分析。所选取的水库会出现泥沙淤积的情况，且会造成周边桥梁处的洪水水位上升。因此，需要在这些水库中考虑实施泥沙管理策略。

表4为中间型水库泥沙管理的数值分析案例和相应的情景。案例B1代表在未来22年内不实施泥沙管理的情况；案例B2代表在洪水期间采取抽水来降低水位的策略；案例B3代表采取每年开挖约30 000 m3泥沙量的策略；案例B4为降水位和开挖策略相结合的策略，其中年开挖泥沙量为15 000 m3。

表4 中间型水库中不同案例的泥沙沉积管理

该节所采取的模型仍为一维数值模型，并通过多年的调查数据，将模拟结果与实际情况进行拟合。在该模型中，泥沙量的计算参考Ashida-Michiue公式[6]。

图7为4种情况下中间型水库中的泥沙沉积位置。在每种情况下，沉积的位置都几乎与大坝的位置重合。在案例B1中，沉积主要集中在水库中部和大坝的附近。这造成水库中部的洪水水位较高，且会缩小水位与桥梁之间的距离。在案例B2中，沉积位置和案例B1中的位置类似。在案例B3中，整个水库的泥沙淤积的趋势几乎保持不变，处于一个较低的水平，水库中部的洪水水位并没有升高，说明这种情况中采用的方法是一种有效的泥沙管理策略。在案例B4中，坝址附近的泥沙淤积呈上升趋势，水库中部的泥沙淤积面积呈下降趋势，说明这种情况中的泥沙管理方法也比较有效。